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《浙江工业大学》 2017年
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窄带物联网和双连接中资源管理关键技术研究

余昌盛  
【摘要】:随着移动互联网、人工智能、物联网和智能手机的飞速发展,在未来的可编程世界里,每个人和物件都将会联系在一起。而智能手机超高速上网需求越来越迫切,移动用户特别是室内用户对数据业务的需求呈现指数级增长,预计未来十年网络容量和流量需求将增加几千倍。为满足未来网络服务的需求,现有的移动蜂窝网络需要不断升级,一个有效的措施是通过部署广覆盖和大容量的低功耗广域网基站实现万物互联,以及部署低功率和覆盖范围小的小小区节点来提高系统容量和流量。为满足低速物联和超高速上网需求,窄带物联网和双连接技术应运而生,并相辅相成地发展,但其中存在的广覆盖、强移动性和高安全性等资源管理问题仍亟待解决。首先,本文详细介绍窄带物联网和双连接的优势和关键技术,包括窄带物联网物理层和媒体接入控制层的关键技术,双连接的控制平面、用户平面结构以及功率控制等关键技术。其次,关于窄带物联网和双连接资源管理,本文主要进行了以下几方面的研究:依据窄带物联网重复次数特性提出二维链路自适应控制算法;提出了联合协作拥塞的窄带物联网物理层安全容量模型;对双连接上下行功率控制以及小小区下行流量控制进行了深入研究,给出相应的优化算法,以达到提高频谱效率和优化系统整体性能的目的。本论文主要研究内容和创新点可总结如下:(1)针对窄带物联网低功耗、广覆盖、大容量和重复次数传输的特性,提出了调制与编码策略选择(Modulation and Coding Scheme,MCS)优先的窄带物联网上行链路自适应控制算法,该算法主要包括内环链路自适应算法和外环链路自适应算法。内环和外环协同工作,有效地调节MCS和窄带物联网数据和信令传输的重复次数,以达到对链路状况快速响应的目的。通过链路级仿真可知,本文提出的窄带物联网上行链路自适应算法性能良好。与重复次数优先的链路自适应算法相比,平均可节省14%的数据传输时间和使用资源数;与传统链路自适应算法相比,平均可节省46%的数据传输时间和使用资源数。(2)针对窄带物联网物理层安全问题,提出利用中继节点的放大转发、协作拥塞及联合协作策略用以保障窄带物联网物理层安全控制算法。通过仿真可知,充分利用无线信道的相位、时变、多径、衰落等特性,中继节点所带来的分集增益能显著改善接收节点的信号质量,大大提升安全容量和网络容量。对于低功耗和有限内存的窄带物联网节点,物理层安全技术相对计算复杂的密钥加密算法是个有效补充。物理层安全技术和上层简单加密安全机制结合,可以更大程度上保障窄带物联网通信的安全,节省能量消耗,延长使用寿命。(3)针对双连接上行功率控制,通过公式推导计算得到用户路损,基于非合作博弈理论,提出联合信道与功率控制的干扰管理策略。其中干扰管理策略同时考虑信道衰落特性和同层干扰因素,将信道分配和上行功率控制建模为非合作博弈过程。该过程的效用函数设置为小小区基站的总容量,并对双连接用户造成的同层干扰进行定价,以保护宏小区的无线传输链路。该算法不仅能有效降低同层干扰,提高系统吞吐量,而且复杂度低。针对下行功率控制问题,系统从最小化系统总功耗的角度出发,设计了下行功率最优化分配算法。由于用户间相互干扰的存在,建模所得的功耗最小化问题是一个严格意义上的非凸优化问题,直接求解起来十分困难。尽管如此,通过剖析双连接的特性,对该问题进行了一系列等价转化到流量调度问题,通过理论证明该问题可以转化为标准单调性优化的问题,最后通过设计基于多面体块逼近思想的算法求解该流量调度问题,通过数值仿真验证了我们所设计的基于单调性优化算法的性能。(4)针对双连接流控制技术,利用小小区目标延时、平均流量统计、用户缓冲区状态报告等参数,提出了一种新颖的基于定价的下行流控制算法。根据宏基站和小小区不同流量定价建模,目的是使用户的总流量费用最低。在流控制关键参数中,如非理想回程延时为20ms,通过仿真得知太小的小小区目标延时导致用户吞吐量下降明显,需使用稍大一点的目标延时10~20ms;流控周期明显影响用户吞吐量,需使用小的流控周期5~10ms。理论分析和仿真结果表明,合适的流控制参数和和干扰感知资源分配可以大大提高小小区双连接数据分流传输速率,非常接近零延时理想回程的载波聚合分流速率,从而有效帮助用户降低总流量费用。最后,对窄带物联网和双连接资源管理技术的主要研究工作进行了总结,并展望和指明若干未来发展和改进的方向。
【学位授予单位】:浙江工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TP391.44;TN929.5

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