免许可频段上LTE与WiFi的友好共存和异构融合

LTE in unlicensed spectrum (LTE-U) is an emerging technology in wireless communications. In this project, according to the different PHY and MAC mechanisms of LTE and WiFi systems, we investigate the coexistence, competition, cooperation, and convergence of the two systems in the unlicensed spectrum. First, by utilizing game theory and machine learning, an adaptive spectrum access mechanism is developed to fulfill the harmonious inter-RAT and intra-RAT coexistences. Secondly, through optimally designing the deployment density and the resource configuration of the small cell network, as well as the communication mode selection and the access mechanism of the D2D-U network, the throughput of LTE-U system is effectively improved. Thirdly, the heterogeneous convergence of LTE, LTE-U, and WiFi networks can be fulfilled by optimizing the dynamic network selection, intelligent mobile offloading, and flexible multi-homing multi-streaming aggregation. Finally, a distributive and spectral- and energy- efficient resource allocation algorithm is proposed, according to the specific channel propagation of the unlicensed spectrum and the complicated interference scenario of the LTE-U network. The goal of this project is accomplishing harmonious coexistence and heterogeneous convergence of LTE and WiFi networks in the unlicensed spectrum, as well as providing a complete theoretical and technical LTE-U solution for the industry to meet the 1000x capacity challenge of the next generation cellular system.

免许可频段LTE技术(LTE-U)是目前移动通信领域的热点课题。本项目从LTE和WiFi的不同物理层和MAC层机制出发，探讨两系统在免许可频段上的共存、竞争、合作以及融合。基于博弈论和机器学习，设计LTE-U的自适应频谱接入机制，实现免许可频段上的inter-RAT和intra-RAT友好共存；针对小站组网和D2D-U组网，优化小站部署密度和频谱资源配置，以及D2D通信模式选择和接入机制，有效提高LTE-U系统吞吐量；优化设计共存系统的移动用户动态网络选择、移动业务智能卸载、以及灵活跨网多流汇聚和跨网协同机制，实现LTE、LTE-U以及WiFi的异构网络融合；针对免许可频段的特殊传播特性和LTE-U网络的复杂干扰环境，提出高谱效、高能效的分布式资源分配算法；力争实现LTE-U和WiFi的友好共存和异构融合，为解决下一代蜂窝系统的1000倍容量挑战提供一套完整的LTE-U理论和技术解决方案。

本项目从LTE和WiFi的不同物理层和MAC层机制出发，研究两系统在免许可频段上的共存、竞争、合作以及融合。主要研究了LTE-U接入机制以及跨系统友好共存、LTE-U组网和小站部署优化、LTE-U异构网络融合和跨网协同、LTE-U资源分配与优化等四个主要内容。主要取得的研究成果如下。首先，针对网络共存和接入机制，设计了一种基于超级接入点(HAP)的网络架构及其具体实现机制，创立了将LTE数据嵌入到WiFi PCF协议中的新型传输方式，并进一步提出了该网络的用户接入及资源调度优化设计方法，同时提出了一种混合的免授权频段共存方案，充分融合了Duty-cycle和LBT两种接入机制的优势，有效提高了免许可频段的频谱利用效率。其次，针对异构网络的组网和部署优化问题，设计了一种全双工超密集组网系统的资源分配方案，有效提升了网络的容量，提出了异步信道接入机制下LAA和Wi-Fi组网系统的吞吐量分析和优化方法，提出了一种超密集毫米波组网系统中的分层SDN架构，有效地降低了网络控制的信令开销。再次，针对LTE-U异构网络融合和跨网协同问题，我们提出了一种基于少数派博弈的分布式融合方法，该方法具有低计算复杂度、低信令开销等优势，且无需任何信道状态信息，并针对存在终端直通通信的免许可频段传输技术，提出一种模式选择和资源分配算法，有效提升了网络融合和跨网协同算法的性能。最后，我们针对传统中心式LAA蜂窝网络的资源分配算法的信令开销问题，提出了一种半分布式的资源分配算法，小基站间仅需要交互部分的拉格朗日参数，即可达到最优的免许可频段资源分配效果。本项目的研究按照计划书展开，各项研究内容进展均比较顺利。在项目资助下，共发表23篇IEEE期刊论文，9篇IEEE会议论文，授权中国发明专利5项。培养的博士生获得浙江大学竺可桢奖学金，博士论文获得中国电子学会优秀博士学位论文以及浙江省优秀博士学位论文。依托本项目研究成果，项目组获得了四项企业委托项目，项目负责人获得浙江省科技进步二等奖，并入选浙江省万人计划“青年拔尖”人才项目。