在有限块长度情况下，无人机辅助的双跳V2V MIMO-NOMA系统的BLER性能研究

《Digital Chinese Medicine》：On the BLER Performance of UAV-Assisted Dual-Hop V2V MIMO-NOMA Systems in Finite Blocklength Regime

　　本文研究无人机辅助MIMO-NOMA V2V系统在有限块长和双瑞利衰落下的块错误率性能，提出基于近似方法和闭合式表达式，分析各参数影响，为URLLC设计提供理论支持。

　　随着智能交通系统（ITS）和自动驾驶技术的快速发展，车辆间通信（V2V）作为实现这些技术的关键组成部分，其性能和可靠性受到了越来越多的关注。然而，传统的V2V通信方式在面对复杂的城市环境、高移动性以及短数据包传输需求时，存在诸多挑战。为此，研究者们开始探索利用无人机（UAV）作为中继节点的辅助通信方案，以提高通信的稳定性和效率。本文提出了一种基于无人机辅助的多输入多输出（MIMO）非正交多址接入（NOMA）V2V通信系统，重点研究其在有限块长（FBL）模式下的块误码率（BLER）表现，并分析其在双瑞利衰落信道下的性能特性。

在当前的交通环境中，车辆间的直接通信常常受到建筑物遮挡、地形变化以及密集车辆环境中的干扰等因素的影响，导致信号质量下降。此外，车辆的高速移动也会引起显著的多普勒效应，使得信道状态快速变化，对通信的可靠性提出了更高要求。因此，为了确保通信的高效和可靠，有必要引入辅助通信手段，如无人机中继，来增强V2V通信的性能。无人机因其高空部署、动态路径规划以及能够建立视线（LOS）连接等优势，成为一种理想的中继节点。

本文提出的系统模型是一个双跳V2V通信架构，其中源车辆通过无人机中继与两个目标车辆进行通信。该模型考虑了三维空间中的无人机位置，结合了最大比传输（MRT）和最大比合并（MRC）波束成形技术，以提升通信链路的质量。同时，系统还采用了NOMA技术，通过顺序干扰消除（SIC）机制来实现多用户共享同一时频资源，从而提高频谱效率。由于MIMO和FBL条件下的分析复杂度较高，本文采用了单链路近似、线性化的高斯Q函数以及Meijer G函数等方法，推导出端到端BLER的闭合表达式和渐近分析结果。

研究发现，双瑞利衰落信道能够更准确地反映高移动性双跳通信场景中的多径散射特性，因此在系统建模中采用了这一信道模型。然而，双瑞利信道的数学分析较为复杂，特别是在有限块长条件下，传统的方法难以直接求解BLER的精确表达式。为此，本文提出了一种基于单链路统计特性的近似方法，并结合高斯Q函数的线性化处理，使得BLER的分析变得可行。这些近似方法不仅简化了计算过程，还提供了对系统性能的深入理解。

在闭合表达式的推导过程中，Meijer G函数被用于描述系统的平均BLER（ABLER）。Meier G函数是一种强大的数学工具，能够表达复杂的概率分布函数，尤其适用于多变量和非对称信道模型。通过引入Meier G函数，本文成功地将系统中的多个关键参数，如块长、信噪比、功率分配系数以及SIC效率，纳入到BLER的分析框架中。这种表达式不仅有助于理论研究，还为系统设计和优化提供了有价值的分析工具。

此外，本文还对无人机高度和终端移动性对系统可靠性的影响进行了建模分析。无人机的高度直接影响路径损耗和信道的视线概率，而终端的移动速度则决定了信道的时相关性。通过分析这些因素，研究揭示了在移动场景下，如何在路径损耗和时相关性之间进行权衡，以实现最优的通信性能。这一分析为未来的无人机辅助超可靠低时延通信（URLLC）系统设计提供了重要的理论依据。

在数值结果部分，本文通过设定合理的参数配置，验证了所提出的BLER分析模型的有效性。例如，假设所有设备都位于x轴上，设定源车辆和目标车辆之间的相对位置为特定的比例，从而确保信道模型的合理性。通过这些设定，研究展示了无人机高度、块长、功率分配系数、天线配置以及终端移动速度对系统可靠性的影响。研究结果表明，随着无人机高度的增加，路径损耗减小，从而提高了通信的可靠性；然而，更高的无人机高度也可能导致信道的时相关性降低，进而影响通信的稳定性。因此，无人机高度的选择需要在路径损耗和时相关性之间进行平衡。

另一方面，终端的移动速度对信道的时相关性有显著影响。较高的移动速度会导致信道的快速变化，从而增加误码率。然而，适度的移动速度可以提高系统的多样性增益，有助于增强通信的鲁棒性。因此，终端移动速度的优化对于实现高可靠性和低时延的V2V通信至关重要。

本文的研究还强调了在有限块长条件下，传统通信分析方法的局限性。由于有限块长的引入，数据传输的可靠性与信噪比、块长以及功率分配等因素密切相关。因此，需要采用更精确的分析框架，如基于有限块长的短包通信（SPC）理论，来评估通信系统的性能。这种理论框架不仅能够更准确地描述通信可靠性，还能够为系统设计提供更合理的指导。

在实际应用中，有限块长条件下的BLER分析对于实现超可靠低时延通信（URLLC）具有重要意义。URLLC要求通信系统在极短的时间内完成数据传输，并且具有极高的可靠性，这使得传统的无限块长分析方法不再适用。因此，本文提出的基于有限块长的BLER分析模型，能够更准确地评估URLLC场景下的通信性能，为未来智能交通系统中的通信设计提供了新的思路。

总的来说，本文的研究为无人机辅助的MIMO-NOMA V2V通信系统在有限块长条件下的性能分析提供了理论支持。通过引入双瑞利衰落信道模型，结合MRT/MRC波束成形技术和NOMA的SIC机制，研究者们能够更全面地理解系统在高移动性和短包传输场景下的行为。同时，所采用的近似方法和数学工具，如单链路统计近似、高斯Q函数的线性化处理以及Meier G函数的应用，使得复杂系统的分析变得可行，并为系统优化提供了理论依据。这些研究成果不仅有助于提升V2V通信的可靠性，还为未来的智能交通系统和自动驾驶技术的发展提供了重要的技术支持。