技术领域
[0001] 本申请涉及无线通信技术中的uRLLC系统性能分析技术领域，具体而言，涉及一种基于准静态几何随机信道模型的uRLLC性能分析方法。
相关背景技术
[0002] 国际电信联盟(International Telecommunication Union，简称为ITU)提出了三种典型的应用场景，包括增强型移动宽带(Enhanced Mobile Broadband，简称为eMBB)、大规模机器类型通信(massive Machine Type of Communication，简称为mMTC)和超可靠低时延通信(Ultra‑Reliable Low‑Latency Communications，简称为uRLLC)。作为第五代通信最具创新性和挑战性的场景，uRLLC要求前所未有的高可靠性和严格的低时延，以完成实时通信交互。uRLLC可以支持不同场景下的应用，如自动驾驶汽车、工业自动化、虚拟/增强现实和远程手术。
[0003] uRLLC系统中有许多关键性能指标，其中，信道容量和可达可达信息速率代表了通信系统的数据传输能力，而可靠性和时延被认为是uRLLC两个最基本性能指标。为了实现这些性能指标的要求，已经研究和探索了各种技术，短块传输作为实现uRLLC的关键技术之一，近年来得到了广泛的研究。
[0004] 传统衰落信道模型在已有的大量文献中被用来进行uRLLC系统性能分析。然而该信道模型作为一种统计性随机信道模型，在描述具体场景下信道环境特征变化时不够准确可靠。
[0005] 针对相关技术中，现有技术中的uRLLC系统性能分析方法在描述具体场景下信道环境特征变化时不够准确可靠的问题，尚未提出有效的解决方案。
具体实施方式
[0072] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0073] 需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
[0074] 实施例1：
[0075] 本实施例提供一种基于准静态几何随机信道模型的uRLLC性能分析方法，该方法的流程如图1所示，该方法的具体步骤包括：
[0076] S1、生成通信场景，获取信道环境参数；
[0077] S2、根据准静态信道条件，设计uRLLC系统传输信号块的块长；
[0078] S3、引入时域平均和相同时延值；
[0079] S4、建立准静态几何随机信道模型，获取信道冲激响应及信道矩阵；
[0080] S5、计算信道统计特性；
[0081] S6、分析uRLLC系统性能。
[0082] 具体地，在本实施例中，步骤S1包括以下步骤：
[0083] 设置通信场景环境参数，包括具体通信场景、载波频率、子载波间隔、带宽、天线参数、收发端空间位置、簇与子径的参数
[0084] 具体地，在本实施例中，步骤S2包括以下步骤：
[0085] 根据准静态信道条件设计设计传输信号块的块长。所述的准静态信道条件为：
[0086]
[0087] Tc为信道相干时间，στ信道时延扩展，Bc为信道相干带宽，Bd为信道多普勒扩展，均可以通过信道测量获得。
[0088] 根据该条件设计传输信号块的持续时间Ts和带宽Bs为：
[0089]
[0090]
[0091] 其中Tc,qp(t,f),στ,qp(t,f),Bc,qp(t,f),Bd,qp(t,f)分别为为从第p个发射天线到第q个接收天线在t时刻f频率处的信道相干时间、信道时延扩展、信道相干带宽和信道多普勒扩展， 和 为在变量x下Y(x)的下确界和上确界。
[0092] 再获取传输信号块的块长为Nb：
[0093] Nb＝TsBs
[0094] 更具体地，如图2所示，步骤S3的准静态信道条件为：
[0095]
[0096]
[0097] 更具体地，设计传输信号块的持续时间Ts和带宽Bs为：
[0098]
[0099]
[0100] 其中，inf{·}为取下界函数，sup{·}为取上界函数。
[0101] 再获取传输信号块的块长为Nb：
[0102] Nb＝TsBs
[0103] 具体地，步骤S3包括：
[0104] 步骤S301、引入时域平均值。时域平均表示用时变信道冲激响应在一个块长内的积分平均代替不断变化的信道冲激响应值。准静态几何随机信道模型的信道冲激响应计算方法如下：先对通用的信道模型的冲激响应在一个传输信
[0105]
[0106] 其中，Ts为传输信号块长，1≤n≤N为传输信号块的时域序号，hqp(t,τ为通用的几何随机信道模型的信道冲激响应：
[0107]
[0108] 其中，K为莱斯因子， 为直射径成分， 为非直射径成分；
[0109] 步骤S302、引入相同时延值。相同时延值是由于短块通信下传输信道为窄带信道，多径之间的时延差别可以忽略不计，可以认为是相同时延值。将不同簇的时延τqp,l(t)建模为相同值：
[0110]
[0111] 其中，Nqp(t)为簇的数量，1≤m≤M为传输信号块的频域序号。
[0112] 引入时域平均值和相同时延值这两个机制将有效地保证信道的准静态特性。
[0113] 具体地，在步骤S4中，所述的准静态几何随机信道冲激响应为：
[0114]
[0115] 其中， 和 分别为
[0116]
[0117]
[0118] 其中，an,an,m分别为传输信号块的信道冲激响应的直射径系数和非直射径系数，分别为：
[0119]
[0120]
[0121] 其中，fc为载波频率，Nqp(t)为簇的数量， 为直射径时延， 为非直射径时延，θm为初始随机相位，服从均匀分布，Pqp,l(t)为簇的归一化功率。
[0122] 信道矩阵的每个元素为准静态几何随机信道模型的信道冲激响应：
[0123]
[0124] 其中，Nr为接收天线数量，Nt为发射天线数量。
[0125] 具体地，在步骤S5中，所述的信道统计特性包括信道的空时频相关函数、信道相干时间、信道相干带宽。
[0126] 将所述的准静态几何随机信道模型信道冲激响 应经傅里叶变换得信道传输函数，表达式为 进而空时频相关性函数表示为：
[0127]
[0128] 其中， 表示 求期望，{·} *表示取共 轭， 和分别表示为：
[0129]
[0130]
[0131] 其中，Premain(Δt,Δr)为簇生灭的联合概率，bn,f,bn,m,f分别为传输信号块的信道转移函数的直射径系数和非直射径系数，分别为：
[0132]
[0133]
[0134] 其中，fc为载波频率，Nqp(t)为簇的数量， 为直射径时延， 为非直射径时延，θm为初始随机相位，服从均匀分布，Pqp,l(t)为簇的归一化功率。
[0135] 准静态几何随机信道模型的相干时间 和相干带宽 分别为：
[0136]
[0137]
[0138] 其中，cthresh_T为时间阈值,cthresh_B为带宽阈值，一般均设置为0.8。
[0139] 具体地，在步骤S5中，所述的uRLLC系统性能包括信道容量、时延与可靠性的折中关系、可达可达信息速率。
[0140] 更具体地，信道容量为：
[0141]
[0142] 其中，det{·}表示求矩阵行列式，H为信道矩阵。
[0143] 图3表示在不同信噪比条件下，当fc＝5.9GHz、Ts＝1ms、K＝1、Nakagami‑m＝5、κ＝1、μ＝1时针对uRLLC系统在不同信道模型下的信道容量性能对比结果。其中莱斯信道、Nakagami‑m信道、κ‑μ信道、通用几何随机信道为对比的信道模型。可以看出，在准静态几何随机信道和通用几何随机信道和下的信道容量非常接近，这表明当满足准静态条件时，所介绍的准静态几何随机信道也保持和通用几何随机信道相似的高准确性。此外，与传统衰落信道模型相比，uRLLC系统在几何随机信道下具有更高的信道容量，先前在传统衰落信道模型下的已有研究低估了uRLLC性能的信道容量。
[0144] 更具体地，时延与可靠性的折中关系为：
[0145]
[0146] 其中，Pr{·}表示·事件的概率，Rth为中断状态的信道容量阈值，D为需要传输的比特数，fc(x)为信道容量的概率密度函数。
[0147] 图4表示在不同时延条件下，当fc＝5.9GHz、Bs＝1MHz、K＝1、Nakagami‑m＝5、κ＝1、μ＝1、ρ＝10dB、D＝32bits时针对uRLLC系统在不同信道模型下的可靠性性能对比结果。可以看出，相比传统衰落模型，uRLLC系统的中断概率在准静态几何随机信道下下降得更快、‑5更平稳，具有更优的时延可靠性折中关系。此外，在准静态几何随机信道下，在时延10 s附近存在中断概率的急剧下降，存在着时延可靠性的最优折中点。
[0148] 更具体地，可达可达信息速率为：
[0149]
[0150] 其中， 为Q函数，ρ为信噪比，Nb为传输信号块长。
[0151] 图5表示在不同时延条件下，当fc＝5.9GHz、Bs＝1MHz、ρ＝20dB时针对uRLLC系统在不同的错误概率∈下的可达可达信息速率对比结果。可以看出，在时延较低时，可达可达信息速率仅达到信道容量的一半，严重影响了uRLLC系统性能。此外，错误概率限制对可达可达信息速率的影响远比不上时延对可达可达信息速率的影响，并且随着时延的增加而减小。
[0152] 图6表示在不同时延条件下，当fc＝5.9GHz、Bs＝1MHz、ρ＝20dB、∈＝10‑5时针对uRLLC系统在不同信道模型下的可达可达信息速率对比结果。可以看出，准静态几何随机信道下的uRLLC系统具有最高的可达信息速率。此外，不同信道模型下uRLLC系统的可达信息速率随时延变化的趋势相同，与信道模型无关。
[0153] 本发明提出了一种基于准静态几何随机信道模型的uRLLC性能分析方法。与现有用于uRLLC系统的信道模型相比，本发明所提出的方法考虑了短块传输特征并使用了几何随机信道模型。通过对不同信道模型下uRLLC系统性能进行仿真对比，验证了本发明提出的方法具有更高的准确性。本发明考虑了短块传输这一uRLLC系统特性，使用了准静态几何随机信道模型，比传统衰落信道模型精度更高，通过对不同信道模型下的信道容量、时延与可靠性折中、可达信息速率的仿真，研究了uRLLC性能指标。本发明对uRLLC系统优化设计及性能评估具有指导意义。
[0154] 以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
