下一代无线通信系统资源管理及QoS增强研究

论文摘要

随着全球网络时代的到来,越来越多的用户希望够随时随地都能使用宽带接入服务,移动通信技术成为了实现其的唯一途径。预计到2012年,全球宽带用户总数将突破18亿,而其中大部分将是无线移动用户,这就要求未来的移动通信网络必需有更高的峰值速率、更好的覆盖、更高的频谱利用率和系统容量。相对与传统的无线通信网络,下一代无线通信网络（4G）采用了全新的架构,其资源调度和映射与传统的3G/2G网络有着本质的不同,其无线资源可以在时域和频域进行灵活的分配和调度。然而这种灵活的分配和调度方式也造成了下一代无线通信网络（4G）的资源管理系统复杂度过高等问题。下一代无线通信网络能否发挥出其优异的性能,很大程度上要依赖调度系统的灵活和高效性。无线资源管理是4G设计中的关键技术之一,是保证各用户的Qos质量、维持系统稳定工作的不可或缺的一个部分。因此,针对其无线资源管理和调度算法的研究也越来越成为通信领域的热点。本课题的研究日标是针对下一代无线通信网络（4G）系统,特别是LTE/LTE-A系统中的无线资源管理技术进行较全面和深入的研究,并提出了相应创新性的改进和增强算法。本文的创新点主要体现在以下几点：（1）兼容现有系统的前提下,提出了一种LTE上行资源调度的改进算法针对LTE系统的上行无线资源分配展开了研究,在分析LTE上行调度关键算法BSR汇报机制的基础上,为了提高系统无线资源调度算法的性能,在不额外增加信令开销的前提下,提出了一种基丁happy bits补充汇报的新的BSR机制,提高了BSR汇报的精确度。它利用BSR控制单元子头部帧中的预留比特位,对UE侧RB的缓存状况进行补充汇报,减小了LTE上行调度的粒度,帮助eNB更加合理地分配时／频资源,从而提高了整个系统的资源利用率。（2）提出了一种LTE系统中改善TCP性能的资源调度算法在分析了现有TCP的拥塞控制机制在移动环境中应用的相关问题的基础上,针对LTE系统的QoS特性,提出了一种适用于在运行有大量TCP数据业务（且用户和基站端都有有空闲的高优先级逻辑信道）的确认包映射转换机制。算法的思想借鉴了适用于VoIP的半持续资源调度算法,该算法在横向的不同QoS的业务流之间建立了一种纵向的联系,为无线系统的QoS增强技术提出了一种全新的思路。该算法将更高优先级的空闲逻辑信道传输用来传输具有较小尺寸的TCP业务的确认数据包,大大降低了发生丢弃和拥塞确认包的概率,避免了TCP频繁开启其拥塞控制和拥塞避免慢启动等机制,TCP的RTT时延被大大的减小,提高了TCP数据业务确认的效率,具有普遍的适用性。（3）提出了一种适用于下一代无线通信系统特性的高效TCP/IP头压缩机制在现在已经提出的4G系统中,WiMAX标准没有提出相应的头压缩算法来提高其无线频谱利用率,而在LTE系统的PDCP子层采用的ROHC头压缩协议对高速数据业务的压缩。然而ROHC对TCP协议的压缩率也一直不理想,实现也过于复杂。本文提出了一种对TCP报文段IP分组头部尽可能的进行压缩处理的算法,同时,在接收端通过一定的算法恢复出来,从而达到节省无线链路带宽提高资源利用率的目的。相较LTE系统采用的ROHC算法,该算法具有实现简单,算法复杂度较低,但是却能获得比ROHC更高的压缩率,适用于下一代无线通信系统高速率特性。（4） Relay技术的性能和多业务QoS增强技术研究现有各大厂商主推的TypeⅠRelay技术中对多种数据业务特别是对实时性较高的VoIP业务存在的时延较大,对用户QoS体验有很大的影响。同时,Relay环境也存在多种数据业务,而现有的TypeⅠRelay方案在Un接口上却将所有的数据无法区分传输,这样也无法保证高优先级实时性业务的性能。针对这种较为普遍的情况,提出了一种能有效改进TypeⅠRelay环境下用户QoS体验的Un接口多TB传输方案,通过在Relay节点采用多个虚拟UE的Un接口方案,能够明显降低上行接口在发生重传时的时延和QoS。同时,也在Un接口上实现了多业务的Qos保证机制,能够明显提高在多业务条件下VoIP等实时业务的性能。综上所述,本文以改进下一代无线宽带接入系统中的资源调度算法,提高系统性能为主要出发点,具有很强的针对性和前沿性。所提出的无线资源管理算法和仿真结果对于提高无线宽带接入系统的资源调度和QoS性能具有一定的参考价值,特别是对于作为下一代无线主流技术的LTE系统,本文所提出的算法更具适用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 下一代无线通信（4G）系统简介
• 1.3 下一代无线通信系统关键技术
• 1.4 论文选题和研究目标
• 1.5 论文内容安排
• 1.6 本章小结
• 2 无线通信网络中资源管理系统简介
• 2.1 无线资源管理概述
• 2.2 下一代无线通信系统中的资源管理系统
• 2.3 下一代无线通信系统中的QoS管理机制
• 2.4 本章小结
• 3 LTE上行资源调度关键算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 LTE上行资源调度简介
• 3.3 LTE上行资源调度BSR关键算法改进研究
• 3.4 仿真与分析
• 3.5 本章小结
• 4 改进TCP性能的资源调度算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 无线网络TCP协议概述及研究现状
• 4.3 适用于LTE系统的TCP确认映射方案
• 4.4 仿真分析
• 4.5 本章小结
• 5 TCP/IP高效头压缩算法研究
• 5.1 引言
• 5.2 现有头压缩算法简介
• 5.3 LTE/LTE-A中的头压缩算法ROHC简介
• 5.4 适应下一代无线网络的头压缩方案
• 5.5 仿真与分析
• 5.6 本章小结
• 6 Relay场景下QoS增强技术研究
• 6.1 引言
• 6.2 Relay技术简介和研究现状
• 6.3 Type Ⅰ Relay面临的性能和QoS方面的挑战
• 6.4 基于排队理论的Un接口数学模型及分析
• 6.5 Type Ⅰ Relay的Un接口多TB传输方案
• 6.6 仿真与分析
• 6.7 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 未来研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读博士期间发表的主要论文
• 附录B 攻读博士期间申请的专利和提出的提案
• 附录C 攻读博士期间参与的科研工作
• 附录D 英文缩写对照表