【摘要】：作為飛速發(fā)展的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施之一,蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)能支持泛在化和多樣化的新用戶/業(yè)務(wù)需求。這對(duì)同時(shí)支持人與人(Human to Human,H2H)通信和機(jī)器間(Machine to Machine,M2M)通信的第五代(the 5th generation,5G)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)提出了新的技術(shù)需求。然而,作為5G候選技術(shù)之一的免授權(quán)頻段的長(zhǎng)期演進(jìn)(Unlicensed Long Term Evolution,LTE-U)技術(shù)因信道非連續(xù)可用、信道接入時(shí)刻不確定、單次信道占用時(shí)長(zhǎng)受限,使其隨機(jī)接入和數(shù)據(jù)傳輸不能直接沿用傳統(tǒng)長(zhǎng)期演進(jìn)(Long Term Evolution,LTE)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)。本學(xué)位論文針對(duì)LTE-U系統(tǒng),研究其支持H2H業(yè)務(wù)和M2M業(yè)務(wù)的隨機(jī)接入(RandomAccess,RA)技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。為使LTE-U系統(tǒng)可以在免授權(quán)頻段運(yùn)行,提出“有效信道”的概念并設(shè)計(jì)有效信道上有效幀和有效時(shí)隙的辨識(shí)和編號(hào)方法。有效信道由實(shí)際信道中LTE-U系統(tǒng)接入信道的時(shí)段首尾相連構(gòu)成,即剔除了所有LTE-U系統(tǒng)非信道占用時(shí)段后得到的信道。有效信道包含的幀、子幀和時(shí)隙都是“有效”的,即可以被LTE-U系統(tǒng)所使用。這使LTE-U系統(tǒng)的各種協(xié)議、操作的設(shè)計(jì)難度大幅降低。針對(duì)H2H業(yè)務(wù),研究滿足免授權(quán)頻段的法規(guī)約束且最小化改動(dòng)傳統(tǒng)LTE系統(tǒng)的隨機(jī)接入?yún)f(xié)議,并在性能分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。提出一種基于用戶分組和有效窗長(zhǎng)的隨機(jī)接入?yún)f(xié)議。該協(xié)議中用戶被分成不同的組,每個(gè)時(shí)刻只有一組用戶發(fā)起RA嘗試,從而降低組間用戶沖突;組內(nèi)的積累用戶被分散到多個(gè)RA時(shí)隙上發(fā)起RA嘗試,從而降低組內(nèi)用戶沖突;用戶在組激活時(shí)段內(nèi)的等效連續(xù)信道上發(fā)起RA嘗試和接收RA響應(yīng),從而避免LTE-U系統(tǒng)信道占用起始時(shí)刻不確定和單次占用信道時(shí)長(zhǎng)有限引起的不必要的preamble碼重傳。推導(dǎo)出該協(xié)議的隨機(jī)接入性能的閉合表達(dá)式,并推導(dǎo)出使隨機(jī)接入效率最高的最優(yōu)承載RA時(shí)隙的個(gè)數(shù),為L(zhǎng)TE-U系統(tǒng)的隨機(jī)接入?yún)?shù)配置提供理論依據(jù)。針對(duì)小數(shù)據(jù)包M2M業(yè)務(wù)的下行數(shù)據(jù)傳輸,研究兼顧系統(tǒng)信道利用率和用戶滿意度的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。首先定義歸一化的用戶滿意度和信道利用率。其次,建模使LTE-U系統(tǒng)的信道利用率和用戶滿意度加權(quán)和最大的信道占用時(shí)長(zhǎng)和子載波分配時(shí)頻兩維聯(lián)合優(yōu)化問題,并引入控制因子來靈活調(diào)整兩者的權(quán)重。對(duì)需要提前知曉全部信道衰落、用戶數(shù)據(jù)到達(dá)等統(tǒng)計(jì)信息方能求解且計(jì)算復(fù)雜度高的原始優(yōu)化問題,借助李雅普諾夫優(yōu)化理論解耦為只需利用當(dāng)前數(shù)據(jù)到達(dá)信息和信道占用時(shí)段內(nèi)的瞬時(shí)信道狀態(tài)信息來求解的優(yōu)化問題,再用Dinkelback理論將目標(biāo)函數(shù)從分式表達(dá)等價(jià)轉(zhuǎn)化為便于計(jì)算的減式表達(dá),并提出轉(zhuǎn)化后的優(yōu)化問題的啟發(fā)式求解算法。該理論工作可以為未來LTE-U系統(tǒng)中空口的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。針對(duì)大量小數(shù)據(jù)包的M2M業(yè)務(wù)的上行數(shù)據(jù)傳輸,設(shè)計(jì)一種高效的隨機(jī)接入和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng):分布式隊(duì)列隨機(jī)接入-多入多出數(shù)據(jù)傳輸(Distributed Queueing Random Access-Multiple-Input Multiple-Output,DQRA-MIMO)。該系統(tǒng)兼具分布式隊(duì)列隨機(jī)接入(Distributed Queueing Random Access,DQRA)協(xié)議沖突解決高效和多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。為達(dá)到大的系統(tǒng)吞吐量和小的時(shí)延,本文提出使M2M業(yè)務(wù)沖突解決能力和數(shù)據(jù)傳輸速度相匹配,推導(dǎo)出吞吐量關(guān)于用戶到達(dá)率、基站接收天線數(shù)和接入請(qǐng)求時(shí)隙數(shù)的閉合表達(dá)式。建立優(yōu)化模型,推導(dǎo)出給定用戶到達(dá)率、基站接收天線數(shù)和平均時(shí)延約束下使系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最大的最優(yōu)接入請(qǐng)求時(shí)隙數(shù)的顯式表達(dá)。本理論研究和驗(yàn)證結(jié)果為L(zhǎng)TE-U網(wǎng)絡(luò)支撐海量小數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)提供參考依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN929.5
【圖文】：

１．２．１應(yīng)用場(chǎng)景逡逑２０１５年在其第２２次會(huì)議上，國際電信聯(lián)盟（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ逡逑Ｕｎｉｏｎ，邋ＩＴＵ）根據(jù)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸速率、時(shí)延、連接數(shù)和可靠性等方面的要求逡逑明確了邋５Ｇ的三大主要應(yīng)用場(chǎng)景［１７］：增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（ｅｎｈａｎｃｅｄＭｏｂｉｌｅ邋Ｂｒｏａｄｂａｎｄ，逡逑ｅＭＢＢ）、大規(guī)模機(jī)器通信（ｍａｓｓｉｖｅ邋Ｍａｃｈｉｎｅ邋Ｔｙｐｅ邋Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｍＭＴＣ）和逡逑超高可靠低延時(shí)通信（Ｕｌｔｒａ邋Ｒｅｌｉａｂｌｅ邋ａｎｄ邋Ｌｏｗ邋Ｌａｔｅｎｃｙ邋Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，邋ＵＲＬＬＣ）逡逑［１８］，如圖１．３所示。其中，逡逑＊邐ｅＭＢＢ通信場(chǎng)景主要是以人為中心的廣域連續(xù)覆蓋和局部熱點(diǎn)覆蓋通逡逑信，用于提供連續(xù)廣域的覆蓋和容量，滿足大流量業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸需求，逡逑為用戶帶來更高速、更極致的服務(wù)體驗(yàn)。例如，面向３Ｄ及超高清視頻逡逑傳輸、虛擬現(xiàn)實(shí)（Ｖｉｒｔｕａｌ邋Ｒｅａｌｉｔｙ，邋ＶＲ）邋／增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ邋Ｒｅａｌｉｔｙ，逡逑ＡＲ）、視頻遠(yuǎn)距呈現(xiàn)和觸覺互聯(lián)網(wǎng)等大流量應(yīng)用。該類場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬逡逑

＊邋ＵＲＬＬＣ場(chǎng)景主要包括對(duì)傳輸時(shí)延和通信可靠性要求極高的車聯(lián)網(wǎng)和工逡逑業(yè)控制等特殊應(yīng)用，如自動(dòng)駕駛、無人機(jī)、工業(yè)自動(dòng)化等。這類應(yīng)用易逡逑發(fā)生安全事故，故對(duì)端到端時(shí)延和可靠性具有極高的指標(biāo)要求，需要滿逡逑足毫秒級(jí)的端到端時(shí)延要求和接近１００％的數(shù)據(jù)傳輸通信可靠性保證。逡逑這種場(chǎng)景的通信方式也被稱為超高可靠的機(jī)器通信（ｕｌｔｒａ－ｒｅｌｉａｂｌｅ邋ＭＴＣ，逡逑ｕＭＴＣ）【１９］0逡逑１．２．２關(guān)鍵能力逡逑不同于４Ｇ網(wǎng)絡(luò)單純地強(qiáng)調(diào)峰值速率，５Ｇ網(wǎng)絡(luò)須從用戶體驗(yàn)和系統(tǒng)性能兩逡逑個(gè)方面進(jìn)行考量［２°］，如圖１．４所示。逡逑用戶體驗(yàn)包括用戶體驗(yàn)速率、端到端時(shí)延和移動(dòng)性，具體表現(xiàn)為逡逑？用戶體驗(yàn)速率：５Ｇ需要保證在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下用戶可以獲得的最低傳輸逡逑

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本文編號(hào)：2713025