5G无线物联网中低时延高可靠强覆盖技术的研究

In recent years, with the rapid development of wireless communication technologies, Internet of Things (IoT) has been widely used in different fields. The development of IoT also promotes the progress of wireless technologies and IoT has been the important application scenario of the fifth generation wireless communication technologies. To proactively satisfy the different kinds of application requirements, transmission latency, reliability and coverage is the most important consideration in the design of 5G IoT. We work on the physical layer and media access layer (MAC) design of 5G IoT in this project, aiming to carrier out the solutions of low latency, high reliability and strong coverage. Firstly, we propose a new transmission frame structure which can switch transmission direction quickly to solve the large latency in time division duplex (TDD) system. Secondly, we propose a frequency band selection scheme based on the bi-direction channel information to avoid using the channel with strong interference from adjacent frequency and improve the transmission reliability in distributed frequency and narrow band system. Finally, we work on the enhancement and improvement of broadcast channel to solve the coverage problem of some cheap IoT devices with large initial frequency offset. This project will promote the research on basic theories and technologies of 5G IoT.

近年来随着无线通信技术的迅猛发展，物联网（IoT）技术得到了广泛的应用。物联网的发展又推动着无线技术的进步，物联网已成为第五代通信技术（5G）的重要应用场景。为了满足物联网各种各样的应用需求，5G IoT在设计时需要重点考虑传输时延、传输可靠性以及覆盖范围等问题。本课题针对5G IoT无线通信技术的物理层和媒体接入层（MAC）进行研究，寻找低时延、高可靠、强覆盖方案。本课题拟通过设计能够快速切换传输方向的新型的传输帧结构，解决时分复用系统（TDD）系统中时延高的问题；通过研究基于多信道双向选择技术对通信信道进行优选，避开邻频干扰强烈的频点，提高频谱离散窄带系统的传输可靠性；通过增强与改进广播信道的设计，解决廉价物联网终端在高初始频偏情况下的强覆盖问题。本课题的研究，将对5G IoT的基础理论与技术研究起到重要的推动作用。

针对5G无线物联网中低时延高可靠强覆盖问题，开展了物联网大频偏场景下的下行同步信号及其定时方法、多覆盖等级的上行低时延接入信号设计、基于双频与无线链路聚合的高可靠传输技术、基于高维调制的非正交多址接入技术等方面的研究。具体研究内容如下：.1）针对物联网场景中下行时间同步中的频偏问题，具体分析了廉价晶振对定时造成的影响，提出了一种基于共轭序列的下行同步信号结构，分析了该结构消除频偏影响的原理，仿真结果表明，通过合理的选择序列可以有效对抗物联网中大初始频偏对定时的影响。.2）针对窄带系统中的下行定时精度问题，在传统定时算法的基础上提出了一个基于抛物线拟合的优化算法，用于提升定时精度。该算法利用相关器输出的离散点进行曲线拟合，在低采样率下还原真实的相关峰值点，以较低的复杂度实现了高精度的定时。.3）以低功耗为优化目标，研究了海量连接物联网场景中多覆盖等级的上行随机接入信号的设计，提出了随机接入过程的简化方法，降低了接入时延。进一步地，以传输时间和系统容量为优化目标函数，分析了随机接入信号的带宽选择，并给出了随机接入信号在物理层上映射方法，通过采用跳频结构提升定时精度。仿真结果表明，提出的随机接入信号能够有效提升覆盖范围以及降低接入时延。.4）针对物联网的可靠性传输问题，以电力无线专网为应用场景，提出了双频传输技术与基于频点双向选择的技术，有效的提升了系统的抗干扰能力，提升了系统的传输可靠性。.5）针对高维调制方式在功率域非正交接入系统中的应用问题，推导了远用户与近用户的误码率上界表达式，并以此提出了远用户与近用户的功率分配因子的选取算法。此外，提出了基于神经网络的解码器设计方法，用于替代传统的串行干扰相消解码器，降低系统的接收复杂度。