摘要
近年来，随着无线通信用户数量的急剧增长，5G （Fifth Generation）网络已经成为实现万物互联的共同选择。5G移动通信的三大应用场景分别为：增强型移动宽带、海量机器通信和高可靠低延时通信（Ultra-Reliable and Low-Latency Communications，URLLC）。目前，短包通信、智能反射面（Intelligent Reflecting Surface，IRS）、非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）、无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）通信和新型信道编译码等技术都被视为实现URLLC的新一代无线通信系统潜在关键技术。NOMA技术近年来被认为是一种十分具有前景的多址接入技术，它可以显著提高移动通信网络的频谱效率，已经成为5G的关键技术之一；随着UAV快速发展，成本低、部署快等优点使得UAV通信近年来成为通信领域的研究热点，其可通过灵活部署UAV高概率实现地面节点与UAV的可视距通信；而人工电磁材料的快速发展，使得以超材料为基础的IRS被认为是后5G乃至6G移动通信中能显著提升系统性能的潜在关键技术。 本文主要研究NOMA、UAV、IRS与短包通信技术相结合的系统性能分析与优化问题，具体内容如下： （1）协作NOMA与短包通信系统性能分析。本文研究该系统在有限块长情况下的功率分配问题，以总体平均有效吞吐量为性能指标，优化瑞利衰落信道上该系统的功率分配因子。首先推导出了两用户的平均块错误率（BLock Error Rate，BLER）和有效吞吐量的闭合表达式；其次推导出在高信噪比下使总体平均有效吞吐量最大化的最优功率分配因子；最后本文给出了一些理论分析结果和仿真分析结果，其结果验证了理论分析的正确性。 （2）UAV辅助的短包通信系统性能分析与优化。本文分析了一种UAV辅助的地面短包通信系统的性能，该系统采用无人机作为无线中继，实现了基站与用户设备之间的超可靠低延迟通信。首先采用了高斯-勒朗德积分方法推导了用户处的总体平均BLER的闭合表达式；其次在终端可靠性和延迟约束条件下应用二分法和一维搜索算法，联合优化块长、发射功率和无人机飞行高度，从而实现无人机的能量效率最大化；最后通过蒙特卡罗仿真验证了理论分析结果的正确性。 （3）IRS辅助的短包通信系统性能研究。本文综合分析了IRS辅助短包通信系统在莱斯衰落信道下的平均BLER性能，根据基站与用户之间是否存在直接链路分为了两种通信场景，且考虑了两种类型的相位误差，使得基于瞬时信道状态信息（Channel State Information，CSI）和统计CSI的系统便于设计。首先推导了不同相位调整策略下用户端到端信道和接收信噪比的分布；此外还提出了一个更精确的Q函数近似，以求出平均BLER的闭合表达式；然后使用数值和仿真结果，验证了理论分析的准确性，并研究了IRS单元数量和相位调整策略以及基于不同CSI设计时对BLER平均性能的影响；最后对基于瞬时CSI与统计CSI在较大的莱斯因子参数下产生的BLER性能进行了对比，发现统计CSI产生的性能更优，且由于其实现的低复杂性使得它更适用于URLLC通信。
NETL