免许可频段LTE和WiFi的共存、融合及优化

摘要

近年来，随着智能无线通信设备的普及和蜂窝移动通信技术的发展，人们对大容量、高速率和高质量移动通信的需求也急速增长。免许可频段长期演进(LTE-U)技术被工业界和学术界一致认为是满足这些需求的下一代蜂窝移动通信系统的关键技术之一。LTE-U技术将许可频段中较成熟的长期演进(LTE)技术用于频带更宽、更空闲的免许可频段中。其目的是用大量免许可频段辅助数量有限的许可频段，借此大幅增加可用带宽，并在保证电信级服务品质的基础上实现高传输速率、低费率、高可靠的通信。本研究主要内容包括：
　　⑴研究了LTE-U与已在免许可频段上的WiFi系统的共存问题。由于LTE系统是中央控制的，其介质访问控制(MAC)层采用免竞争的协议，具有高效且贪婪的特点。而WiFi系统是分布式的，其MAC层采用基于分布式控制功能(DCF)的竞争协议，具有简单但资源容易被占用的特点。为使LTE-U和WiFi能和平共处，本文首先提出了一种新型混合接入节点(HAP)，它集成了传统LTE系统小基站(SBS)和WiFi系统接入点的功能，并由蜂窝网络运营商部署。基于HAP，创立了将LTE-U传输嵌套在WiFi点协调功能(PCF)协议中的方法。在PCF协议中，一个帧分为非竞争阶段(CFP)和竞争阶段(CP)，其中CFP分配给LTE-U用户使用，而CP分配给传统的WiFi用户使用。该方法具有中央控制以及LTE-U和WiFi干扰避免的优势，能有效提高LTE-U系统的吞吐量和免许可频段的利用率。
　　⑵研究LTE-U与WiFi网络异构融合的实现和策略问题。LTE-U和WiFi具有截然不同的系统特征，异构融合不是一个网络取代另一个网络，而是通过有效利用两网络的不同优势，提高资源利用率，改善用户服务体验。从理论上比较了移动业务卸载(Traffic offloading)和资源共享(Resource sharing)两种模式下LTE-U系统的吞吐量性能，证明了当WiFi用户数较少时，采用业务卸载能获得较好的性能；而当WiFi用户数较多时，采用资源共享则性能更好。本文进而提出了一种混合模式，LTE-U系统将一部分业务卸载到WiFi系统，同时占用WiFi原有资源中的一部分，并从理论和仿真中证明了混合模式总能确保较大的LTE-U系统吞吐量。此外，本文还创新性地提出了一种不同于传统业务卸载的思路，提出将部分WiFi业务卸载到LTE-U系统，并将WiFi所使用的免许可频段部分地出让给频谱利用率更高的LTE-U系统使用的方法。证明了该思路下LTE-U和WiFi系统的双赢是可实现的，并给出了用户卸载和资源分配的闭式最优解。
　　⑶讨论了免许可频段的资源分配优化问题。分别以提升LTE-U系统频谱效率和能量效率为目标，研究了免许可频段在LTE-U和WiFi系统中的资源管理和优化方法。结果表明，LTE-U系统频谱效率会随着免许可频段资源数而增加，但占用过多的免许可频段资源将导致WiFi系统性能恶化。为均衡两系统的性能，通过纳什均衡方法(NBS)设计一种能确保公平性的资源分配优化方案，同时给出了LTE-U系统免许可频段资源数的闭式解。由理论分析还发现使用更多的免许可频段资源虽然可以提升系统传输速率，但是并不一定能够提高系统的能量效率。因此，论文推导了一个是否使用免许可频段的判决准则，并设计了使系统能量效率最大的最优资源分配算法。

目录

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致谢

缩写、符号清单、术语表

1 绪 论

1.1 免许可频段LTE技术

1.2 LTE-U的主要技术挑战

1.3 LTE-U现有技术综述

1.4 本论文主要创新点和内容安排

2 LTE和WiFi新型共存结构及优化设计

2.1 LTE嵌入WiFi协议

2.2 资源分配优化模型

2.3 联合用户关联和CP分配

2.4 性能分析

2.5 仿真验证和性能分析

2.6 本章小结

3 LTE和WiFi共存系统的业务卸载优化

3.1 系统模型与问题描述

3.2 单个SBS场景性能分析

3.3 多个SBS场景性能分析

3.4 仿真验证和性能分析

3.5 本章小结

4 LTE和WiFi共存系统业务及资源分配优化

4.1 系统模型

4.2 最少免许可频段资源需求

D.2 定理5.3的证明

4.3 单个AP场景

4.4 多个AP场景

4.5 仿真验证和性能分析

4.6 本章小结

5 LTE-U系统的能量效率优化

5.1 系统模型与问题描述

5.2 单个SBS的性能分析

5.3 免许可频段与许可频段的资源块联合分配

5.4 仿真验证和性能分析

5.5 本章小结

6 工作总结和展望

6.2 进一步研究方向

攻读博士学位期间参研项目、主要成果及获奖情况