面向高可靠低延迟业务的全双工协作通信理论与方法

The emerging applications such as remote healthcare and auto-driving require ultra-reliable low latency data transmission between communication terminals. Multipath diversity of node cooperation provides feasibility for ultra-reliable low latency communication in principle. However, the existing ultra-reliable low latency traffic-oriented cooperative transmission technologies result in low bandwidth efficiency, which deteriorate the transmission rate. Aiming at satisfying the stringent requirement on quality of service, this project proposes ultra-reliable low latency full-duplex cooperative communication based on finite blocklength coding. The key idea makes use of finite blocklength coding for matching low latency constraint and adopts the advantage of multi-fold multiplexing of full-duplex cooperation, comprehensively improving the performance of ultra-reliable low latency communication. In this project, firstly, we develop new theoretical models for finite blocklength cooperative coding and transmission, and reveal the fundamental relationship among block error ratio, blocklength, and transmission rate. Then, we analyze and optimize the transmission rate of ultra-reliable low latency full-duplex cooperative communication. Finally, we design and optimize ultra-reliable low latency communication-oriented selective full-duplex cooperation scheme and hybrid cooperation scheme. The obtained results provide significant theoretical basis for transmitting ultra-reliable low latency traffic in full-duplex cooperative communication systems.

远程医疗、自动驾驶等新兴应用要求收发终端能够高可靠低延迟传输数据。站点协作的多路分集能力为高可靠低延迟通信在原理上提供了可行性。然而现有的高可靠低延迟协作传输技术频谱效率低，传输速率受限。针对苛刻的服务质量要求，本项目提出基于有限码长编码的高可靠低延迟全双工协作通信新思路。其核心是依托有限码长编码匹配低延迟约束，利用全双工协作在频率、时间上的多重复用优势，全面提升高可靠低延迟传输系统的性能。项目将发展新的有限码长协作编码与传输误码理论模型，揭示系统误码率、编码长度和传输速率之间的内在关系；分析和优化基于全双工协作的高可靠低延迟业务传输速率；设计并优化面向高可靠低延迟业务的全双工协作选择机制和混合协作机制。本项目所得结果能为高可靠低延迟业务在全双工协作通信系统中的传输提供重要的理论支撑和指导。

受机器类通信业务中各种新型应用场景驱使，高可靠低延迟通信成为无线通信领域的一个重要研究方向。本项目针对全双工协作通信系统，研究基于有限码长编码的高可靠低延迟协作通信理论与方法。主要研究内容和成果如下：1) 提出了利用全双工节点协作传输高可靠低延迟业务的新思想。在节点协作提升收发终端信息传输能力的基础上，利用全双工模式提高资源利用率，化解有限资源条件和高可靠低延迟要求之间的矛盾。2) 建立有限码长协作编码与传输误码的理论模型。基于有限码长传输理论和网络信息论，建立了具体协作机制下系统误码率和码长、传输速率的内在关系。基于有限码长编码理论和非正交多址传输理论，构建最小化差错率的优化问题，设计算法求解最优资源分配，提升协作中继系统能提升传输的可靠性。3) 形成协作通信系统中高可靠低延迟业务传输速率建模、分析、优化、提升的新方法。通过对协作通信系统中高可靠低延迟业务传输速率进行建模和分析，利用最优化方法得到了高可靠低延迟业务最优传输速率和对应的资源分配，并设计和优化了协作选择机制和混合协作机制以提升高可靠低延迟业务可达速率。基于本项研究，课题组在IEEE TCOM、IOTJ、WCL等国际知名期刊上发表论文11篇，在IEEE ICC和Globecom等通信领域重要国际会议上发表论文13篇，申请发明专利1项。在本项目执行过程中，积极开展国内外学术合作交流，参加本领域主要国际学术会议十余人次，圆满地完成了既定目标。本项目研究成果有助于提升全双工协作通信系统中感知信息传输的实时性和可靠性，为高可靠低延迟业务传输提供技术支撑，同时也丰富和扩展有限码长理论在网络单元中的学术研究。研究成果表明，全双工协作通信是提升高可靠低延迟通信系统性能的有效方法，并且尚有巨大的性能潜力有待挖掘。