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机器类通信随机接入和计算的分析及研究

机器类通信随机接入和计算的分析及研究

作者：郭健北京邮电大学

学位级别：硕士

随着第五代(the Fifth Generation,5G)移动通信时代的到来,人类社会生活的多个方面发生了巨大的变化,机器类通信(Machine Type Communication,MTC)技术作为5G关键技术之一,可以容纳大量设备接入网络,在业界得到越来越多的关注。目前针对... 详细信息

随着第五代(the Fifth Generation,5G)移动通信时代的到来,人类社会生活的多个方面发生了巨大的变化,机器类通信(Machine Type Communication,MTC)技术作为5G关键技术之一,可以容纳大量设备接入网络,在业界得到越来越多的关注。目前针对MTC的研究,主要存在以下挑战:在网络侧,大量设备同时接入基站,会造成网络的接入拥塞;在设备侧,为了保证设备寿命,需要解决机器类通信的能耗问题;在业务侧,机器类通信设备(Machine Type Communication Device,MTCD)受限于自身计算能力,无法支持业务的计算需求。针对其中机器类通信网络侧的接入拥塞问题以及用户侧的计算迁移问题,做了以下三方面研究:针对MTC的大规模设备接入拥塞问题,在基于簇群的MTC场景下,提出了接入控制和资源分配的联合优化策略。在多小区干扰环境下,分析了接入设备选择、信道资源和发送功率分配,构建了以示性函数为目标函数的优化问题。通过对构建的耦合优化问题进行拆分,分别使用凸优化方法和匈牙利算法对问题进行求解,仿真验证了所提算法对MTC接入性能的提升。此外,在两小区场景下,基于拉格朗日乘子法,推导了功率分配的最优闭式解。针对MTC的计算业务受限问题,在动态MTC场景下,提出了接入控制和计算迁移的联合优化策略,构建了集中式接入控制和计算迁移的耦合NP-hard优化问题,为了求解耦合问题,首先在固定资源分配的基础上,提出了启发式的算法寻找最优接入和迁移矩阵,接着求解资源优化问题,获得无线资源和计算资源分配方案,仿真验证了所提算法在保证时延条件下的接入和计算性能。在动态MTC场景下,提出了基于分布式博弈的接入与计算迁移策略,在MTCD时延受限条件下,同时优化MTCD端接入效益和MEC服务器端资源总收益。构建了Stackelberg博弈模型,分布式求解两端的优化问题,利用对数函数将MTCD端的NP-hard优化问题松弛为几何规划问题进行求解,仿真验证了分布式博弈算法达到均衡两端收益的效果,并验证了所提算法相比传统算法的性能提升。

关键词：机器类通信接入控制计算迁移博弈论资源分配

基于PCIe的双天线软件无线电平台的研究与设计

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基于PCIe的双天线软件无线电平台的研究与设计

作者：刘哲北京邮电大学

学位级别：硕士

传统的无线电平台通常基于专用的硬件电路而设计,支持的通信协议单一、通用性差、体积较大、成本较高且不可复用。难以满足新一代移动通信对吞吐率、通用性的开发需求。软件无线电平台采用通用性的软硬件设计,开发者可以通过PC端的编程... 详细信息

传统的无线电平台通常基于专用的硬件电路而设计,支持的通信协议单一、通用性差、体积较大、成本较高且不可复用。难以满足新一代移动通信对吞吐率、通用性的开发需求。软件无线电平台采用通用性的软硬件设计,开发者可以通过PC端的编程来完成不同通信协议的开发,具有很强的灵活性与通用性。本文针对现有无线电平台存在的问题,设计了一种旨在为下一代通信协议提供算法验证的吞吐率高、通用性强、可扩展的软件无线电硬件平台,实现了双天线LTE数据帧的无线传输。具体的工作如下:首先,提出了双天线软件无线电平台的总体方案,明确了构成平台的各板卡性能指标,计算了双天线链路的带宽预算,实现了双天线数据的收发流程,研究了两种不同的射频前端方案,确定了灵活性与集成度更高的零中频架构。接着,设计了基于MAX2829的零中频架构射频板卡。在硬件方面,完成了包括收发链路滤波器设计、电源设计、PCB布局布线设计等。在软件方面,实现了基于MAX2829的自动增益控制算法与控制流程,设计了 MAX2829的工作状态机。然后,实现了 RCB板卡中支持双天线的PCI-E接口的设计,包括PCI-E物理层收发模块的研究与设计、基于PCI-E的DMA收发模块设计等,并通过时序仿真验证了 PCI-E接口的功能。之后实现了双天线平台中的时钟网络设计及跨时钟域传输设计等。最后,完成了射频板卡相关性能的单板测试、双天线平台的功能测试等。至此,完成了双天线硬件平台的设计与实现工作,该平台已应用于LTE算法验证当中,具有现实意义。

关键词：软件无线电射频前端双天线 PCI-E

面向5G网络切片的攻防检测及群组安全认证研究与仿真实现

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面向5G网络切片的攻防检测及群组安全认证研究与仿真实现

作者：荣鑫北京邮电大学

学位级别：硕士

小区间干扰协调——基于HII/OI的动态软频率复用

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小区间干扰协调——基于HII/OI的动态软频率复用

作者：吴德壮北京邮电大学

学位级别：硕士

下一代移动通信(International Mobile Telecommunications-Advanced, IMT-Advanced)对频谱资源的利用效率、小区边缘数据速率和峰值速率等重要系统性能指标都提出了更高的标准和要求,由于下一个移动通信系统中采用了基于正交频分复用(O... 详细信息

下一代移动通信(International Mobile Telecommunications-Advanced, IMT-Advanced)对频谱资源的利用效率、小区边缘数据速率和峰值速率等重要系统性能指标都提出了更高的标准和要求,由于下一个移动通信系统中采用了基于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)的多址技术,小区间干扰成为制约系统组网的关键问题。因此小区间干扰抑制技术成为目前研究的热点。现有的干扰抑制技术主要包括干扰删除、干扰随机化技术和干扰协调。而小区间干扰协调技术由于其使用灵活、实现复杂度较低,已被长期演进计划(Long Term Evolution, LTE)所采纳,成为小区间干扰抑制的主流技术。本文首先对已有的干扰协调方案进行研究和分析,在现有静态软频率复用干扰协调方案的基础上,将小区边缘的频段进行进一步的细分,分成主控频段、优先频段和借用频段,其中本小区的优先频段和相邻小区的借用频段重合,接着通过对高干扰指示/过载指示(High Interference Indicator/Overload Indicator,HII/OI)交互信息的研究,利用粗粒度和平均值的思想,设计HII/OI交互信息的触发机制,并且通过小区间HII/OI信息的交互,动态调整各个小区的边缘频段资源(优先频段/借用频段),在既保证小区边缘有一段固定的频段资源(主控频段)服务本小区,又有一段机动频段资源(优先频段/借用频段),从而提出了一种基于HII/OI的动态软频率复用方案。然后基于该方案,进一步提出了一种优化方案,引入功率控制和用户满意度函数,提出了一种基于HII/OI和功率控制的动态软频率复用干扰协调方案。并对以上两种方案进行了系统级仿真,验证这两种方案的干扰协调性能。接着本文基于群小区架构,利用时分双工(Time Division Duplex,TDD)系统的信道互惠性,根据基站天线接收的信噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)值,进行不同小区下行发射功率的自动分配,提出了一种基于群小区架构的干扰协调的简化方案,并依据该方案进行了外场试验网的实地测试,通过外场测试验证该干扰协调方案的性能。通过系统级仿真和评估,仿真结果显示由本文提出的两种干扰协调方案能够在保证小区中心用户性能不受较大影响的前提下,提高小区边缘用户的性能,由于各个小区的边缘资源得到最大化利用,所以可以实现整个系统性能的提升。然后外场实地测试的结果显示基于群小区架构的干扰协调简化方案可以实现基站覆盖范围的扩大为两个小区,同时根据该方案的下行功率分配算法,在功率分配一定时,随着基站覆盖范围的扩大可以保证两个小区不相邻部分的边缘用户的性能不受影响,而两小区相邻部分的边缘用户性能会得到提升,从而达到抑制小区间干扰的目标。最后对本文进行了总结,分析论文存在的不足,并讨论了后续的研究方向。

关键词：干扰协调高干扰指示过载指示软频率复用群小区

增强无线通信系统中小区边缘性能组网策略研究

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增强无线通信系统中小区边缘性能组网策略研究

作者：罗成金北京邮电大学

学位级别：硕士

随着无线用户数量、业务种类的快速增长,无线移动通信系统快速蓬勃的发展,新的无线通信系统对数据传输速率的要求越来越高。而在现有通信系统中,用户在小区边缘和小区中心所得到的传输速率具有较大的差异,为保证良好的用户体验,解决小... 详细信息

随着无线用户数量、业务种类的快速增长,无线移动通信系统快速蓬勃的发展,新的无线通信系统对数据传输速率的要求越来越高。而在现有通信系统中,用户在小区边缘和小区中心所得到的传输速率具有较大的差异,为保证良好的用户体验,解决小区边缘性能问题已迫不及待。同时,OFDMA由于具有频谱效率高、抗多径效果好、基带处理复杂度低等优点已被广泛应用于多种无线通信系统中,基于OFDMA的无线通信系统已成为未来发展的趋势。目前,基于OFDMA的LTE/LTE-A已经成为继3G之后国际上主流的新一代移动通信标准,得到了全球通信运营商和设备商最广泛的支持,我国在部分城市也已完成了TD-LTE的商用测试。因此,本文以LTE/LTE-A中的小区边缘性能问题为落脚点研究分析无线通信系统中的小区边缘性能问题。本文研究了LTE/LTE-A中的小区边缘性能问题,提出了增强小区边缘性能组网策略。论文的主要工作如下：本文分析了LTE/LTE-A中小区边缘性能问题的影响因素、特征和面临的挑战,研究了LTE/LTE-A中增强小区边缘性能的组网策略,从系统开销、频谱效率、小区边缘性能增强效果等多个角度分析了各种不同方案的优缺点,为提出小区边缘性能组网策略指引了方向。从跳频、小区间信息交互、180度天线和分布式组网等方面重点提出了两种增强小区边缘性能的组网策略方案：多跳频模式与HII相结合增强小区边缘性能、180度天线分布式系统架构CDSAS。其中,针对多跳频模式与HII相结合增强小区边缘性能方案,从方案描述、资源调度、方案特征和实施步骤四个方面详细描述了组网方案模型;针对180度天线分布式系统架构,从资源调度、干扰抑制和切换角度详细描述了系统模型,对容量、能效和小区边缘吞吐量三个性能指标进行了数值推导和分析。同时,本文分别对两种方案进行了性能分析和仿真,得出了相应结论：多跳频模式与HII相结合组网方案能够提高小区吞吐量和小区边缘性能,尤其是当小区中负载较大时,能够获得的性能增益最大;CDSAS在容量、能效和边缘吞吐量三个方面都优于传统小区架构,是一种有效提高小区边缘性能的方案。

关键词：小区边缘性能跳频小区间信息交互 180度天线分布式系统

LTE-A异构网络中小区搜索及随机接入研究

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LTE-A异构网络中小区搜索及随机接入研究

作者：蒋琴艳北京邮电大学

学位级别：硕士

为满足不断提升的市场需求,3GPP等国际标准化组织积极推动着无线通信系统标准化进程。异构部署是3GPPLTE(Long Term Evolution)及LTE-A(LTE-Advanced)标准化的重要研究内容之一。典型异构部署场景是宏小区覆盖范围内的Small Cell(小小区... 详细信息

为满足不断提升的市场需求,3GPP等国际标准化组织积极推动着无线通信系统标准化进程。异构部署是3GPPLTE(Long Term Evolution)及LTE-A(LTE-Advanced)标准化的重要研究内容之一。典型异构部署场景是宏小区覆盖范围内的Small Cell(小小区)部署,而D2D(设备间通信)、V2V(车辆间通信)则是LTE-A异构网络中的重要辅助通信技术。新的网络部署及通信技术的引入使得网络结构更为复杂,为小区搜索及随机接入等网络接入过程带来了挑战。针对LTE-A异构网络中的小区搜索及随机接入,本文的主要研究了以下三个方面的内容:针对Small Cell密集部署场景下的Small Cell On/Off(小小区开关)所带来的邻区关系变化,提出了一种与之相适应的PCI(物理小区标识)动态分配方法。该方法通过PCI分组管理,为小小区簇内的开启/关闭状态的Small Cell动态分配不同的PCI,以支持关闭状态Small Cell的小区发现,同时增强开启状态Small Cell的小区搜索及测量性能。仿真结果表明,相比PCI固定配置方式,所提出的PCI动态分配方法可有效提升开启状态Small Cell的小区搜索及测量性能。针对V2V的端到端时延要求,提出了一种基于优先级的随机接入过程。该过程中车辆采用专用随机接入资源发送随机接入请求,从而触发优化的初始接入请求过程及优化的异常情况处理机制。一方面,车辆的资源请求及调度授权与随机接入相结合,降低了车辆的资源分配时延。另一方面,初始随机接入失败的车辆可通过与基站的进一步交互实现接入,从而降低车辆的接入时延并提高接入成功率。针对多运营商共享频率资源的D2D通信,提出了一种基于小区搜索过程的跨运营商D2D中继设备发现与接入机制。该机制中UE(用户设备)通过中继UE激活过程及远端UE激活过程支持跨运营商D2D中继设备发现及接入。中继UE在共享频段上广播发现信号及并监听远端UE的接入请求。远端UE在共享频段上检测中继UE广播的发现信号,获取中继UE帧定时及监听定时,进而向中继UE发送接入请求,建立D2D通信链路。该机制在较少的基站侧辅助支撑情况下,通过较少的信令交互实现了跨运营商的D2D通信链路建立。综上所述,本文研究了 LTE-A异构网络下的小区搜索及随机接入相关的三个研究点,分别提出了相应的优化方法及解决方案,并对部分研究进行了仿真验证。

关键词： LTE-A 异构网络小区搜索随机接入

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面向5G V2X的无线资源分配技术研究

面向5G V2X的无线资源分配技术研究

作者：高磊北京邮电大学

学位级别：硕士

随着第五代（The Fifth-generation,5G）移动通信技术Release 16阶段标准化工作的完成,Release 17阶段工作全面展开,5G标准化工作已进入新的阶段。5G不仅仅满足于人与人之间的信息通信,而且更加注重无线通信技术在垂直行业领域的应用,... 详细信息

随着第五代（The Fifth-generation,5G）移动通信技术Release 16阶段标准化工作的完成,Release 17阶段工作全面展开,5G标准化工作已进入新的阶段。5G不仅仅满足于人与人之间的信息通信,而且更加注重无线通信技术在垂直行业领域的应用,即物与物之间的通信。在此背景下,早已备受关注的车联网（Vehicle to Everything,V2X）通信技术再次成为了学术界和工业界的研究焦点。在R16中,第三代合作伙伴计划（The Third Generation Partnerships Project,3GPP）对基于5G的V2X通信提出了更严格的要求,在满足V2X通信时延和可靠性要求的同时,更加注重频谱效率以及调度灵活性。因此,本文针对5G V2X中的无线资源管理这一关键技术问题展开研究:针对VUE之间资源复用引入的车辆用户之间的干扰问题,提出了基于图论的资源分配与接入控制算法,实现了单个小区覆盖场景下最大化并发的车与车之间（Vehicle to vehicle,V2V）通信链路数目。仿真结果表明,在保证高优先级用户通信需求的同时,本文所提算法可以最大化V2V通信链路,有效提升频谱效率。针对车辆用户与蜂窝用户之间资源复用引入的车辆用户与蜂窝用户之间的干扰问题,提出了基于李雅普诺夫优化理论的资源分配与功率控制算法,实现了在V2V通信时延和可靠性约束下的能量效率最大化。仿真结果表明,所提方案可以在确保V2V.通信时延与可靠性的同时,极大地提高车辆用户的能量效率。针对5G V2X资源分配子模式c中,由于车辆用户数据到达的不确定性导致的资源利用率下降和通信可靠性降低等问题,设计了新的资源配置策略。此外,针对现在3GPP正在讨论的5G V2X中HARQ反馈机制进行了设计,来减少用户之间资源的碰撞。通过仿真结果可以看出,所提出的方法在保证V2X通信可靠性的同时能够有效提升频谱资源利用率。

关键词： 5G V2X 资源分配图论能量效率李雅普诺夫优化理论

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GNSS高动态软件接收机研究

GNSS高动态软件接收机研究

作者：郭枫北京邮电大学

学位级别：硕士

全球定位系统（GPS）解决了人们在距离地面高度在两千公里内的导航和定位问题。连续发展多年至今,已能向全世界提供高精度的导航和定位信息。目前,它已经在地质勘探、交通运输、航天航空、国防军事等领域发挥着越来越重要的作用。 GP... 详细信息

全球定位系统（GPS）解决了人们在距离地面高度在两千公里内的导航和定位问题。连续发展多年至今,已能向全世界提供高精度的导航和定位信息。目前,它已经在地质勘探、交通运输、航天航空、国防军事等领域发挥着越来越重要的作用。 GPS接收机是GPS系统的重要组成部分,在国内由于技术的封锁,发展相对缓慢。特别是在航空、航天等需要适应高动态的领域。GLONASS卫星定位系统目前由俄罗斯掌控,并在不断完善之中。其整体结构、定位原理和系统功能与GPS系统相似,可用于海上、空中、陆地等各类用户的定位、测速及精密授时,提供军用和民用两种服务。作为目前唯一能够同GPS抗衡的全球卫星导航系统,GLONASS系统打破了美国在全球导航领域一统天下的局面。因此,研究GPS与GLONASS混合即GNSS接收机组合定位算法及高动态接收机的算法具有重要的意义。同时使用软件无线电硬件平台,以达到接收机可以在硬件状态不变的情况下扩展功能的目的,同样具有重要的意义。本课题在这种背景下开展应用于航天运载器的GNSS高动态软件接收机的研究和设计。论文对本课题的设计难点进行了论述。论文首先论述了GNSS接收机的硬件设计,介绍了使用软件无线电硬件平台设计接收机的方法。该平台采用了DSP+FPGA及外围器件的架构,实现了硬件资源动态分配,可以很好地满足设计的完善、功能扩充的要求。本人完成了该平台数字部分的硬件设计,该硬件平台完成后可以正常加载程序并稳定运行。接着本文在单一GPS定位原理的基础上,研究了GNSS系统的混合定位解算的方法。该方法使用提取的观测量组成方程,对方程线性化后使用最小二乘法进行解算,实现了两个星座的兼容统一,使用两个系统的卫星参与定位,增加了可用卫星数,减小PDOP值,有利于接收机的收星定位。最后本文对接收机的环路滤波算法进行了分析,该算法决定了接收机的动态特性。本人对三阶环适应高动态的特性进行了分析并完成对三阶环算法的仿真,仿真结果表明：在高动态环境下使用三阶环有利于提高跟踪精度,从而提高测速精度。

关键词： FPGA DSP GNSS 软件无线电高动态