工业自动化中低延迟无线通信的关键技术研究

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近几年来,越来越多的新型服务与应用开始走入人们的视野并在人们的生活中扮演重要的角色,自动驾驶、远程控制/手术、虚拟/增强现实、触觉互联网以及工厂自动化等。这些服务与应用的共同点在于它们传输的典型数据类型为机器类通信(Machine type communication,MTC)数据,且对数据传输的可靠性与端到端(End-to-End,E2E)延迟有非常严格的约束:端到端延迟约1毫米,传输可靠性约为1-10-9,这一类通信被称为超可靠低延迟通信(Ultra-reliable and low-latency communication,URLLC)。在传统无线通信应用中,信道编码分组长度趋于无穷大,使用香农容量来刻画通信所能达到的最大速率。然而很多超可靠低延迟通信应用产生的数据包多为短包,且对传输的服务质量(Quality of Service,QoS)有很严格的约束,此时需要采用有限长度分组信道编码。对于超可靠低延迟通信应用,利用香农容量设计的资源分配方案将无法满足传输的QoS需求。基于短包传输的有限分组长度信道编码理论,本文分别研究了超可靠低延迟通信中UL/DL传输的最优无线资源分配问题。第一,在上行链路(UpLink,UL)传输中,我们研究如何利用有限的系统资源,通过合理的资源分配方案,在满足系统严格的QoS约束(超高可靠性与超低端到端延迟)需求条件下,最优化系统的性能。基于链路传输处于准静态信道的特点,我们建立一个两状态传输模型。以区域频谱效率为优化目标,通过研究目标函数的性质,提出了一种基于黄金分割法与二分法的最优资源分配方案搜索算法。首先我们通过二分搜索算法得到满足UL传输QoS约束的无线资源分配方案的可行域,在该可行域内,我们搜索使得系统频谱效率最高的最优资源分配方案。通过仿真,我们分析了频率分集、阵列天线增益以及不同优化指标对超可靠低延迟通信中资源分配方案的影响。第二,在下行链路(DownLink,DL)传输中,随机到达的数据包在基站处引起的排队将产生排队延迟。通过将有效带宽作为链路传输的最低传输速率,使得数据传输的排队延迟与队列传输差错概率得到满足。通过将短包的有限长分组信道编码速率作为链路传输的最大速率,使得短包传输的解码差错概率得到满足。基于链路传输处于准静态信道的特点,我们建立一个两状态传输模型。我们研究如何设计合适的资源分配方案,以满足DL传输的排队延迟与传输可靠性。以延迟敏感区域频谱效率为优化目标,通过分析优化函数的性质,提出一种基于遗传算法、黄金分割法以及二分法的无线资源分配方案搜索算法。通过仿真我们分析了频率分集、阵列天线增益以及不同优化指标对系统性能的影响。
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