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在移动无线通信系统发展过程中,频谱效率（Spectral Efficiency,SE）和能量效率（Energy Efficiency,EE）始终是衡量其性能最重要的两个指标。随着科学技术的发展,移动端通信业务需求出现爆炸式的增长。这对移动无线通信系统的频谱效率要求越来越高。而且在科技飞速发展的同时,也使全球环境日益恶化,能量消耗不断持续增长。因此为保证人类的可持续发展,如何提高能量效率已成为全球各个行业的重中之重。分布式天线系统（Distributed Antenna Systems,DAS）由于其特殊的结构,在提高系统频谱效率、提高用户服务质量和扩大通信覆盖范围等方面有着天然的优势。因此它受到越来越多的关注和研究并已成为下一代无线通信系统中一项重要技术。但同时它的特殊结构也存在一些极其复杂的问题。例如分布式天线系统仍存在边缘用户通信质量差、系统中干扰难以抑制等问题。另外一项未来移动通信中的关键技术:设备间（Device to Device,D2D）直接通信,它可以有效地提高边缘用户服务质量,一定程度上减少分布式天线系统中存在的干扰。D2D通信技术可以通过远程接入单元（Remote Access Unit,RAU）间接调控使合适的用户之间直接通信。在有效提高边缘用户服务质量的同时降低中心处理基站（Central Processing Base Station,CPBS）的负担,减少其处理能耗。因此基于分布式天线系统存在的缺陷,本论文将分布式天线系统与D2D通信技术相结合来提高通信系统的整体性能。全文的研究工作如下:（1）针对分布式天线系统中干扰严重的问题,通过构建虚拟小区来提高系统的频谱效率和能量效率。由于分布式天线系统中的用户是由所有远程接入单元提供服务,这样用户之间会带来极大的干扰。而虚拟小区理论可以有效地提高用户服务质量同时降低通信系统中的干扰。本章首先分析在单向分布式天线系统中构建虚拟小区。通过单向分布式天线系统中的虚拟小区构建算法在分布式天线系统小区之中形成合理的虚拟小区。然后分析了该系统中最大化频谱效率和能量效率的优化问题。通过分式规划（Fractional Programming,FP）和差分优化函数（Difference of Convex Function,D.C.）优化等相关理论,将最大化频谱效率和能量效率的优化问题转化为凸优化问题进行求解。仿真结果验证了在单向分布式天线系统中构建虚拟小区可以有效地提高系统的频谱效率和能量效率。基于单向分布式天线系统中构建虚拟小区的结论,本章第二部分将该结论扩展到双向分布式天线系统之中。因为在实际情况中,通信系统中总会同时存在上行用户和下行用户,因此考虑双向分布式天线系统更加合理。通过考虑双向分布式天线系统结构特点,利用双向分布式天线系统中的虚拟小区构建算法在双向分布式天线系统合理构建虚拟小区。类似地分析了该系统中最大化频谱效率和能量效率的优化问题。通过转化将带约束的非凸非线性的原优化问题转化为可以通过优化算法求解的等价问题,最后利用次梯度迭代算法和凹凸过程优化（Concave Convex Procedure,CCCP）算法分别得到最大化频谱效率和最大化能量效率时的最优功率分配解。仿真实验结果表明双向分布式天线系统中构建虚拟小区同样可以极大地提高系统的频谱效率和能量效率,而且当用户数量较多时增幅越加明显。（2）针对集中式天线系统中边缘用户通信服务质量较差的问题,通过加入D2D通信技术来提高系统的能量效率。通过总结已有关于D2D通信技术的相关工作,发现大多数研究工作构建系统模型时只是生硬地将D2D对添加入通信系统中,并没有考虑D2D对的成因。因此本章在分析了D2D通信的特点之后,通过D2D对选择算法将D2D通信合理地加入到集中式天线系统中。本章考虑用户在通信时采用包含大尺度和小尺度衰落的复合衰落信道模型,并且系统总消耗功率包含发射端消耗功率、芯片消耗功率和光纤通信时消耗功率。在D2D通信技术加入到集中式天线系统后,讨论了最大化系统能量效率的优化问题。通过次梯度迭代算法得到最大化系统能量效率时的功率分配。仿真实验结果表明当集中式天线系统中加入D2D通信之后,系统的能量效率有了极大的提升。（3）针对分布式天线系统中处于基站有效服务区域之外的用户服务质量较差的问题,通过添加D2D通信来提高系统的频谱效率和能量效率问题。第一部分首先分析了单用户、单D2D对分布式天线系统下最大化系统频谱效率和能量效率问题。通过分析后发现最大化系统频谱效率和最大化能量效率的优化问题都是无法直接求解的非凸非线性的优化问题。但通过应用分式规划和相关理论,可以将原问题转化为D.C.结构的优化问题,然后通过CCCP和内点法等优化方法求得最大化系统频谱效率和能量效率时的功率分配。根据第一部分的分析,本章第二部分考虑了在多用户分布式天线系统中合理添加D2D通信技术。通过对多用户分布式天线系统分析后,提出多用户分布式天线系统下D2D对选择算法,通过该选择算法将多用户分布式天线系统边缘用户中适合D2D通信的用户结合为D2D对。然后分析了基于D2D通信后的多用户分布式天线系统中最大化系统频谱效率和能量效率问题。类似地将这两个无法直接求解的优化问题通过结构变换,将它们的结构转化为可以利用优化算法进行求解的等价优化问题。仿真结果验证了相比与单纯的多用户分布式天线系统,在多用户分布式天线系统中加入D2D通信后可以极大地提高系统的频谱效率和能量效率。