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5G NR系统高可靠低时延增强技术研究

5G NR系统高可靠低时延增强技术研究

作者：沈姝伶北京邮电大学

学位级别：硕士

现代移动通信以第一代移动通信技术的发明为标志,在经历爆发式增长后,对人们的生活方式产生巨大的影响。如今,移动通信渗透到生活的方方面面,成为推动社会发展的重要因素之一。5G作为新一代移动通信技术,将广泛应用于增强移动带宽(enhan... 详细信息

现代移动通信以第一代移动通信技术的发明为标志,在经历爆发式增长后,对人们的生活方式产生巨大的影响。如今,移动通信渗透到生活的方方面面,成为推动社会发展的重要因素之一。5G作为新一代移动通信技术,将广泛应用于增强移动带宽(enhanced Mobile BroadBand,eMBB)、高可靠低时延通信(Ultra-reliable and Low Latency Communication,URLLC)等场景。其中,eMBB是传统移动宽带业务场景的升级,而URLLC是随着5G发展提出的新应用场景。URLLC的时延和可靠性性能相比以往的蜂窝移动通信有了极大的提升,可以广泛应用于工业自动化、智能电网、远程驾驶车联网等垂直行业领域。然而,目前5G新空口(New Radio,NR)中关键技术的研究尚未完成。在保证eMBB场景下业务传输性能的前提下,现有技术无法完全满足URLLC场景下业务传输的超高可靠和低时延性能要求。因此,如何在现有技术框架下设计满足URLLC性能要求的技术方案,是本文研究的关键问题。论文选题来自国家科技重大专项“5G国际标准候选方案评估与验证”。本论文在现有高可靠低时延技术的基础上研究URLLC增强技术方案,主要研究内容和创新成果包括:1、针对采用基于时隙聚合的信道跳频机制提高数据信道传输可靠性时时延较大的问题,本文提出一种基于mini-slot信道重复的跳频机制。首先,在时隙聚合的基础上,结合mini-slot调度方式,设计了基于mini-slot背靠背传输的新信道重复模式以降低数据信道传输时延。其次为保证信道跳频适应于新的信道重复模式,本文设计了基于解调参考信号(Demodulation Reference Signal,DMRS)共享的时隙间跳频机制,同时提出信道间跳频机制。在完成整体设计后,理论分析所提出的基于mini-slot信道重复的跳频机制至少可降低1/2的传输时延。最后通过链路级仿真平台评估方案性能。仿真结果表明,本文提出的技术方案在数据信道传输可靠性达到99.99%的情况下可以多获取3dB左右的跳频增益。2、针对URLLC业务为降低等待时延与eMBB业务同时同频传输过程中出现的相互干扰问题,本文首先对基于免授权传输的URLLC业务提出了预配置资源临时调度的增强技术方案并理论分析方案性能。在免授权传输的URLLC业务预配置多套满足1ms时延和99.99%可靠性要求的传输资源的情况下,基站通过发送指示信息提前告知URLLC用户禁用部分临时借调给eMBB用户的预配置资源,直接避免两种业务同时同频传输过程中的干扰问题,从而保证基站初始调度的URLLC业务采用满足时延和可靠性要求的传输资源进行无损传输。然后本文对动态调度传输的URLLC业务提出扩展型上行功率控制机制。通过进一步扩大功率调整范围提升URLLC业务传输性能,减小两种业务同时同频传输过程中的干扰影响。由此保证基站可在eMBB业务传输过程中调度URLLC业务,降低URLLC业务等待时延。最后通过链路级仿真平台评估基于扩展型上行功率控制机制的性能。仿真结果表明,本文提出的技术方案在承载URLLC业务的数据信道传输可靠性达到99.99%的情况下可获取1～2dB的性能增益。

关键词： 5G 高可靠低时延信道重复资源复用

面向智能电网的5g高可靠低时延下行链路资源调度方法

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科技视界 2022年第33期 11-13页

作者：俞海猛隋仕伟张云凯国电南瑞南京控制系统有限公司江苏南京211106

本文研究面向智能电网的5G高可靠低时延下行链路资源调度方案,提出一种基于神经网络的调度方案。所提的方案同时考虑eMBB(Enhanced Mobile Broadband)与uRLLC(Ultra Reliable Low Latency Communication)两种业务。首先本文对比例公平... 详细信息

本文研究面向智能电网的5G高可靠低时延下行链路资源调度方案,提出一种基于神经网络的调度方案。所提的方案同时考虑eMBB(Enhanced Mobile Broadband)与uRLLC(Ultra Reliable Low Latency Communication)两种业务。首先本文对比例公平算法进行了改进,以为各个用户分配资源,其次,利用DNN神经网络的方式对eMBB用户的解码成功率进行预测,并据此计算出各个用户的吞吐量损失并设计出可行的穿孔方案,旨在最小化uRLLC用户穿孔对eMBB。仿真结果表明,所提方案在eMBB用户的吞吐量和可靠性性能都得到了保证。

关键词：高可靠低时延资源调度神经网络智能电网

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5G高频系统中的低时延高可靠性方案设计

5G高频系统中的低时延高可靠性方案设计

作者：朱桧云北京邮电大学

学位级别：硕士

在信息技术飞快改变人们生活的同时,对时延和可靠性要求更高的众多新型业务开始出现。为此,2017年国际电信联盟在5G三大代表性业务中定义了超高可靠低时延通信(uRLLC),以满足自动驾驶、工业自动化一类场景的需求。与此同时,在5G中使用... 详细信息

在信息技术飞快改变人们生活的同时,对时延和可靠性要求更高的众多新型业务开始出现。为此,2017年国际电信联盟在5G三大代表性业务中定义了超高可靠低时延通信(uRLLC),以满足自动驾驶、工业自动化一类场景的需求。与此同时,在5G中使用毫米波和大规模天线阵技术已成为必然,由数字预编码和模拟波束成形组成的混合波束成形技术能为系统提供更高的性能,在5G系统中将被广泛使用。uRLLC的业务特点对物理层设计提出了巨大的挑战。其用户面时延要求低于lms,可靠性要求10-5以下误包率,都比LTE严格了百倍以上。如何在5G网络中支持uRLLC的高质量传输并降低对传统业务的影响成为研究热点。这不仅需要新的物理层帧结构,也需要设计uRLLC与传统业务的共存机制。此外,严格的时延要求同样困扰着混合波束成形中的波束训练,大规模天线阵使得波束和射频链路数量增加,波束训练的复杂度迅速上升,需要寻求新的方法在极短的时间内完成训练。针对上述问题,本文分别从uRLLC的帧结构设计、uRLLC与其他业务的共存方案以及波束训练算法三个方面展开了研究。首先基于mini-slot,对时隙长度以及DMRS的分布方式进行了讨论,得出了一种合理的uRLLC帧结构,通过仿真验证了其时延和可靠性性能,可以达到3GPP的指标。其次针对uRLLC与eMBB的共存问题,以码分多址的思想为基础提出了一种共存机制,能够有效避免不同业务的冲突,既能完成uRLLC的可靠传输,也不会对eMBB造成很大影响。最后针对固定子阵下的波束训练过程,通过对波束增益的观察,利用信道空间相关性设计了一种基于梯度下降的低冗余波束训练算法,在保证性能损失不高于8%的条件下时延比其他现有算法都低。

关键词：高可靠低时延共存混合波束成形波束搜索

面向低时延高可靠的多用户通信系统资源配置研究

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面向低时延高可靠的多用户通信系统资源配置研究

作者：罗菲莹西南科技大学

学位级别：硕士

无线通信网络中基础设施的建设和移动设备的爆炸式增长,使得实际应用中对数据传输的时延和可靠性提出了更严格的要求。作为第五代通信(the Fifth Generation,5G)的三大应用场景之一的超可靠低时延通信(Ultra-Reliable Low-Latency Commu... 详细信息

无线通信网络中基础设施的建设和移动设备的爆炸式增长,使得实际应用中对数据传输的时延和可靠性提出了更严格的要求。作为第五代通信(the Fifth Generation,5G)的三大应用场景之一的超可靠低时延通信(Ultra-Reliable Low-Latency Communication,URLLC)旨在确保高可靠性和低时延的性能需求,要求其用户面端到端时延不超过1ms和可靠性达到99.999%。URLLC为推动工业互联网、远程医疗这类对时延极为敏感且通信可靠性要求极高的应用赋能。因此,在保障URLLC传输要求的前提下,如何通过优化系统资源分配以提高工业互联网的性能,并实现可靠稳定的数据传输是当前的热点问题之一。为解决基于5G技术的多用户可靠通信问题,本文针对多用户上行URLLC系统的资源配置方法进行了研究。多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术能够极大地提升系统性能。因此,本文针对5G URLLC通信系统中低时延和高可靠性的性能需求,基于MIMO技术研究并分析了多用户上行URLLC系统中线性接收机性能。首先构建了支持短包传输的MIMO上行系统并在上行链路的基站端配置匹配滤波(Matched Filter,MF)和迫零(Zero-Forcing,ZF)接收机。其次推导了两种接收机的解码错误率解析式。之后在上行URLLC系统中分析了两种线性接收机的性能差异。最后采用蒙特卡罗方法对所提表达式进行仿真和验证。结果表明,所提解析式是准确可行的。此外,在中高信噪比的URLLC系统中配置两种接收机均能在一定条件下满足URLLC业务传输的性能指标,且配置ZF接收机使得URLLC系统的可靠性更高。深度强化学习(Deep Reinforcement Learning,DRL)在模拟无线通信系统环境以及优化无线资源分配的能力尤为突出,其常被引入无线通信系统。由于无线通信系统具有动态性,在URLLC通信系统中进行无线资源分配是一个挑战。本文研究了一个资源优化问题,旨在控制子载波功率和分配块长,以实现和速率最大化,从而确保URLLC的性能。本文提出了一种基于多智能体深度强化学习的联合块长分配和功率控制的资源配置方案,之后将非凸优化问题转化为一个多智能体强化学习问题,用户所占用子载波作为智能体与环境进行交互学习并自主决定自身的块长分配和子载波功率控制。基于所提资源优化方法,实现了无线资源智能化配置。最后搭建了URLLC通信系统模型,仿真验证并对比分析所提优化方法的有效项和收敛性。仿真结果表明,所提DRL资源优化方法的有效性和收敛性明显优于基于Q-learning的基准方法。在不同的系统环境配置下,所提方法在和速率性能方面优于基准方案,且能够满足工业互联网场景下URLLC服务的传输要求。

关键词：高可靠低时延多输入多输出线性接收机深度强化学习功率控制块长分配

电力物联网5G云–边–端协同框架与资源调度方法

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电网技术 2022年第5期46卷 1641-1651页

作者：周振宇王曌廖海君汪洋张慧新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京市昌平区102206 中国电力科学研究院有限公司北京市海淀区100192

分布式能源、可调负荷及储能装置大规模接入配电网运行带动“源-网-荷-储”调控模式的转变,配电网与分布式资源之间频繁双向互动对通信网全面感知与广域传输能力提出更高要求。电力物联网与5G的融合通过云-边-端多层级资源的深度协同提... 详细信息

分布式能源、可调负荷及储能装置大规模接入配电网运行带动“源-网-荷-储”调控模式的转变,配电网与分布式资源之间频繁双向互动对通信网全面感知与广域传输能力提出更高要求。电力物联网与5G的融合通过云-边-端多层级资源的深度协同提供有效的解决方案。针对现有云-边-端协同技术在电力物联网与5G融合应用面临的与电力业务需求适配性不足、异构资源调度协同性差、数据隐私安全难以保障等挑战,文章提出电力物联网5G云-边-端多级协同框架,支撑分布式资源与配电网的协同互动;在此基础上,基于联邦深度Q学习,提出基于半分布式人工智能的云-边-端协同资源调度方法,在高可靠低时延约束下实现端侧任务卸载、功率控制与云侧/边侧计算资源分配的协同优化;最后,通过算例分析验证该技术在能耗、时延、吞吐量等方面的性能优势,同基于层次分析法和深度Q学习的边缘网络任务卸载算法(distribution offloading algorithm based on analytic hierarchy process and deep Q network,AHP-DQN)和能量感知边缘计算移动管理算法(energy-aware mobility management algorithm for mobile edge computing,EMM)相比,平均吞吐量分别提高15.29%和23.87%,总排队时延分别降低53.35%和62.20%,能够满足电力物联网业务差异化通信需求,支撑分布式资源接入配电网双向互动。

关键词：电力物联网 5G云-边-端多级协同框架协同资源调度高可靠低时延联邦深度Q学习

面向5G/B5G移动通信的非正交多址技术的研究

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面向5G/B5G移动通信的非正交多址技术的研究

作者：张铭珊北京交通大学

学位级别：硕士

5G商用系统已覆盖我国多个城市热点地区,为用户提供更高质量的移动通信服务。如何更高效地利用有限频谱资源,以及如何根据场景需求合理地调配资源,是新一代移动通信的技术研究中需要解决的核心问题。非正交多址(NOMA)技术作为5G的一项... 详细信息

5G商用系统已覆盖我国多个城市热点地区,为用户提供更高质量的移动通信服务。如何更高效地利用有限频谱资源,以及如何根据场景需求合理地调配资源,是新一代移动通信的技术研究中需要解决的核心问题。非正交多址(NOMA)技术作为5G的一项关键技术,在理论上相比于传统的正交多址(OMA)技术能够取得更高的用户接入量与传输可靠性。本论文针对新的通信场景,以高效地利用有限频谱资源,支持海量连接,以及实现低时延高可靠通信为目标,研究了面向5G/B5G移动通信的NOMA技术,并分别在URLLC场景中NOMA技术的应用,以及大规模MIMO系统中NOMA的资源优化这两方面取得进展。非正交编码接入(NOCA)技术是5G的候选多址方案之一。NOCA在发射端采用基于低互相关性QPSK序列码本对用户传输符号进行扩频,并在接收端采用并行干扰消除机制来区分多用户并降低用户间干扰,从而实现多用户在相同时频资源上的复用。本论文提出在具有主动重传的突发传输短数据包的上行URLLC场景中采用NOCA方案,并联合主动重传的调度策略来降低传输时延和增强可靠性。通过系统级仿真,评估了不同扩频长度的NOCA方案在URLLC场景中结合被动重传和主动重传模式的时延与可靠性。仿真结果表明,主动重传方案能够在1ms时延内获得更多的传输机会,而结合NOCA方案可以进一步地消除用户间干扰,实现1ms时延内误块率达到10量级。在此基础上,本论文提出了一种在不同用户密度场景下的扩频长度自适应策略。大规模天线MIMO作为5G/B5G中物理层的一项关键技术,在基站发射端配置多根天线扩展了信道的空间维度。大规模MIMO与NOMA的结合能够带来多重优势:小区内多用户在同一时频资源上复用传输,提升频谱效率;利用多天线带来的分集增益,提升能量效率。本论文研究了通用多小区下行多输入-单输出非正交多址接入(MISO-NOMA)系统在保证小区内每个用户达到一定数据率约束的条件下的功耗最小化问题。针对用户分簇,波束赋形(BF)和功率控制三个子问题分别设计分布式联合迭代算法。文中提出采用半正交用户选择(SUS)算法来选取BF用户,并采用迫零(ZF)BF策略来构造预编码矩阵。本论文提出了两种启发式用户分簇算法,分别基于信道条件和基于系统总功耗。确定用户分簇策略和BF矩阵后,理论推导了最优功率分配策略的解析解,并证明了分布式迭代算法的收敛性。仿真结果表明,提出的方案在功耗、中断率、能的量效率和连接效率等方面均优于传统MISO-OMA策略和无分簇的MISO-NOMA策略。

关键词：非正交多址高可靠低时延上行免授权传输大规模MIMO 功率分配波束赋形用户分簇

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无人机中继通信系统资源优化及性能分析

无人机中继通信系统资源优化及性能分析

作者：蔡叶铭大连理工大学

学位级别：硕士

未来移动网络对于时延,传输速率,带宽和连接密度的要求越来越高,同时连接互联网也成为了智能设备的重要要求之一。随着智能设备和人工智能的发展和普及,需要连接无线网络的设备越来越多,而且应用范围越来越广,应用场景也越来越复杂。对... 详细信息

未来移动网络对于时延,传输速率,带宽和连接密度的要求越来越高,同时连接互联网也成为了智能设备的重要要求之一。随着智能设备和人工智能的发展和普及,需要连接无线网络的设备越来越多,而且应用范围越来越广,应用场景也越来越复杂。对于传统地面通信来说,满足数量如此巨大的终端来说,资源越发紧张,而且难以满足新的应用场景。而无人机部署灵活,适合应用于新型的移动网络中,在一些特殊场景下可以对现有通信网络进行补充。同时无人机辅助通信一个重要的应用方向就是应急救援。在救援任务中低延迟和高可靠性变得尤为重要,但在应急场景中将延迟和可靠性作为首要考虑目标的研究较少。因此本文首先从中断概率的角度对无人机中继通信系统的性能进行分析,再将高可靠低时延(Ultra-Reliable and Low-Latency,URLLC)与无人机中继通信相结合,对无人机中继通信系统的资源优化问题进行研究,提高无人机中继通信系统的性能,最后对无人机中继系统进行实际测试。以上三部分内容具体包括:(1)对于无人机中继通信系统的性能分析,考虑了其信道条件与地面通信系统的差异,根据直射链路仰角计算大尺度衰落为视距(line-of-sight,Lo S)衰落的概率,同时考虑小尺度衰落的概率分布函数,研究了无人机中继工作在放大转发和解码转发状态下系统的中断概率,对比了中断门限,无人机位置,高度,中继发射功率等因素对于系统中断概率的影响。(2)对于无人机中继通信系统的资源优化问题,提出了一种在满足高可靠低时延条件的无人机双向中继系统中,对时隙、带宽和无人机中继位置的联合优化算法。在前向链路能够满足高可靠低时延的条件下,对返向链路的平均传输速率进行最大化。同时也提出了低复杂度的迭代算法对满足高可靠低时延条件的无人机中继双向中继系统的优化问题进行交替求解。(3)对于无人机中继通信系统的性能实测与应用,使用无人机搭载通信节点,构建简单的无人机中继通信系统,将源节点置于实验室内,将中继节点至于无人机上,悬停在固定位置,将目的节点置于校园内不同位置。分别测量目的节点位置,天线类型和中继发射功率对于平均通信速率的影响,并将网络摄像头应用到中继网络中,实现无线远程视频监控。

关键词：无人机通信网络中断概率资源优化无人机中继高可靠低时延

5G URLLC数据信道中LDPC编译码方法研究

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5G URLLC数据信道中LDPC编译码方法研究

作者：许欣北京交通大学

学位级别：硕士

5G（5th Generation of Mobile Communication System,5G）中超可靠低时延通信（Ultra-Reliable Low Latency Communication,URLLC）是解决未来工业场景可靠性和时延问题的关键技术,信道编码是保证系统性能的重要环节。目前URLLC数据信道采用的编码方案依然没有确定,考虑到低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check,LDPC）在短码设计、灵活码长、码率兼容和自适应重传等方面的优良性能,LDPC码是很有竞争力的候选方案。以传输性能为指标,本文基于5G NR（New Ratio）系统对LDPC编译码展开了研究,具体研究内容和成果为:（1）本文基于通信协议TS38.211和TS38.212搭建了信道编码仿真链路平台,采用5G标准中不同码长及码率的LDPC码进行传输,用误码率和误块率来量化URLLC场景最关注的可靠性指标,用平均迭代次数和总迭代次数量化URLLC场景关注的时延指标,探索更适合于高可靠低时延通信场景的LDPC编译码方法。（2）针对传统LDPC译码算法复杂度高、迭代次数多、传输可靠性低而不能满足URLLC高可靠低时延要求的问题,提出了一种基于节点可靠度的动态调度分层迭代译码算法。为了解决译码复杂度高的问题,本算法采用分层调度的迭代译码方法。为了解决传统译码算法按自然顺序更新节点信息导致收敛较慢迭代次数过多的问题,本算法提出了一种校验节点可靠度的近似表征方程,根据此表征方程对校验节点可靠度按升序重新排序,并以此顺序进行分层迭代译码。为了避免近似表征方程信息不准确导致错误译码,本算法中的近似表征方程只是用于确定消息更新的次序,而在消息更新的计算中仍然采用准确的概率值。仿真结果表明本算法可以结合分层译码算法和动态调度的优点,同时提升传输可靠性,减少迭代次数,加快收敛速度从而降低译码时延。（3）针对低信噪比情况下LDPC码传输性能差的问题,基于IR-HARQ（Incremental Redundancy Hybrid Automatic re Quest,IR-HARQ）系统提出了改进的重传迭代译码算法。为了解决低信噪比情况下误码率较高的问题,引入了重传机制,构建了5G IR-HARQ系统,确定了传输方案。为了解决传统重传译码算法迭代次数多、译码时延高的问题,本算法在重传译码迭代初始化时有效利用了上次迭代译码结果。仿真结果表明,所提出的译码算法可以在不增加复杂度的前提下降低迭代次数进而降低时延,对于低信噪比环境下传输性能的提升尤其具有优越性,可以提升URLLC通信场景中信道环境不理想时的传输性能。上述研究工作为5G URLLC数据信道中LDPC编译码提供了一定的解决方案。

关键词：低密度奇偶校验码高可靠低时延编码译码混合自动重传请求

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一般线性分组码的软判决译码算法研究

一般线性分组码的软判决译码算法研究

作者：封琴琴西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着5G商用时代的到来,5G移动通信技术以其高数据速率、低传输时延、高可靠性等特点为用户解锁了自动驾驶、智慧城市等新的智能化业务场景。超可靠低时延通信(u RLLC)作为5G技术的一大重要应用场景,要求信道编码技术在此场景下同时满足... 详细信息

随着5G商用时代的到来,5G移动通信技术以其高数据速率、低传输时延、高可靠性等特点为用户解锁了自动驾驶、智慧城市等新的智能化业务场景。超可靠低时延通信(u RLLC)作为5G技术的一大重要应用场景,要求信道编码技术在此场景下同时满足超低时延和超高可靠性这两个相互矛盾的需求。研究表明,一般降低时延的方法是在传输过程中使用中短码,中短码长的BCH码和CRC-Polar码具有优异的BLER性能,非常接近NA界,但是目前针对这些码的译码算法无法达到u RLLC场景对时延和可靠性的超高要求。因此,一般线性分组码特别是中短码的软判决译码算法受到了广泛关注,研究重点是探究如何在译码过程中更好地获得译码性能和复杂度之间的平衡。基于上述背景,本文主要对一般线性分组码的软判决译码算法进行了深入研究。以线性分组码为基础,结合软判决译码和最大似然译码的原理,研究了多种软判决译码算法,如广义最小距离译码(GMD)算法、Chase算法、顺序统计量译码(OSD)算法、盒匹配算法(BMA)、迭代信息集减少译码(IISR)算法、分割-舍弃OSD(SDDOSD)算法、基于概率的OSD(PB-OSD)算法、Greenberger算法和Stack算法,其中重点研究了OSD算法及其多种改进算法。对上述译码算法原理进行系统研究后,给出对应算法的性能仿真结果,并对不同算法的性能和复杂度进行分析。最后在以上工作的基础上,对现有译码算法进行改进。本文提出针对线性分组码的OSD-Greenberger级联译码算法。传统的OSD算法选取k个最可靠位置作为最可靠基(MRB),而本文提出的改进译码算法使用(k+m)个最可靠位置作为扩展MRB。通过将校验矩阵转化为合适的形式,改进OSD算法可以将原始码的译码转化为一个高码率码字的译码,然后使用Greenberger算法进行译码。通过对(128,64,22)e BCH码进行仿真,结果表明:OSD-Greenberger译码算法的译码性能与NA界相差在0.1dB以内,但是当迭代次数较多时,平均需要处理的候选码字个数过多,导致译码复杂度较高。为了进一步减少译码时平均需要处理的候选码字数目,本文又提出了基于门限的OSD-Greenberger译码算法,引入一个门限条件,当译出的候选码字满足该门限条件时提前终止译码算法。仿真结果表明,基于门限的OSD-Greenberger算法在几乎不损失译码性能的情况下,大大减少了候选码字的数目,从而译码复杂度得到降低。

关键词：高可靠低时延线性分组码软判决译码短码顺序统计量译码