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随着无线多媒体业务需求不断增长和智能手机日渐普及,传统蜂窝网络对授权频段的使用正逐渐接近授权频段的可容纳极限。数据量庞大音视频流业务会使带宽有限的授权频段面临严重的拥堵问题。第三代合作伙伴计划(the Third Generation Partnership Project,3 GPP)提出将蜂窝网络过多的业务负载卸载到未授权频段,目前主要有未授权长期演进(Long Term Evolution-Unlicensed,LTE-U)和授权辅助接入(Licensed-Assisted Access,LAA)两种方案。LTE-U主要适用于中国和北美等国家和地区。LAA是全球统一的解决方案,符合严格的未授权频段监管要求,适用于各个国家和地区。当前工作于5GHz未授权频段的无线传输技术为电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)802.11系列协议的无线保真(Wireless Fidelity,Wi-Fi),LAA系统在未授权频段上工作,与Wi-Fi共享同一信道的情况不可避免。为分析LAA与Wi-Fi系统在未授权频段共存的系统性能问题,本文针对LAA系统先听后说(Listen-Before-Talk,LBT)信道检测机制建立模型,并对LAA与Wi-Fi系统共存公平性、和LAA系统内及LAA与Wi-Fi系统间协调问题提出了一些解决方案并进行分析。本文主要对5G移动通信标准中蜂窝与Wi-Fi系统在未授权频段同信道共存的系统容量进行了分析,并研究了共存系统间资源分配等技术。本论文的主要工作和创新点包括以下四个部分。首先,论文讨论了饱和业务模型和理想信道不存在传输错误等条件下LAA与Wi-Fi系统共存传输问题。针对3GPP技术报告TR 36.889描述的LAA的两阶段空闲信道评估(Clear Channel Assessment,CCA)检测LBT机制类型3(Category 3,Cat 3)和Cat 4建立二维离散Markov模型,随后推导LAA与Wi-Fi系统共存性能表达式。分别考虑系统网络规模、Cat 3所用竞争窗长度和Cat 4竞争窗长度及退避阶大小对共存的两个系统性能的影响。通过仿真实验证明该理论分析模型在各种LAA与Wi-Fi设备共存数量情况下均能有效预测上述两系统设备成功占用信道比率。仿真结果和理论分析结果表明,LAA系统通过适当更改LBT Cat 3的竞争窗取值,或更改LBT Cat 4竞争窗长度和退避阶大小,可以实现与Wi-Fi系统公平共存,并实现信道利用率最大化。其次,论文考虑实际应用场景,讨论了不饱和业务模型和瑞利衰落信道并存在传输错误等的条件下LAA与Wi-Fi系统共存传输问题。对具有空闲状态LAA的两阶段CCA检测LBT机制Cat 4建立二维离散Markov模型,分析业务流量对系统性能的影响。分析过程中考虑瑞利衰落信道捕获效应和信道错误对传输失败的影响。同时分析在Wi-Fi传输时长固定的情况下LAA传输时长变化对两个共存系统性能的影响。通过仿真实验验证该理论分析模型在不同LAA退避阶和竞争窗长度条件下均能有效预测系统性能,并且适用于各种网络规模的情况。仿真结果和理论分析表明在瑞利衰落信道条件下,若LAA与Wi-Fi系统均为小业务流量,则二者成功信道占用率仅与业务流量相关。若LAA与Wi-Fi业务流量较大,则在Wi-Fi信道检测参数固定的情况下,二者成功信道占用率与LAA系统LBT参数有关,具体表现为:小的退避阶和竞争窗可使LAA系统获得更高的成功信道占用率且同时削弱Wi-Fi系统性能。通过调整LAA的LBT参数,可使共存的两个系统获得相近的成功信道占用率,从而实现LAA与Wi-Fi的公平共存。再次,提出提升LAA系统性能策略并提出与Wi-Fi系统公平共存的算法。首先对LAA系统初始空闲信道评估(Initial CCA,ICCA)过程进行调整,将固定的ICCA检测时长变为可变时长,建立可变ICCA长度Cat 3和Cat 4接入机制的Markov模型,以减少LAA系统内部冲突。随后,将LAA与Wi-Fi系统共存模型数学表达式做进一步推导,通过LAA传输结果表达式推导Wi-Fi系统传输情况表达式,根据推导结果提出自适应LBT机制。本文提出的自适应LBT算法是根据LAA传输结果的统计平均值推测Wi-Fi传输情况进而调整LBT参数,以实现LAA与Wi-Fi系统公平共存。此类算法无需附加接入策略和系统间信息传递,适合LAA系统与Wi-Fi系统共存时无附加信息交换协调机制的情况。通过仿真实验可知,所提自适应LBT策略可使LAA与Wi-Fi系统性能成线性关系,通过附加修正值,可使LAA系统与Wi-Fi系统获得相近的成功信道占用率。进一步的仿真实验表明,该策略可根据共存的LAA系统与Wi-Fi系统各自系统规模分配成功信道占用率,实现共存环境中每个设备公平分享信道资源。最后,论文提出了LAA系统内部协调机制、及LAA与Wi-Fi共存环境中的系统间冲突避免机制。根据LAA系统信道检测方式为能量检测的特点,提出能量图案携带信息方式。通过在传输信息帧前收发端相继广播能量图案信号的方式预约信道,减少碰撞损耗同时可清除隐藏节点。由于能量图案信号仅使用不同时频位置能量组成图案携带信息,不增加调制解调时间的同时不需要分享系统本身调制编码方案及运营商原有码本。仿真实验证明该方案对减少不同运营商的LAA设备传输冲突有效。随后,根据LAA系统使用能量检测,和由于所用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)符号不同,Wi-Fi系统无法解读LAA系统信息特点,一方面提出LAA系统跨载波传输两阶段感知双重信道检测方案,减少由于接收端接收冲突产生的无效传输;另一方面提出共存辅助信号,在LAA接收端发送周期性辅助共存信号,以减少正常传输被干扰传输冲突而导致接收失败的概率。仿真实验证明该方案可提高LAA与Wi-Fi共存场景中LAA系统工作效率。