本文關(guān)鍵詞：新一代蜂窩移動通信系統(tǒng)的時延性能分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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【摘要】：作為移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的支撐系統(tǒng)的主要組成部分之一,新一代蜂窩移動通信系統(tǒng)應(yīng)具備滿足多樣化業(yè)務(wù)的各種性能要求的能力。時延性能保障將成為新一代蜂窩移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵能力之一。然而,新一代蜂窩移動通信系統(tǒng)為提升容量而引入的認(rèn)知無線電和異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)等技術(shù),會導(dǎo)致信道數(shù)目頻繁變化和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞浅ｋS機(jī),這對系統(tǒng)的時延性能造成復(fù)雜的影響。而且,時延性能常常與系統(tǒng)的其它性能相互矛盾,例如為改善時延性能往往要增加網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和運(yùn)營代價。本學(xué)位論文針對采用新技術(shù)的新一代蜂窩移動通信系統(tǒng),對時延性能、時延與其它性能的折衷關(guān)系以及支持時延敏感業(yè)務(wù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。針對多信道認(rèn)知無線系統(tǒng),研究支持時延敏感業(yè)務(wù)的信道接入技術(shù),進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與性能分析。提出了一種兩階段信道接入方案,包括分布式信道協(xié)商階段和跳頻式信道接入階段。設(shè)計(jì)了一種用于跳頻式信道接入的公共跳頻序列生成算法。對于分布式信道協(xié)商階段,將次用戶的協(xié)商過程建模為一個二維馬爾可夫鏈(Markov chain),再轉(zhuǎn)化為一個一維馬爾可夫鏈,最終轉(zhuǎn)化為一個吸收馬爾可夫過程,推導(dǎo)出次用戶用于信道協(xié)商的平均最大等待時間的表達(dá)式。對于跳頻式信道接入階段,分析了次用戶的服務(wù)過程的等效信道的有效容量(effective capacity),在此基礎(chǔ)上定義了最大有效容量和平均每信道能夠支持的次用戶數(shù)。這兩個指標(biāo)為認(rèn)知無線系統(tǒng)的呼叫準(zhǔn)入控制和系統(tǒng)頻譜效率的評估提供了依據(jù)。針對由傳統(tǒng)宏蜂窩和密集小蜂窩組成的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò),研究其時延性能及與系統(tǒng)其它性能的折衷關(guān)系。通過把多層基站和用戶的位置建模為相互獨(dú)立的泊松點(diǎn)過程(Poisson point process,PPP),建立了異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)時延性能的分析框架。該框架囊括了系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)和外部環(huán)境因素,如基站密度、用戶密度、基站關(guān)聯(lián)參數(shù)、基站負(fù)載、用戶移動性以及傳輸?shù)臅r間相關(guān)性等。利用該框架,推導(dǎo)得到異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)在靜止和高速移動場景下的本地時延(local delay,傳輸可靠性為100%時的時延性能)、用戶和網(wǎng)絡(luò)的及時吞吐量(timely throughput,給定時延限制下成功傳輸數(shù)據(jù)包的個數(shù))的閉合表達(dá)式,得到若干有意義的發(fā)現(xiàn)。這些表達(dá)式清晰地揭示出環(huán)境條件和系統(tǒng)主要參數(shù)對時延性能及其與可靠性的折衷關(guān)系的影響。建立了密集同構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中尋找時延性能與網(wǎng)絡(luò)能耗最佳折衷關(guān)系的優(yōu)化問題,推導(dǎo)得到兩者達(dá)到最優(yōu)折衷時的基站密度的表達(dá)式。上述理論工作可為異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基站關(guān)聯(lián)參數(shù)設(shè)置和基站密度設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。針對新一代蜂窩移動通信系統(tǒng)多種回程(backhaul)技術(shù)混合配置的特點(diǎn),研究回程鏈路的時延性能和代價。對光纖、xDSL、低于6GHz頻段的無線傳輸(sub-6 GHz)和毫米波這四種最具潛力的回程技術(shù),分別建模其時延和代價�；跁r延模型,推導(dǎo)得到回程鏈路包傳輸?shù)钠骄鶗r延和限定時延下的傳輸成功概率。基于代價模型。推導(dǎo)得到平均每個基站的回程代價和代價最小時的網(wǎng)關(guān)(gateway)密度。作為模型的應(yīng)用,針對由宏基站和小基站構(gòu)成的兩層異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò),建立了使包傳輸?shù)钠骄鶗r延最小的基站關(guān)聯(lián)優(yōu)化問題,推導(dǎo)得出最優(yōu)基站關(guān)聯(lián)偏置參數(shù)的表達(dá)式。上述理論研究和驗(yàn)證結(jié)果還揭示了無線接入網(wǎng)(radio access network, RAN)和回程網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合設(shè)計(jì)對性能提升／保障的必要性。
【關(guān)鍵詞】：時延 認(rèn)知無線電 異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò) 信道接入 回程 隨機(jī)幾何 有效容量 本地時延 及時吞吐量 網(wǎng)絡(luò)代價 折衷
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN929.5
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-16
• 1 緒論16-30
• 1.1 研究背景17-18
• 1.2 新一代蜂窩移動通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)18-24
• 1.2.1 主要性能指標(biāo)18-19
• 1.2.2 關(guān)鍵技術(shù)19-21
• 1.2.3 認(rèn)知無線電21-22
• 1.2.4 異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)22-24
• 1.3 研究意義和內(nèi)容24-27
• 1.3.1 認(rèn)知無線系統(tǒng)中支持時延敏感業(yè)務(wù)的信道接入25
• 1.3.2 異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)時延及與系統(tǒng)其它性能折衷關(guān)系的分析25-27
• 1.3.3 回程鏈路的時延性能和代價分析及基站關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)27
• 1.4 論文的主要貢獻(xiàn)和結(jié)構(gòu)安排27-30
• 2 認(rèn)知信道條件下支持時延敏感業(yè)務(wù)的信道接入方案設(shè)計(jì)與性能分析30-52
• 2.1 系統(tǒng)模型31-32
• 2.2 基于跳頻的分布式信道接入方案32-37
• 2.2.1 時隙結(jié)構(gòu)33
• 2.2.2 分布式信道協(xié)商33-34
• 2.2.3 跳頻式信道接入34-36
• 2.2.4 兩階段信道接入的完整流程36-37
• 2.3 信道協(xié)商階段的平均等待時間分析37-41
• 2.3.1 二維馬爾可夫過程及其狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率37-39
• 2.3.2 一維馬爾可夫過程及其狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率39
• 2.3.3 吸收馬爾可夫過程及到達(dá)穩(wěn)態(tài)的平均時間39-41
• 2.4 信道接入階段的有效容量分析41-44
• 2.4.1 有效容量定義41
• 2.4.2 跳頻式信道接入的有效容量41-43
• 2.4.3 有效容量的應(yīng)用——最大有效容量和平均每信道能支持的次用戶數(shù)43-44
• 2.5 性能評估44-50
• 2.5.1 平均最大等待時間44-46
• 2.5.2 有效容量46-48
• 2.5.3 最大有效容量和平均每信道能支持的次用戶數(shù)48-50
• 2.6 本章小結(jié)50-52
• 3 異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)時延及與系統(tǒng)其它性能折衷關(guān)系的分析52-76
• 3.1 異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)模型53-56
• 3.1.1 用戶關(guān)聯(lián)和基站激活模型54-56
• 3.1.2 調(diào)度和傳輸模型56
• 3.2 異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的及時吞吐量56-61
• 3.2.1 用戶及時吞吐量與單位面積及時吞吐量57-58
• 3.2.2 主要結(jié)果58-60
• 3.2.3 一些特例60-61
• 3.3 異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的本地時延61-65
• 3.3.1 一般情況和主要結(jié)果61-63
• 3.3.2 一些特例63-65
• 3.4 密集同構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)時延與代價的最優(yōu)折衷65-67
• 3.5 性能評估67-75
• 3.5.1 用戶及時吞吐量和本地時延的驗(yàn)證與評估68-69
• 3.5.2 關(guān)聯(lián)偏置69-72
• 3.5.3 時延與可靠性、代價等的折衷關(guān)系72-75
• 3.6 本章小結(jié)75-76
• 4 異構(gòu)回程的時延性能和代價分析及基站關(guān)聯(lián)優(yōu)化76-104
• 4.1 回程模型77-81
• 4.1.1 網(wǎng)絡(luò)模型77-78
• 4.1.2 時延模型78-81
• 4.1.3 代價模型81
• 4.2 回程鏈路的時延性能分析81-89
• 4.2.1 回程鏈路的平均時延82-83
• 4.2.2 限定時延下的傳輸成功概率83-85
• 4.2.3 性能評估85-89
• 4.3 回程代價分析89-91
• 4.4 回程感知的基站關(guān)聯(lián)策略91-102
• 4.4.1 平均網(wǎng)絡(luò)時延92-95
• 4.4.2 基站關(guān)聯(lián)策略95-96
• 4.4.3 性能評估96-102
• 4.5 本章小結(jié)102-104
• 5 總結(jié)與展望104-108
• 5.1 本文工作總結(jié)104-105
• 5.2 未來工作展望105-108
• 附錄108-114
• 參考文獻(xiàn)114-124
• 攻讀博士學(xué)位期間參研項(xiàng)目和主要成果124-126
• 簡歷126

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本文編號：572025