具有双向解码和转发帮助中继的设备间通信的Pareto最优功率分配

本文探讨了在蜂窝网络环境下，如何利用双向解码和转发（Decode-and-Forward，简称DF）中继技术对设备间（Device-to-Device，简称D2D）通信进行Pareto最优功率分配的策略。文章考虑了所有终端都只有一个天线的情况，并推导出D2D链路和蜂窝网络链路的总和速率表达式，然后提出了一个Pareto最优方法来最大化这两者链路的可实现总和速率。仿真结果表明，D2D链路的总和速率可以得到大幅提升，同时不影响蜂窝网络链路的性能。 蜂窝网络中的D2D通信是一种在底层蜂窝网络下工作，以提高频谱效率的技术。在这种情况下，D2D用户可以直接通过D2D链路相互通信，重新使用蜂窝网络的频谱资源，无需基站（Base Station，简称BS）的帮助。这不仅增加了频谱效率，还可以提高蜂窝网络的吞吐量。然而，这种新的通信方式为网络带来了新的干扰场景。为了避免有害的信道间干扰，一种直观的方法是确保蜂窝网络和D2D通信的资源分配是正交的，但这样会导致频谱效率下降。因此，最近研究了非正交频谱重用机制来增强系统性能。因此，干扰管理已成为一个重要问题。为了控制D2D用户和蜂窝用户之间的干扰，已经做了大量努力。例如，在一些研究中，为了实现D2D通信与蜂窝网络的协调工作，提出了基于解码和转发的协作通信机制。 在这种背景下，本研究提出了一种新策略，它考虑了双向解码和转发帮助中继的D2D通信。假设所有终端均配备单一天线，首先推导出D2D链路和蜂窝链路的总和速率表达式，然后提出了Pareto最优方法以最大化这两种链路的可实现总和速率。Pareto最优方法是指在不减少其他链路性能的前提下，使一种链路的性能达到最佳。这在资源受限的通信系统中尤其重要，因为它允许网络设计者在不同链路间进行平衡，以达到整个系统的最优状态。 本研究的策略结合了非正交资源分配机制和干扰管理，旨在解决D2D通信和蜂窝网络链路同时工作时所带来的挑战。通过仿真结果表明，这种方法能够在不牺牲蜂窝链路性能的前提下，显著提升D2D链路的总和速率，从而在保持蜂窝网络服务质量的同时，实现D2D通信的频谱效率提升。 文中提到的解码和转发（DF）技术是一种在无线通信中常见的中继技术，其主要特点是在中继节点上对接收到的信号进行解码和重新编码，然后转发。这种方法能够有效改善通信链路的信噪比，提高信号的传输质量。而双向解码和转发则意味着信息可以双向流通，即中继节点可以同时处理从两方向传来的信号。 Pareto最优概念来源于经济学，指的是在多目标优化问题中，如果一个解无法通过改变使得任何一方变得更好而不使任何一方变得更差，那么该解就是Pareto最优解。在通信系统的功率分配中应用Pareto最优概念，意味着寻找一个功率分配方案，使得在给定网络条件和限制下，各个通信链路的性能达到最优平衡，不存在进一步优化某条链路而不损害其他链路性能的可能。 本文指出该研究成果对现代无线通信网络设计有着重要意义，特别是在频谱资源日益紧张的今天，如何在保证通信质量的同时，提高频谱的使用效率，是当前和未来无线通信技术发展的关键问题。通过本文的研究成果，可以为相关领域提供一种新的视角和可能的解决方案。