[论文解读] Ultra-Reliable Short-Packet Communications: Half-Duplex or Full-Duplex Relaying?

Y. T. Gu, He Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2017

Wireless Communication Security Techniques参考文献 7被引用 15

一句话总结

本文通过有限块长码对超可靠短包通信中的全双工（FDR）与半双工（HDR）中继进行比较。推导了近似和渐近的BLER表达式，确定了决定最优双工模式的关键BLER阈值，并表明当发射功率较低、BLER要求宽松或环路干扰被有效抑制时，FDR优于HDR。

ABSTRACT

This letter analyzes and compares the performance of full-duplex relaying (FDR) and half-duplex relaying (HDR) for ultra-reliable short-packet communications. Specifically, we derive both approximate and asymptotic closed-form expressions of the block error rate (BLER) for FDR and HDR using short packets with finite blocklength codes. We define and attain a closed-form expression of a critical BLER, which can be used to efficiently determine the optimal duplex mode for ultra-reliable low latency communication scenarios. Our results unveil that FDR is more appealing to the system with relatively lower transmit power constraint, less stringent BLER requirement and stronger loop interference suppression.

研究动机与目标

• 分析并比较全双工（FDR）与半双工（HDR）中继在超可靠短包通信系统中的块错误率（BLER）性能。
• 解决FDR在有限块长体制下性能分析的不足，这对5G URLLC应用至关重要。
• 利用有限块长编码理论，推导FDR与HDR模式下平均BLER的闭式表达式。
• 识别一个关键BLER阈值，用于判断在给定可靠性要求下，FDR或HDR是否能提供更低延迟。
• 在峰值功率约束下优化发射功率，并比较FDR与HDR的最优性能。

提出的方法

• 基于有限块长信息论框架，推导FDR与HDR系统中平均BLER的近似闭式表达式。
• 在高信噪比（SNR）下推导渐近BLER表达式，以获得对系统行为和性能权衡的分析洞察。
• 引入一个关键BLER阈值 $\varepsilon^*$，其由条件 $\Delta\delta = 0$ 导出，用于确定FDR与HDR性能的交叉点。
• 使用 $Q$-函数和指数积分函数建模短包体制下的误码概率，综合考虑块长、SNR与编码速率。
• 在源与中继的个体峰值功率约束下应用功率分配优化，以比较两种双工模式的最优性能。
• 通过蒙特卡罗仿真验证理论结果，显示理论与仿真BLER曲线高度一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，全双工中继在短包URLLC中的块错误率与延迟方面优于半双工中继？
• RQ2 关键BLER阈值 $\varepsilon^*$ 如何依赖于发射功率、环路干扰与块长等系统参数？
• RQ3 残留环路干扰对有限块长系统中FDR与HDR性能权衡有何影响？
• RQ4 发射功率约束与环路干扰功率如何影响FDR与HDR的最优选择？
• RQ5 高SNR下的渐近BLER表达式能否为URLLC中的系统设计与双工模式选择提供可靠指导？

主要发现

• 当 $A \geq 2B$ 时，关键BLER阈值 $\varepsilon^*$ 为 $\varepsilon^* = \frac{A}{B}(A - 2B)$，否则该阈值不存在，其作为双工模式选择的决定性指标。
• 对于任意BLER要求 $\varepsilon > \varepsilon^*$，FDR在延迟方面优于HDR；而对于 $\varepsilon < \varepsilon^*$，HDR表现更优。
• FDR更适合于发射功率受限的系统，因为较高的中继发射功率会加剧环路干扰，从而降低FDR性能。
• 随着发射功率约束的提高，关键BLER $\varepsilon^*$ 也随之增加，表明在低功率预算下FDR更具优势。
• 环路干扰链路较弱（$\Omega_{R,R}$ 较低）时，关键BLER向右移动，使FDR在强环路干扰抑制系统中更具优势。
• 仿真结果证实，推导的理论BLER表达式与蒙特卡罗仿真结果高度吻合，验证了理论分析在多种系统参数下的有效性。