LTE-U系统的随机接入和数据传输的机制设计与参数优化

发布时间：2020-06-14 16:06

【摘要】：作为飞速发展的移动互联网和物联网的基础设施之一,蜂窝移动通信系统应能支持泛在化和多样化的新用户/业务需求。这对同时支持人与人(Human to Human,H2H)通信和机器间(Machine to Machine,M2M)通信的第五代(the 5th generation,5G)蜂窝移动通信系统提出了新的技术需求。然而,作为5G候选技术之一的免授权频段的长期演进(Unlicensed Long Term Evolution,LTE-U)技术因信道非连续可用、信道接入时刻不确定、单次信道占用时长受限,使其随机接入和数据传输不能直接沿用传统长期演进(Long Term Evolution,LTE)系统的标准和技术。本学位论文针对LTE-U系统,研究其支持H2H业务和M2M业务的随机接入(RandomAccess,RA)技术和数据传输技术。为使LTE-U系统可以在免授权频段运行,提出“有效信道”的概念并设计有效信道上有效帧和有效时隙的辨识和编号方法。有效信道由实际信道中LTE-U系统接入信道的时段首尾相连构成,即剔除了所有LTE-U系统非信道占用时段后得到的信道。有效信道包含的帧、子帧和时隙都是“有效”的,即可以被LTE-U系统所使用。这使LTE-U系统的各种协议、操作的设计难度大幅降低。针对H2H业务,研究满足免授权频段的法规约束且最小化改动传统LTE系统的随机接入协议,并在性能分析的基础上进行参数优化。提出一种基于用户分组和有效窗长的随机接入协议。该协议中用户被分成不同的组,每个时刻只有一组用户发起RA尝试,从而降低组间用户冲突;组内的积累用户被分散到多个RA时隙上发起RA尝试,从而降低组内用户冲突;用户在组激活时段内的等效连续信道上发起RA尝试和接收RA响应,从而避免LTE-U系统信道占用起始时刻不确定和单次占用信道时长有限引起的不必要的preamble码重传。推导出该协议的随机接入性能的闭合表达式,并推导出使随机接入效率最高的最优承载RA时隙的个数,为LTE-U系统的随机接入参数配置提供理论依据。针对小数据包M2M业务的下行数据传输,研究兼顾系统信道利用率和用户满意度的数据传输机制。首先定义归一化的用户满意度和信道利用率。其次,建模使LTE-U系统的信道利用率和用户满意度加权和最大的信道占用时长和子载波分配时频两维联合优化问题,并引入控制因子来灵活调整两者的权重。对需要提前知晓全部信道衰落、用户数据到达等统计信息方能求解且计算复杂度高的原始优化问题,借助李雅普诺夫优化理论解耦为只需利用当前数据到达信息和信道占用时段内的瞬时信道状态信息来求解的优化问题,再用Dinkelback理论将目标函数从分式表达等价转化为便于计算的减式表达,并提出转化后的优化问题的启发式求解算法。该理论工作可以为未来LTE-U系统中空口的设计提供指导。针对大量小数据包的M2M业务的上行数据传输,设计一种高效的随机接入和数据传输系统:分布式队列随机接入-多入多出数据传输(Distributed Queueing Random Access-Multiple-Input Multiple-Output,DQRA-MIMO)。该系统兼具分布式队列随机接入(Distributed Queueing Random Access,DQRA)协议冲突解决高效和多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术数据传输能力强的优点。为达到大的系统吞吐量和小的时延,本文提出使M2M业务冲突解决能力和数据传输速度相匹配,推导出吞吐量关于用户到达率、基站接收天线数和接入请求时隙数的闭合表达式。建立优化模型,推导出给定用户到达率、基站接收天线数和平均时延约束下使系统吞吐量达到最大的最优接入请求时隙数的显式表达。本理论研究和验证结果为LTE-U网络支撑海量小数据包业务提供参考依据。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5
【图文】：

１．２．１应用场景逡逑２０１５年在其第２２次会议上，国际电信联盟（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ逡逑Ｕｎｉｏｎ，邋ＩＴＵ）根据业务的数据传输速率、时延、连接数和可靠性等方面的要求逡逑明确了邋５Ｇ的三大主要应用场景［１７］：增强移动宽带（ｅｎｈａｎｃｅｄＭｏｂｉｌｅ邋Ｂｒｏａｄｂａｎｄ，逡逑ｅＭＢＢ）、大规模机器通信（ｍａｓｓｉｖｅ邋Ｍａｃｈｉｎｅ邋Ｔｙｐｅ邋Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｍＭＴＣ）和逡逑超高可靠低延时通信（Ｕｌｔｒａ邋Ｒｅｌｉａｂｌｅ邋ａｎｄ邋Ｌｏｗ邋Ｌａｔｅｎｃｙ邋Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，邋ＵＲＬＬＣ）逡逑［１８］，如图１．３所示。其中，逡逑＊逦ｅＭＢＢ通信场景主要是以人为中心的广域连续覆盖和局部热点覆盖通逡逑信，用于提供连续广域的覆盖和容量，满足大流量业务的数据传输需求，逡逑为用户带来更高速、更极致的服务体验。例如，面向３Ｄ及超高清视频逡逑传输、虚拟现实（Ｖｉｒｔｕａｌ邋Ｒｅａｌｉｔｙ，邋ＶＲ）邋／增强现实（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ邋Ｒｅａｌｉｔｙ，逡逑ＡＲ）、视频远距呈现和触觉互联网等大流量应用。该类场景对网络带宽逡逑

＊邋ＵＲＬＬＣ场景主要包括对传输时延和通信可靠性要求极高的车联网和工逡逑业控制等特殊应用，如自动驾驶、无人机、工业自动化等。这类应用易逡逑发生安全事故，故对端到端时延和可靠性具有极高的指标要求，需要满逡逑足毫秒级的端到端时延要求和接近１００％的数据传输通信可靠性保证。逡逑这种场景的通信方式也被称为超高可靠的机器通信（ｕｌｔｒａ－ｒｅｌｉａｂｌｅ邋ＭＴＣ，逡逑ｕＭＴＣ）【１９］0逡逑１．２．２关键能力逡逑不同于４Ｇ网络单纯地强调峰值速率，５Ｇ网络须从用户体验和系统性能两逡逑个方面进行考量［２°］，如图１．４所示。逡逑用户体验包括用户体验速率、端到端时延和移动性，具体表现为逡逑？用户体验速率：５Ｇ需要保证在真实网络环境下用户可以获得的最低传输逡逑

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 雷舒培;熊勇;杨秀梅;;长期演进系统中随机接入信号的产生方法[J];计算机工程;2011年13期

2 何琴;吴俊;;WCDMA随机接入过程的一种优化实现方案[J];测控技术;2010年03期

3 任斌;别志松;吴文礼;;一种新的基于特征序列的随机接入机制[J];通信技术;2009年01期

4 阎英;杨龙麟;;同步随机接入中信息传送的研究[J];通信技术;2007年12期

5 袁乃华;米粮川;郁鹏;;采用STBC技术提高TD-SCDMA系统的随机接入性能[J];电信技术;2006年08期

6 顾雪琳;田辉;杨宁;张平;;一种基于业务区分的随机接入方案[J];北京邮电大学学报;2006年05期

7 龙威,谢瑞和,林孝康;分优先级随机接入控制算法[J];华中理工大学学报;1999年07期

8 别志松;王伶;吴伟陵;;交织多址单步随机接入[J];北京邮电大学学报;2007年05期

9 李明,熊思民,张德民;TD-SCDMA随机接入信道的分析[J];无线电通信技术;2001年04期

10 高岩;徐筱麟;;WCDMA分组随机接入机制的分析与实现[J];军事通信技术;2001年02期

相关会议论文 前10条

1 林鹏;;卫星随机接入协议发展研究[A];第十三届卫星通信学术年会论文集[C];2017年

2 张华;孙璇;李源;白承灏;;TD-LTE PRACH规划设计要点[A];2013LTE网络创新研讨会论文集[C];2013年

3 张炎炎;赵旭凇;胡恒杰;李懿;;LTE-Advanced中的Relay技术研究[A];“2012TD-LTE网络创新研讨会”论文集[C];2012年

4 刘涛;董江波;刘玮;任冶冰;;NB-IoT网络的一种容量估算方法[A];面向5G的LTE网络创新研讨会（2017）论文集[C];2017年

5 刘培杰;闫迪;王彭;;随机接入用于天地一体化航天测控网建设构想[A];2018软件定义卫星高峰论坛会议摘要集[C];2018年

6 李沙茹拉;王玉琛;臧臣瑞;;4G广域场景覆盖手段探讨[A];《内蒙古通信》2016年第4期[C];2016年

7 饶栋;刘荣朵;;M2M中分布式接入等级阻塞方案[A];2013全国无线及移动通信学术大会论文集（下）[C];2013年

8 郑邦胜;;浅析TD-LTE系统的切换原理[A];《IT时代周刊》论文专版（第317期）[C];2015年

9 陈宗明;张鲲;郑宝玉;;无线网络中的冲突解决技术研究[A];现代通信理论与信号处理进展——2003年通信理论与信号处理年会论文集[C];2003年

10 邢剑卿;黄陈横;;3GPP NB-IoT空口容量浅析[A];2016广东蜂窝物联网发展论坛专刊[C];2016年

相关重要报纸文章 前6条

1 文琪邋李乐民;LTE物理层标准化：稳健开展 打造竞争力[N];人民邮电;2008年

2 ;LTE：更优化的无线通信技术[N];人民邮电;2010年

3 中国联通北京分公司移动网络技术维护部网络优化室 宋捷邋李菲;网络优化提升GSM用户感受[N];通信产业报;2007年

4 ;GSM网络优化方案探讨[N];人民邮电;2003年

5 安立公司 刘波;来自WCDMA射频测试的挑战[N];通信产业报;2003年

6 高文;CDMA手机“绿色”的奥秘[N];通信产业报;2001年

相关博士学位论文 前10条

1 袁建涛;LTE-U系统的随机接入和数据传输的机制设计与参数优化[D];浙江大学;2019年

2 张兆丰;移动随机接入研究[D];华南理工大学;2003年

3 黄铫;无线网络接入控制策略研究[D];北京邮电大学;2014年

4 伍亚丽;基于大规模M2M随机接入的上行资源分配方法研究[D];北京邮电大学;2017年

5 赵琳琳;随机接入网络有效容量与调度算法研究[D];吉林大学;2017年

6 何异舟;下一代卫星移动通信系统关键技术研究[D];北京邮电大学;2015年

7 李静叶;认知无线网络中资源管理的若干关键技术研究[D];北京邮电大学;2014年

8 杨柳;无线随机接入前导码管理、流量控制与数据包捕获研究[D];西南交通大学;2013年

9 孙俊;无线网络干扰管理的信息论研究[D];华中科技大学;2013年

10 陈禹;LTE TDD物理层过程关键技术研究[D];北京邮电大学;2010年

相关硕士学位论文 前10条

1 高琦;高速铁路环境下LTE随机接入算法研究[D];兰州交通大学;2018年

2 朱虹;LTE-A终端软基带的接入技术研究[D];湖南大学;2016年

3 黄辰;TD-LTE系统随机接入过程性能估计和优化[D];北京邮电大学;2013年

4 赵越;大规模MIMO随机接入信道的设计与实现[D];东南大学;2018年

5 关凤瑜;传输时限约束下的随机接入研究[D];南京理工大学;2018年

6 邵振亚;机器类通信中的大规模接入方法研究[D];南京邮电大学;2018年

7 陆宇;M2M随机接入控制算法研究[D];南京邮电大学;2018年

8 冯亚丽;基于CRDSA的卫星随机接入与控制方案研究[D];西安电子科技大学;2018年

9 李晓洁;大规模MIMO系统下的导频随机接入方案[D];西安电子科技大学;2018年

10 李蝉;基于LTE的M2M随机接入冲突检测与解决方法研究[D];西安电子科技大学;2018年

本文编号：2713025