传输互易中国

IMT-2020(5G)推进组低时延高可靠专题组技术报告技术报告TechnicalReport版权声明CopyrightNotification本文档由IMT-2020(5G)推进组低时延高可靠专题组成员单位起草未经书面许可禁止打印、复制及通过任何媒体传播2015IMT-2020推进组版权所有第2页共58页目录1.
引言31.
1编写目的31.
2参考文献31.
3缩写词32.
总体技术方案43.
关键技术研究与评估53.
1基于LTE蜂窝网络架构的流程优化.
53.
1.
1上行无连接数据传输流程.
53.
1.
2下行无连接数据传输流程.
73.
1.
3小结.
83.
2空口物理层关键技术研究.
83.
2.
1短子帧设计.
83.
2.
2多元LDPC编码193.
2.
3新型波形技术和多址技术.
243.
2.
4小结.
243.
3空口高层关键技术研究.
243.
3.
1基于多连接的空口传输技术.
243.
3.
2可配置协议栈.
273.
3.
3终端协同传输技术.
293.
3.
4免调度传输.
313.
3.
5其他传输优化.
363.
3.
6小结.
383.
4动态自组织网络383.
4.
1设计思路和组织方式.
383.
4.
2关键过程设计.
403.
4.
3波束赋形的应用.
453.
4.
4无线资源分配.
473.
4.
5车辆通信网络的分簇技术.
513.
4.
6小结.
553.
5分布式MESH网络553.
5.
1多信道MAC机制.
553.
5.
2小结.
564.
总结56第3页共58页1.
引言1.
1编写目的本报告基于前期需求分析和系统架构梳理,对低时延高可靠关键技术展开深入探讨和研究.
为后续5G相关技术研究和标准化推动提供基础和技术支撑.
1.
2参考文献[1]《低时延高可靠通信场景、需求及性能指标》,IMT-2020低时延高可靠专题组[2]《低时延高可靠通信系统架构和基本通信过程》,IMT-2020低时延高可靠专题组[3]IMT-2020_TECH_LLHR_15006_分布式网络研究,CATT[4]IMT-2020_TECH_LLHR_15002_基于LTE演进的低时延系统帧结构设计分析1.
0-中国电信[5]IMT-2020_TECH_LLHR_15009_ZTE提案_CR_低时延章节_IMT-2020_TECH_LLHR_低时延高可靠关键技术研究报告[6]IMT-2020_TECH_LLHR_15012_5G低频段LTE-A演进的方案分析,CMCC[7]IMT-2020_TECH_LLHR_15007_关于空口可靠传输的考虑,CATT[8]IMT-2020_TECH_LLHR_15010_用于低时延高可靠场景的多元LDPC码,西电[9]5G网络技术架构白皮书,IMT-2020,2015年5月[10]5G无线技术架构白皮书,IMT-2020,2015年5月[11]IMT-2020_TECH_LLHR_15022_IMT-2020(5G)低时延高可靠传输-分布式动态路由提案_bupt[12]IMT-2020_TECH_LLHR_15027_WirelessMeshNetwork介绍_同济[13]IMT-2020_TECH_LLHR_15029_用于低时延高可靠场景的多元LDPC码_西电[14]IMT-2020_TECH_LLHR_15025_动态自组织网络无线资源分配方案_CATT[15]IMT-2020_TECH_LLHR_15024_波束赋形在动态自组织网络中的应用-CATT1.
3缩写词缩写、术语解释D2DDevicetoDeviceDSCDistributedServiceCenterEPEndPointFBMCFilterBandMultiCarrierLDPCLowDensityParityCheckCodeMUSAMultipleUserSharingAccessOTTOneTripTimePDMAPatternDivisionMultipleAccessQCIQoSClassIdentifierRANRadioAccessNetworkRATRadioAccessTechnologyRTTRoundTripTime第4页共58页SCMASparceCodeMultipleAccessUEUserEquipmentUFMCUniversalFilteredMultiCarrier2.
总体技术方案根据需求研究,将低时延高可靠应用场景归纳为连续,大数据包业务、间歇,小数据包业务和应急通信.
本报告结合现有系统特性和技术基础,并考虑与其他5G专题组的差异性,面向接入网开展技术研究.
本报告不同的关键技术点分别面向空口1ms的极端指标和相对宽松指标下的时延缩减方案,以及空口可靠性增强目标.
图2-1总体研究路线示意图IMT-2020定义的5G场景和技术挑战如下图.
低时延高可靠是移动物联网的一个典型场景,对应低时延高可靠典型场景的技术挑战是极低时延:空口1ms和端到端毫秒级时延.
第5页共58页图2-2IMT-2020的5G场景和技术挑战在前期的需求研究中,我们确定低时延高可靠技术解决的不仅仅是移动物联网极端场景的时延可靠性问题,其他场景下也要求时延可靠性性能的提高,以提升5G用户体验和5G系统整体性能.
需求研究中定义的低时延高可靠业务模型如下表.
表2-1低时延高可靠业务模型定义时延需求可靠性需求应用场景示例连续,大数据包业务QCI1端到端回程时延≤10ms99.
9%实时云计算、增强现实、在线游戏QCI2端到端回程时延≤10ms99.
999%实时云计算、增强现实、远程医疗间歇,小数据包业务QCI3端到端单向时延≤5ms99.
999%智能交通、智能电网QCI4端到端单向时延≤10ms99.
999%实时远程控制应急通信QCI5紧急模式启动时延≤10s会话建立时延≤1s99.
999%应急通信3.
关键技术研究与评估3.
1基于LTE蜂窝网络架构的流程优化本部分不直接面向空口极低时延(1ms)指标,是为了从基本过程上实现时延缩减,从而降低端到端时延.
LTE系统演进技术将作为未来5G关键技术的重要组成部分,因此以现有LTE蜂窝网络基本架构为基础,根据5G新应用业务特点,通过对流程优化,不但可以满足新业务对低时延和高可靠的通信需求,而且可以降低运营商网络升级的成本,实现平滑演进.
3.
1.
1上行无连接数据传输流程这部分技术方案适用于间歇,小数据包业务模型.
技术方案1:基站通过终端关联ID路由第6页共58页基站通过终端关联ID路由又称为基站有记忆方案.
在这个方案中,基站需要预先为终端分配关联ID,终端关联ID和上行IP数据包发送给基站,基站根据关联ID索引UE上下文,根据上下文确定目标SGW.
对于基站有记忆方案要求基站在上行传输前预先为终端分配关联ID并保存终端上下文,因此对于高移动性场景(终端频繁更换服务建站),终端移动到新基站后,新基站需要重新为终端分配关联ID并获得终端的上下文.
图3-1基站通过终端关联ID路由技术方案2:基站根据数据包目标网关IP地址路由基站根据数据包目标网关IP地址路由又称为基站无记忆方案.
在这个方案中,网络预先将目标网关的IP地址和TEID信息通知终端,终端在上行数据包发送过程中将上行数据包发送基站,基站根据数据包携带的目标网关IP地址信息确定目标SGW.
在基站无记忆方案中,终端的每次上行传输都是独立路由的,基站不需要预先保存终端的上下文信息,因此即使在终端高移动性场景下(终端频繁更换服务基站),也不会引入额外的信令开销.
在上行传输是突发性的情况下,数据量本身就非常小,因此在上行传输中携带IP地址和目标TEID不会对系统容量方面造成明显影响.
第7页共58页图3-2基站根据数据包目标网关IP地址路由3.
1.
2下行无连接数据传输流程这部分技术方案适用于间歇,小数据包业务模型.
技术方案1:基于终端位置区域的下行传输LTE系统中针对IDLE状态终端的下行数据传输过程较为复杂,因此信令过程本身导致延迟过长的问题.
一种改进的思路是,当IDLE状态终端的下行突发小包到达后,网关(例如SGW)将下行数据Push到所用终端可能驻留的基站下,基站再通过空口将下行数据包发送给终端,整个过程不需要终端建立RRC连接.
为了保证下行数据被转发给终端潜在驻留的基站,需要网关维护和保持终端的位置位置信息,例如MME可以将终端的TA(TrackingArea)信息发送给终端的服务网关,从而使网关获得终端的位置信息.
第8页共58页图3-3基于终端位置区域的下行传输3.
1.
3小结基于LTE蜂窝网架构的流程优化基于无连接数据传输设计,目的是优化核心网时延,以优化端到端时延.
同时,还能起到减少核心网信令,避免大量终端接入带来的信令风暴等问题.
3.
2空口物理层关键技术研究3.
2.
1短子帧设计3.
2.
1.
1短子帧参数设计3.
2.
1.
1.
1最大TTI长度为实现低时延目标,短子帧设计是一个基本方向.
下面对空口时延1ms指标进行简单分析.
空口时延1ms前提条件包括:1)不考虑调度时延(例如认为系统处于空载,并且发送端已经获得资源);2)进行小数据包传输(例如认为不需要对数据包进行分段,重组处理);3)信道条件好,传输可靠性高,不需很多次HARQ重传.
基于LTE物理层设计,一个TTI即为一个子帧,帧定时设定为0.
5*TTI,RTT=DeNB-process+(1.
5*TTI)*2+DUE-process.
假设未来设备处理能力大大增强,考虑到短子帧所需处理的数据量较小,DeNB-process=DUE-process=0.
1ms.
DUP[ms]=DeNB-process+1.
5*TTI+DUE-process+n*RTT=0.
2+1.
5*TTI+n*(0.
2+3*TTI)表3-15G空口时延评估(FDD)第9页共58页StepDescriptionValue(0%HARQ)Value(30%HARQ)0UEwakeuptimeImplementationdependent–NotincludedImplementationdependent–Notincluded1UEProcessingDelay0.
1ms0.
1ms2FrameAlignmentTTI/2TTI/23TTIforULDATAPACKET(Piggybackschedulinginformation)TTITTI4HARQRetransmission0ms0.
3*RTT5eNBProcessingDelay(Uu–>S1-U)0.
1ms0.
1msTotalonewaydelay0.
2+1.
5*TTIms0.
2+1.
5*TTI+n*(0.
2+3*TTI)ms为达到1ms时延指标,如果不重传,TTI最大限制为0.
533ms;假设30%HARQ重传概率,TTI最大限制为0.
308ms.
对于TDD双工方式,受限于上下行子帧转换时间,帧定时时间有所延长,为达到1ms空口时延要求的TTI最大长度更小.
因此:在终端和基站的处理时延均降低到0.
1ms的前提下,TTI最大限制为0.
308ms,如果设备处理时延更大,TTI最大长度还需进一步缩减.
3.
2.
1.
1.
2低时延OFDM帧结构设计参数短子帧基本设计思路包括:缩短子帧/时隙长度,减少TTI抵抗时延扩展与多普勒扩展影响,防止ISI和ICI确保开销比例适当,保证频谱效率满足要求满足各场景对用户容量要求,保证数据包传输能力尽可能减少运算复杂度,降低软硬件要求.
为满足低时延业务特性要求,可以对帧、子帧、时隙、符号和符号前缀以及子载波宽度进行综合考虑与全新设计.
沿用LTE系统OFDM设计方式,在低时延帧结构设计上考虑循环前缀、物理信号如同步信号、参考信号等的开销,同时需要考虑不同场景下抵抗时延扩展与多普勒扩展的影响.
设计思路主要是:分析帧结构设计对频谱效率的影响.
公式如下,第10页共58页是循环前缀长度,是OFDM符号的长度,是最大可达频谱效率(受限于最高的调制编码方式),是信噪比(SNR),是由于非理想调制编码所导致的SNR损失.
总结如下:给定符号长度条件下,循环前缀CP长度越短,CP开销越小,频谱效率越高,抗符号间串扰ISI能力减弱.
给定CP长度条件下,符号长度越长,CP开销越小,频谱效率越高,给定符号数条件下,允许最小TTI值变大.
信道时延扩展越大,CP长度要求越长,CP开销越大给定系统带宽和每帧符号个数的前提下,子载波间隔越大,每帧支持的用户数越少基于上述因素,以100MHz带宽OFDMA系统为例,分别基于符号长度与CP开销、低时延业务数据包传输能力,对帧结构设计进行分析,系统参数条件见下表.
表3-2帧结构系统参数条件系统参数值(单位)系统带宽100MHz带宽利用率0.
9时隙长度要求0.
1msCP时长要求>300ns;(室内,室外短距离LOS)>4μs(室外)CP开销要求EP1和EP1->EP2两跳.
图3-35动态自组织网络信令和数据传输路径示意图由此可见,动态自组织网络的传输路径多样化,以上图为例,一种可能同时存在的传输路径为:EP0向EP1发送数据;EP3向EP2发送数据;EP4向DCS1发送数据.
分布式系统的数据传输一般采用全向方式,甚至专门采用泛洪方式向所有邻近终端发送,发送端邻近的接收节点都能接收到发送端传输的信号,对于其他终端或网络节点,该发送端发送的信号可能对其实际需要接收的信号造成干扰,尤其多对收发端间的传输会造成传输信号之间的相互干扰.
即使采用OFDM传输方式,不同路径上采用不同的子载波资源,但由于分布式的特性,不同收发端对("收发端对"指一对收发节点)间的传输不是完全同步的,子载波间很难做到完全正交,不同物理频率资源间也存在干扰.
干扰和容量受限是分布式系统的最大问题.
3.
4.
3.
2波束赋形的应用在动态自组织网络中引入波束赋形,节点间通过定向波束发送和接收数据,可以提高传输可靠性,降低对网络中其他节点的干扰.
波束赋形对于传输可靠性的提高,针对工厂车间等终端移动速度较慢甚至静止的场景尤其有效.
以下为示意图,通过定向波束传输,EP0向EP1发送数据,EP4向DSC1发送数据.
通过波束赋形传输,两条传输通道间干扰大大降低,甚至这两条传输通道可能进行资源复用.
第46页共58页图3-36波束赋形传输示意图波束赋形算法主要有DOA、EBB,分别依据波达角和由信道估计获取的特征向量,计算得到波束赋形矩阵的加权矢量.
在实际应用中,可根据场景和可获取的信息,具体确定采用何种波束赋形算法.
动态自组织网络具有集中和分布相结合的特点,波束方向的确定方式可以有集中式和分布式两种.
1.
集中式:集中式赋形波束的确定由控制节点主导.
控制节点是管理多个分布式节点的集中节点,可以为一个簇的簇头,如DSC节点.
由控制节点集中控制簇内波束赋形参数的好处在于可以充分考虑可能的传输干扰,以及根据波束赋形情况进行合理的资源分配和复用.
具体方法有:1)根据位置信息确定赋形波束控制节点维护簇内节点的位置信息,确定簇内节点的具体位置和相邻关系.
对于需要进行点到点通信的节点对,由控制节点通知其相关波束赋形参数信息.
举例来说,以理想波束赋形为例:EP1向EP2发送数据,控制节点确知两个末端节点的位置后,计算出EP1到EP2信号的主径(或最大径)到达角度,直接根据这个角度进行波束赋形,具体为取波束加权矢量为天线阵列方向矢量的共轭,即(公式一)其中Ka为发送端天线数目,中的1代表主径(或最大径),θ表示欲发送的k用户的主径(或最大径)到达角度.
具体的加权矢量值可以由控制节点计算或末端节点根据控制节点通知的位置信息等自行计算.
第47页共58页2)根据信道状况确定赋形波束控制节点维护簇内节点间的信道状况信息,具体可采用例如末端节点测量上报并利用信道互易性的方式.
对于需要进行点到点通信的节点对,由控制节点通知其相关波束赋形参数信息.
举例来说,以EBB(EigenvalueBasedBeamforming)算法(即特征向量法)为例:控制节点根据簇内节点信道状况表,在末端节点对需要进行点到点传输的时候,通过对空间相关矩阵进行特征值的分解来得到权矢量.
实现方法就是找到权矢量使得r最大.
根据不同准则(如最大功率准则、最大信噪比准则、最大信干扰比准则等),r有不同的计算方式.
(最大功率准则),(公式二)其中为接收信号空间相干矩阵,具体由信道响应计算获取.
(最大信干比准则),(公式三)其中为接收信号空间相干矩阵,为干扰矩阵,由控制节点根据信道状况表中相邻需要同时进行传输的其他末端节点信道状况拟合而成.
2.
分布式分布式方法指末端节点对之间进行赋形波束评估并进行波束赋形的方法,不通过集中节点控制.
分布式方法的优点在于反应快速,信令开销少.
以末端节点EP1和末端节点EP2之间点到点通信为例进行说明.
如果EP1、EP2可以确知双方的地理位置从而可以计算出所需的传输信号方向,可以采用理想DOA方法根据所需赋形波束角度计算赋形波束加权矢量.
如果EP1、EP2不能准确掌握双方相对位置,则可以采用信道测量方式进行赋形波束确定:EP1测量EP2参考信号,获取信道响应,构造接收信号相干矩阵,或根据需要测量噪声、干扰等,构造需要的噪声、干扰相干矩阵.
根据公式二、公式三或与之对应其他准则得到的r公式,计算使得r最大的权矢量.
3.
4.
4无线资源分配不同的无线资源分配方案对支持各种传输特性有不同的影响.
在无线资源分配与传输方案方面,主要有两类设计思想,分别是:-基于调度的无线资源分配与传输,例如动态调度和资源预分配.
-免调度的无线资源分配与传输,例如基于抢占的资源分配.
基于调度的无线资源分配方案的好处是可以有效避免传输冲突和传输干扰问题,缺点是第48页共58页会引入比较复杂的信令交互过程,为保证信令的实时性与可靠性需要设计比较复杂的空口帧结构.
基于抢占的媒质接入与传输的优点在于不需要设计复杂的信令交互过程,因此空口帧结构设计方面复杂度可以大大降低,缺点在于基于抢占式的媒质接入方式,不能完全避免碰撞和干扰问题,尤其是在系统负载较高的情况下,基于抢占的媒质接入与传输方案会导致系统端到端延迟和传输可靠性方面的明显下降.
下面探讨如何在动态自组织网络中使用基于调度的无线资源分配与传输方案,以及在使用基于调度的无线资源分配方案在支持潜在传输特性情况下可能面临的问题.
3.
4.
4.
1基本原理基于调度的传输方案与现有蜂窝上下行传输以及蜂窝D2D传输的设计思想非常类似,即在一个由簇头管理的"簇区域(ClusterArea)"内任何节点间在进行实际数据传输前,首先要获得"无线资源分配",簇头在无线资源管理方面的主要作用是协调"簇区域"不同"通信对"传输使用的无线资源从而消除碰撞,以及簇内干扰问题.
在当前传输时刻,如果"传输1"和""传输2"使用频域重叠的无线资源,则在接收端可能发生严重的干扰问题,因此采用基于调度的无线资源分配方案可以有效避免可能出现的干扰问题.
图3-37传输干扰问题示例在当前传输时刻,如果"传输1"和""传输2"使用频域重叠的无线资源,则在接收端可能发生"碰撞"问题,从而导致接收端对"传输1"和""传输2"的接收都失败的问题,采用基于调度的无线资源分配方案可以避免出现"碰撞"问题.
第49页共58页图3-38传输碰撞问题示例3.
4.
4.
2单跳数据传输在单跳情况下,系统支持普通终端间直接传输,以及普通终端与簇头之间的数据传输.
簇头节点负责对整个簇区域进行无线资源分配,当单跳传输的情况下,又可以细分成三种场景分别是1)EP发送,EP接收2)EP发送,CH接收3)CH发送,EP接收用于动态调度可以同时在周期性业务和突发性业务场景下使用,所以这里首先对基于动态调度情况下的传输过程进行介绍.
为简化流程设计,对于上述前两种场景拟采用一致的信令流程,从而降低协议设计的复杂性,下面以EP发送,EP接收为例进行说明.
图3-39EP到EP数据传输过程数据包到达后,数据发送端EP首先向CH发送调度请求,请求为发送端数据传输分配无线资源.
CH正确接收到数据发送端EP的调度请求后,CH为数据发送端EP分为无线传输资源.
CH将传输配置与调度指示信息在整个簇区域内进行发送,发送端EP根据该信息确定自身使用的发送资源,数据接收EP根据该信息确定数据接收资源.
数据发送端EP使用被分配的无线资源进行数据包的传输,数据接收端EP尝试在接收资源进行传输接收.
如果数据接收EP成功接收数据,则数据接收EP向数据发送EP发送Ack反馈.
第50页共58页图3-40CH到EP数据传输过程问题分析:在信令开销方面,与免调度无线资源分配相比,由于调度方案引入了负责进行无线资源分配的中心式节点CH,因此会显著的增加CH和EP链路上的信令负载,具体信令负载对整个系统的影响一方面与系统平均数据包大小有关(平局数据包越小信令占用无线资源比例越高).
此外信令占用资源量还与信令消息大小,以及调度信息具体内容有关,因此在信令设计方面要尽可能的精简.
在时延方面,对于基于调度的传输方案(在EP到EP以及EP到CH的情况下),空口总传输时延包括信令交互过程引入的时延部分,因此为保证极低的时延要求,需要设计紧凑而灵活的空口帧结构,避免由于空口帧结构的不灵活,例如固定TTI长度,传输方向,并行传输方面引入限制从而导致的等待时延的问题.
3.
4.
4.
3多跳数据传输图3-41簇区域内多跳传输对于簇内多跳传输,每一跳(One-Hop)采用的与单跳情况下相同的数据传输过程,其中普通终端(EP)和簇头终端(CH)都可以为其他普通终端(EP)提供数据转发服务.
对于从源节点(Source)到目标节点(Target)的数据传输可以并行使用多条传输路径(Path)第51页共58页进行数据传输,从而提高数据传输的可靠性.
图3-42跨簇区域多跳传输对于跨簇区域的多跳传输需要一个设备节点为不同的簇间提供用户面数据转发功能(例如上图中由一个EP终端为跨簇通信提供数据转发服务).
控制面方面,如果有普通终端EP节点提供跨簇数据转发服务的情况,普通终端EP建立需要与簇区域1和簇区域2的簇头分别建立控制面连接.
对于多跳传输情况下,簇区域1和簇区域2内的单跳传输过程可与前面单跳数据传输过程保持一致.
3.
4.
5车辆通信网络的分簇技术在车联网场景中,车辆沿着道路高速移动,车辆的运动有一定的规律性.
由于道路、交通规则等条件的限制,在某些特定时间段,某些车辆自然的形成簇.
对于自然形成簇的车辆,按照分簇进行管理,有很多好处.
第一,对于时延要求极高的某些安全类信息传输,由簇头对车辆之间的数据传输进行无线资源管理,可以在一定程度上降低基于抢占方式的接入时延,保证时延指标;第二,在车辆形成簇的时候,车辆一般比较密集,由簇头对簇内车辆之间的通信进行一定程度的控制,可以在保证低传输时延的同时保障数据链路的通信质量.
第三,无线资源可以在簇间复用,并对同信道之间的干扰进行控制,从而提高无线频谱效率.
3.
4.
5.
1关键技术问题1)网络组织与管理A.
簇的创建相对于智能工厂场景中节点移动很小的情况,车辆的高速移动性使簇结构不稳定,如何创建簇面临比较大的挑战.
簇的创建有下面几种方式:a)车辆之间不断交互位置信息,在一定的簇头生成算法下,自组织的创建簇;b)由蜂窝基站参与创建簇.
第52页共58页在蜂窝基站参与的簇创建过程中,蜂窝基站在一定的时间尺度上参与簇的形成和变化.
对于以120公里时速高速行驶的车辆,每秒移动30米,对于相向高速行驶的车辆,每秒相对移动约60米.
由于车辆通信距离一般可以达到300米,在车辆上报位置信息的基础上,蜂窝基站可以在秒的量级上对车辆簇的创建和变化进行一定程度的干预,以降低自组织形成簇的复杂度.
B.
簇内可用的无线资源簇内车辆要进行短距离无线通信,需要使用一定的无线资源.
无线资源的使用主要有以下几种情况:a)簇内车辆竞争使用系统可用的无线资源.
这种方式有利于无线资源的动态有效利用,但是在车辆较多的情况下将面临较严重的碰撞问题,不能满足某些安全类应用的低时延要求.
b)蜂窝基站分配某段无线资源给簇头,由簇头对簇内车辆的无线资源使用进行管理.
这种方式的好处是可以获得较好的时延和可靠性能,并且在相邻的不同簇之间可以实现无线资源空分复用,簇间的干扰也易于控制.
簇内车辆之间的通信或者簇内车辆与非本簇车辆的通信由簇头分配或者协调无线资源.
簇头所需的无线资源,可以静态的分配,也可以动态的分配.
在智能工厂场景下,节点移动极小,静态分配簇内可用的无线资源是一种非常简单的方式.
在车辆网络中,由于簇的大小在不同时间不同路段随时可变,所以动态的为每个簇分配无线资源是一种较优的选择.
C.
簇的覆盖由于车辆在道路上的不断运行,车辆在不同道路的不同路段,有的分布较为密集,有的分布较为稀疏.
是否把所有的车辆都归为某个簇,是一个需要考虑的问题.
有下面几种方案可以考虑.
a)所有的车辆都划分到某个簇,实现簇对车辆的无缝覆盖.
这种方式可以参考Adhoc网络中的某些分簇方法,并且簇的管理不需要基站的参与.
但是由于车辆的高速移动特性,簇的结构不稳定,车辆之间将必须交互大量的控制信令,以管理簇内车辆的变化、切换簇头、协调簇之间的同频干扰等.
b)车辆较为密集区域的车辆划分为簇,车辆稀疏区域的车辆不划分到某个簇,而是直接与蜂窝基站通信,由蜂窝基站对其进行管理.
这种方式的好处是基站参与一部分簇的管理,可以大大降低簇头所要担负的职能,降低对簇头的性能要求.
另一方面,由于车辆稀疏,车辆之间的距离较大,可以承受一定的信息传输时延.
D.
簇头的作用第53页共58页如果网络采用分布式的同步方式,簇头可以作为同步源独立工作;如果采用蜂窝基站协助的方式,簇头与蜂窝基站进行同步,并作为簇内车辆的同步源.
簇头从蜂窝基站获取本地网络基本配置,管理簇内终端的通信行为.
在采用竞争接入无线信道的方式下,相邻的簇之间可能会发生严重的同频干扰,簇头需要对簇之间的干扰进行协调.
在簇头掌握部分无线资源的情况下,簇头可以在一定程度上控制簇内车辆之间的通信,避免资源抢占导致的碰撞问题.
E.
簇头的选择在Adhoc方式下,车辆之间可以经过协商,选择簇头,并且随着车辆的运行,不断的重复协商过程,在协商过程中确定是否需要改变簇头.
在基站参与簇管理的方案下,基站可以协助簇头的指定,其好处是可以大大降低车辆之间对簇的维护和簇头切换所需交互的信令量.
2)同步方式在完全不需要基站参与的动态MESH网络中,簇头之间的同步是一个比较大的挑战.
簇头之间通过多跳的方式,要求普通车辆终端参与同步过程.
与智能工厂场景中可能存在的众多机器臂、传感器终端相比,车辆的数量在一定的区域内是有限的,并且在车辆上配置蜂窝网络接口是未来的趋势,所以在车辆网络中,使用宏站作为同步源是一个相对经济的选择,这样可以大大降低分布式同步过程所需的网络开销.
3)数据路由对于车辆之间的一跳直接通信,通过竞争或者在簇头控制下建立数据连接,数据直接在车辆之间建立的数据信道上交互.
如果簇内车辆要向网络中的服务器节点发送或者接收数据,则由簇头负责与蜂窝基站交互,在蜂窝基站的控制下建立与服务器的数据连接;或者由簇内车辆直接接入蜂窝基站,建立与服务器的数据连接.
对于车辆信息向较远范围车辆的传输(超出一跳可到范围),一般的对时延需求比相邻车辆之间的直接通信的时延要求低,在实际场景中,有两种方式可供选择.
a)多跳传输.
多跳传输对于传输距离超出车辆一跳传输范围不是太远(两跳或者三跳可达),并且时延要求较高的信息传输具有一定的优势;但是对于传播范围要求很远,信息需要经过很多跳才能到达的情况,劣势比较明显,原因在于多跳传输的时延和可靠性都不可控.
第54页共58页b)基站协助寻找目标车辆,并下发信息.
这种传输方式,一般的对于时延需求不是非常高的信息传输,例如,前方施工、道路积水等信息的传输是足够的,也以满足传输的可靠性能,并且可以是广播发布、多播发布或者是单播传输,相对于多跳传输方式具有更优的性能.
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2备选分簇技术方案1)簇的创建道路上车辆稀疏的时候,车辆直接向蜂窝基站申请无线传输资源,在车辆间直接交互信息.
随着车辆密度增加,有些车辆距离较近,并且由于道路条件限制,在较长的一段时间内,将保持较近的距离.
如果某些特殊车辆,如公共交通车辆,判断一跳内车辆较多,适合创建簇,则向蜂窝基站发出请求.
蜂窝基站判断负荷状况,如果接受请求,则向该车辆分配一定的无线资源.
该车辆在周期性的信标信息中,标示自己为簇头,一跳邻居车辆收到信息之后,如果有无线传输需求,则不再向蜂窝基站,而直接向簇头请求无线资源.
为了使无线资源在簇之间共享,蜂窝基站在创建簇的时候,可以判断各个簇的空间距离,以保证各个簇在空间上隔离,无线资源在簇之间可以空间复用,这样做的好处是在很大程度上规避了同频干扰.
不能加入某个簇的车辆仍然向蜂窝基站申请无线资源,簇对车辆的覆盖是不连续的.
2)簇头所能掌握的无线资源簇头按照簇内车辆的多少向蜂窝基站申请无线资源,即,随着车辆数目的变化动态申请更多的无线资源或者交回部分无线资源.
蜂窝基站发现本小区的数据信道拥塞的时候,也可以主动向簇头收回部分无线资源.
3)分簇架构下车辆直接通信的无线资源分配思路车辆直接通信包括车辆之间的点对点通信和一对多的直接通信.
通信双方可能属于同一个簇,也可能不属于同一个簇.
在分簇架构下,簇头可以把簇内的无线资源划分为数据信道、控制信道、发现信道和广播信道.
a)在控制信道上直接调度簇内需要点对点或者点对多点通信的车辆,为其分配数据信道;b)在广播信道上,簇内车辆按照调度,使用广播信道发送周期性广播的位置等信息;c)对于不属于当前簇但是与当前簇的边界车辆为一跳邻居的车辆,为使其可监听当前簇边缘车辆的发现信息和周期性位置广播信息,由边缘车辆向其转发当前簇发现信道和广播信道分配情况;第55页共58页d)簇头从蜂窝基站获取簇边界车辆的不属于当前簇的邻居车辆的广播信道,通知边界车辆在该信道上监听其位置广播;e)不属于任一簇的车辆直接接入蜂窝基站,由其分配无线资源.
4)簇的管理车辆在运行过程中监听邻居车辆和蜂窝基站的信号,如果一跳邻居车辆有簇头,则向簇头申请加入该簇.
对于簇内成员车辆,如果随着车辆运行,簇头信号强度低于一定门限或者不再出现在一跳邻居中,则从该簇退出,向蜂窝基站请求直接接入.
当簇内车辆减少,小于一定门限的时候,簇头解散整个簇,蜂窝基站回收所分配的无线资源.
本文只对车辆运动场景下的分簇架构和分簇架构下无线连接建立思路进行了初步讨论,具体的流程和细节需要在今后进一步研究.
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6小结动态自组织网络结合蜂窝网和MESH网络,具有集中管理和分布式组织、传输相结合的特点.
动态自组织网络面临的最大问题是干扰和资源分配,波束赋形和集中调度可以部分解决这两个问题,但仍需进一步设计具体传输方式和信令过程等.
动态自组织网络即可用于节点间相对静止的工业自动化场景,也可用于移动性较高的车联网场景,在不同的场景下,都需要考虑簇管理、传输资源分配、同步问题等.
动态自组织网络涉及的内容很多,后续需进一步研究.
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5分布式MESH网络3.
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1多信道MAC机制MESH结构网络的具有无中心、自组织、多跳路由、动态拓扑、无线信道带宽有限、节点能量受限等特点.
这种独特的组网方式使MAC协议设计成为主要技术难点之一.
MAC协议是分组数据包在信道上发送和接收的直接控制者,在数据流的操作上是实现对上层传输来的数据包进行打包分片,按照格式进行封装,并且根据一定的调度算法,分发数据包,最终以MAC数据包的格式发送到物理层,并由物理层传送到对端,实现通信.
它的优劣直接影响到极为有限的无线资源的使用效率,对无线网络的性能起着决定性的作用.
MAC协议处于协议栈的较底层,对网络吞吐量、时延、功耗等性能有直接影响,对于移动环境下拓扑第56页共58页频繁变化的网络来讲尤为重要.
采用多信道的MAC机制,通过协调节点在多个信道上同时进行通信,可以获得更高的网络吞吐量和更低的网络时延.
在多信道环境下,MAC协议设计的两个关键问题是:(1)信道协调机制:是指节点以何种机制协调网络终端在不同的信道进行通信;(2)信道分配策略:是指为了提高信道利用率,对信道进行合理而有效的分配.
现有的多信道MAC协议由于缺乏灵活的信道协调机制和有效的分配策略,因而不能完全适用于复杂的网络环境.
所以考虑到5G系统中特殊的应用场景,多信道MAC协议的研究中还有很多问题值得探讨(例如,将TDMA与CSMA混合的接入机制,同时利用TDMA和CSMA的优势).
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2小结分布式MESH网络是传统的MESH网络,其主要问题是路由机制、资源分配、干扰避免等.
在低时延高可靠场景中,分布式MESH网络特别适合非授权频段、快速布网,节点间直接传输的场景.
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总结低时延高可靠既是5G四大场景之一,也是适应新场景、业务需求的5G技术体系.
特别是在特定时延、可靠性要求下,必须有其独立解决方案.
低时延高可靠针对eMBB场景的关键技术方案主要包括:-物理层短子帧设计;新型编码技术,如多元LDPC编码技术;新型波形和多址技术的应用.
-空口高层多连接空口传输技术;可配置协议栈;终端协同传输技术;免调度传输.
针对eMBB的低时延高可靠技术方案也可应用于U-MTC场景.
但U-MTC有其独特应用场景和指标要求.
如1ms时延的苛刻时延要求就来自于U-MTC场景.
针对其独特要求,除了上述技术方案外,针对U-MTC场景,重点探讨了:第57页共58页-动态自组织网络,结合蜂窝网与MESH网络,可用于如工业自动化场景和车联网场景;-分布式MESH网络.
后续低时延高可靠工作内容包括对上述技术方向的深入、仿真验证,以及新技术方向的开拓.
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主要贡献单位序号贡献单位贡献人1电信科学技术研究院谌丽、焦斌2中国电信股份有限公司陆晓东3中国移动通信有限公司韩璐4中兴通讯股份有限公司赵亚军5西安电子科技大学白宝明、徐恒舟、穆锡金6同济大学王超7北京邮电大学赵慧8华为技术有限公司熊新、于峰,于光炜