超可靠低时延无线通信的传输机制设计与资源优化配置

Ultra-reliable and low-latency communication (URLLC) is one of the typical 5G application scenarios. It is a fundamental technology for industrial automation and autopilot applications. However, the classical Shannon capacity fails to characterize the inherent coupling among reliability, latency, rate, and wireless resources due to the high reliability (1e-5 packet error rate), low latency (1ms user plane end-to-end delay) and small packet (32 bytes typically), which introduces unprecedented challenges of the URLLC system design. Therefore, it is crucial to study the transmission design and optimal resource allocation for the URLLC system. This proposal leverages on the achievable rate bound with finite blocklength codes to characterize the small packet transmissions, and achieves the end-to-end performance requirements by uplink/downlink joint design, while improves system efficiency via cross-layer resource allocation. The proposal consists of three parts: (1) optimal pilot design and performance analysis for URLLC; (2) transmission design and optimal resource allocation for hybrid URLLC and eMBB (Enhanced Mobile Broadband) traffic; (3) fog-computing based URLLC design and its optimal resource allocation. This proposal focuses on problem modeling, joint optimization, and development of low-complex efficient algorithms, targeting at building fundamental and practical guidelines for URLLC.

超可靠低时延通信(URLLC)是5G的典型应用场景之一，是工业自动化、自动驾驶等应用的基础技术之一。然而，超可靠(1e-5的误包率)、低时延(1ms的用户平面端到端时延)和小包传输(典型值为32字节)的基本特性使得香农公式不能有效刻画可靠性、时延、速率和无线资源间的关系，导致URLLC系统设计面临巨大挑战。因此，有必要研究该系统的传输机制设计与最优资源分配。本项目利用有限码长编码的可达速率界刻画短包传输的性能，通过上/下行传输的联合优化保障端到端的传输性能，通过跨层资源分配提高系统效率。研究内容包括:(1)面向URLLC的最优导频设计与性能分析;(2)URLLC与eMBB(增强移动宽带)混合业务的传输设计与最优资源配置;(3)基于雾计算的URLLC传输机制设计与最优资源配置。本项目着重在务实创新的问题建模、联合优化及低复杂度的高效能优化算法，进而探究URLLC的最优资源分配机理和准则。

超可靠低时延通信(URLLC)起于5G，也是6G的核心技术。时延、可靠性和传输效率之间的矛盾不可协调是URLLC的核心挑战。本项目从有限码长编码、中断概率、符号级预编码三个角度进行可靠性的刻画，从码长、比特传输时间、信息年龄三个角度进行时延的刻画，深入地分析了多天线技术、HARQ技术、智能反射面技术、协作传输技术、边缘计算技术、NOMA技术对URLLC传输性能的影响和最优传输机制设计。特别是对有限码长编码理论涉及的传输性能的刻画和分析，为这一领域的算法设计提供了坚实的理论基础。.. 依托于本项目，共发表期刊论文16篇，会议论文16篇。申请专利6项，其中授权4项，软件著作权4项。培养博士生、硕士生共18名。在《中兴通讯技术》发表中文论文1篇，与他人合作编著《轨道交通5G关键技术》专著1本，与他人合作译著《信号处理与通信中的凸优化: 从基础到应用》1本，发布《综合轨道交通5G应用技术白皮书》、《智能超表面白皮书》2份。该项目的实施为重点研发计划《6G 超低时延超高可靠大规模无线传输技术》之课题1“超低时延超高可靠大规模无线传输理论基础”（课题编号： 2021YFB2900301）的申报和实施，以及重点研发计划《6G 总体技术研究》之课题4“6G 全频谱接入技术研究”（课题编号： 2020YFB1806604）的实施奠定了良好的基础。同时，该项目的部分研究成果也在与中国电信研究院、华为等单位的产学研合作项目中进行了应用。