大规模无线网络中基于时间和频率分集的高可靠低时延通信

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国际电信联盟已经确定了高可靠低时延通信(ultra-reliable and low-latency communications,URLLC)、增强移动宽带(enhanced mobile broadband,e MBB)以及海量机器类通信(massive machine type communications,m MTC)为第五代(the fifth generation,5G)移动通信的三大主要服务场景,旨在为许多不同的应用提供良好的连接服务。URLLC不仅助力自动驾驶、患者外骨骼控制、触觉网络等新需求和业务的发展,也为垂直应用实现动态实时控制和自动化提供技术保障。URLLC的主要挑战在于同时满足严苛的时延和可靠性要求:端到端时延为18),整体丢包率为10-5~10-7。目前关于URLLC的研究还不够全面和完善,需要设计新技术来提高URLLC的性能。根据URLLC传输时延小于信道相干时间以及传输短数据包的特点,本文对大规模无线网络中的URLLC技术展开相关研究。许多研究探索关于单一小区单一链路URLLC的可靠性和时延性能,缺乏对大规模无线网络中URLLC的整体综合评价。本文提出网络URLLC可实现率的概念,旨在综合评价大规模无线网络中URLLC的可靠性与时延。网络URLLC可实现率的定义为,在大规模无线网络中,一个典型URLLC用户能够满足时延和可靠性要求的概率。同时这一概率也是网络中同时满足时延和可靠性用户的比率。本研究提出了随机静默的时间分集和频率分集两种传输策略,旨在提高网络的URLLC可实现率。在两种策略中,发射机随机选择多个时频资源块来传输数据包的多个副本。这不仅可以减少不同资源块之间的干扰相关性,而且也能增加分集收益。仿真和数值结果表明,两种策略都能提高URLLC的性能。在本文的仿真条件下,基于时间分集策略能够提高网络URLLC可实现率2.64%,基于频率分集策略能提高网络URLLC可实现率5.30%,在合适的发射机密度下基于频率分集策略可将网络URLLC可实现率提高15.64%。在此基础上,本研究进一步探讨了阴影衰落对网络性能的影响,仿真结果表明,即使考虑阴影衰落,频率分集策略也能有效提高网络URLLC可实现率。最后本文提出了一种基于频率分集的主动丢包策略,与频率分集策略相比,基于主动丢包的频率分集可以进一步提高网络URLLC可实现率。综上所述,结合随机几何和排队论两大理论工具,本文提出并推导了一个大规模无线网络中URLLC的时延和可靠性综合评价指标—网络中的URLLC可实现率。此外,我们提出了两种分集策略,引入了随机静默来提高网络的URLLC可实现率。在频率分集策略的基础上,分别考虑阴影衰落和主动丢包策略对网络性能的影响。
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