新一代蜂窝移动通信系统的时延性能分析与系统设计

摘要

作为移动互联网和物联网的支撑系统的主要组成部分之一，新一代蜂窝移动通信系统应具备满足多样化业务的各种性能要求的能力。时延性能保障将成为新一代蜂窝移动通信系统的关键能力之一。然而，新一代蜂窝移动通信系统为提升容量而引入的认知无线电和异构蜂窝网络等技术，会导致信道数目频繁变化和网络拓扑非常随机，这对系统的时延性能造成复杂的影响。而且，时延性能常常与系统的其它性能相互矛盾，例如为改善时延性能往往要增加网络建设成本和运营代价。本学位论文针对采用新技术的新一代蜂窝移动通信系统，对时延性能、时延与其它性能的折衷关系以及支持时延敏感业务的系统设计进行了研究。
　　针对多信道认知无线系统，研究支持时延敏感业务的信道接入技术，进行方案设计与性能分析。提出了一种两阶段信道接入方案，包括分布式信道协商阶段和跳频式信道接入阶段。设计了一种用于跳频式信道接入的公共跳频序列生成算法。对于分布式信道协商阶段，将次用户的协商过程建模为一个二维马尔可夫链(Markov chain)，再转化为一个一维马尔可夫链，最终转化为一个吸收马尔可夫过程，推导出次用户用于信遒协商的平均最大等待时间的表达式。对于跳频式信道接入阶段，分析了次用户的服务过程的等效信道的有效容量（effective capacity），在此基础上定义了最大有效容量和平均每信道能够支持的次用户数。这两个指标为认知无线系统的呼叫准入控制和系统频谱效率的评估提供了依据。
　　针对由传统宏蜂窝和密集小蜂窝组成的异构蜂窝网络，研究其时延性能及与系统其它性能的折衷关系。通过把多层基站和用户的位置建模为相互独立的泊松点过程(Poissonpoint process，PPP)，建立了异构蜂窝网络时延性能的分析框架。该框架囊括了系统关键参数和外部环境因素，如基站密度、用户密度、基站关联参数、基站负载、用户移动性以及传输的时间相关性等。利用该框架，推导得到异构蜂窝网络在静止和高速移动场景下的本地时延（local delay，传输可靠性为100％时的时延性能）、用户和网络的及时吞吐量（timely throughput，给定时延限制下成功传输数据包的个数）的闭合表达式，得到若干有意义的发现。这些表达式清晰地揭示出环境条件和系统主要参数对时延性能及其与可靠性的折衷关系的影响。建立了密集同构蜂窝网络中寻找时延性能与网络能耗最佳折衷关系的优化问题，推导得到两者达到最优折衷时的基站密度的表达式。上述理论工作可为异构蜂窝网络中基站关联参数设置和基站密度设计提供指导。
　　针对新一代蜂窝移动通信系统多种回程(backhaul)技术混合配置的特点，研究回程链路的时延性能和代价。对光纤、xDSL、低于6GHz频段的无线传输(sub-6 GHz)和毫米波这四种最具潜力的回程技术，分别建模其时延和代价。基于时延模型，推导得到回程链路包传输的平均时延和限定时延下的传输成功概率。基于代价模型。推导得到平均每个基站的回程代价和代价最小时的网关(gateway)密度。作为模型的应用，针对由宏基站和小基站构成的两层异构蜂窝网络，建立了使包传输的平均时延最小的基站关联优化问题，推导得出最优基站关联偏置参数的表达式。上述理论研究和验证结果还揭示了无线接入网(radio access network，RAN)和回程网络联合设计对性能提升/保障的必要性。

目录

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致谢

摘要

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表格

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 新一代蜂窝移动通信系统的主要性能指标和关键技术

1．2．1 主要性能指标

1．2．2 关键技术

1．2．3 认知无线电

1．2．4 异构蜂窝网络

1．3 研究意义和内容

1．3．1 认知无线系统中支持时延敏感业务的信道接入

1．3．2 异构蜂窝网络时延及与系统其它性能折衷关系的分析

1．3．3 回程链路的时延性能和代价分析及基站关联设计

1．4 论文的主要贡献和结构安排

2 认知信道条件下支持时延敏感业务的信道接入方案设计与性能分析

2．1 系统模型

2．2 基于跳频的分布式信道接入方案

2．2．1 时隙结构

2．2．2 分布式信道协商

2．2．3 跳频式信道接入

2．2．4 两阶段信道接入的完整流程

2．3 信道协商阶段的平均等待时间分析

2．3．1 二维马尔可夫过程及其状态转移概率

2．3．2 一维马尔可夫过程及其状态转移概率

2．3．3 吸收马尔可夫过程及到达稳态的平均时问

2．4 信道接入阶段的有效容量分析

2．4．1 有效容量定义

2．4．2 跳频武信道接入的有效容量

2．4．3 有效容量的应用——最大有效容量和平均每信道能支持的次用户数

2．5 性能评估

2．5．1 平均最大等待时间

2．5．2 有效容量

2．5．3 最大有效容量和平均每信道能支持的次用户数

2．6 本章小结

3 异构蜂窝网络时延及与系统其它性能折衷关系的分析

3．1 异构蜂窝网络模型

3．1．1 用户关联和基站激活模型

3．1．2 调度和传输模型

3．2 异构蜂窝网络的及时吞吐量

3．2．1 用户及时吞吐量与单位面积及时吞吐量

3．2．2 主要结果

3．2．3 一些特例

3．3 异构蜂窝网络的本地时延

3．3．1 一般情况和主要结果

3．3．2 一些特例

3．4 密集同构蜂窝网络时延与代价的最优折衷

3．5 性能评估

3．5．1 用户反时吞吐量和本地时廷的验证与评估

3．5．2 关联偏王

3．5．3 时延与可靠性、代价等的折衷关系

3．6 本章小结

4 异构回程的时延性能和代价分析及基站关联优化

4．1 回程模型

4．1．1 网络模型

4．1．2 时延模型

4．1．3 代价模型

4．2 回程链路的时延性能分析

4．2．1 回程链路的平均时延

4．2．2 限定时延下的传输成功概率

4．2．3 性能评估

4．3 回程代价分析

4．4 回程感知的基站关联策略

4．4．1 平均网络时廷

4．4．2 基站关联策略

4．4．3 性能评估

4．5 本章小结

5 总结与展望

5．1 本文工作总结

5．2 未来工作展望

附录

参考文献

攻读博士学位期间参研项目和主要成果

简历