面向有限块长的时延服务质量保障技术研究

作     者：赵盛淙 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张海林

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：统计性时延服务质量保障 高可靠低时延通信 短码通信 自适应块长功率分配 异构时延服务质量保障 保障比特速率用户 

摘      要：随着未来无线通信网络中高可靠低时延通信(Ultra-Reliable and Low Latency Communication,URLLC)和大规模机器通信(Massive Machine Type Communication,MMTC)的需求急剧增加,短码通信逐渐进入了人们的视野。已有的研究工作中,为了达成高可靠低时延的目标通常采用块长较短的固定块长编码。由于面向短块长编码下的数据包长度是有限的,相较于无块长限制的香农容量而言,短块长编码可以有效降低数据包传输时延。但随着块长的减少,每个数据包传输的信息量随之减少,使得需要传输的数据包数量增加,造成总体的排队时延逐渐增大,信道的可达速率逐渐下降。因此如何在保障用户时延服务质量的前提下优化用户速率至关重要。除此之外,面向多用户场景,如何在同时保障保证比特速率用户(Guaranteed Bite Rate,GBR)和非保证比特速率用户(Non-Guaranteed Bite Rate,Non-GBR)的时延服务质量(Quality of Service,QoS)的前提下提升小区容量仍是一大难题。为了解决以上问题,本文研究了单用户自适应块长功率分配技术以及多用户场景下的异构时延服务质量保障技术。具体工作内容如下: 一、单用户自适应块长功率分配技术。为了在保障用户时延服务质量需求的前提下,有效提升系统有效容量,本文研究了如何自适应调节物理层块长以及如何调整功率分配策略使得系统有效容量最优化的问题。具体来说,在单用户场景下,基于短块长数据包的可达信道编码速率,再结合排队论以及有效容量模型,给出基于短码的有效容量新表征形式。在此基础上,本文给出了有效容量最优化问题的数学形式。通过分析表明该问题为严格的凸问题,接着利用凸优化理论方法对该问题进行求解,从而得到了自适应于时延服务质量需求、瞬时信噪比、平均功率的块长、功率分配策略。仿真结果表明,相比于传统的固定块长统计性时延服务质量保障机制,本文提出的自适应块长功率分配策略可以在保障用户统计性时延服务质量需求的基础上,有效提升系统有效容量。 二、多用户异构时延服务质量保障技术。为了在保障用户时延服务质量需求以及GBR用户的比特速率的前提下,最大化小区容量,本文研究了如何自适应调整多用户功率分配策略,使得小区容量最优化的问题。具体来说,传统的同构多用户时延服务质量保障机制假设无线网络中每一个链路都有独立的功率限制,在此基础上对各个链路的用户单独进行优化,最终实现系统容量最优。而普遍情况下,单个基站往往会同时服务多个用户,多用户的总功率会受到基站的功率限制,因此需要同时考虑所有用户的统计时延服务质量保障问题,本文采用异构时延服务质量保障技术来提升小区容量。在此基础上本文构建了在保障GBR用户比特速率前提下,小区容量最大化问题。经过分析表明该问题为非凸问题,本文经过分析将非凸的GBR用户速率限制转换为了平均功率限制,利用凸优化手段对问题进行进一步求解,最终得到了多用户场景下的最佳自适应功率分配策略。仿真结果表明,相比传统的同构时延服务保障技术,本文提出的异构时延服务质量保障技术可以在保障所有用户的时延服务质量需求以及GBR用户的比特速率前提下,有效提升小区的有效容量。