无线随机接入前导码管理、流量控制与数据包捕获研究

摘要

在各类蜂窝移动通信系统中，上行随机接入过程至关重要，通常包括用户终端初始注册、资源带宽申请以及数据发送。按照随机接入过程的时序环节，已有研究工作可以分为三类:即随机接入前的通信资源分配方法、随机接入中流量控制协议设计以及随机接入发生碰撞后的碰撞处理设计。本文研究涵盖了随机接入技术的三个方面，即随机接入前导码资源分配、流量控制随机接入协议设计以及数据包捕获方法设计。
　　首先，论文研究了LTE-A系统中面向M2M（Machine-to-Machine，机器对机器）和H2H（Human-to-Human，人对人）业务的随机接入前导码资源分配方法。在下一代移动通信系统中，M2M业务的数量迅速增长。为了保证系统容量的最大化，通信资源必须被合理地分配给M2M业务和传统的H2H业务。本文提出了一种面向LTE-A系统M2M和H2H业务的前导码分配方法。这个方法将可供分配的随机接入前导码分为三个子集:第一个子集只供H2H业务使用，第二个子集由H2H和M2M业务共同使用，第三个子集则只供M2M业务使用。针对提出的前导码分配方法，建模分析了系统的吞吐量性能，并与目前可能应用在LTE-A系统中的两种主要候选前导码分配方法进行了对比。结果表明，在大多数实际场合中，本文提出的前导码分配方法显示出更好的性能。
　　其次，论文研究了LTE系统中流量控制随机接入协议设计，分别针对传统的H2H业务以及事件驱动的M2M业务进行流量控制协议设计。
　　在针对传统的H2H业务进行流量控制协议设计时，首先分析了基于功率捕获和重发退避的多信道Slotted ALOHA协议的工作原理及其性能。由于现有研究缺乏对该协议的理论分析，本文重点针对该协议的数据包接入成功率、吞吐量和时延等性能指标进行了理论分析。研究表明，所得理论结果与仿真结果基本一致。此外，还通过大量仿真结果，分析了该协议中功率捕获比率、信道数量以及用户终端数量等参数对系统性能的影响。
　　在对多信道Slotted ALOHA协议性能研究的基础上，提出了一种可应用在UMTS和LTE系统中采用动态坚持度等级自适应转换机制的H2H业务流量控制随机接入协议，在协议设计中考虑了不同接入服务等级。该协议通过动态坚持度等级自适应转换机制达到流量控制的目的，使用坚持度概率做为流量控制因子。其转换机制基于数据包传输时延，使用各坚持度等级的吞吐量曲线的相交点作为坚持度等级变化的转换点。当节点发送数据包的平均时延超过当前级别转换点时延时，坚持度等级发生变化。论文给出了该协议的工作原理，并进行了转换点位置理论分析。理论分析和仿真结果表明，该随机接入协议可以使高优先级业务服务质量在系统重载时得到保障，并能达到采用UMTS系统基站调控机制的随机接入协议的系统性能;此外，与采用基站调控机制的随机接入协议相比，该协议能减少系统周期性广播的资源消耗。
　　针对事件驱动M2M业务具有流量大、数据产生事件集中的特点，提出了一种LTE系统中事件驱动M2M业务的流量控制随机接入协议，采用贝塔分布对事件驱动M2M业务建模，通过统计一段时隙内的随机接入前导码空闲比来估计信道流量，从而设计控制因子，进行流量控制。建模分析了采用该协议的系统吞吐量和时延性能，与目前在LTE系统中的随机接入协议的性能进行了对比。结果表明，该随机接入协议能够很好地估计系统负载，通过控制因子减少碰撞，从而显示出更好的系统性能。
　　最后，研究了扩频Slotted ALOHA协议的捕获机制，提出了一种在瑞利衰落环境下，使用基于公用码的直接扩频序列进行扩频调制，并采用功率控制扩频SlottedALOHA协议的联合时延-功率多数据包捕获方法。推导了对应的联合时延-功率捕获概率以及系统的吞吐量和时延性能。研究结果表明，理论推导结果和仿真结果一致，且与已有的捕获方法相比，在扩频Slotted ALOHA协议中使用联合时延-功率多数据包捕获方法可以显著提高系统的吞吐量和时延性能。

目录

声明

摘要

图表索引

主要符号和缩略词表

第1章 绪论

1．1 无线通信随机接入技术概述

1．2 无线通信随机接入技术研究现状

1．2．1 随机接入过程中通信资源分配方法研究现状

1．2．2 随机接入过程中流量控制协议设计研究现状

1．2．3 随机接入过程中碰撞处理设计研究现状

1．3 支持多优先级业务的随机接入协议设计

1．3．1 不同优先级业务类型的随机接入协议分类及其特点

1．3．2 支持多优先级业务的随机接入协议设计研究现状

1．3．3 支持多优先级业务的随机接入技术研究趋势

1．4 本文研究思路、主要贡献和论文组织结构

1．4．1 研究思路和主要贡献

1．4．2 论文组织结构

第2章 面向M2M／H2H业务的LTE-A系统随机接入前导码分配方法

2．1 研究背景

2．2 LTE-A系统的随机接入前导码分配候选方法

2．2．1 前导码分配候选方法1

2．2．2 前导码分配候选方法2

2．3 一种面向M2M／H2H业务的随机接入前导码分配方法

2．4 系统吞吐量性能分析

2．4．1 两种候选方法的吞吐量性能分析

2．4．2 新方法的吞吐量性能分析

2．5 数值分析结果

2．6 本章小结

第3章 LTE系统中多信道Slotted ALOHA协议性能研究

3．1 研究背景

3．2 基于功率捕获和重发退避的多信道Slotted ALOHA协议原理

3．3 基于功率捕获和重发退避的多信道Slotted ALOHA协议性能分析

3．3．1 随机接入协议性能参数

3．3．2 数据包接入成功率

3．3．3 时延和吞吐量性能

3．4 仿真结果与分析

3．5 本章小结

第4章 基于数据包传输时延的H2H业务流量控制随机接入协议

4．1 研究背景

4．2 随机接入协议性能参数

4．3 动态坚持度等级自适应转换机制设计

4．3．1 自适应转换机制设计思想

4．3．2 自适应转换机制工作原理

4．4 自适应转换机制转折点位置的确定

4．5 仿真结果与分析

4．5．1 系统性能吞吐量和时延性能

4．5．2 不同接入服务等级业务的性能比较

4．6 本章小结

第5章 LTE系统中事件驱动M2M业务流量控制随机接入协议

5．1 研究背景

5．2 流量控制随机接入协议系统模型

5．2．1 系统参数

5．2．2 事件驱动的M2M业务流量模型

5．3 LTE系统中事件驱动M2M业务系统性能

5．4 流量控制随机接入协议设计

5．4．1 接入控制因子设计

5．4．2 随机接入协议设计算法

5．5 仿真结果与分析

5．5．1 事件驱动M2M业务的流量控制随机接入协议系统性能

5．5．2 负载估值与实际负载值的比较

5．5．3 采用不同退避窗口的系统性能

5．5．4 事件驱动M2M业务吞吐量上限分析

5．6 本章小结

第6章 基于扩频Slotted ALOHA协议联合时延-功率多数据包捕获方法

6．1 研究背景

6．2 联合时延-功率多数据包捕获方法工作原理

6．2．1 系统参数

6．2．2 捕获方法工作原理

6．3 捕获概率分析

6．3．1 时延捕获概率

6．3．2 功率捕获概率

6．3．3 联合时延-功率捕获概率

6．4 系统性能分析

6．5 仿真结果与分析

6．5．1 捕获概率

6．5．2 吞吐量和时延性能

6．5．3 与其他捕获方法的系统性能对比分析

6．6 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间完成的论文与发明专利

参与科研项目情况