集中式无线电接入网中的多用户通信架构、协调和优化

集中式无线电接入网中的多用户通信：架构、协调和优化多拉·博维兹引用此版本：多拉·博维兹。集中式无线电接入网中的多用户通信其他。巴黎萨克雷大学（COmUE），2017年。法语。NNT：2017SACLC035。电话：01591285HAL ID：电话：01591285https://theses.hal.science/tel-01591285提交日期：2017年9月HAL是一个多学科的开放存取档案馆，用于存放和传播科学研究论文，无论它们是否被公开。论文可以来自法国或国外的教学和研究机构，也可以来自公共或私人研究中心。L’archive ouverte pluridisciplinaireNNT：2017SACLC035博士学位论文从一个在CenTRA leSuPÉ lec准备第580号博士学校信息和通信的科学和技术博士专业：网络、信息与通信由夫人 多拉BO vI z集中式无线电接入网中的多用户通信论文于2017年6月19日在Nozay发表并答辩评审团组成：M.皮埃尔·杜哈梅尔研究总监评审团主席中央超级电M.拉尔斯·迪特曼教授报告员DTUM.雷蒙德·克诺普教授报告员欧洲通信夫人E.维罗妮卡·贝尔梅加会议主持人审查员ENSEAM.拉米·朗加尔教授检查员UPEMM埃里克·雷诺会议主持人检查员南巴黎电信M.盛阳助理教授论文指导中央超级电M.劳伦特·鲁莱研究总监主管、客座诺基亚贝尔实验室和， SO，是O"我"，"我 "？aI@，aI@，mKJ，，(In上帝的名字，最仁慈的，最仁慈的确认文件如果没有我从许多人那里得到的帮助和支持，这篇论文就不可能完成，所以我想在手稿的开头感谢他们所有人，即使我不能在这里列出所有的名字。首先，我想特别感谢我的工业主管Laurent Roullet先生给我机会完成这篇论文，感谢他对我工作的鼓励、指导和宝贵反馈。我也非常感谢教授。感谢我的学术导师杨盛在整个论文过程中的支持和建议。我从与他们的合作中获得的经验可能会对我的职业生涯产生重大影响。我想感谢所有博士委员会成员同意评估我的论文，并对它的宝贵意见和建议其次，我要感谢法国贝尔实验室和ANRT（国家研究与技术协会）的财政支持，使我能够从事这篇论文。我也非常感谢Vinod Kumar博士和LaurentThomas先生接受我担任研究工程师的职位来撰写本文。我非常感谢资金，特别是与HARP和IDEFIX研究项目合作伙伴的宝贵合作特别感谢David Gesbert教授、Bruno Clerkx教授、Tharmalingam Ratnarajah教授、Salah EddineElayoubi博士亚历山大·切科博士Nivine Abbas、Matteo Artuso和这些项目的所有其他参与者，我有机会与他们一起工作。我还要特别感谢我在Supélec、Chao、Zheng、Asma和Meryem电信系的博士生同事。我想对贝尔实验室的所有团队表示衷心的感谢，很高兴能在那里工作，并成为SDMN团队的一员。我想感谢卡尔文一起工作，感谢我能从他身上学到的一切，感谢他随时可用。非常感谢Aravinth，我们在整个论文过程中共同取得了进展，感谢他在各种项目中的讨论和合作，感谢Nessrine关于论文和许多其他事情的对话。特别感谢Alberto，无论是技术讨论还是咖啡，他总是在那里支持团队，感谢Elena我我每次都需要和别人说话。我想感谢我的办公室伙伴在论文期间，Afef，Véronique Sabine，Ivaylo和Jakob的严肃和不严肃的谈话。感谢贝尔实验室的所有人，特别是Karim、Kader、Imran、Amira、Ilyne、Bessem、Lionel、Amine、Bruno和Yacine，以及SDMN团队的所有我想感谢我的父母、祖父母、姐妹和其他亲戚，他们一直为我的工作感到自豪，鼓励我学习。我特别感谢我的祖父和母亲从我还是个孩子的时候起就对我的支持。特别感谢我的丈夫穆拉德，感谢他在我工作的额外时间里不断的支持和耐心，感谢我的父母为我的成功祈祷感谢我的小儿子亚当，感谢他无尽的快乐，他给了我力量，让我度过难关。最重要的是，我感谢上帝在这一生中为我提供了一切，并允许我成功地完成这篇论文。二内容。确认I内容表图八列表表九列表1引言11.1背景和动机11.1.1云RAN和多用户通信11.1.2工业博士项目21.2论文大纲1.3贡献41.4出版物列表2C-RAN和多小区技术92.1背景92.1.1云RAN体系结构92.1.2移动网络中的物理层处理2.1.3LTE及以后的2.2第二十五章预备2.2.1多小区上行链路JR 252.2.2处理前端限制292.3新型以用户为中心的不对称前轨拆分342.3.1多单元处理的功能要求2.3.2低延迟HARQ 362.3.3使用用户选择的动态拆分373SDN for Multi-Cell合作433.1背景：RAN"软工业化" 433.1.1宽带处理的虚拟化三3.1.2软件定义的RAN：相关工作473.2C-RAN 48中的多单元JR原型3.2.1OpenAirInterface软件BBU 483.2.2RAN 51的基于SDN的控制3.2.3使用SDN 52的多小区协调3.2.4多单元物理处理564ULJR 61的前端分配4.1系统C-RAN中多小区NOMA的模型。... ... ... ... ... ... ... ... ... ...614.2部分诺玛。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...654.2.1NOMA上行链路。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...654.2.2对接收器的实际限制。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...664.2.3部分NOMA组。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...664.3将小区边缘用户关联到组中。 . . . . . . . . . . . . . ...674.4前端使用成本。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...714.5具有完美CSI的前端分配优化。. . . . . . ...744.5.1 NOMA上行链路传输的净收益。 . . . . . . ...744.5.2可用速率有限的前端优化。 . . ...764.5.3无每条链路速率约束的前端优化。774.5.4绩效评估。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...784.6使用通道统计的前端分配优化。 . . ...834.6.1渠道估算的特征化。 . . . . . . . . . ...834.6.2不完全CSI的遍历和速率。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...844.6.3确定性等价的总和率近似854.6.4使用统计近似的前沿分配。 . ...874.6.5数值评估。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...915结论和展望975.1结论性意见。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...975.2未来研究方向。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...985.2.1后续步骤。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .98.. ...5.2.2新视角。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...99Stieltjes变换的衍生物101B 首字母缩略词列表103C 法文摘要1移动网络的发展1.1从LTE技术到5G 1071.2迈向集中式云.......................................................................架构108四2软件定义的网络：多小区技术的关键3改进云中的多用户通信RAN 1093.1具有部分正交性3.2前端110链路上的吞吐量分配4结论112参考书目122V六图列表1.1论文5所述贡献概述2.1云RAN体系结构选项112.2LTE 15中的物理层处理2.3上行链路资源网格182.4各种MIMO配置212.5LTE 23中ICMP技术的分类2.6多小区协作的体系结构类型。..................................................................242.7双小区边缘用户的UL JR。.......................................................................262.8与单用户相比，多用户MEMS检测的性能用户ZF. .......................................................................................................292.9具有2个RRH和 2个2.10 由NGFI定义的拆分选项。........................................................................342.11 用于关节治疗的Fronthaul转移2.12 C-RAN 36中UL HARQ的LTE时间预算2.13 使用PRB选择的3.1云化5G RAN架构443.2微服务网络体系结构中的编排和控制。463.3OpenAirInterface eNB结构493.4具有OAI eNB和USRP RRH的C-RAN原型元件。................................ 503.5支持SDN的C-RAN部署513.6使用SDN控制的BBB体系结构。..............................................................533.7NB应用程序实现的多小区JR的协调过程553.8C-RAN中多用户MEMS接收器的物理结构。........................................ 584.1C-RAN 62中NOMA上行链路的系统模型4.2将随机选择的用户放置在小区边缘区域中。...........................................644.3用户调度策略的比较4.4使用二分图在组和用户之间进行关联。..................................................694.5相干区间长度为T 74的块衰减模型七4.6具有受限前端的上行链路传输的净效益。. ...794.7不同成本系数值的上行链路传输净收益804.8不同组大小的部分NOMA上行链路传输的净效益。............................ 814.9在3种部署场景中，不同组大小的部分NOMA传输上行链路前端使用的效率..........................................................................................................824.10 模拟遍历和速率与确定性等价..................................................................近似的4.11 目标函数w.r.t.的偏导数一种成分基于近似和率90的前捆率4.12 近似和遍历平均净收益的完全分配和优化前向率的比较。..................924.13 最优每条链路前沿率和净收益用于用户分组的不同实现。......................................................................934.14 最优分配的总费率和每条链路前道费率w.r.t.SNR。..........................................................................................................944.15 4天线和8天线的最佳净效益和前向速率按RRH列出。.............................................................................................95C.1 C-RAN 110体系结构中上行链路传输的系统模型..................................八表列表2.1模拟参数402.2各种拆分选项的Fronthaul交通特性414.1通过用户分组提高吞吐量71九X第一部分简介1.1背景和动机1.1.1云RAN和多用户通信本论文的主要目标是填补云无线接入网络（C-RAN）的理论重新研究与网络设备制造商的意图之间的差距，以实现真正的C-RAN部署，提供比传统分布式无线接入网络（RAN）基础设施显著更高的性能。实际上，在理想情况下，C-RAN可以被认为是具有许多分布式天线的单基站（BS），因此它作为大规模多输入多输出（MIMO）BS操作，而不受天线之间的相关性的限制。该体系结构有望提高网络工作能力。不幸的是，即使有了今天先进的计算机技术，这个理想的案例也离科幻小说不远了，主要是出于实际原因--包括向后兼容性--基于细胞的结构仍然保持着与MIMO概念非常相似的多小区技术也能够提高性能，但非常高效的操作通常需要集中式处理[1]。 虽然已经研究了多小区和多天线技术，但是还定义了使其能够实现的体系结构[2，3]。已经指出了部署限制和技术挑战，并且一些研究发现了实际限制，以便在更现实的配置中评估C-RAN性能[4-8]。然而，它们中的每一个都解决了最少的限制，而本论文的目标是对C-RAN操作实现多细胞信号处理进行端到端的考虑到总体服务质量（QoS）和网络性能以及每个C-RAN组件的实现、架构和高效操作，本文提出了一个实用的框架，以满足C-RAN在实际部署中的增益期望。现实约束下多用户多单元技术的理论性能综述和研究12第一部分。引言适应各种技术限制的C-RAN体系结构细节概述了一条折衷的道路，在这种道路上，我们可以从当前C-RAN基础设施中的多小区协作中获益必须考虑许多特征、参数、定义、协议和物理约束。与此同时，以前未在移动网络中使用的无数新技术被用作使集中式多小区信号处理成为现实的使能器网络功能虚拟化（NFV）技术、软件定义的网络、玻璃化、微服务、基于通用处理器（GPP）的平台、以太网前端都有助于集成多小区MIMO，同时保持C-RAN的优势基于这些概念，我们还设计了一种实用的接收器结构，在计算复杂性和传输速率之间提供了一种折衷。处理C-RAN的主要限制在前端传输方面，我们认为新体系结构具有更好的优化操作能力，能够使用与提供良好QoS所需的前端速率即使C-RAN的概念是在4G移动网络部署和第三代合作伙伴计划（3GPP）长期演进（LTE）标准包括多小区处理所需的元素之前定义的，但大多数使能技术还没有准备好使用。此外，LTE使用案例中的收益将是有限的，因为它的干扰管理能力仅在具有许多用户的密集网络部署中随着万物互联时代的到来，移动数据流量的爆炸式增长将要求未来的移动网络以显著更高的速率为更多的用户提供服务。为了满足这一需求，有三个维度可用：频率、频谱效率和空间。在空间维度中，将安装更多接入点（AP），即，网络部署变得更加密集。显然，它将提供更高的数据速率，但也会产生更多的干扰，这使得C-RAN不可或缺。为了在频谱效率维度上取得进展，将在5G中使用诸如非正交多址（NOMA）之类的多用户技术C-RAN还允许在细胞中扩展这些技术以进一步改进。宽带的使用也允许容纳更多的流量和更多的用户，我们考虑到这一特点，以便描述在5G背景下为C-RAN提出的解决方案。1.1.2工业博士项目除了描述论文的技术和科学背景外，还可以介绍博士研究的背景。法国国家研究与技术协会（ANRT）支持公司监督博士学位与学术研究实验室合作的项目第一部分。引言3本文是Centralesuplec信号与系统实验室与贝尔实验室（目前隶属于诺基亚集团的工业研究实体）合作的在论文开始时，贝尔实验室是阿尔卡特朗讯的一部分，后者于2016年与诺基亚合并合并后的前阿尔卡特朗讯和诺基亚都在电信行业的许多领域开展业务，从光纤技术到固定接入移动网络，贝尔实验室正在研究这些领域的各种研究课题。根据学术和工业研究实验室之间的协议，大部分监督工作在贝尔实验室进行，其中大部分工作由软件定义的移动网络部门进行。该小组的研究主要集中在定义该研究由信号和系统实验室的电信部门进行，涉及广泛的主题：信息理论、无线通信、无线网络的高级功能在这两个小组内进行的联合监督允许在本文中采取一种理论和实践相结合的方法。对于实例，我们选择的性能指标和信号处理方法可能适用于实际网络部署。我们还致力于定义、评估和原型化体系结构解决方案，使其能够在真实系统中简单地实现论文中提出的结果。能够就一些具体问题咨询有经验的贝尔实验室研究人员和阿尔卡特朗讯或诺基亚的其他专家，对于建立一个与未来网络的实际部署计划一致的一致研究项目非常有用。从2013年到2015年，通过欧洲项目"远程无线电头和寄生天线阵列高容量网络架构"（HARP）与学术和行业合作伙伴合作，对C-RAN有了广泛的了解，并对论文领域研究人员的新成果有了更深入的本文件还包括对该项目的一些贡献另一个合作项目是由法国国家研究机构（ANR）资助的，名为"未来移动互联网增强体验的智能设计"（IDEFIX）。我们的贡献主要涉及C-RAN平台的实现，该平台可以托管合作RAN管理的应用程序，可能由项目中的其他合作伙伴实现。所有这些有价值的合作都有助于勾勒出本文中提出的不同想法，并根据趋势定位我们的工作4第一部分。引言电信行业和学术研究。1.2论文概要在这第一部分介绍论文之后，在接下来的三个部分中，我们描述了背景、背景和相关作品，以及小说的贡献。在第2部分中，我们介绍了C-RAN体系结构、其演变和优势。还描述了当前和未来移动网络的背景，包括多小区处理技术。我们还为C-RAN部署的主要挑战提供了架构解决方案低速率前端。然后，在第3部分中，提出了C-RAN的高效低延迟控制解决方案。我们使用适合RAN环境的软件定义网络（SDN）来我们还描述了实现拟议设计的原型的元素和操作。在研究了C-RAN中多小区处理的实际方面之后，在第4部分中，我们考虑了在现实系统模型中优化上行链路多小区传输描述了一种具有低复杂度接收处理的实用多用户处理方案。然后，我们研究了通过从多小区处理中受益的用户的机会性关联来增加吞吐量的可能在第4部分的后半部分，我们使用一个考虑前端使用成本的度量来关注最佳前端费率。描述了两种优化方案，在第一种方案中，我们假设完美的信道知识，以便在理想情况下评估前端分配的好处。在第二个方案中，我们研究了一个更现实的模型，其中我们仅使用通道统计来近似吞吐量。最后，我们在第5部分提供了结论性意见和未来的研究方向1.3贡献论文中描述的主要贡献的概述见图1.1，下面列出的每个贡献的数量也在图中。本节的目标是双重的：将本论文中提出的新成果与相关工作相结合，并明确地将个人贡献纳入合作研究工作。(I) 作为第一个结果，我们为C-RAN定义了一个集中式架构，该架构支持多小区物理层处理。它基于最初在固定网络部署中使用的SDN概念，我们已经研究了如何使其适用于RAN应用。根据本文的重点第一部分。引言5图1.1我们提出了一种体系结构，其中可以在C-RAN的实际部署中实现多小区(II) 根据我们指定的基于SDN的架构，使用开源软件国度单元开发了实时原型，这是一种适应RAN和多小区协调应用的SDN控制实现该平台的主要贡献是定义了通用体系结构，特别是多小区协调的操作和约束，以及评估上行链路联合接收的可行性，以及定义了上行链路情况下的协调算法主要部分的实施是与其他团队成员合作完成的，这一努力为我们的SDN支持的C-RAN解决方案提供了概念验证。(III) 除了用于低延迟多小区控制的体系结构之外，我们还设计了一种用于低速率前端的解决方案，该解决方案允许在C-RAN部署中利用集中式处理。我们的贡献是定义分布式远程单元和中央单元之间的双频处理功能的放置，以允许在上行链路和下行链路上进行多小区传输，同时显著降低与最先进解决方案相关的前端速率要求。