窄帶物聯(lián)網(wǎng)和雙連接中資源管理關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和智能手機(jī)的飛速發(fā)展，在未來的可編程世界里，每個人和物件都將會聯(lián)系在一起。而智能手機(jī)超高速上網(wǎng)需求越來越迫切，移動用戶特別是室內(nèi)用戶對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求呈現(xiàn)指數(shù)級增長，預(yù)計未來十年網(wǎng)絡(luò)容量和流量需求將增加幾千倍。為滿足未來網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求，現(xiàn)有的移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)需要不斷升級，一個有效的措施是通過部署廣覆蓋和大容量的低功耗廣域網(wǎng)基站實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，以及部署低功率和覆蓋范圍小的小小區(qū)節(jié)點(diǎn)來提高系統(tǒng)容量和流量。為滿足低速物

2、聯(lián)和超高速上網(wǎng)需求，窄帶物聯(lián)網(wǎng)和雙連接技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并相輔相成地發(fā)展，但其中存在的廣覆蓋、強(qiáng)移動性和高安全性等資源管理問題仍亟待解決。
　　首先，本文詳細(xì)介紹窄帶物聯(lián)網(wǎng)和雙連接的優(yōu)勢和關(guān)鍵技術(shù)，包括窄帶物聯(lián)網(wǎng)物理層和媒體接入控制層的關(guān)鍵技術(shù)，雙連接的控制平面、用戶平面結(jié)構(gòu)以及功率控制等關(guān)鍵技術(shù)。其次，關(guān)于窄帶物聯(lián)網(wǎng)和雙連接資源管理，本文主要進(jìn)行了以下幾方面的研究:依據(jù)窄帶物聯(lián)網(wǎng)重復(fù)次數(shù)特性提出二維鏈路自適應(yīng)控制算法;提出了聯(lián)合協(xié)作

3、擁塞的窄帶物聯(lián)網(wǎng)物理層安全容量模型;對雙連接上下行功率控制以及小小區(qū)下行流量控制進(jìn)行了深入研究，給出相應(yīng)的優(yōu)化算法，以達(dá)到提高頻譜效率和優(yōu)化系統(tǒng)整體性能的目的。本論文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)可總結(jié)如下:
　　(1)針對窄帶物聯(lián)網(wǎng)低功耗、廣覆蓋、大容量和重復(fù)次數(shù)傳輸?shù)奶匦?，提出了調(diào)制與編碼策略選擇(Modulation and Coding Scheme，MCS)優(yōu)先的窄帶物聯(lián)網(wǎng)上行鏈路自適應(yīng)控制算法，該算法主要包括內(nèi)環(huán)鏈路自適應(yīng)算法和

4、外環(huán)鏈路自適應(yīng)算法。內(nèi)環(huán)和外環(huán)協(xié)同工作，有效地調(diào)節(jié)MCS和窄帶物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)和信令傳輸?shù)闹貜?fù)次數(shù)，以達(dá)到對鏈路狀況快速響應(yīng)的目的。通過鏈路級仿真可知，本文提出的窄帶物聯(lián)網(wǎng)上行鏈路自適應(yīng)算法性能良好。與重復(fù)次數(shù)優(yōu)先的鏈路自適應(yīng)算法相比，平均可節(jié)省14％的數(shù)據(jù)傳輸時間和使用資源數(shù);與傳統(tǒng)鏈路自適應(yīng)算法相比，平均可節(jié)省46％的數(shù)據(jù)傳輸時間和使用資源數(shù)。
　　(2)針對窄帶物聯(lián)網(wǎng)物理層安全問題，提出利用中繼節(jié)點(diǎn)的放大轉(zhuǎn)發(fā)、協(xié)作擁塞及聯(lián)合協(xié)作策

5、略用以保障窄帶物聯(lián)網(wǎng)物理層安全控制算法。通過仿真可知，充分利用無線信道的相位、時變、多徑、衰落等特性，中繼節(jié)點(diǎn)所帶來的分集增益能顯著改善接收節(jié)點(diǎn)的信號質(zhì)量，大大提升安全容量和網(wǎng)絡(luò)容量。對于低功耗和有限內(nèi)存的窄帶物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，物理層安全技術(shù)相對計算復(fù)雜的密鑰加密算法是個有效補(bǔ)充。物理層安全技術(shù)和上層簡單加密安全機(jī)制結(jié)合，可以更大程度上保障窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信的安全，節(jié)省能量消耗，延長使用壽命。
　　(3)針對雙連接上行功率控制，通過公式推導(dǎo)

6、計算得到用戶路損，基于非合作博弈理論，提出聯(lián)合信道與功率控制的干擾管理策略。其中干擾管理策略同時考慮信道衰落特性和同層干擾因素，將信道分配和上行功率控制建模為非合作博弈過程。該過程的效用函數(shù)設(shè)置為小小區(qū)基站的總?cè)萘浚﹄p連接用戶造成的同層干擾進(jìn)行定價，以保護(hù)宏小區(qū)的無線傳輸鏈路。該算法不僅能有效降低同層干擾，提高系統(tǒng)吞吐量，而且復(fù)雜度低。針對下行功率控制問題，系統(tǒng)從最小化系統(tǒng)總功耗的角度出發(fā)，設(shè)計了下行功率最優(yōu)化分配算法。由于用戶間相

7、互干擾的存在，建模所得的功耗最小化問題是一個嚴(yán)格意義上的非凸優(yōu)化問題，直接求解起來十分困難。盡管如此，通過剖析雙連接的特性，對該問題進(jìn)行了一系列等價轉(zhuǎn)化到流量調(diào)度問題，通過理論證明該問題可以轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)單調(diào)性優(yōu)化的問題，最后通過設(shè)計基于多面體塊逼近思想的算法求解該流量調(diào)度問題，通過數(shù)值仿真驗(yàn)證了所設(shè)計的基于單調(diào)性優(yōu)化算法的性能。
　　(4)針對雙連接流控制技術(shù)，利用小小區(qū)目標(biāo)延時、平均流量統(tǒng)計、用戶緩沖區(qū)狀態(tài)報告等參數(shù)，提出了一種新

8、穎的基于定價的下行流控制算法。根據(jù)宏基站和小小區(qū)不同流量定價建模，目的是使用戶的總流量費(fèi)用最低。在流控制關(guān)鍵參數(shù)中，如非理想回程延時為20ms，通過仿真得知太小的小小區(qū)目標(biāo)延時導(dǎo)致用戶吞吐量下降明顯，需使用稍大一點(diǎn)的目標(biāo)延時10～20ms;流控周期明顯影響用戶吞吐量，需使用小的流控同期5～10ms。理論分析和仿真結(jié)果表明，合適的流控制參數(shù)和和干擾感知資源分配可以大大提高小小區(qū)雙連接數(shù)據(jù)分流傳輸速率，非常接近零延時理想回程的載波聚合分流速