面向6G物联网的高效无线接入关键技术研究

干净利落

面向6G物联网的高效无线接入关键技术研究赵娟南京邮电大学
随着网络服务终端站点数量的急剧增加、网络服务对于时延要求和安全性能的不断提高、及网络能耗的显著增大等发展趋势,新一代物联网系统面临着一系列新的技术挑战。本学位论文针对第六代移动通信的愿景展望和技术发展导向,紧密围绕着物联网系统的网络接入场景主要研究终端站点无线接入的安全性方案、物联网终端站点的无线充电与无线信息传输、异构物联网的干扰抑制、终端站点计算任务的时延理论分析、以及基于智能反射面的物联网接入等五个方面,完成理论性能的分析或相应方案的最优化设计,力争获得最优的物联网资源调度技术,追求新一代物联网的无线接入的安全性能、超低接入时延、和能量效率性能。论文的主要研究内容如下1)针对物联网中大量终端站点充电难的问题,提出了下行链路以广播方式无线充电、上行链路多址接入物联网方案,推导了相应系统模型的能量效率关于无线信道概率分布的均值和方差的数学函数,建模了以能量效率函数最大化为目标的优化问题,其中约束条件是上行链路总吞吐量最小值,优化变量是下行链路无线充电的发射功率值,并利用朗博函数特性(Lambert function)推导出了最优解的解析表达式。此外,还推导出了最优的发射天线数目及相应的能量效率最佳值。结果表明,发射天线数量并不是越多越好,当增加到一定数值以后,更多的天线带来的吞吐量增益相对较小,而消耗的能量相对更大。(2)针对异构物联网中近距离终端站点和远距离终端站点共存带来的干扰很强的问题,提出了转发站点配置多根天线的接收波束、转发给一跳终端站点的发射波束、以及转发给双跳终端站点的发射波束的三者联合抑制干扰方案。建模了双跳无线接入和一跳无线接入的所有终端站点组成的物联网系统的能量效率函数最大化问题,证明了多天线转发站点的接收波束是发射站点到转发站点之间的无线信道的共轭匹配模式。通过广义奇异值分解方法获得转发站点的第三个波束是广义特征向量的模式,最后设计一个三步的迭代算法求解该优化问题,研究结果表明,所提三波束的干扰抑制方案有效降低了系统干扰从而提升了系统的能量效率性能。(3)针对物联网安全通信由于计算任务量大导致时延性能差的问题,提出移动边缘计算增强的自适应卸载方法。建立了时延性能约束下的能耗最小化的数学问题,其中时延函数包括终端站点的本地执行计算任务需要的时延、和终端站点通过无线信道把计算任务上传给边缘计算设备需要的无线上传时延,而专用边缘计算设备在执行计算任务时需要的时延可以忽略不计,这是由于边缘计算设备具有强大的计算能力。通过分情况逐项解决,成功求解最优卸载比例因子的数学解析表达式。还通过不等式缩放,推导出了物联网时延函数关于卸载计算任务比例系数的数学关系,得到了该系统的能耗函数的下界函数的具体表达式,即该表达式是由无线信道的均值和方差、卸载比例系数、计算任务总量等共同决定的。(4)针对信道编码太长导致时延大的问题,提出了基于有限长度的信道编码的相应场景的安全接入方法,面向多个合法终端站点和一个非法终端站点在无线接入物联网时的场景,建立了安全传输速率最低要求下的物联网能量效率最大化的优化问题,通过采用以信道编码长度为参数的物联网容量数学表达式,推导出了每个合法终端站点的接收信噪比的上界和下界函数,并利用凸优化理论求解最优能耗结果。而且理论分析了发射功率的比例因子关于发射功率的渐进特性,即信道编码长度因子的解析表达式,该表达式揭示了发射机面向合法终端站点的发射功率比例因子随着信道编码长度的变化规律,而信道编码长度直接度量了时延性能,有效度量了高能效物联网的时延受到发射功率比例因子的具体影响。(5)针对现有物联网接入技术中发射和接收技术强力受制于无线信道的难题,提出了基于智能反射面辅助的物联网安全接入的能量效率与频率效率性能折中方法,推导出了物联网的能量效率在发射功率很大时的上界函数,该函数是由智能反射单元数量和信道概率分布函数的方差表征的,这不需要信道的瞬时状态信息。通过数学等价变换,推导出了以频谱效率为自变量的能量效率解析式,从而得到了智能反射面辅助的物联网接入系统的能量效率与频谱效率之间的相互关系,该关系解释了智能反射面辅助的物联网安全接入的良好性能。考虑到分布式多智能反射面协同反射需要信令开销大的问题,设计了基于路径损耗和慢变瞬时信令的智能反射面的选择算法,降低了协同信令传递开销,提升了接收信号强度。