高性能非授权频段无线通信系统关键技术研究

发布时间：2020-03-18 12:58

【摘要】：随着信息时代的到来,无线业务数据量也正在经历着爆炸性的增长。为了满足未来无线业务需求量,无论学术界还是工业界都在寻求提高系统容量的方法,如作为目前研究热点的自适应调制与编码、MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)、协作传输等提高频谱效率的技术,以及提高频谱空间利用率的大密度小小区网络。然而,仅依靠上述技术,还是无法应对未来无线业务数据量的增长,同时还会带来信号处理复杂度高、硬件设备要求高和网络管理难度大的问题。因此,系统带宽的扩展作为最简单和有效的系统容量提升方法越来越收到重视。但是,作为一种不可再生的、稀有的国家战略资源,目前几乎所有适合用于无线传输的优良频谱资源都已经被分配殆尽,使得无线通信系统运营商即使花费巨额的经济代价,可能也无法获得更多的授权频段。然而,即使在频谱资源如此稀缺的情况下,相关调查表明很多授权频谱的利用率较低。为了避免这种浪费,各国无线电管理部门,如美国联邦通信委员会(FCC),都开始积极推动动态频谱资源分配方案。相应地,从800 MHz、2.4 GHz、5.8 GHz等低频频段,到24 GHz和60 GHz高频毫米波频段,大量的非授权频段被开放出来供所有无线设备免费接入。非授权频段接入无线通信系统的发展和研究,也显得格外迫切。因此,随着移动通信网络从第四代(4G)向第五代(5G)演进,本文的研究重点先从传统的LTE-U(非授权LTE)系统开始,向性能更好并具有5G网络架构特征的控制面/用户面(C/U面)解耦的LTE-U系统延伸;最后,基于先进的5G网络技术,对5G非授权和授权频段联合接入网络架构进行系统设计和性能优化。本文研究工作主要从两个方面进行,一是对非授权频段无线通信系统进行系统设计,以保证其可行性和工程实现性;二是针对所设计非授权频段无线通信系统在实际运行中可能遇到的问题,提出相应的解决方案和优化算法。本文的主要贡献总结如下:1)考虑到传统LTE网络的技术标准都是针对5 GHz以下低频频段制定的,而非授权频段大多都分布于高频频段,本文基于现有LTE标准设计了LTE-U系统的物理层关键技术,包括物理帧结构、物理信道、参考信号分布等,使其适用于包括毫米波频段在内高频频段的无线传输。非授权频段上可能遭受来自其他系统不可控的干扰,由于不同系统之间往往不能相互协作,使得干扰协调问题较难解决。对于不能相互协作系统之间的干扰协调,通过功率控制的方法可能会导致竞争系统都提升发射功率来保证自身通信质量,造成非授权频段上的恶性竞争。因此,基于多用户分集的思想,本文提出了基于匈牙利方法的非授权频段信道分配算法,来解决LTE-U系统的干扰协调问题。仿真结果表明该算法可以在保证不同用户间公平性的条件下,进行有效的干扰协调,使LTE-U系统在非授权频段上获得较高的吞吐率。2)基于C/U面解耦网络架构对LTE-U系统进行设计,以解决传统LTE-U网络复杂度高、资源管理和网络优化难度大等问题。作为一种新型和先进的网络架构,针对C/U面解耦网络架构一些基本技术的研究还几乎处于空白阶段,因此,本文对基于C/U面解耦LTE-U系统的网络架构、协议栈、帧结构等基本网络配置,以及测量过程、系统广播、切换等系统过程进行可行性设计。由于非授权的特殊性和C/U面解耦架构的特点,C/U面解耦LTE-U系统将会遭受严重的切换问题,特别是在高移动性场景下,该问题会更加严重。由于高频非授权频段的高传播损耗和发射功率限制,需要大密度小小区网络为其提供覆盖,造成了小小区间切换频繁问题。此外,在C/U面解耦网络架构中,大小区间切换需要经历宏基站间和小基站间两次物理上分离的切换过程,可能会带来切换触发滞后、切换重叠区不足等问题,导致切换成功率低。为了解决上述切换问题,本文基于C/U面解耦网络架构特点提出了一种小小区间无缝切换方案。在该方案中,宏基站在小小区间切换执行期间使用授权频段对用户进行数据传输,从而避免了LTE-U系统硬切换造成的数据中断。此外,为了解决高移动性场景(高速铁路)中的大小区间切换问题,本文提出了一种基于灰色预测理论GM(1,n)模型的切换判决算法,性能分析结果表明:该算法可以让列车在行驶到合理位置上提前触发切换,并可显著提高切换成功率。3)目前提出的LTE-U系统非授权频段接入机制大多类似于CSMA/CA MAC层机制,如动态频谱选择和先听后讲(LBT)等。虽然上述机制可以保证Wi-Fi系统的接入公平性,但是也过度牺牲了LTE-U系统在非授权频段上的吞吐率,特别是在Wi-Fi密集场景中。为解决上述问题,本文提出了一种新的LTE-U系统非授权频段接入机制,在该机制中LTE-U系统会根据Wi-Fi设备的无线传输参数,合理调整非授权频段接入参数。为获取Wi-Fi设备无线传输参数,本文设计了一种LTE-802.11融合协议栈,使LTE-U系统可以有效解读Wi-Fi设备发射物理帧中的控制信息。此外,本文提出了一种最大化遍历容量的优化方法,以得到LTE-U系统在非授权频段上最优的发射功率和接入时长。相关研究结果表明:本文提出机制可以在保证Wi-Fi系统的接入公平性的同时,使LTE-U系统在非授权频段上获得较高的吞吐率。4)基于C-RAN技术对5G非授权和授权频段联合接入网络架构进行了设计,使该网络架构具有复杂度低、灵活性高、信号处理及运算能力强、系统运行效率高等优点。在该网络中,成本和可靠性两种网络性能往往是相互制约的关系。这是因为追求低成本则需要更多的使用非授权频段来承载数据传输会造成低可靠性;而高可靠性意味着更多授权频段需要被用来提供无线传输,提高了成本。为了实现二者最优的折衷,本文首先通过给定可靠性性能限制条件下最小化成本的优化问题,对二者的相互制约关系进行了研究。我们发现,最小化成本方法虽然可以充分分析网络成本和可靠性性能的相互制约关系,但是无法找到二者间合理的平衡点。因此,本文定义了一种新的QoE效用,并提出了最大化网络QoE性能的优化问题,通过求解该优化问题获取最优的非授权和授权频段联合分配方案。相关仿真结果表明:该方法可以在显著提高网络QoE性能的同时,实现网络成本和可靠性性能之间合理的平衡。此外,为缓解非授权频段上突发性干扰和信道测量反馈时延对信道测量准确性和资源分配有效性的负面影响,本文提出了一种基于灰马尔科夫预测模型的干扰强度估计方案,研究结果显示该方案可以较为精确的估计干扰强度。
【图文】：

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电信通信标准化协会（ETSI）等。对于无线通信网络运营商来说，即使付出济代价，也很难得到足够多具有独家使用权的授权频段。然而，随着无线通飞速发展，无线通信的应用也在从传统的蜂窝网络向各行各业扩展，如车联网电网[13]、物联网[14]等，造成无线频谱需求量爆炸性的增长。基于 Report IMT.ESTIMATE]对未来无线频谱需求量的的调查和预测，到 2020 年，仅公众商对无线频谱的需求量就达到了 1440-1760 MHz[15]。考虑到我国无线通信应实际情况，基于 ITU-R M.[IMT.METH]中提供的计算方法，可以预测，到 202所有无线通信系统总的频谱需求量为 1360 MHz，其中公众移动运营商的需求 800 MHz[16]。然而，目前世界各国无线频谱的分配方式基本上是根据各个行点、带宽需求量进行静态频谱管理和分配，即授权用户在为其分配的频段上性，且不允许其他用户接入该频谱。图 1-1[17]和图 1-2[18]分别展示了美国和线频谱的分配情况。不难看出，几乎所有无线频谱的使用权都已授权给现有信系统，频谱资源的短缺和旺盛的需求之间形成了尖锐的矛盾。各大移动通对授权频段的追求最大程度地抬高了无线频谱资源的价格，如在欧洲和亚洲动通信网络授权频段的拍卖中，运营商花费数千亿美元购买授权频段，而最无线频谱授权成本会转嫁给普通的移动通信用户。

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图 1-2 中国无线电频谱资源分配表而，即使在无线频谱资源如此匮乏的情况下，根据各国机构的调查和统频谱的使用率却很低。在2003年，美国FCC发布的一份报告显示：在授频谱资源浪费严重的情况。3 GHz以下优质低频频段频谱利用率仅为15%频段使用率则更低。即便在用户较为拥挤的城市地区，部分授权频段也被充分利用的状态[19]。相似的结果也出现在共享频谱公司 (SSC) 2005报告中[20]，图1-3展示3 GHz以下频段在7个不同地点的平均利用率，不难段的平均利用率都低于30%，且大部分频段低于20%，处于资源严重浪费的示了用户密集的芝加哥和纽约地区的频谱利用率，，可以看到，大部分频于50%。此外，加州大学伯克利分校公布的调查显示：伯克利市中心3-率低于0.5%[21]；新加坡科技研究院 (A-STAR) 公布的调查结果表明：加坡地区无线频段的平均利用率只有4.5%，且除 GSM 和电视广播系统外，其他频段都处于利用率极低的状态[22]；通过北京邮电大学对3 GH量结果可知，我国频谱利用率普遍不高，且即使在较为繁忙的蜂窝移动上，也存着频谱在个别时段大量闲置的状况[23]。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN92

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