基于松弛时延的真空管高速飞车uRLLC贪心复用机制

张嘉驰，刘 留，王 凯，刘 琪

(1.北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044；2.中国联合网络通信集团有限公司 智能城市研究院，北京 100033)

近十年来,我国高速铁路取得的成就吸引了全世界的目光。伴随着轮轨高铁快速发展的同时,被誉为“第五种交通工具”的下一代超高速高铁——真空管高速飞车正进入人们的视野[1]。真空管高速飞车采用磁悬浮技术,在密闭金属管道中将空气抽取掉以实现接近真空的低气压环境,从而使列车在全天候、无轮轨阻力、低空气阻力、低噪声模式下超高速运行。列车在接近真空的管道内行驶时,理论速度为1 000～4 000 km/h,届时将极大缩短旅客的在途时间[2-3]。

真空管高速飞车安全、高效地运行离不开稳定可靠的无线通信系统的支撑和保障。当今的轨道交通移动通信系统,如GSM-R、LTE-R等,能支持终端的最大移动速度仅为500 km/h,不能直接应用于真空管高速飞车的车地通信[4]。而一些国外的军用通信系统,虽可支持终端的移动速度高达5马赫(≥6 000 km/h)[5],但是专网系统不仅会大大提升建设运营成本,同时也存在通信安全隐患。

为实现可靠的真空管高速飞车车地无线通信,已有部分团队开展了相应的研究。文献[2]调研了适用于真空管高速飞车的宽带无线接入技术,并提出一套基于漏泄波导的无线接入方案;文献[3]分析了真空管高速飞车车地无线通信需求,并提出基于云接入架构实现免切换的方案;文献[6]提出一种能抑制多普勒频偏的漏泄波导架构,从根源上消除高速移动带来的严重多普勒效应;文献[7]提出一种基于多对多映射关系的云接入架构,以降低真空管高速飞车频繁的越区切换次数;文献[8]综合分析了车地无线通信业务类型以及相应的指标,并提出一种基于电磁透镜的无线接入方案;文献[9]基于传播图理论分析了真空管道场景内基于分布式天线车地无线信道的传播特性;文献[10]在文献[9]基础上,一方面研究了物理资源复用机制,另一方面针对非安全类业务探讨了基于缓存的资源管理,然而其所提的复用方案采用粒子群算法进行求解,难以适用于高速时变场景。综上所述,以上研究大多聚焦在车地信道、接入架构等方向,本文则从通信物理资源管理角度进行探讨。

与传统轨道交通通信不同的是,真空管高速飞车的通信服务质量需求更为精细与苛刻。文献[11]将真空管高速飞车车地无线通信数据分为安全与非安全两大类,并分析了各类数据所涉及到的通信业务及具体指标。一方面,列车运行、安全监控、维护等安全类业务信息需要实时传送到地面上,以满足地面控制中心对真空管高速飞车的实时动态跟踪和信息的实时交互传输,这部分业务虽然数据量较小,但对传输时延和误码率要求非常苛刻,可视为超高可靠低时延通信(ultra-Reliable Low Latency Communications, uRLLC)业务;另一方面,以旅客为主体的移动多媒体等非安全类业务对带宽需求较大,而对时延和误码率要求较低,可视为增强移动带宽(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)业务。

在第五代移动通信系统(The Fifth Generation, 5G)体制中,eMBB业务的调度最小单位是时隙,而uRLLC业务的调度单位是2个mini-slots。2种异质业务共存时,可通过时频域资源复用的方式来同时保证高吞吐量、高可靠性的通信需求。现今,已有大量文献开展了对2种异质业务复用的研究,如:文献[12]研究在满足uRLLC业务的约束条件下,采用贪婪算法以期最大化eMBB业务利用率和多用户间的公平性;文献[13]基于正交与非正交接入技术,研究集中式云接入环境下eMBB与uRLLC业务的复用;文献[14]提出一种风险敏感的分配方案,在保障高可靠uRLLC传输的基础上降低eMBB业务传输的风险;文献[15]提出一种空间抢占调度算法,为安全类业务设计一个即时且无干扰的信号子空间来保障安全类业务的传输。这些工作从多角度深入研究了uRLLC与eMBB通信业务的复用,提出许多行之有效的方法,但是,其仅将两种业务一分为二地区别对待,并未进一步研究各类型uRLLC业务的不同时延、误比特率(Bit Error Rate, BER)等指标对资源复用的影响。

5G通信中的切片技术可为不同业务提供定制化服务,类比切片概念,适当松弛业务时延,采用灵活的复用方案能提高通信系统性能。文献[10]已初步提出松弛时延的思想来复用不同的uRLLC业务,以期降低功耗和提升吞吐量;文献[16]通过松弛业务可靠性约束,提出一种复用方案;文献[17]提出一种松弛时延的资源复用方案,并探讨了高铁通信场景下资源复用性能。真空管高速飞车车地通信uRLLC业务类型多、指标不尽相同,本文在满足各uRLLC业务BER约束基础上,通过松弛时延约束降低资源复用功耗,并提出一种贪婪策略来实现快速复用以应对高速时变的通信场景。

1 异质业务资源复用

1.1 车地无线通信业务需求分析

作为一种新型的交通运输方式,真空管高速飞车需要多类uRLLC业务以保障列车能在速度至少1 000 km/h的情况下实现可管可控。文献[3,8,10,15]对真空管车地无线通信业务进行了定性、定量分析,并给出不同业务类型、数据量、延时、BER等具体指标,指出各业务所要求的各项指标均不同。本文进一步将不同的uRLLC业务划分为5个等级。真空管高速飞车车地无线通信业务需求见表1。表1中,TCS为牵引控制系统;OCS为运行控制系统;OVCS为运行语音通信系统;TOSM为列车运行状态监测与诊断;VS为视频监控;PIS为旅客信息服务。

表1 真空管高速飞车车地无线通信业务需求

1.2 各等级业务资源块映射

真空管高速飞车的可管可控离不开多种uRLLC业务的传输,而每类业务的时延、BER等需求不一致,因而需先将不同等级的安全类业务映射到不同大小的资源块。在5G通信系统中,采用参数集技术可实现灵活的组帧,为多种业务共存的通信场景提供物理层基础[18]。

真空管高速飞车车地通信多种等级业务的资源块映射示意见图1。图1中,Δf为子载波带宽;Δt为mini-slot时长。由图1可见,在复用过程中,uRLLC业务抢占了eMBB业务中的部分时频资源,即uRLLC的资源块叠加在eMBB资源块上。图1中仅展示了2种等级(Lv-1和Lv-2)uRLLC业务的资源块映射,其中,高等级uRLLC类业务对延时较敏感,因而对其分配的资源块具有较短时长以便快速响应传输,其在频域上占据较大的带宽;类似的,低等级业务对时延敏感程度较低,故对其分配的资源块具有较长时长,其在频域上占据较小带宽。

图1 松驰复用时延约束示意

1.3 基于松弛时延约束的资源复用

资源复用是应对异质通信业务共存的一种有效的解决方案。当今的5G系统对uRLLC通信业务并不做区分对待,在uRLLC业务到达的下一个mini-slot即对该业务进行复用处理,是一种“即到即处理”的方案。而真空管高速飞车通信业务种类较多,各类uRLLC业务对延时、误比特率等指标要求均不同,因而可适当松弛时延约束,将复用时间范围放宽至uRLLC业务的最大允许时延。下面以图1为例进行详细阐释。

图1中,以最小Δf和最短Δt为基本单位将时频域资源划分为若干个方格,最小方格尺寸为Δt×Δf,仿照资源粒子(Resource Element, RE)的定义,将其定义为mini-RE。在时刻t1同时到达2个不同级别的uRLLC业务时,传统复用方法是在下一个mini-slot对uRLLC业务进行复用;在复用时刻t2到达2个不同级别的uRLLC业务时,根据Lv-2的uRLLC时延指标适当放宽时延约束,增大时域复用范围,使得复用更加灵活。

2 优化问题模型

1)仅存在eMBB业务

根据上述计算可知,真空管高速飞车车地时变信道的相关时间近似为1个mini-slot,因而资源调度单位不再设为RE,而是mini-RE。考虑基站发射功率为定值情况下最大化系统的吞吐量,采用注水功率分配算法对每个时隙对应的Nf个mini-RE分配功率。

2)异质业务共存

( 1 )

( 2 )

( 3 )

( 4 )

( 5 )

( 6 )

当产生随机并发的uRLLC业务时,考虑到uRLLC业务需要较高SINR以实现较低BER,设定对2种异质业务采用2个独立的功率控制器分别进行功率分配。在复用时,一方面要保障各类uRLLC业务时延和BER的需求,另一方面还应考虑最小化uRLLC业务总功率以达到节能的目的。基于上述表述,构建如下优化问题:

3 问题求解

3.1 单uRLLC业务

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

3.2 多uRLLC业务

上述方案仅针对单个uRLLC业务,对于同时到达的多个不同等级的uRLLC业务资源块,一方面考虑满足各uRLLC业务的复用范围约束和BER约束,即约束条件式( 1 )、式( 2 )和式( 6 ),另一方面考虑复用时任意资源块间不会发生复用重叠,即约束条件式( 9 )。该问题为NP-hard难题,难以直接求得最优解,常规的方法是采用启发式算法通过多次迭代,直至搜寻到最优解(或次优解),但这类算法所需时长过长,无法满足业务实时性要求。对此,本文提出一种多业务贪心算法,步骤如下。

2 fors= 5:-1:1

3Vs={1,2,…,Qs};

4 whileVs≠∅

5 ①q=rand{Vs},Vs=Vs-q;

9 end

10 end

贪心复用策略示例见图2。图2中,第5层已确定了某个等级为5的资源块复用位置,初始位置为(6,3),假设该等级业务的资源块尺寸为3×3,则该等级的其他业务不能在范围[4,9]×[1,6]内进行复用。第4层中的资源块尺寸为2×2,则该等级的业务不能在范围[5,9]×[2,6]内进行复用,通过限制每层复用范围的方式,来满足约束条件式( 9 ),即任意2个资源块复用时不得重合。按照上述算法对所有uRLLC业务复用完毕后,每层的资源块坐标即为该等级业务的复用位置。

图2 贪心复用策略示例

4 仿真分析

在真空管高速飞车车地通信系统中,每个mini-slot时长Δt=0.1 ms,子载波带宽Δf=180 kHz,设定子载波数目Nf=500,噪声功率谱密度为-60 dBm/Hz,对所有等级的uRLLC业务均采用16-QAM调制方式,uRLLC业务共分为5个等级,各个等级对应的资源块大小、最大松弛时延、BER等参数如表1所示,其他仿真参数指标见表2。

表2 仿真参数

列车经由车载天线与管壁内侧的漏泄波导进行无线通信[8],该场景下存在直射径,由于管壁以及车体的反/散射造成的多径影响,可将该场景近似为莱斯信道,在每个mini-slot上对eMBB业务分配的总功率为1 W。采用漏泄波导无线接入方式,则无线信道的大尺度衰落服从指数函数,小尺度衰落按式(15)进行计算。参照基于几何的随机模型,该场景下窄带信道增益h的表达式为

(15)

为便于后文陈述,将“即到即处理”方案记为方案1;将本文所提出的松弛时延约束方案记为方案2;将未采用注水功率分配算法的松弛时延约束方案记为方案3;将基于PSO的复用算法记为方案4。

1)时频域资源复用分析

某时刻方案1、2复用结果见图3。图3中,黑、白背景色为不同时刻、不同频率位置处的信道增益,其中白色为高增益,黑色为低增益。不同等级的uRLLC业务被分配到不同尺寸的资源块,即不同颜色的矩形块。纵向黄色实线、虚线分别为uRLLC到达时刻以及允许的最大资源调度范围(包含资源块的时长),横向黄色实线为允许的调度范围。以图3(a)为例,在第2 017个mini-slot时刻,共到达了30个不同类别的uRLLC业务,对于传统的即到即处理方案,在下一mini-slot立即对所有业务进行复用,复用时仍以式(10)为目标函数进行位置和功率的求解,各个资源块对应位置见图3(a)。图3(b)展示了松弛时延约束下的复用结果,与图3(a)相比,Lv-1～Lv-4的uRLLC业务可复用的时域范围更宽,可选择信道增益较高的区域复用以避开信道条件较差的区域,因而灵活性更强,能一定程度上摆脱信道深衰落的影响。

2)不同时刻资源复用功耗分析

不同等级的uRLLC业务随着列车逐渐远离初始波导缝隙时所耗平均功率曲线见图4。图4中,5条不同颜色实线为采用方案2时不同位置上各等级uRLLC的平均功率曲线,黑色虚线为采用方案1时在不同位置上所消耗的功率。从图4可知:①较高的等级所要求的BER更为苛刻,因而需要消耗较高的功率实现较低的BER;②在信道条件较好的时刻中(如1～1 500 mini-slot),方案1、方案2所耗功率基本一致,但在信道条件较差的时刻(如2 000～3 500 mini-slot),方案2所耗功率比方案1要少。

图4 不同时刻各等级业务所耗功率

3)与传统复用方案功耗对比分析

为更加清晰地展示方案1、2两种方案所耗功率间的关系,本文将该段漏泄波导均分为4段,分别统计每段内各等级业务所耗总功率。各等级业务在不同波导段内所耗功率对比见表3。由表3可见,方案1、2在不同的波导段内各等级业务所消耗的总功率与图4反映的趋势一致,在信道条件较差的波导段内(如第4段),传统的方案1需要更多的功率来满足uRLLC业务的BER需求。

表3 各等级业务在不同波导段内所耗功率对比 W

4)与块内均分策略复用方案功耗对比分析

与块内功率均分策略(方案3)的对比,即在资源块内进行功率分配时,不采用式(12)的分配方案,而是将功率均匀分配到各个时频域坐标上。方案2(注水功率分配方法)与方案3对于5类等级业务在不同波导段内所耗功率对比如表3所示:①在相同波导段内,采用方案3时低等级业务所需的额外功率较高,这是由于相比于频域衰落,真空管车地无线信道在时域的变化更为剧烈,导致在一个时域较长的资源块(即低等级业务)信道变化较为明显,因而采用方案2更为节能;②对于相同等级的业务,在信道状态较差的波导段内,方案3所消耗的额外功率也更高。

5)不同信干噪比复用功耗分析

SINR影响着uRLLC业务资源复用状况,而信道状态与噪声也将影响着SINR。真空管列车自身产生的噪声影响着SINR,因而本文仿真了不同噪声PSD条件下uRLLC业务所消耗的功率。3个不同时刻(第764、7 527、2 210个mini-slot)时,不同噪声PSD条件下各类别uRLLC业务所耗的平均功率见图5。图5中,5条不同颜色实线为第764个mini-slot时刻不同噪声PSD下的各等级uRLLC业务所耗功率曲线,虚线和点划线分别为第1 527、第2 210个mini-slot时刻结果。从图5可知,随着PSD以分贝形式增长,SINR急剧下降,因而需要消耗更多的功率来满足uRLLC的SINR需求。在高噪声PSD条件下,低等级业务所需功率远低于高等级功率。同样的,当噪声功率谱密度为-53 dBm/Hz时,3个不同时刻上等级1业务所需功率分别为2.37、4.22、6.77 W,等级5业务所需功率分别为9.17、14.55、22.66 W。

图5 不同噪声PSD条件下所耗的平均功率

6)与基于PSO的复用算法对比

针对某个特定列车位置处所有uRLLC业务待求解的复用坐标,将所有业务的时频坐标视为一个粒子的维度,根据式(15)可计算出对应的功耗,采用PSO算法求解粒子的最佳位置,即所有业务的复用位置。仿真硬件平台配置为:内存为12 GB,CPU主频为2.6 GHz,型号为Intel(R) Core(TM) i7-9750 H CPU,仿真平台为Matlab R2021a。仿真时粒子群种群数目设为100,迭代次数为500。不同方案的耗时和总功耗对比见表4。由表4可见,4类算法总功耗对比为:方案2<方案4<方案3<方案1。其中,本文所提出的方案2功耗最低;方案4的总功耗低于方案1、3,这是由于仿真中种群数目和迭代次数较少所导致。结合表3中各方案在不同位置、不同等级业务的功耗,本文方案在各个波导段内的功耗最低,且与方案3、4相比耗时较短,固而本文方案优于其他已有资源复用方案。

表4 不同方案性能对比

5 结论

本文针对真空管高速飞车车地通信中多类别uRLLC业务的物理资源复用问题,对不同指标业务采取差异化处理方式,通过松弛各个业务的时延约束,在同时满足BER约束条件下降低uRLLC复用功耗,并提出一种贪婪策略实现复用的快速求解以应对高速时变场景。仿真结果表明:

1)本文提出的贪心求解算法能实现复用的快速求解。

2)在SINR较差的条件下,本文所提方案可大幅度节省uRLLC业务所耗功率。

3)与群体智能算法相比,本文所提方案可大幅度降低计算复杂度。