【摘要】：隨著信息時代的到來,無線業(yè)務數(shù)據量也正在經歷著爆炸性的增長。為了滿足未來無線業(yè)務需求量,無論學術界還是工業(yè)界都在尋求提高系統(tǒng)容量的方法,如作為目前研究熱點的自適應調制與編碼、MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)、協(xié)作傳輸?shù)忍岣哳l譜效率的技術,以及提高頻譜空間利用率的大密度小小區(qū)網絡。然而,僅依靠上述技術,還是無法應對未來無線業(yè)務數(shù)據量的增長,同時還會帶來信號處理復雜度高、硬件設備要求高和網絡管理難度大的問題。因此,系統(tǒng)帶寬的擴展作為最簡單和有效的系統(tǒng)容量提升方法越來越收到重視。但是,作為一種不可再生的、稀有的國家戰(zhàn)略資源,目前幾乎所有適合用于無線傳輸?shù)膬?yōu)良頻譜資源都已經被分配殆盡,使得無線通信系統(tǒng)運營商即使花費巨額的經濟代價,可能也無法獲得更多的授權頻段。然而,即使在頻譜資源如此稀缺的情況下,相關調查表明很多授權頻譜的利用率較低。為了避免這種浪費,各國無線電管理部門,如美國聯(lián)邦通信委員會(FCC),都開始積極推動動態(tài)頻譜資源分配方案。相應地,從800 MHz、2.4 GHz、5.8 GHz等低頻頻段,到24 GHz和60 GHz高頻毫米波頻段,大量的非授權頻段被開放出來供所有無線設備免費接入。非授權頻段接入無線通信系統(tǒng)的發(fā)展和研究,也顯得格外迫切。因此,隨著移動通信網絡從第四代(4G)向第五代(5G)演進,本文的研究重點先從傳統(tǒng)的LTE-U(非授權LTE)系統(tǒng)開始,向性能更好并具有5G網絡架構特征的控制面/用戶面(C/U面)解耦的LTE-U系統(tǒng)延伸;最后,基于先進的5G網絡技術,對5G非授權和授權頻段聯(lián)合接入網絡架構進行系統(tǒng)設計和性能優(yōu)化。本文研究工作主要從兩個方面進行,一是對非授權頻段無線通信系統(tǒng)進行系統(tǒng)設計,以保證其可行性和工程實現(xiàn)性;二是針對所設計非授權頻段無線通信系統(tǒng)在實際運行中可能遇到的問題,提出相應的解決方案和優(yōu)化算法。本文的主要貢獻總結如下:1)考慮到傳統(tǒng)LTE網絡的技術標準都是針對5 GHz以下低頻頻段制定的,而非授權頻段大多都分布于高頻頻段,本文基于現(xiàn)有LTE標準設計了LTE-U系統(tǒng)的物理層關鍵技術,包括物理幀結構、物理信道、參考信號分布等,使其適用于包括毫米波頻段在內高頻頻段的無線傳輸。非授權頻段上可能遭受來自其他系統(tǒng)不可控的干擾,由于不同系統(tǒng)之間往往不能相互協(xié)作,使得干擾協(xié)調問題較難解決。對于不能相互協(xié)作系統(tǒng)之間的干擾協(xié)調,通過功率控制的方法可能會導致競爭系統(tǒng)都提升發(fā)射功率來保證自身通信質量,造成非授權頻段上的惡性競爭。因此,基于多用戶分集的思想,本文提出了基于匈牙利方法的非授權頻段信道分配算法,來解決LTE-U系統(tǒng)的干擾協(xié)調問題。仿真結果表明該算法可以在保證不同用戶間公平性的條件下,進行有效的干擾協(xié)調,使LTE-U系統(tǒng)在非授權頻段上獲得較高的吞吐率。2)基于C/U面解耦網絡架構對LTE-U系統(tǒng)進行設計,以解決傳統(tǒng)LTE-U網絡復雜度高、資源管理和網絡優(yōu)化難度大等問題。作為一種新型和先進的網絡架構,針對C/U面解耦網絡架構一些基本技術的研究還幾乎處于空白階段,因此,本文對基于C/U面解耦LTE-U系統(tǒng)的網絡架構、協(xié)議棧、幀結構等基本網絡配置,以及測量過程、系統(tǒng)廣播、切換等系統(tǒng)過程進行可行性設計。由于非授權的特殊性和C/U面解耦架構的特點,C/U面解耦LTE-U系統(tǒng)將會遭受嚴重的切換問題,特別是在高移動性場景下,該問題會更加嚴重。由于高頻非授權頻段的高傳播損耗和發(fā)射功率限制,需要大密度小小區(qū)網絡為其提供覆蓋,造成了小小區(qū)間切換頻繁問題。此外,在C/U面解耦網絡架構中,大小區(qū)間切換需要經歷宏基站間和小基站間兩次物理上分離的切換過程,可能會帶來切換觸發(fā)滯后、切換重疊區(qū)不足等問題,導致切換成功率低。為了解決上述切換問題,本文基于C/U面解耦網絡架構特點提出了一種小小區(qū)間無縫切換方案。在該方案中,宏基站在小小區(qū)間切換執(zhí)行期間使用授權頻段對用戶進行數(shù)據傳輸,從而避免了LTE-U系統(tǒng)硬切換造成的數(shù)據中斷。此外,為了解決高移動性場景(高速鐵路)中的大小區(qū)間切換問題,本文提出了一種基于灰色預測理論GM(1,n)模型的切換判決算法,性能分析結果表明:該算法可以讓列車在行駛到合理位置上提前觸發(fā)切換,并可顯著提高切換成功率。3)目前提出的LTE-U系統(tǒng)非授權頻段接入機制大多類似于CSMA/CA MAC層機制,如動態(tài)頻譜選擇和先聽后講(LBT)等。雖然上述機制可以保證Wi-Fi系統(tǒng)的接入公平性,但是也過度犧牲了LTE-U系統(tǒng)在非授權頻段上的吞吐率,特別是在Wi-Fi密集場景中。為解決上述問題,本文提出了一種新的LTE-U系統(tǒng)非授權頻段接入機制,在該機制中LTE-U系統(tǒng)會根據Wi-Fi設備的無線傳輸參數(shù),合理調整非授權頻段接入參數(shù)。為獲取Wi-Fi設備無線傳輸參數(shù),本文設計了一種LTE-802.11融合協(xié)議棧,使LTE-U系統(tǒng)可以有效解讀Wi-Fi設備發(fā)射物理幀中的控制信息。此外,本文提出了一種最大化遍歷容量的優(yōu)化方法,以得到LTE-U系統(tǒng)在非授權頻段上最優(yōu)的發(fā)射功率和接入時長。相關研究結果表明:本文提出機制可以在保證Wi-Fi系統(tǒng)的接入公平性的同時,使LTE-U系統(tǒng)在非授權頻段上獲得較高的吞吐率。4)基于C-RAN技術對5G非授權和授權頻段聯(lián)合接入網絡架構進行了設計,使該網絡架構具有復雜度低、靈活性高、信號處理及運算能力強、系統(tǒng)運行效率高等優(yōu)點。在該網絡中,成本和可靠性兩種網絡性能往往是相互制約的關系。這是因為追求低成本則需要更多的使用非授權頻段來承載數(shù)據傳輸會造成低可靠性;而高可靠性意味著更多授權頻段需要被用來提供無線傳輸,提高了成本。為了實現(xiàn)二者最優(yōu)的折衷,本文首先通過給定可靠性性能限制條件下最小化成本的優(yōu)化問題,對二者的相互制約關系進行了研究。我們發(fā)現(xiàn),最小化成本方法雖然可以充分分析網絡成本和可靠性性能的相互制約關系,但是無法找到二者間合理的平衡點。因此,本文定義了一種新的QoE效用,并提出了最大化網絡QoE性能的優(yōu)化問題,通過求解該優(yōu)化問題獲取最優(yōu)的非授權和授權頻段聯(lián)合分配方案。相關仿真結果表明:該方法可以在顯著提高網絡QoE性能的同時,實現(xiàn)網絡成本和可靠性性能之間合理的平衡。此外,為緩解非授權頻段上突發(fā)性干擾和信道測量反饋時延對信道測量準確性和資源分配有效性的負面影響,本文提出了一種基于灰馬爾科夫預測模型的干擾強度估計方案,研究結果顯示該方案可以較為精確的估計干擾強度。
【圖文】：

電信通信標準化協(xié)會（ETSI）等。對于無線通信網絡運營商來說，即使付出濟代價，也很難得到足夠多具有獨家使用權的授權頻段。然而，隨著無線通飛速發(fā)展，無線通信的應用也在從傳統(tǒng)的蜂窩網絡向各行各業(yè)擴展，如車聯(lián)網電網[13]、物聯(lián)網[14]等，造成無線頻譜需求量爆炸性的增長。基于 Report IMT.ESTIMATE]對未來無線頻譜需求量的的調查和預測，到 2020 年，僅公眾商對無線頻譜的需求量就達到了 1440-1760 MHz[15]�？紤]到我國無線通信應實際情況，基于 ITU-R M.[IMT.METH]中提供的計算方法，可以預測，到 202所有無線通信系統(tǒng)總的頻譜需求量為 1360 MHz，其中公眾移動運營商的需求 800 MHz[16]。然而，目前世界各國無線頻譜的分配方式基本上是根據各個行點、帶寬需求量進行靜態(tài)頻譜管理和分配，即授權用戶在為其分配的頻段上性，且不允許其他用戶接入該頻譜。圖 1-1[17]和圖 1-2[18]分別展示了美國和線頻譜的分配情況。不難看出，幾乎所有無線頻譜的使用權都已授權給現(xiàn)有信系統(tǒng)，頻譜資源的短缺和旺盛的需求之間形成了尖銳的矛盾。各大移動通對授權頻段的追求最大程度地抬高了無線頻譜資源的價格，如在歐洲和亞洲動通信網絡授權頻段的拍賣中，運營商花費數(shù)千億美元購買授權頻段，而最無線頻譜授權成本會轉嫁給普通的移動通信用戶。

圖 1-2 中國無線電頻譜資源分配表而，即使在無線頻譜資源如此匱乏的情況下，根據各國機構的調查和統(tǒng)頻譜的使用率卻很低。在2003年，美國FCC發(fā)布的一份報告顯示：在授頻譜資源浪費嚴重的情況。3 GHz以下優(yōu)質低頻頻段頻譜利用率僅為15%頻段使用率則更低。即便在用戶較為擁擠的城市地區(qū)，部分授權頻段也被充分利用的狀態(tài)[19]。相似的結果也出現(xiàn)在共享頻譜公司 (SSC) 2005報告中[20]，圖1-3展示3 GHz以下頻段在7個不同地點的平均利用率，不難段的平均利用率都低于30%，且大部分頻段低于20%，處于資源嚴重浪費的示了用戶密集的芝加哥和紐約地區(qū)的頻譜利用率，，可以看到，大部分頻于50%。此外，加州大學伯克利分校公布的調查顯示：伯克利市中心3-率低于0.5%[21]；新加坡科技研究院 (A-STAR) 公布的調查結果表明：加坡地區(qū)無線頻段的平均利用率只有4.5%，且除 GSM 和電視廣播系統(tǒng)外，其他頻段都處于利用率極低的狀態(tài)[22]；通過北京郵電大學對3 GH量結果可知，我國頻譜利用率普遍不高，且即使在較為繁忙的蜂窩移動上，也存著頻譜在個別時段大量閑置的狀況[23]。
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN92

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本文編號：2588746