考虑半双工约束的路边5G NR IAB部署时延与资源利用率分析

《IEEE Open Journal of the Communications Society》：Delay and Utilization Analysis of Roadside 5G NR IAB Deployments with Half-Duplex Constraints

本文针对5G毫米波频段路边集成接入与回传(IAB)部署中的时延性能评估难题，提出了一种结合排队论与随机几何的数学建模框架。研究人员通过构建GeoX/GeoY/1/∞批量服务排队模型，分析了多跳链式拓扑下数据包的缓冲动态特性，揭示了系统在交通拥堵场景下仅能支持2-3个IAB节点的瓶颈现象。研究结果表明，通过优化节点间距固定最小调制编码方案(MCS)可有效提升系统性能，为运营商部署提供了重要理论依据。

　　

随着5G新空口(NR)技术在毫米波频段的推广应用，网络密集化部署成为提升覆盖能力的关键手段。然而，传统基站部署方式面临高昂资本支出(CAPEX)的挑战，特别是在高速公路等线性覆盖场景中。3GPP在Release 16中标准化的集成接入与回传(IAB)技术通过无线中继节点实现成本效益优化的网络密集化，但其固有的半双工约束和多跳通信特性给系统时延性能带来严峻考验。

研究团队针对路边部署场景建立了完整的分析框架，通过随机几何方法对无线电参数进行建模，结合排队论工具捕捉中间节点的缓冲动态。该系统模型考虑了突发性到达和服务过程，同时涵盖了用户侧的数据包时延和运营商侧的资源利用率系数等关键指标。

在方法论层面，研究主要采用了以下关键技术：首先建立了基于TDD(时分双工)的半双工通信相位模型，将传输过程划分为五个阶段；其次构建了离散时间批量服务排队系统Geo^X/Geo^Y/1/∞，通过概率生成函数(PGF)求解稳态概率分布；然后利用3GPP UMi(城市微蜂窝)路径损耗模型和锥形天线模型进行覆盖分析；最后结合泊松过程车辆分布和FTP Model 3业务模型进行参数化建模。

系统模型与部署场景

研究聚焦于多车道高速公路场景，IAB捐赠节点与N个IAB节点组成链式拓扑。节点部署在道路两侧，采用28GHz载波频率和400MHz带宽， numerology( numerology)设置为3。通过优化节点间距d_M确保连续覆盖，同时考虑车辆穿透损耗15dB和天线增益差异对接入与回传链路的影响。

排队理论框架

针对5G NR调度特性，建立了早期到达即时服务的离散时间排队模型。系统时隙对应1ms子帧，数据包以批量形式到达和服务，最大到达批量A和服务批量B取决于无线资源可用性。通过马尔可夫链状态转移概率分析，推导出系统稳态概率的生成函数解。

性能指标量化

时延指标计算考虑了缓冲区已有数据包和新增到达包的服务需求，资源利用率则定义为实际服务数据包与系统最大容量的比值。针对链式拓扑，端到端时延为各节点时延之和，且下游节点需承载上游节点的回传流量。

数值结果分析

研究发现系统性能呈现明显的跳数依赖性：当时延要求为10ms时，所有交通场景最多支持2跳；放宽至30ms后，高速公路场景可扩展至5跳。拥堵场景下，系统在N=4,5时出现负载过载，时延趋于无穷。资源利用率分析显示，拥堵场景下最后几个节点利用率先达到100%，形成局部拥塞。

MCS优化影响

通过限制回传链路最小MCS(调制编码方案)可有效控制系统性能。当最小MCS从12提升至13时，拥堵场景下支持节点数从2个增至3个，覆盖距离从515米扩展至772米。这表明通过精心设计节点间距，可实现对系统性能的主动控制。

业务模型敏感性

研究揭示了3GPP FTP3业务模型(133Mbps)在实际部署中的实现难度。当用户需求超过60Mbps时，除稀疏高速公路场景外，系统时延均出现急剧上升，说明毫米波大带宽优势仍难以满足极端速率需求。

本研究通过建立严谨的数学分析框架，揭示了路边IAB部署的内在规律：系统性能主要受限于回传链路而非覆盖能力，时延随跳数增加呈指数增长，且拥塞具有局部性特征。研究提出的优化方法为运营商部署提供了重要参考，通过调整节点间距控制最小MCS，可在给定时延约束下最大化覆盖距离。该成果为5G毫米波网络的高效部署奠定了理论基础，对未来6G多跳网络设计具有重要启示意义。