面向超可靠低时延通信的非相干大规模空时调制方案设计研究

Ultra-reliable low-latency communication (URLLC) is one of the two major mobile IoT communication scenarios in the 5G wireless communication systems, in which how to attain the ultra-reliable transmission of the short-packet is a key issue. As one of the main technologies of the 5G physical layer, massive MIMO has been regarded as a potential enabling technology for URLLC systems. Nevertheless, during the short-packet transmission, massive MIMO systems will face the challenge of the acquisition of instantaneous channel state information. To avoid the channel estimation operations and fully exploit the space diversity gain of multiple antennas, the proposed project focus on the design of non-coherent massive space-time modulation schemes for URLLC systems. Specifically, the novelty of this project can be summarized as follows: First, with finite-alphabet inputs, the inherent relationship between the system error performance, constellation set, and the number of antennas is determined explicitly. Second, to attain full diversity gain, we propose the signal design criterion for non-coherent massive space-time modulation schemes; also, to make a trade-off between the achieved error performance and the signal processing delay, we further investigate the method for constructing the constellation systematically. Finally, for a non-coherent multi-user massive MIMO uplink system, a design criterion is built for joint multi-user coding scheme, which can achieve both the spatial multiplexing and space diversity gain.

超可靠低时延通信(URLLC)是第五代移动通信(5G)面向移动物联网的两大场景之一，如何实现短数据包的超可靠传输是该场景下亟待解决的关键问题。大规模MIMO作为5G物理层的核心技术之一，被认为是URLLC的潜在使能方案。然而，大规模MIMO系统在进行短数据包传输时将面临瞬时信道状态信息获取的难题。为了避免信道估计操作并充分开发多天线系统的空间分集增益，本项目旨在通过设计大规模非相干空时调制方案来实现短数据包的超可靠传输。具体地，本项目拟从三个方面展开创新：1）基于有限输入信号集，确定非相干大规模MIMO系统误差性能与天线数目、信噪比、空时调制星座集结构之间的内在关系；2）研究具有全分集增益的非相干空时调制方案设计准则，并系统性地构建非相干空时调制星座，优化系统的可靠性与信号处理时延；3）针对多用户大规模MIMO系统，提出非相干多用户联合编码方案，挖掘系统的空间复用与空间分集增益。

超可靠低时延通信（URLLC）是第五代移动通信（5G）和后5G面向移动物联网的两大应用场景之一。由于对时延的严格要求，URLLC在物理层的主要特征是进行短包传输，这需要对当前物理层的信号传输方案进行再思考。特别是，研究如何减少短包传输对具有较强纠错能力信道编码方案的依赖，以及利用时间分集以外的资源来提高系统可靠性，对于5G以及后5G实现URLLC具有重要意义。大规模多输入多输出（MIMO）作为5G物理层的核心技术之一，以其丰富的空间分集资源与较高的阵列增益，能够在时延约束条件下，极大提高系统的可靠性，被认为是URLLC的潜在使能方案之一。然而，相干大规模MIMO系统在进行短包传输时将面临导频开销大和瞬时信道状态信息（CSI）获取的难题。非相干大规模空时调制方案能够在无信道估计操作下，充分开发多天线系统的空间分集增益，有望解决该瓶颈问题。鉴于此，本项目旨在通过设计大规模非相干空时调制方案来实现短数据包的超可靠传输。.具体来说，本项目主要研究了以下三个方面：1）基于大规模MIMO系统的非相干空时调制方案误差性能分析，建立了非相干大规模空时调制星座优化准则。2）在连续数值空间中，系统化构造了大规模MIMO系统的非相干空时调制星座有限字符集。3）设计了多用户非相干空时调制方案，联合开发了多用户大规模MIMO系统的空间复用与分集增益。理论和仿真结果证明了非相干大规模空时调制方案在实现短包超可靠和低时延通信方面的可行性。同时，本项目所提出的方案能够在一定程度上完善URLLC短包非相干空时调制的理论体系，并对其性能评价和促进其实际应用提供了参考。