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5G网络中的多/双连接技术的研究

5G网络中的多/双连接技术的研究

在Nokia WEAC仿真平台上,建立4G(Macro)+5G(Small cell)和5G+5G多/双连接场景仿真。在现有的仿真器中,没有多/双连接意味着只有主基站的单连接,用户只能连接到主基站或者辅助基站; 在WEAC仿真平台上,通过在多种情景下的仿真,确定4G(Macro)+5G(Small Cel

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  • 详细描述

    5G网络中的多/双连接技术的研究
    1.论文选题依据
    1.1论文选题的意义
      移动通信自20世纪80年代诞生以来,经过三十多年的爆发式增长,已成为连接人类社会的基础信息网络。移动通信的发展不仅深刻地改变了人们的生活方式,而且已成为推动国民经济发展、提升社会信息化水平的重要引擎。随着4G进入规模商用阶段,面向2020年及未来的第五代移动通信(5G)已成为全球研发热点。
      现研究5G关键使能技术-多连接。多连接是指对给定用户配置至少两个不同的网络节点的无线资源的操作。多连接的主要出发点是为了速率增强,鲁棒性连接以降低连接错误、保证QoS,无缝移动性以保证“0”切换中断,异构网络下用户被连接至频率层以提供附加的容量但却不必提供广域覆盖和移动下的性能优化[1]。
      提供多连接服务的小区可以工作在相同频率下,也可以工作在不同频率下,使用相同的RAT或不同的RAT。在相同频率下,用户被连接至工作在相同频率下的两个或多个小区并使用相同的RAT。这些小区可以采用集中式的布局或通过回传相互连接。这种多连接可以通过多个广泛区域小区的多连接保证无缝移动性,或通过多个高频段的热点小区的多连接提升链路可靠性[1]。
      现假定用户使用4G LTE/LTE-A网络,再进一步使用5G小小区用于数据卸载或提供满足5G需求的业务,例如低冗余、毫米波传输带宽等,可使用户提前体验5G带来的好处。基于Nokia WEAC仿真平台,通过多种场景下的系统仿真,总结5G多/双连接技术的性能。
    1.2国内外研究现状
    1.2.1概述
      为了满足由移动通信带宽的持续增加带来的性能要求,运营商主要有三种可能性方法:分配更多可使用的频谱,增加频谱效率,增加小区密度。由于有限的可供使用新频谱和无线接入技术的频谱效率现正接近香农极限[2],对于增加无线网络的性能来说,通过引入小小区来增加小区密度是最有前景的。通过令小小区和宏小区紧紧的结合,小小区性能损耗率最小化。小小区和宏小区的组合方式有很多种,主要取决于使用的无线频率、小小区类型和相应的交互节点的连接性架构[31]。
      载波聚合是LTE-A的关键技术之一[26]。载波聚合可以优化LTE系统的峰值速率、时延,以及在小区边缘的频谱效率,增加运营商的网络部署灵活性[18][27]。载波聚合已经被标准化,[21]在Rel-10中首次被提出来增加峰值吞吐量以满足IMT-A要求,而且也增加了频谱资源利用率的灵活性;在Rel-11中被扩展来实现从非结合点集合资源[17]。载波聚合技术使得LTE-A系统能够同时支持在多个载波上收发数据,从而达到扩大系统带宽、提升系统容量的目的[21]。但载波聚合要求可以在多个频点上跨频带进行聚合,由于不同频率的电磁波在空气介质中的损耗不同,不同频带的信号覆盖范围肯定不尽相同,这就给小区的规划带来了问题,同时,由于覆盖的模糊性所带来的切换问题也亟待解决,因此,解决传输问题仍然是必需的。  
      自然地,把载波聚合的概念推广到小小区[12][28],现通过使一个用户同时连接到两个基站:一个主基站,一个辅助基站,因此叫双连接。双连接是在3GPP标准Rel-12中最重要的特点之一[3]。双连接的目标是增加每个用户的吞吐量,方法是提高通过非理想回程(X2)连接的两个基站间的无线资源利用率和在不同载波频率上实行。在接收由小小区层提供的额外性能的同时,在主基站中仍然维持与主小区的连接,双连接可以提升在小小区应用中的移动性能。双连接允许用户同时被在不同载波上的宏小区和小小区服务,与此同时,相应的服务基站通过传统的基于X2回程连接交互。基于X2的回程连接是更廉价的,与节点间载波聚合的基于光纤的高速率回程连接相比,其特点是更低的容量和更高的冗余度,所以基于X2的回程被称为非理想回程。总之,双连接目的在于把节点间载波聚合的一些优点带给在主基站和辅助基站间不基于光纤连接的小小区应用。
      在第五代移动通信系统(5G)中,增加系统容量的最有前景的解决方法是维持多个无线连接,用户设备可以同时连接多个服务小区的无线资源,并且结合他们所有的带宽。在密集不均匀分布的5G网络中,多/双连接机制被视为最有效的接入机制[22]。为了满足越来越多的容量要求,实现带宽共享,相应的多/双连接技术正在被研究。
    1.2.2研究现状
      3GPP标准Rel-12提出了双连接技术,具体是指工作在无线资源控制(RRC)连接态的中断同时由至少两个网络节点(例如,一个主基站和一个辅基站)服务,各网络节点在为同一个终端服务过程中所扮演的角色节点的功率类别无关[10]。
      文献[5]中就LTE双连接的特点进行了详细描述,即用户通过主基站和辅助基站可以同时连接到主小区群和辅助小区群,从而可以显著地提高每个用户的吞吐量和移动鲁棒性。并提出了双连接技术的应用场景,并且通过系统级的仿真说明双连接是如何提高终端用户吞吐量和移动性。文献[4]中概述了LTE双连接技术中宏小区与小小区组合场景,讨论了多小区组合即宏小区和小小区的优势。文献[6]中提出了LTE中双连接在功能和性能方面研究中遇到的技术挑战,主要是缓冲状态报告的计算和报告、功率余量的计算和报告、逻辑信道优先级、用户节省功率操作如非连续接收和为支持承载分离带来的设备复杂度。由X2接口连接的基站间的协作可能会有效地解决上述的一些问题。由主基站与辅助基站间的非理想回程造成的高延时会限制基站间有效地协作。并且[6]中对这些技术挑战进行解释和提出潜在的解决方向。文献[13]中提出了双连接技术中的下行通信机制,在双连接的用户中用于主基站管理分离给辅助基站的下行通信数据速率,仿真结果表明该机制可以有效地提高LTE双连接网络的吞吐量。文献[16]提出和研究在双连接场景中灵活的小区组合概念,用户可以从不仅仅一个服务小区中汇聚无线资源,但在上行链路和下行链路中组合方式有所不同,因此提出了上下行链路解耦接入。
     现有国内外研究提出在下行链路上4G(Macro)+4G(Small Cell) LTE的双连接,提出双连接在用户平面的架构1A和3C[5],并将其完全的应用在4G(Macro)+4G(Small cell)场景中。1A架构是指控制平面信令通过主基站传输,用户平面信令通过辅助基站传输,从而使C-U分离,用户平面数据通过网络网关传输,也会有小小区数据卸载增益[23][29]。3C架构是用户平面数据通过主基站传输到辅助基站,在主基站中的流量控制实体可以更好的管理转发到辅助基站的数据 [6][30] 。
      但是目前仍不清楚的一点是,就目前的仿真器来说,控制平面上的信令是否只在主基站中传输。现有的仿真结果只有在4G(Macro)+4G(Small Cell)双连接的性能分析,若想将5G技术提前得以应用,对5G多/双连接的研究还没有提出,所以本文将对4G(Macro)+5G(Small Cell)多/双连接和5G+5G多/双连接技术进行研究,并总结5G网咯中多/双连接技术的性能。  
    1.2.3发展趋势
      目前,5G愿景与关键能力需求已经基本明确[9][25]。除加强对传统的移动宽带数据业务支外,5G还支持海量终端连接和新型低时延高可靠性通信,各种应用场景对5G提出不同方面的极端要求,例如机器类型场景要求能够支持100万/km2设备的同时连接。采用任意单一无线传输技术很难满足所有场景的需求。因此5G将是一种由多项无线传输技术融合而成的多元化通信系统。现有3G/4G系统不会迅速退出商用,而是会被整合进5G系统中[8]。
      在第五代移动通信系统(5G)中,实现多个无线连接是提高系统容量的最有前景的解决方法。5G多/双连接是通过多个RAT连接,如LTE+5G;或者同一个RAT中多个无线接口连接。在多连接中,用户设备可以同时连接到多个服务小区的无线资源,并且潜在的结合他们所有的带宽[14][24]。在5G网络中即将出现的多/双连接被认为是最有效的接入机制,其中带宽共享和协作的技术正在被提出来满足日益增长的容量要求。在5G多/双连接中继续使用LTE/LTE-A双连接用户平面的1A和3C架构[19],研究无线接入技术之间的多/双连接应用即4G(Macro)+5G(Small Cell)和5G+5G,假定用户接入4G LTE/LTE-A网络,并且进一步应用5G辅助基站用于数据卸载或者提供满足5G要求的服务,如低冗余、毫米波传输带宽,为5G多/双连接的应用场景寻找更好的机制,将5G技术得以应用,满足人们对传输质量以及传输速率的要求[15],所以研究5G网络中多/双连接技术是很前景和意义的。
     
    2.论文研究方案
    2.1研究目标及研究内容
      本文的研究目标是总结5G多/双连接的性能。
      本文的研究内容包括以下三点:
     (1)研究5G 用户平面多连接,用户平面/控制平面分离多/双连接的特点和无线协议架构。
     (2)根据参数文件中负载和传输文件大小的不同,设置不同的仿真情景,在4G(宏小区)+5G(小小区)多/双连接和5G+5G多/双连接下,确定最合适的A4阈值;
     (3)针对用户平面/控制平面分离(C/U分离)和3C模式,在4G(Macro)+5G(Small Cell)和5G+5G场景下,对两者的性能进行总结。 
    2.2拟解决的关键问题及难点
    本论文拟解决的关键问题有以下三点。
     (1)在Nokia WEAC仿真平台上,建立4G(Macro)+5G(Small cell)和5G+5G多/双连接场景仿真。在现有的仿真器中,没有多/双连接意味着只有主基站的单连接,用户只能连接到主基站或者辅助基站;
     (2)在WEAC仿真平台上,通过在多种情景下的仿真,确定4G(Macro)+5G(Small Cell)多/双连接和5G+5G多/双连接下合适的A4阈值。在诺基亚仿真平台上使用简化的控制平面模型用于多/双连接的仿真,命名为机制2,机制2在最初小区选择中添加A4标准[7],只有满足A4标准的小区才可以被选作为辅助小区。多/双连接中基于A4标准,用户选择宏小区作为主基站,小小区作为辅助基站,小小区不能被选做主基站。
     (3)在WEAC仿真平台上,考虑如何选择不同的参数设置来得到多种场景,根据对多种仿真场景下仿真结果的分析,找到适用5G多/双连接的场景。
    2.3拟采用的研究方案
     1)仔细阅读相关文献,理论分析多/双连接的控制平面结构、用户平面结构以及用户平面协议栈,分析多/双连接中物理层过程以及流量控制过程。
     2)研究如何搭建4G(Macro)+5G(Small Cell)和5G+5G多/双连接架构的仿真平台,确定场景仿真参数。基于Nokia WEAC仿真平台,现有的源代码已实现4G(Macro)+4G(Small Cell)双连接架构,通过S1接口使网络网关与主基站和辅助基站连接,在主基站和辅助基站间通过X2接口连接。在此基础上,搭建5G多/双连接的仿真平台。
    3)研究多/双连接仿真平台中辅助小区选择的A4标准,在仿真参数中设置负载的大小和传输文件大小来提供多个情况下的仿真。在4G+5G和5G+5G多/双连接仿真平台提交6种仿真情况,对仿真结果的数据分析中,主要分析边缘小区用户吞吐量、中间用户吞吐量和小区容量平均值等参数,确定合适的A4阈值,来确定使用多/双连接的用户百分比。
    4)研究用户平面/控制平面分离(C/U分离)和3C模式在5G多/双连接下的性能。在WEAC仿真平台搭建多/双连接技术的4G+5G和5G+5G仿真,对仿真结果的数据分析中,主要分析边缘小区用户吞吐量、中间用户吞吐量和小区容量平均值等参数,进而总结5G多/双连接的性能。
     
    3.预期达到的目标
      基于现有的4G(Macro)+4G(Small Cell)双连接,延续使用LTE用户平面3C/1A模式,控制平面使用机制2,主基站中使用LTE,小小区基站中使用5G,根据控制平面机制2来控制某些小区可被选做小小区。用户可以选择性的同时接入主基站和辅助基站的无线资源,从而扩大了系统容量,并提前使用5G技术,享受5G带来的好处,如毫米波传输带宽、低冗余,根据多种场景下的仿真结果分析得到5G多/双连接适用的场景,进而总结5G多/双连接技术的性能。
     
    4.论文工作计划
    第一阶段(2016.09~2016.11)
    1)搜集关于LTE/LTE-A双连接和5G的相关文献资料,学习相关技术整理文献综述,通过现有的研究结果,深入的了解多/双连接技术。完成方案的评价工作。
    2)整理研究资料,结合诺基亚WEAC仿真平台确定研究方案。
    第二阶段(2016.12~2017.03)
    1)根据前期的资料整理研究工作,深入学习现有相关技术。
    2)针对课题目标,研究并提出自己的研究方案。
    3)在Nokia WEAC仿真平台,通过不同参数的设置或者不同的配置文件设置来提供多种场景。然后,在Nokia WEAC仿真平台提交多种情景的仿真,并对仿真结果中的用户吞吐量等进行数据分析。最后,根据分析结果,总结5G多/双连接的性能。
    第三阶段(2017.04~2017.06)
    1)总结前期的工作,进一步完善相应内容,识别系统的性能影响因素,并且提出优化方案。
    2)整理并撰写论文,准备答辩。
     
    5. 主要参考文献
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