LAA下的接入控制策略研究

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随着移动通信技术的不断发展以及用户设备和应用的不断增加,已有频谱资源已无法满足用户日益增长的通信需求,特别是授权频谱资源已经变得十分拥挤。为了进一步增加蜂窝网络的整体容量,提升用户数据传输体验,满足用户对于数据传输速率、时延等性能的要求,针对目前频谱稀缺的危机,3GPP提出了授权频段辅助接入(Licensed Assisted Access,LAA)技术。LAA通过将LTE工作频谱扩展至非授权频段,在长期演进(Long TermEvolution,LTE)授权频谱的协助下在非授权频谱资源中进行数据传输。然而,使用非授权频谱将对当前在该频段上工作的WiFi等其他无线通信系统造成干扰。同时不同运营商部署在非授权频段的LAA网络在数据传输时也会互相产生干扰。为此,3GPP标准化中采用了 LBT(listen-before-talk)机制,使得在同一非授权频段上不同接入技术不同运营商的发送节点之间能够公平共享资源。然而,实际数据传输中,无线环境和业务负载会不断发生变化,并且由于LAA业务实时性需求,基站(evolvednodeB,eNB)的队列也有最大长度限制。已有的LBT指数退避策略不能针对业务场景灵活调整窗口大小,并且共存场景下的性能指标和公平性也有提升空间。因此,本文主要研究非授权频段共存场景下的LAA接入控制策略,主要工作如下:第一,基于3GPPRelease-13中的LAA无线接入控制过程,分别构建了静态退避和指数退避竞争窗口调整策略下的马尔科夫模型,基于状态转移方程计算不同状态下的稳态概率,进而得到LAA与WiFi系统共存下的接入概率、吞吐量和时延指标。最后根据仿真结果系统分析LAA-LAA与LAA-WiFi场景下非授权频段的共存性能。第二,根据已建立的马尔科夫模型及共存性能分析,已有协议中的指数退避策略无法根据LAA节点间业务量差异及实时变化动态调整竞争窗口大小,且WiFi传输受到LAA干扰较大。本文基于强化学习中的Q学习算法和模拟退火算法提出了一种LAA接入控制策略下的竞争窗口调整策略(SAQ算法)。在LAA与环境交互学习的过程中,设置LAA目标吞吐量,根据LAA系统内不同节点业务量动态调整每个节点的竞争窗口大小。并且在策略探索阶段,引入退火算法进一步提升学习性能。多次学习交互后,该算法收敛得到最优竞争窗口调整策略。最后仿真结果表明该策略不仅可以动态适应LAA系统内不同节点间的业务量差异和实时变化,还可以为WiFi提供更多传输机会,提升LAA与WiFi系统的共存公平性。第三,考虑到实际系统业务有实时性要求,要求每个eNB节点的队列都有最大长度限制。本文基于随机博弈提出了一种LAA接入控制策略下的竞争窗口调整策略。首先根据LAA接入过程,构建非协作型随机博弈模型,基于单个LAA节点或系统吞吐量最优化目标和最大队列长度限制建立线性规划方程,使用迭代算法得到线性规划最优解,并证明该最优解为博弈的纳什均衡点,最终得到最优竞争窗口调整策略。仿真结果表明改进的竞争窗口调整策略可以在保证LAA传输实时性的前提下,提升单个LAA节点或LAA系统吞吐量。
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