面向集群通信的LTE上行关键技术研究

摘要

集群移动通信系统是一种专用业务无线调度系统，为用户提供满足行业需求特殊情形下的通信服务。虽然从技术原理上看与公网移动通信十分相似，但是专网集群通信具有一些无法取代的特性，如定制化要求高、区分用户优先级、极快的接入速度等。专网集群通信系统独立于公网通信系统，有其独立的演进路线，正在经历着从模拟专网集群通信系统到数字专网集群通信系统乃至宽带数字专网集群通信系统的演进。LTE技术作为全球4G标准，具有高频谱效率、高速率、低时延等优点，并且产业化程度高，因此LTE专网集群通信具有其它宽带通信技术不可比拟的优势，目前基于LTE技术的宽带专网集群通信技术演进已成为专网集群发展的共识，国内以海能达为代表的相关厂商正进行着LTE专网集群通信的研究与开发。
　　本文涉及的相关研究工作就是在这一产业发展背景下开展的，主要针对LTE专网集群通信上行关键技术进行研究和改进，具体包括上行随机接入和上行调度及资源分配两个方面。
　　作为无线通信系统中媒体接入控制(Media Access Control，MAC)的关键技术，随机接入的性能优劣对系统的整体性能有着不可忽视的影响。由于专网集群通信有着对接入时延以及区分用户优先级的特殊要求，因此在LTE专网集群通信的上行研究中，随机接入技术也必然成为重点。LTE中随机接入核心研究问题是如何减少接入过程中用户之间的碰撞几率问题，从而降低接入时延。本文在上行随机接入方面的主要工作包含以下几方面:
　　(1)研究了通信系统中常用的随机接入协议，在其数学模型基础上进行相应性能分析。分类归纳了LTE不同的随机接入场景，并分析相应场景下随机接入的触发条件，对LTE下基于竞争的随机接入流程进行了分析研究;
　　(2)研究了LTE的前导码序列和常用的退避算法，在此基础上针对专网通信与公网通信的不同特点，在原有LTE随机接入的基础上提出了一种改进的随机接入方案。为了验证改进方案与LTE随机接入的性能比较，分别搭建了各自的随机接入仿真模型。在相同接入业务量和场景下，验证该进随机接入方案的有效性和实用性。
　　作为MAC层另一个非常重要的组成部分，上行调度和资源分配在整个系统中也扮演着非常重要的角色。在某些涉及到公共安全的应用场景下，专网集群通信对数据的传输时延有着极高的要求，而在某些以大量数据传输为主的应用场景中，系统的吞吐量也是系统性能的重要指标。本文在上行调度和资源分配方面的主要工作包含以下几方面:
　　(1)研究了通信系统中常用的上行调度算法，并做了相应的对比分析。研究了上行调度涉及的上行参考信号和缓冲区状态报告等内容，重点分析了调度器的原理和功能以及上行调度的一般过程。
　　(2)在前人工作的基础上，针对集群通信系统的特点，提出了一种降低系统上行传输时延的三维资源动态分配方法，该方法充分考虑了用户的优先级和业务的优先级，在时频空三维上联合优化并采用了低复杂度的资源分配方法。搭建仿真平台对该方法进行了验证和分析。

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缩略词表

第一章 绪论

1．1 移动公网通信的发展和演进路线

1．1．1 历史背景

1．1．2 移动通信系统长期演进路线

1．2 专网集群通信简介

1．3 基于LTE的集群通信

1．4 本文研究内容和章节安排

第二章 LTE上行传输技术概述

2．1 3GPP LTE无线接入网架构

2．1．1 无线接入网架构

2．1．2 无线接口协议架构

2．2 SC-FDMA原理

2．3 MIMO系统原理

2．3．1 MIMO系统原理

2．3．2 SC-FDMA虚拟MIMO系统结构

2．4 上行链路参考信号

2．4．1 上行链路参考信号的生成

2．4．2 上行探测参考信号

2．5 本章小结

第三章 面向集群通信的LTE随机接入研究

3．1 引言

3．2 常见随机接入模型

3．2．1 ALOHA随机接入模型分析

3．2．2 CSMA／CD模型分析

3．3 LTE上行随机接入

3．3．1 前导码序列

3．3．2 LTE随机接入过程

3．4 一种基于优先级的LTE随机接入过程

3．5 仿真结果分析

3．6 本章小结

第四章 面向集群通信的LTF上行资源管理研究

4．1 引言

4．2 LTE上行资源调度与分配

4．2．1 缓冲区状态报告

4．2．2 上行调度过程

4．3 常见的几种调度算法

4．4 一种降低系统上行传输时延的三维资源动态分配方法

4．5 仿真与验证

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 可进一步研究的问题

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究工作及成果