移動通信信息系統(tǒng)的可靠度優(yōu)化方法

尹若伊

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摘要：當(dāng)前，移動通信信息系統(tǒng)可靠度的優(yōu)化問題，成為很多相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者樂于研究的重點方向。鑒于此，本文首先著重研究了無線側(cè)通信的可靠性問題，分析了通過拆分合并編碼組合信息可以影響無線側(cè)通信的可靠性，引入HARQ技術(shù)也可以提升系統(tǒng)的可靠性。隨后通過理論分析證明采用合適的組合信息編碼可以提高可靠性，但增加了用戶功耗；使用HARQ機制可以提高無線側(cè)通信的可靠性。最后提出了一些影響無線側(cè)通信可靠性的因素，并逐一分析，提出了解決方法。

關(guān)鍵詞：5G；可靠性；HARQ；無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

一、可靠性通信原理

1、功率代價

為了得到高可靠性，可以考慮將控制信息與數(shù)據(jù)信息混合編碼，通過m n條信道傳輸?shù)恼`碼率為Q e，d，使得整個通信系統(tǒng)的正確接收率為1-Q e，d，（1-Q e，d）>（1-P e，h）（1-P e，d），提高了可靠性。但是使用混合編碼引發(fā)了一個問題：假如接收端為兩個實體，采用控制信息與數(shù)據(jù)信息混合編碼時，接收端必須將全部數(shù)據(jù)接收完畢并解碼后才能區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)是否為發(fā)送端發(fā)送到目的端，因此提高傳輸可靠性的代價是增加了功率消耗，這是功耗與可靠性間的一個矛盾。

2、時延代價

另外一個提升可靠性的方法可以從犧牲時延為代價的均衡中找到，假設(shè)用戶最大下行速率為100Mbps，考慮單一用戶情況，在QoE指標(biāo)較好的情況下，傳輸100M bit數(shù)據(jù)所用時間最大可為2s。那么在此QoE指標(biāo)下整包數(shù)據(jù)最大重傳次數(shù)可以達(dá)到1次，單包數(shù)據(jù)的誤碼率為P e，連續(xù)兩包數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤的誤碼率為P 2 e，使得誤碼率指標(biāo)呈指數(shù)級別遞減。但隨著重傳次數(shù)的增加，傳輸時間的增加會導(dǎo)致QoE指標(biāo)急劇下降。

二、提升可靠性方法

1、可靠服務(wù)組合

一個通信系統(tǒng)最終的設(shè)計目的是在可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)上支持某些應(yīng)用或服務(wù)，如果需要建立一個簡單的標(biāo)準(zhǔn)來評判這個系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，那么轉(zhuǎn)換到數(shù)字層面就是在99%的傳輸次數(shù)中以小于L秒、延遲D秒內(nèi)傳輸B byte數(shù)據(jù)。但是當(dāng)可靠性沒有達(dá)到指標(biāo)時，卻難以將這次服務(wù)評判為失敗。在具體業(yè)務(wù)中，可能有些業(yè)務(wù)就可以評判為成功，可靠服務(wù)組合（RSC，Reliable Service Composition）可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)類型的QoE指標(biāo)對應(yīng)不同的可靠性指標(biāo)，以此來代替二元服務(wù)指標(biāo)“服務(wù)可用或服務(wù)不可用”。可靠性服務(wù)組合的目的是針對不同的業(yè)務(wù)類型設(shè)計出不同等級的可靠性要求，而不是用一個可靠性指標(biāo)來代替所有的業(yè)務(wù)可靠性要求，如圖1所示：

圖1中數(shù)據(jù)僅作為V2V服務(wù)的示例，在基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸中可以使用95%的傳輸可靠性指標(biāo)，這些數(shù)據(jù)僅包括一些數(shù)據(jù)包比較小的安全或告警信息；當(dāng)V2V服務(wù)需要傳輸一些低級別確認(rèn)或者授權(quán)消息時，系統(tǒng)需要提供98%的數(shù)據(jù)傳輸指標(biāo)；最終當(dāng)V2V服務(wù)涉及到安全決策，需要傳輸全部的授權(quán)或確認(rèn)消息時，系統(tǒng)需要提供99.999%的可靠性指標(biāo)。以一個V2V數(shù)據(jù)傳輸流程為基礎(chǔ)模式-增強模式-安全模式為例，假設(shè)各模式下信噪比門限分別為γ1、γ2、γ3，根據(jù)業(yè)務(wù)流程所需時間，規(guī)定基礎(chǔ)模式下占用時間為T 1，增強模式下用時間為T 2，安全模式下為

T 3，則V2V服務(wù)過程的通信中斷的概率為：

根據(jù)上式可以看出各服務(wù)階段所占用過程的時間長度以及各過程的最低信噪比門限是影響系統(tǒng)中斷的重要因素。

使RSC具有實際操作性的重要因素是如何確定一個關(guān)鍵指標(biāo)，使其在給定時間內(nèi)可以用來評定業(yè)務(wù)需要系統(tǒng)提供何種可靠性服務(wù)組合，因此如何使用編碼技術(shù)降低信噪比門限是一個值得研究的課題。

2、使用markov過程決策的RSC

由上節(jié)的RSC組合可知，假設(shè)每個狀態(tài)的可靠度為R si，則由不同狀態(tài)轉(zhuǎn)換到其他狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率矩陣為：

其中α為RSC基礎(chǔ)模式轉(zhuǎn)換為增強模式的概率；β為RSC增強模式轉(zhuǎn)換為安全模式的概率；κ為安全模式轉(zhuǎn)換到增強模式的概率。切換圖如圖2所示：

當(dāng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略集S、行動集A i為有限集時，采用折扣指標(biāo)和平均指標(biāo)模型，存在最優(yōu)的確定性平穩(wěn)策略。本文采用平均可靠度作為衡量指標(biāo)，對于基礎(chǔ)模式直接跳躍到安全模式的路徑可靠度為（1-α）×R s 2，基礎(chǔ)模式-增強模式-安全模式的路徑可靠度為α×R s 1+β×R s 2，最優(yōu)策略為選取max（（1-α）R s 2，αR s 1+βR s 2）的路徑。

3、未來移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1多入多出技術(shù)

多入多出技術(shù)是無線通信行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，利用多個天線在發(fā)送端和接收端解決無線信道的衰落，實現(xiàn)就算不增加系統(tǒng)寬帶和天線發(fā)射功率的情況下也能使無線系統(tǒng)的容量得到有效提高。

3.2先進(jìn)的信號處理及傳輸技術(shù)

OFDM是無線環(huán)境下高速傳輸技術(shù)，將頻率分給子信道之后實現(xiàn)各子載波并行傳輸，能抗多徑干擾與窄帶干擾；自適應(yīng)傳輸技術(shù)是未來移動通信系統(tǒng)基帶信號處理的核心技術(shù)，根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)不同情況選取不同傳輸方式保證無線傳輸?shù)男Ч谛诺罓顩r較差時也能采用很好的調(diào)制方案。

3.3智能天線技術(shù)

智能天線技術(shù)是基于自適應(yīng)天線原理的移動通信新技術(shù)，能抑制信號的干擾并自動跟蹤和數(shù)字調(diào)節(jié)波束。智能天線形成波束在空間范圍內(nèi)交互穿插，形成干擾流，增強特殊范圍內(nèi)想要的信號，既能改善信號質(zhì)量，又能增加傳輸容量。

3.4軟件無線電技術(shù)

軟件無線電是利用數(shù)字信號進(jìn)行處理的技術(shù)，在編程平臺上對無線電的標(biāo)準(zhǔn)、模塊等硬件進(jìn)行軟件加載方式來實現(xiàn)開放式結(jié)構(gòu)。軟件無線電的核心思想是在靠近天線的地方使用寬帶變換器，用軟件定義無線功能，其軟件系統(tǒng)包括無線信令規(guī)則與處理軟件、信號流變換軟件等多個軟件類別。

3.5認(rèn)知無線電技術(shù)

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