CN108668379A - 一种用于5g系统低延时高可靠场景下前导码预留的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种用于5G系统低延时高可靠场景下前导码预留的方法。本发明的方案主要包括：当有N个URLLC和M个eMBB在第i个随机接入机会(RAO)请求接入信道时，利用N‑P准则检测Ni的传输状态，当Ni属于高传输状态时，使用第二种前导码预留方案进行随机接入；当Ni不属于高传输状态时，使用第一种前导码预留方案进行随机接入；最后通过分别计算两种方案剩余等待传输的URLLC请求，判断传输是否完成。本发明的有益效果在于，结合了传统方法的优点，使得控制层面时延满足URLLC传输所要求的低于10毫秒。

Description

一种用于5G系统低延时高可靠场景下前导码预留的方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体来说是研究5G URLLC场景下的随机接入时前导码预留方案从而达到降低随机接入时延的目的。
背景技术
Ultra-Reliable and Low-Latency Communication(URLLC)作为5G无线通信的一个关键场景，主要要求是控制层面的时延应该小于10毫秒。但是，由于URLLC请求具有突发性，容易导致网络发生堵塞，因此实现这么严格的时延要求是具有挑战性的。为了满足URLLC在控制层面的时延要求，5G随机接入网络需要从两个方面进行考虑：
一、URLLC系统设计一个最优的负载控制算法，减少网络拥堵，从而显著地提高随机接入的效率。比较常用的一种方法是调节每个用户设备(UE)接入基站(BS)的概率。
二、在建立连接过程中，降低BS和UE之间的信息交换时间。
为了保证UE可以接入信道，传统的方法主要分为两种。一种是每个UE从[0,1]之间随机的选择一个数值，如果选中的数值小于接入概率，UE则被允许发送前导码，否则UE将会随机后退一个时间后重新发起信道接入的信令。这种随机接入方式的时延具有随机性，并不能保证始终满足URLLC的时延要求。另一种是基于用户优先级进行前导码预留。即根据用户的传输到达速率进行优先级排序，传输到达速率大，优先级高，传输到达速率小，优先级低。优先级高的用户相较于优先级低的用户具有更高的概率发送前导码用以接入信道。这种资源分配方案可以提高信道容量，但是由于URLLC请求没有周期性，从而使得URLLC请求被推迟，导致随机接入时延增加。
URLLC将被广泛应用于车联网以及工业自动化领域，不同于传统的音频和视频业务，这些业务对于时延是非常敏感的，因此能否保证时延要求将会直接性地决定业务质量。上述两种方案都有各自的缺陷，都不能满足URLLC控制层面的时延要求。
发明内容
本发明的目的是在URLLC请求是突发的前提下，实现通信系统控制层面的时延小于10毫秒。针对上述问题，提出一种具有突发意识的前导码预留方案。
本发明的技术方案如下：
由于URLLC请求具有突发性，因此将传输过程建模为转换泊松过程(SPP)。在时域考虑的是时隙帧结构，每个时隙的持续时间是Ts。为了更好地捕获传输的突发性，在每个时隙，将数据包的到达过程建模为泊松过程，定义λH为高传输状态的数据包到达速率，λL为低传输状态的数据包到达速率。定义高低两种传输状态的到达时间间隔分别服从平均间隔时间为μH、μL的指数分布。
基站基于在采样窗内获得的数据包到达数量，对每个用户的数据到达过程进行分类。将到达采样窗的数据包数量作为一个采样点，并标记为k。我们采用Neyman-Pearson(奈曼-皮尔逊N-P)准则对传输进行分类，其中虚警概率(即将高传输状态分类为低传输状态)受限于某个概率值。定义H0和H1分别为高低两种传输状态假设。定义PF＝P(D1|H0)为虚警概率，PM＝P(D0|H1)为漏报概率，PD＝P(D1|H1)为检测概率，其中D1和D0是二进制决策，用以表示用户是否处于低传输状态，即D1表示用户处于低传输状态，D0表示用户处于高传输状态。为了保证URLLC的可靠性要求，虚警概率PF应该小于某个概率值εf，同时保证检测概率PD最大。
本发明考虑的是URLLC和eMBB传输基于竞争的随机接入方式。因此随机接入成功概率为：
其中P表示用以随机接入的前导码数量，n表示竞争的随机接入的用户数。当基站获知URLLC用户的传输状态后，将为高、低两种不同传输状态的用户设计不同的前导码预留方案。
本发明的前导码预留方案如图1。包括两种不同的方案，第一种是和eMBB用户共享所有前导码，但预留一部分前导码只用以URLLC传输；第二种是URLLC和eMBB用户使用不同的前导码。对URLLC用户进行状态分类之后，低传输状态用户使用第一种方案，高传输状态用户使用第二种方案。本发明的具体实现算法如图2所示。
本发明的有益效果在于，相对于传统的前导码预留方法，即所有URLLC用户都采用第二种方案。本发明的方法结合了传统方法的优点，使得控制层面时延满足URLLC传输所要求的低于10毫秒。
附图说明
图1为本发明提出的前导码预留方案；
图2为本发明具体实现的算法框图；
图3为两种方法的URLLC传输随机接入时延CDF对比图；
具体实施方式
下面将结合附图，详细描述本发明的技术方案。
由于URLLC请求是突发的，因此将数据包的到达过程建模为泊松过程。定义λH为高传输状态的数据包到达速率，λL为低传输状态的数据包到达速率，定义高低两种传输状态的到达时间间隔分别服从平均间隔时间为μH、μL的指数分布；采用N-P准则对用户传输状态进行分类，定义H0和H1分别为高低两种传输状态假设。定义PF＝P(D1|H0)为虚警概率，PM＝P(D0|H1)为漏报概率，PD＝P(D1|H1)为检测概率，其中D1和D0是二进制决策，用以表示用户是否处于低传输状态，即D1表示用户处于低传输状态，D0表示用户处于高传输状态；同时，为了保证URLLC传输的可靠性要求，虚警概率PF应该小于某个概率值εf。因此可以得到N-P准则的似然函数：
似然函数Γ(k)和门限值γ之间的大小关系可以用以区分传输状态，即当Γ(k)≥γ，该用户为低传输状态，反之则为高传输状态。根据N-P准则，门限值γ通过以下优化函数获得：
s.t.PF≤εf
其中虚警概率可以表示为：
其中：
假设H0是给定的，k服从参数λH的泊松分布，因此虚警概率PF是参数λH的累计分布函数。我们只需要满足PF≤εf即可求得门限值γ。
设定接入方式为URLLC和eMBB传输基于竞争的随机接入方式，随机接入成功概率为：其中P表示用以随机接入的前导码数量，n表示竞争的随机接入的用户数；
前导码预留方法的具体步骤如下：
S1、N个URLLC和M个eMBB在第i个随机接入机会(RAO)请求接入信道；
S2、利用N-P准则检测Ni的传输状态；
S3、判断Ni是否属于高传输状态，若是，则进入步骤S4、若否，则进入步骤S5；
S4、使用第二种前导码预留方案进行随机接入，这种方案下的URLLC传输随机接入成功概率为：进入步骤S6；
S5、使用第一种前导码预留方案进行随机接入，这种方案下的URLLC传输随机接入成功概率为：进入步骤S6；
S6、分别计算两种方案剩余等待传输的URLLC请求，即
S7、判断是否等于0，若是，则传输完成，若否，则进入步骤S4或者步骤S5。
具体的算法框图如图2所示。该方法通过对多个用户进行高低传输状态的分类，进行不同的前导码预留方案，提高URLLC UEs接入成功的概率。
本发明将传统方法同本发明方法的性能对比分析，以进一步验证本发明的性能。
图3为两种方法的URLLC传输随机接入时延CDF(累计分布函数)对比示意图；可以看出，对用户进行分类之后前导码预留方案可以满足URLLC控制层面的时延要求。
综上所述，本发明提出了一种新的前导码预留方案，结合了传统方法的优点，满足了URLLC的时延要求。

Claims (1)

1.一种用于5G系统低延时高可靠场景下前导码预留的方法，该方法用于低延时高可靠场景URLLC请求突发的情况，在每个时隙，将数据包的到达过程建模为泊松过程，定义λH为高传输状态的数据包到达速率，λL为低传输状态的数据包到达速率，定义高低两种传输状态的到达时间间隔分别服从平均间隔时间为μH、μL的指数分布；采用N-P准则对传输进行分类，其中虚警概率小于概率值εf，定义H0和H1分别为高低两种传输状态假设，定义PF＝P(D1|H0)为虚警概率，PM＝P(D0|H1)为漏报概率，PD＝P(D1|H1)为检测概率，其中D1和D0是二进制决策，用以表示用户是否处于低传输状态，即D1表示用户处于低传输状态，D0表示用户处于高传输状态；定义N-P准则的似然函数：
似然函数Γ(k)和门限值γ之间的大小关系用以区分传输状态，即当Γ(k)≥γ，则将该用户分为低传输状态，反之则被分为高传输状态；根据N-P准则，门限值γ通过以下优化函数获得：
s.t.PF≤εf
其中虚警概率表示为：
其中
假设H0是给定的，k服从参数λH的泊松分布，因此虚警概率PF是参数λH的累计分布函数，满足PF≤εf即可求得门限值γ；
设定接入方式为URLLC和eMBB传输基于竞争的随机接入方式，随机接入成功概率为：其中P表示用以随机接入的前导码数量，n表示竞争的随机接入的用户数；同时设定前导码预留包括两种：第一种URLLC是和eMBB用户共享所有前导码，但预留一部分前导码只用以URLLC传输；第二种是URLLC和eMBB用户使用不同的前导码；
其特征在于，所述前导码预留的方法包括以下步骤：
S1、N个URLLC和M个eMBB在第i个随机接入机会RAO请求接入信道；
S2、利用N-P准则检测Ni的传输状态，即采用定义的N-P准则似然函数和预设的门限值γ之间的大小关系区分传输状态；
S3、判断Ni是否属于高传输状态，若是，则进入步骤S4、若否，则进入步骤S5；
S4、使用第二种前导码预留方案进行随机接入，即URLLC传输随机接入成功概率为：进入步骤S6，其中r是只用于URLLC传输的前导码个数，fu是等待传输的URLLC请求；
S5、使用第一种前导码预留方案进行随机接入，即URLLC传输随机接入成功概率为：进入步骤S6，其中，P是前导码的总数量，fACB是等待传输的eMBB请求；
S6、分别计算两种方案剩余等待传输的URLLC请求，即
S7、判断是否等于0，若是，则传输完成，若否，则根据选择的前导码预留方案回到步骤S4或者步骤S5。
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