大规模MIMO-D2D蜂窝网络中的下行传输速率研究

为了顺应第五代移动通信技术(5G)的发展，本文探讨了大规模MIMO与D2D通信混合蜂窝网络中的下行

大规模MIMO 系统是指基站配置数十根甚至数百根以上天线， 比传统MIMO 系统中的4 根或8 根天线增加一个数量级以上[1] [2]。

利用基站大规模天线阵列所提供的空间自由度， 移动蜂窝系统可在相同的时频资源下能够同时服务更多的用户，并且能够提供更高的频谱效率和能量效率[3]。鉴于此，大规模MIMO 成为无线通信领域面向5G 最为热点技术之一。

由于未来5G 将是基于多种先进技术由各种不同规模网络混合而成的异构网络， 因此在尽力发展大规模MIMO 技术同时， 也需要探讨大规模MIMO 技术与其它先进技术融合问题。

D2D 通信也是目前面向5G 的热点技术之一。它是一种在蜂窝系统的控制下，允许终端用户通过共享小区资源进行直接通信的新技术。在蜂窝网络引入D2D 通信，具有减轻基站负担，减小通信时延时， 提高频谱效率能量效率等优势[4]。迄今关于蜂窝网络D2D 通信研究已有大量成果涌现。特别，文献[5]提出D2D 在LTE 网络系统下的通信可能性，并讨论了在蜂窝网络中引入D2D 通信的影响。D2D 用户在复用蜂窝资源时会产生干扰，但可以通过预编码、功率控制以及多天线等技术进行有效的控制。文献[6]研究了大规模MIMO 与D2D 混合网络中上行链路频谱效率问题。该文指出蜂窝用户确实受到D2D 用户的干扰，但可以将D2D 干扰信号个数按一定比例向天线数收缩，增加天线数，可弥补干扰，提高系统的频谱效率。文献[7]考虑了大规模MIMO 与D2D 混合网络中下行链路，提出了一种采用Null-space 预编码来抑制蜂窝用户与D2D 用户之间干扰的方法。

文献[8]基于随机几何研究了一种功率控制方法， 在保证一定通信质量的前提下，对大规模MIMO 与D2D 混合系统实现能量效率最大化。

D2D 通信应用到大规模MIMO 蜂窝系统中是当今无线通信领域重要课题。为此，在文献[9]基础上， 本文对大规模MIMO 与D2D 混合网络中的下行链路频谱效率问题进行进一步探讨。

2. 联合系统模型 考虑一个单小区大规模MIMO 与D2D 通信联合的蜂窝网络，其下行链路系统模型如图1 所示[9]。

假定小区半径为R， 基站位于小区中心， 并配置大规模天线， 天线数量为M， 服务蜂窝用户数为K， 蜂窝用户数要小于天线数1KM<<。假定D2D 用户复用蜂窝用户下行链路的频谱资源，D2D 发射端用户服从泊松点过程(PPP)，密度为dλ ，其代表单位面积的平均D2D 用户数。蜂窝用户在小区内服从均匀分布，D2D 接收端距离配对的发送端距离为d，其中D2D 用户、蜂窝用户都配置单天线。

, k jR表示第j个D2D 发射端用户到第k 个D2D 接收端用户之间的距离，对于一个特定的D2D 用户标记为0，即0,0R