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支持D2D传输（D2D-underlay）的蜂窝通信技术，允许蜂窝系统中距离较近的用户在基站的控制下进行数据直传，从而可以极大节省系统功率和频谱资源，因此成为5G及B5G系统的关键技术之一。对于D2D-underlay蜂窝通信系统，如何合理规划D2D用户和蜂窝用户的链路参数，降低D2D用户和蜂窝用户之间的干扰是实现D2D-underlay系统高效运行的关键。本文围绕该问题，以D2D-underlay上行蜂窝基站多天线接收通信系统为研究场景，分别针对常规应用场景下D2D与蜂窝用户的和速率与和能效性能指标，以及非常规安全应用场景下D2D与蜂窝用户的安全和速率性能指标，考虑了D2D与蜂窝用户链路参数的联合优化问题。这些链路参数包括D2D链路的信道选择与发送功率，蜂窝用户上行链路的信道选择、发送功率以及基站的接收矩阵。主要工作有以下四个部分：
一、研究了D2D-underlay蜂窝系统中保证蜂窝用户最低速率需求时，基于D2D用户加权和速率以及加权和能效最大化的蜂窝用户的信道与功率分配以及D2D用户的功率分配问题。主要工作如下：1)由于信道分配变量是离散的，所考虑的两个优化问题都是混合整数规划问题。将这两个问题分别分解为两个子问题进行迭代求解。第一个子问题是在D2D用户发送功率已知时蜂窝用户的信道选择和功率分配问题；第二个子问题是在蜂窝用户的信道选择和功率分配已知时D2D用户发送功率的分配问题。前者转化为一个等效的指派问题，从而用匈牙利算法求出其最优解，而后者仍然是一个非凸问题。2)针对加权和速率最大化问题对应的第二个子问题，利用WMMSE算法对其进行求解。针对加权和能效最大化问题对应的第二个子问题，通过引入辅助变量将分式目标函数转化为分子与分母相减的形式，并利用WMMSE算法对其进行求解。通过迭代求解第一和第二个子问题，得到了原问题的一个次优解，仿真结果表明，与现有算法相比，所提出的算法可以有效提升D2D-underlay蜂窝系统的和速率以及能效性能。
二、研究了非精确CSI条件下D2D-underlay蜂窝系统中基于蜂窝与D2D用户最差和速率最大化的发送功率以及基站接收矩阵的联合优化问题。主要工作如下：1)利用有界模型对信道估计误差进行建模，得到结论：D2D用户的最差信干噪比可以通过分别寻找最小分子和最大分母而得到；对于蜂窝用户，由于信道估计误差向量之间是相互耦合的，所以无法通过类似的方法得到最差信干噪比。2)为了求解问题，利用链路MMSE与SINR之间的关系，推导了原目标函数的一个下界，并将目标函数替换为这个下界来简化原问题。3)证明了对于发送功率和基站接收矩阵这两个多维优化变量，固定其中一者优化另一者时，对应的问题都是一个半正定规划问题。通过迭代求解每个半正定规划问题得到原问题的次优解。仿真结果表明，与非鲁棒性相比，本文提出的算法可以得到更好的系统和速率。
三、研究了D2D-underlay蜂窝系统中基于蜂窝用户安全和速率最大化的信道选择、发送功率以及基站接收矩阵的联合优化问题。主要工作如下：1)证明了：在目标函数取得最优值的情况下，所有蜂窝用户要么处于非激活状态，要么以最大功率发送信号。2)在不存在D2D用户时，可以利用1)得到的结论将问题转化为指派问题，并使用匈牙利算法求得其最优解。3)在存在D2D用户时，由于蜂窝和D2D用户信道选择矩阵中的变量都是离散取值的，所考虑的问题是一个混合整数规划问题，通常很难求解。因此，论文在假设这个问题中蜂窝用户的信道选择矩阵使用2)中的解的条件下对剩余变量进行优化。将剩余问题分解为多个子问题，每个子问题最大化某个D2D对复用某个蜂窝用户的信道资源时该蜂窝用户的安全速率。在所有子问题都求解之后，这个问题可以转化为指派问题进行求解。4)仿真结果表明，通过设计D2D用户的发送功率，蜂窝用户的安全和速率以及安全速率不为0的蜂窝用户的比例可以获得极大的提升。
四、研究了D2D-underlay蜂窝系统中基于蜂窝与D2D用户安全和速率最大化的发送功率以及基站接收矩阵的联合优化问题。由于安全速率目标函数的表达式是一个函数的取正运算，使得优化问题难以求解，论文考虑去掉取正运算之后的“松弛函数”为目标函数的非凸优化问题，为了求解非凸的优化问题，论文通过采取以下求解技巧将该非凸的优化问题转化为凸问题进行求解：1)利用链路MMSE与SINR之间的关系，将目标函数表达式被减数项中的SINR用对应的MMSE表达式代替。2)引入辅助变量，将目标函数中的对数运算去除。3)通过引入另外的辅助变量将目标函数减数项中的分式SINR表达式表示为分子与分母相减的形式。通过以上处理技巧，虽然增加了问题的辅助优化变量，但是可以将原来的非凸问题转化为凸问题来求解。仿真结果表明，通过设计D2D用户的发送功率，蜂窝用户的安全和速率以及安全速率大于0的蜂窝用户的比例都可以得到有效的提升。并且与已有算法相比，所提算法可以获得更好的安全性能。
一、研究了D2D-underlay蜂窝系统中保证蜂窝用户最低速率需求时，基于D2D用户加权和速率以及加权和能效最大化的蜂窝用户的信道与功率分配以及D2D用户的功率分配问题。主要工作如下：1)由于信道分配变量是离散的，所考虑的两个优化问题都是混合整数规划问题。将这两个问题分别分解为两个子问题进行迭代求解。第一个子问题是在D2D用户发送功率已知时蜂窝用户的信道选择和功率分配问题；第二个子问题是在蜂窝用户的信道选择和功率分配已知时D2D用户发送功率的分配问题。前者转化为一个等效的指派问题，从而用匈牙利算法求出其最优解，而后者仍然是一个非凸问题。2)针对加权和速率最大化问题对应的第二个子问题，利用WMMSE算法对其进行求解。针对加权和能效最大化问题对应的第二个子问题，通过引入辅助变量将分式目标函数转化为分子与分母相减的形式，并利用WMMSE算法对其进行求解。通过迭代求解第一和第二个子问题，得到了原问题的一个次优解，仿真结果表明，与现有算法相比，所提出的算法可以有效提升D2D-underlay蜂窝系统的和速率以及能效性能。
二、研究了非精确CSI条件下D2D-underlay蜂窝系统中基于蜂窝与D2D用户最差和速率最大化的发送功率以及基站接收矩阵的联合优化问题。主要工作如下：1)利用有界模型对信道估计误差进行建模，得到结论：D2D用户的最差信干噪比可以通过分别寻找最小分子和最大分母而得到；对于蜂窝用户，由于信道估计误差向量之间是相互耦合的，所以无法通过类似的方法得到最差信干噪比。2)为了求解问题，利用链路MMSE与SINR之间的关系，推导了原目标函数的一个下界，并将目标函数替换为这个下界来简化原问题。3)证明了对于发送功率和基站接收矩阵这两个多维优化变量，固定其中一者优化另一者时，对应的问题都是一个半正定规划问题。通过迭代求解每个半正定规划问题得到原问题的次优解。仿真结果表明，与非鲁棒性相比，本文提出的算法可以得到更好的系统和速率。
三、研究了D2D-underlay蜂窝系统中基于蜂窝用户安全和速率最大化的信道选择、发送功率以及基站接收矩阵的联合优化问题。主要工作如下：1)证明了：在目标函数取得最优值的情况下，所有蜂窝用户要么处于非激活状态，要么以最大功率发送信号。2)在不存在D2D用户时，可以利用1)得到的结论将问题转化为指派问题，并使用匈牙利算法求得其最优解。3)在存在D2D用户时，由于蜂窝和D2D用户信道选择矩阵中的变量都是离散取值的，所考虑的问题是一个混合整数规划问题，通常很难求解。因此，论文在假设这个问题中蜂窝用户的信道选择矩阵使用2)中的解的条件下对剩余变量进行优化。将剩余问题分解为多个子问题，每个子问题最大化某个D2D对复用某个蜂窝用户的信道资源时该蜂窝用户的安全速率。在所有子问题都求解之后，这个问题可以转化为指派问题进行求解。4)仿真结果表明，通过设计D2D用户的发送功率，蜂窝用户的安全和速率以及安全速率不为0的蜂窝用户的比例可以获得极大的提升。
四、研究了D2D-underlay蜂窝系统中基于蜂窝与D2D用户安全和速率最大化的发送功率以及基站接收矩阵的联合优化问题。由于安全速率目标函数的表达式是一个函数的取正运算，使得优化问题难以求解，论文考虑去掉取正运算之后的“松弛函数”为目标函数的非凸优化问题，为了求解非凸的优化问题，论文通过采取以下求解技巧将该非凸的优化问题转化为凸问题进行求解：1)利用链路MMSE与SINR之间的关系，将目标函数表达式被减数项中的SINR用对应的MMSE表达式代替。2)引入辅助变量，将目标函数中的对数运算去除。3)通过引入另外的辅助变量将目标函数减数项中的分式SINR表达式表示为分子与分母相减的形式。通过以上处理技巧，虽然增加了问题的辅助优化变量，但是可以将原来的非凸问题转化为凸问题来求解。仿真结果表明，通过设计D2D用户的发送功率，蜂窝用户的安全和速率以及安全速率大于0的蜂窝用户的比例都可以得到有效的提升。并且与已有算法相比，所提算法可以获得更好的安全性能。