基于有限码长编码的超可靠低时延无线通信系统上下行链路联合设计与性能评估

摘要

随着第五代移动通信(Fifth-generation，5G)的日益临近，云连接、车联网与无人驾驶、大规模机器间通信等新兴场景逐渐进入人们的视野。相比于过去几代蜂窝系统对于高速率和大容量的单一追求，下一代移动通信系统更加强调了对于用户接入数量、可靠性、时延以及能量效率等多方面系统性能的综合提升。在理论上，这也与经典信息论形成了鲜明的对比，即通过缩小编码长度来满足超可靠低时延(Ultra-Reliable and Low-Latency Communications，URLLC)场景的需求。在Polyanskiy等人2010年发表的文章中，给出了在有限码长的情况下，最大编码速率的解析表达，这对于分析和设计短包通信系统有着高度的指导作用。
　　本文主要关注了在有限码长情形下，超可靠低时延无线通信系统的设计和优化问题。论文的研究内容及创新性工作主要包括:(1)提出了基于有限码长编码的URLLC下行传输优化设计（包括双用户单天线和多用户多天线两种情形）和上下行联合设计优化的系统模型和问题定义;(2)分析了有限码长最大编码速率公式的单调性及凹凸性等函数性质并给出证明;(3)利用二分搜索法和Matlab凸优化(CVX)工具包解决了下行传输设计优化问题;(4)阐述了上行-下行对偶算法以及黄金分割搜索的概念和原理，并提出利用交替优化法解决URLLC上下行联合设计优化问题;(5)针对提出的问题进行了计算机仿真，分析了算法的收敛性以及系统参量之间的依赖与折衷关系，得到了具有实际应用价值的系统设计方法。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状和趋势

1．3 本文的创新性工作和章节安排

2 基于有限码长编码的无线通信

2．1 经典信息理论回顾

2．1．1 数据包结构的刻画

2．1．2 信道模型

2．1．3 经典信息论与容量公式

2．2 有限码长编码理论概述

2．2．1 最大编码速率R‘(n，ε)

2．2．2 AWGN信道容量分析

2．3 MIMO衰落信道

2．3．1 信道容量与中断概率之间的关系

2．3．2 分集，复用和信道估计之间的折衷

2．3．3 信道色散与差错指数

2．4 基于有限码长编码的通信协议设计

2．4．1 两个节点的可靠通信

2．4．2 下行多用户通信

2．4．3 上行多用户通信

2．5 本章小结

3 基于有限码长的URLLC下行传输设计

3．1 系统模型和问题定义

3．1．1 双用户单天线情形

3．1．2 多用户多天线情形

3．2 有限码长编码公式的性质

3．2．1 单调性引理与证明

3．2．2 凹凸性引理与证明

3．3 双用户单天线情形的问题求解

3．4 多用户多天线情形的问题求解

3．4．1 二阶锥规划问题

3．4．2 问题(3-17)的求解

3．5 本章小结

4 基于有限码长的URLLC联合上下行设计

4．1 系统模型和问题定义

4．1．1 基于URLLC的实际场景描述

4．1．2 系统模型和问题定义

4．1．3 优化问题的特性分析

4．2 上行-下行对偶(UL-DL duality)

4．2．1 拉格朗日对偶

4．2．2 UL-DL对偶

4．3 交替优化法求解问题

4．3．1 黄金分割搜索

4．3．2 交替优化法的求解

4．4 本章小结

5 仿真分析与结论

5．1 双用户单天线仿真结果及分析

5．2 多用户多天线仿真结果及分析

5．3 上下行联合设计仿真结果及分析

5．4 本章小结

6．1 论文总结

6．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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