基于LTE-Advanced的M2M通信覆盖增强和资源分配研究

摘要

M2M(Machine to Machine，机器对机器)通信是今后通信行业发展热点之一，因当前LTE-A蜂窝网络具有覆盖范围广、运营成本低、支持向后扩展和系统容量高的特点，LTE-A蜂窝网络必将成为未来M2M业务最为重要的承载网络。但是现有的移动蜂窝网络的设计和优化都是依据传统人与人(H2H，Human-to-Human)通信特点和业务特性进行的，并未考虑到M2M与H2H相比，本身独有的一些业务特性，因此在蜂窝网中部署大量M2M终端会给蜂窝网造成一些严峻问题，比如大量的M2M终端在短时间密集向网络发起接入会造成网络过度负载，进而影响H2H用户体验质量(QoE，Quality of Experience)。为了减小大量部署M2M对传统H2H业务造成的不利影响，就需要针对M2M的业务特点，对当前的蜂窝网络进行相应优化。
　　本文针对LTE-A蜂窝网络中的M2M通信，做了三个方面的研究，包括M2M通信的特定应用场景的覆盖性增强研究，大量M2M终端的随机接入碰撞资源调度研究和低功耗M2M通信的资源分配研究。主要研究内容和创新点如下:
　　1.在M2M通信的覆盖性增强研究中，针对智能电网的M2M通信的QoS（Quality of Service，服务质量）特性，本文提出一种嵌入宽带中的窄带低功耗M2M通信设计方案，并基于LTE TTI绑定机制提出了三种接收设计方案，以达到更深的覆盖范围，同时降低终端功耗和成本。通过搭建实际的软件和硬件平台，对提出的三种方案的性能进行了测试，结果表明了提出的方案相比LTE系统可以获得17～21dB的覆盖性能增强。
　　2.在大量M2M终端的随机接入碰撞资源调度研究中，基于M2M业务的流量特性对M2M业务进行分类，每类业务的终端形成一个簇，簇内的终端基于位置信息形成不同的接入组，M2M终端以分组的形式发起随机接入，并提出考虑接入时延的接入优先级，优先时延敏感的接入组发起接入，通过以组寻呼的方式为组内成员分配承载随机接入消息3(Msg3)的资源，来降低大量用户的信令开销。从仿真结果可以看出，提出的分组组寻呼随机接入机制能够提高大量M2M设备发起随机接入的接入成功率，并针对不同的M2M业务的终端降低相应的接入时延。
　　3.在低功耗M2M通信的资源分配研究中，提出把LTE-A中的D2D移动中继终端技术和最新的能量收集技术结合起来，功率受限的M2M终端可以借助移动中继终端来向基站上报数据，移动终端转发M2M终端信号所消耗的能量可以以能量收集的方式来补偿。本文在基于能量收集的中继转发研究中，阐述了时间分割系数和转发功率分配的最优化问题，并提出了最佳中继终端选择算法，最后的仿真证明通过对中继终端时间分割系数和转发功率进行合理的分配，可以获得最优的能量收益，而且提出的最优中继终端选择算法显著优于随机选择算法。

目录

声明

致谢

摘要

序言

1 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 LTE-A中覆盖增强研究

1．2．2 LTE-A中的M2M随机接入研究

1．2．3 LTE-A中的M2M低功耗通信研究

1．3 论文的主要内容和组织

2．LTE-A与M2M技术概述

2．1 LTE-A概述

2．1．1 LTE-A系统性能

2．1．2 LTE-A系统架构

2．1．3 LTE-A关键技术

2．2 M2M概述

2．2．1 M2M网络架构

2．2．2 M2M业务特征及模型

2．2．3 M2M业务应用

2．3 M2M标准发展

2．3．1 3GPP的M2M标准化发展

2．3．2 ESTI的M2M标准化进展

2．3．2 国内M2M标准发展

2．4 本章总结

3 M2M覆盖性增强研究

3．1 窄带M2M通信系统设计

3．1．1 系统设计总原则

3．1．2 LTE-M系统优点

3．1．3 系统原理图及各部分功能

3．2 覆盖增强设计

3．2．1 LTE覆盖增强方案

3．2．2 LTE-M覆盖增强方案

3．3 LTE-M系统性能验证及分析

3．3．1 LTE-M系统参数

3．3．2 性能仿真

3．4 本章总结

4 M2M基于分组的组寻呼随机接入研究

4．1 M2M设备分组

4．1．1 M2M业务分类

4．1．2 M2M随机接入分组

4．1．3 M2M分组过程

4．2 组寻呼机制

4．2．1 寻呼的概念

4．2．2 寻呼的的承载

4．2．3 M2M组寻呼

4．3 M2M随机接入过程

4．3．1 MTC设备随机接入前导码

4．3．2 MTC设备随机接入过程描述

4．3．3 组成员设备维护

4．4 M2M随机接入评价

4．4．1 随机接入机制创新点

4．4．2 随机接入机制性能仿真

4．4．3 随机接入机制优点

4．5 本章总结

5 基于能量收集的中继转发资源分配

5．1 系统模型与资源分配问题

5．1．1 系统模型

5．1．2 基于能量收集激励的中继选择算法

5．2 惩罚函数内点法

5．2．1 惩罚函数内点法原理

5．2．2 惩罚函数内点法的迭代步骤

5．3 资源分配算法性能仿真

5．3．1 仿真参数

5．3．2 算法性能仿真分析

5．4 本章总结

6 总结和展望

参考文献

附录

索引

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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