CN109699040A - 基于启发式算法的重传机制的urllc系统的资源优化方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法，包括第一节点与第二节点通过多个帧进行无线传输，第一节点基于第四个帧和假设检验条件获得虚警概率，基于Neyman–Pearson逊理论获得最优阈值以确定检测概率；当检测概率满足系统阈值，第一节点发送重传数据帧，计算帧差错概率、第一可靠性参数和第二可靠性参数，以确定第一吞吐量和第二吞吐量；当第一总发射能量、第二总发射能量、源信息的信息位长度和帧长度满足要求，基于混合蛙跳‑极值优化算法第一节点和第二节点自适应地分配发射功率和导频信号的信号长度，以使第一吞吐量最大化；比较可靠性参数与预设帧差错概率，获得最大化第一吞吐量或第二吞吐量。

Description

基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法

技术领域

本公开涉及通信技术领域，具体涉及一种基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法。

背景技术

超可靠和低延迟的通信(Ultra Reliable Low Latency Communications，URLLC)作为一种新的通信服务类别，将在5G新型无线电(NR)中得到支持。在5G NR的通信协议中，存在具有短帧的无线传输。其中，帧长度和发射功率都是可调的。

在考虑资源分配问题时，可以将制定资源分配问题作为优化问题，以获得所考虑协议的最优参数。但是由于优化问题既不凸也不凹，且包含了过多的约束条件，所以全局最优结果很难获得。

尽管优化问题可以通过传统的启发式算法(如粒子群优化(PSO)、模拟退火算法和遗传算法)来解决。然而，这些传统的算法不适用于动态帧协议，因为传统的算法受优化问题中过度约束条件导致的收敛效率低。

另外，现有的具有短帧的URLLC系统的无线传输中没有重传机制，若两个节点之间的数据传输失败，会导致整个无线传输过程失败，数据传输的成本且浪费资源。

发明内容

为了解决上述问题，本公开提出了一种能够保证数据正确接收且通过具有较强的鲁棒性和快速收敛性的算法解决优化问题的基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法。

为此，本公开的第一方面提供了一种基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法，其特征在于，包括：第一节点向第二节点发送调度请求帧，所述第二节点基于所述调度请求帧反馈调度授权帧，所述第一节点接收所述调度授权帧向所述第二节点发送数据帧，所述第二节点基于所述数据帧向所述第一节点发送反馈帧，每个帧包括导频信号和信息信号，所述信息信号由源信息进行信道编码和调制获得；所述第一节点基于接收的所述反馈帧和假设检验条件获得虚警概率，基于Neyman–Pearson(内曼–皮尔逊)理论，当所述虚警概率小于或等于虚警概率的上限时，获得最优阈值，以确定检测概率；当所述检测概率不满足系统阈值时，所述反馈帧为确认帧，当所述检测概率满足系统阈值时，所述反馈帧为失败帧，所述第一节点基于所述失败帧向所述第二节点发送重传数据帧，所述第二节点基于所述数据帧和所述重传数据帧进行最大比合并后进行解码，计算各个帧差错概率，并向所述第一节点发送确认帧，基于所述帧差错概率获得数据传输的第一可靠性参数和第二可靠性参数，以获得第一吞吐量和第二吞吐量；当所述第一节点的第一总发射能量不大于第一能量阈值且所述第二节点的第二总发射能量不大于第二能量阈值，所述源信息的信息位长度和帧长度满足要求时，基于混合蛙跳-极值优化算法所述第一节点和所述第二节点自适应地分配发射功率和所述导频信号的信号长度，以使所述第一吞吐量最大化；并且判断所述第一可靠性参数与第一预设帧差错概率，当所述第一可靠性参数不小于第一预设帧差错概率，获得最大化第一吞吐量，当所述第一可靠性参数小于第一预设帧差错概率，进行重传并利用混合蛙跳-极值优化算法自适应分配发射功率和导频信号的信号长度，以使所述第二吞吐量最大化，当所述第二可靠性参数不小于第二预设帧差错概率，获得最大化第二吞吐量。

在本公开中，第一节点与第二节点之间通过不同帧进行控制信令和数据的传输，其中，调度请求帧、调度授权帧和反馈帧用于控制信令，数据帧用于数据传输，每个帧包括导频信号和信息信号，信息信号由源信息进行信道编码和调制获得；第一节点基于接收的反馈帧和假设检验条件获得虚警概率，基于Neyman–Pearson理论，当虚警概率小于或等于虚警概率的上限时，获得最优阈值以确定检测概率；当检测概率不满足系统阈值时，反馈帧为确认帧，当检测概率满足系统阈值时，反馈帧为失败帧，第一节点向第二节点发送重传数据帧，第二节点基于数据帧和重传数据帧进行最大比合并后进行解码并发送确认帧，计算各个帧差错概率以获得第一可靠性参数、第二可靠性参数，进而获得第一吞吐量和第二吞吐量；当第一总发射能量、第二总发射能量、源信息的信息位长度和帧长度满足要求时，基于混合蛙跳-极值优化算法第一节点和第二节点自适应地分配发射功率和导频信号的信号长度，以使第一吞吐量最大化；判断第一可靠性参数与第一预设帧差错概率，当第一可靠性参数不小于第一预设帧差错概率，获得最大化的第一吞吐量，当第一可靠性参数小于第一预设帧差错概率，进行重传并利用混合蛙跳-极值优化算法自适应分配发射功率和导频信号的信号长度，以使第二吞吐量最大化，当第二可靠性参数不小于第二预设帧差错概率，获得最大化的第二吞吐量。由此，能够保证数据正确接收且通过具有较强的鲁棒性和快速收敛性的算法解决优化问题。

在本公开第一方面所涉及的资源优化方法，可选地，所述源信息包括附加信息位和数据信息位，所述源信息的信息位长度满足k_i＝k_i,m+k_i,d，其中，k_i,m表示第i个帧的所述附加信息位的有效载荷位，k_i,d表示第i个帧的所述数据信息位的有效载荷位。由此，能够获得源信息的有效载荷位。

在本公开第一方面所涉及的资源优化方法，可选地，所述帧长度等于所述导频信号与所述信息信号的信号长度之和，第i个帧的帧长度n_i满足n_i＝n_i,p+n_i,d，其中，n_i,p表示第i个帧的所述导频信号的信号长度，n_i,d表示第i个帧的所述信息信号的信号长度。由此，能够获得帧长度。

在本公开第一方面所涉及的资源优化方法，可选地，所述假设检验条件满足：由此，能够便于后续基于假设检验条件进行性能分析。

在本公开第一方面所涉及的资源优化方法，可选地，设置所述虚警概率P_FA等于虚警概率的上限ε_PFA，获得最优阈值θ⁰，所述最优阈值θ⁰满足其中，γ_h表示信道信噪比。由此，能够获得最优阈值。

在本公开第一方面所涉及的资源优化方法，可选地，所述帧差错概率ε满足其中，k表示所述源信息的信息位长度，n表示所述帧长度，γ表示所述信噪比，C(γ)表示香农容量，V(γ)表示信道分散系数，n_d表示所述信息信号的信号长度。由此，能够获得帧差错概率。

在本公开第一方面所涉及的资源优化方法，可选地，所述第一可靠性参数p₁满足第二可靠性参数p₂满足其中，ε_i表示第i个所述帧差错概率。由此，能够获得第一可靠性参数和第二可靠性参数。

在本公开第一方面所涉及的资源优化方法，可选地，所述第一吞吐量R₁满足R₁＝p₁k_3,d/4n，所述第二吞吐量R₂满足R₂＝p₂k_3,d/6n，其中，k_3,d表示第3个帧的源信息的数据信息位的信息位长度，n表示所述帧长度。由此，能够获得第一吞吐量和第二吞吐量。

在本公开第一方面所涉及的资源优化方法，可选地，所述混合蛙跳-极值优化算法包括：设置初始化参数；随机生成包括L个青蛙在内的种群；评估每只青蛙的适应度；判断是否满足收敛准则；当满足收敛准则时，获得最优的输出参数并结束进程；当不满足收敛准则时，将L个青蛙相应的适应值按照降序排序；构造多组青蛙和子模因复合体；对于每组青蛙，在每个青蛙的偶然极值优化过程中进行局部搜索；对所有青蛙进行局部复位。由此，能够确保快速和稳定的收敛。

在本公开第一方面所涉及的资源优化方法，可选地，所述初始化参数包括所述发射功率和所述导频信号的信号长度，所述输出参数包括所述发射功率和所述导频信号的信号长度。由此，混合蛙跳-极值优化算法能够基于上述的初始化参数进行优化，并获得优化的输出参数。

本公开涉及的基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法考虑了5GNR中的URLLC系统重传机制在物理层的资源分配问题。本公开的URLLC系统进行无线传输时，具有短帧结构和重传机制，能够满足超高响应和超可靠网络连接的要求。其中短帧结构的数量决定于是否重传，且短帧结构的导频长度、发射功率以及虚警概率是可调节的。

附图说明

图1是示出了本公开的示例所涉及的基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法的节点间的控制信令和数据传输的示意图。

图2是示出了本公开的示例所涉及的URLLC系统的帧结构的示意图。

图3是示出了本公开的示例所涉及的基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法的流程示意图。

图4是示出了本公开的示例所涉及的基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法的混合蛙跳-极值优化算法的流程图。

图5是示出了本公开的示例所涉及的基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法的在不同的信道信噪比下的检测概率的波形示意图。

图6是示出了本公开的示例所涉及的基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法的在不同的帧长度下的吞吐量的波形示意图。

图7是示出了本公开的示例所涉及的基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法的在不同的能量阈值下的吞吐量的波形示意图。

图8是示出了本公开的示例所涉及的基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法的在不同的能量阈值下的吞吐量的波形示意图。

具体实施方式

以下，参考附图，详细地说明本公开的优选实施方式。在下面的说明中，对于相同的部件赋予相同的符号，省略重复的说明。另外，附图只是示意性的图，部件相互之间的尺寸的比例或者部件的形状等可以与实际的不同。

需要说明的是，本公开中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，例如所包括或所具有的一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可以包括或具有没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1是示出了本公开的示例所涉及的基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法的节点间的控制信令和数据传输的示意图。图2是示出了本公开的示例所涉及的URLLC系统的帧结构的示意图。

本公开涉及的基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法，是包括四个或者六个帧的基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法。

在一些示例中，URLLC系统中控制信令和数据传输过程如图1所示。具体而言，第一节点向第二节点发送调度请求帧，第二节点基于调度请求帧反馈调度授权帧，第一节点接收调度授权帧向第二节点发送数据帧，第二节点基于数据帧向第一节点发送反馈帧。当反馈帧为确认帧时，代表数据帧被正确接收。当反馈帧为失败帧时，代表数据帧接收失败。第一节点基于接收的失败帧向第二节点发送重传数据帧，第二节点基于重传数据帧向第一节点发送确认帧，以使第一节点确认重传数据帧被正确接收。在这种情况下，反馈帧为确认帧时，URLLC系统的无线传输是包括四个帧的无线传输。反馈帧为失败帧时，URLLC系统的无线传输是包括六个帧的无线传输。另外，调度请求帧、调度授权帧和反馈帧(确认帧或失败帧)用于控制信令。数据帧和重传数据帧用于数据传输。重传数据帧与数据帧包含相同的信息。上述每个帧可以按照其发送顺序定义为第i帧。

在一些示例中，由于URLLC系统需要超敏感的网络连接性，即端到端的等待时间约为1毫秒，因此，帧可以使用短帧。另外，帧结构也可以称为短分组结构或短数据包结构。在这种情况下，上述的四个帧均为短帧结构。帧长度即为URLLC的短数据包的长度。由此，能够满足URLLC系统的超敏感的网络连接的要求。

在一些示例中，如图2所示，一个帧可以包括导频信号和信息信号。其中，导频信号可以用于对接收端(例如第一节点或第二节点)所需的信道状态信息(Channel StateInformation，CSI)的帧检测和估计，以补偿由无线信道引入的发射信号(例如上述四个帧)的失真。导频信号的信号长度为n_p。信息信号可以包括第一节点所要传递的信息。信息信号的信号长度为n_d。由此，每个帧的帧长度n_i满足n_i＝n_i,p+n_i,d。

在一些示例中，信息信号可以由源信息进行信道编码和调制获得。换而言之，源信息可以通过信道编码器获得信息信号。信道编码器具有信道编码和调制的功能。由此，能够提高帧传输的可靠性和效率。

在一些示例中，如图2所示，源信息包括附加信息位和数据信息位。其中，附加信息位可以包含媒体访问控制(MAC)层和更高层的元数据。附加信息位具有k_m个有效载荷位。数据信息位具有k_d个有效载荷位。也即，附加信息位的信息位长度为k_mbits。数据信息位的信息位长度为k_dbits。由此，能够获得源信息的有效载荷位(也即源信息的信息位长度)为k个，即每个帧的源信息的有效载荷位满足k_i＝k_i,m+k_i,d。

在一些示例中，k_d/n表示每个信道使用的信息比特数(也即每单位带宽每秒传输的有效载荷比特数)。k_d/n表示传输速率，并且可以表示通信系统的频谱效率的量度。另外，信道使用可以用带宽和传输持续时间的乘积(Hz·s)来表示。

图3是示出了本公开的示例所涉及的基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法的流程示意图。图4是示出了本公开的示例所涉及的基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法的混合蛙跳-极值优化算法的流程图。

在一些示例中，如图3所示，基于上述图1的节点间的控制信令和数据传输和图2的帧结构，资源优化方法可以包括第一节点与第二节点之间通过不同帧进行控制信令和数据的传输，其中，调度请求帧、调度授权帧和反馈帧用于控制信令，数据帧用于数据传输，每个帧包括导频信号和信息信号，信息信号由源信息进行信道编码和调制获得(步骤S100)。

在步骤S100中，第一节点与第二节点之间通过不同帧进行控制信令和数据的传输。具体可以参见上述图1中第一节点与第二节点之间的传输过程。每个帧包括导频信号和信息信号，信息信号由源信息进行信道编码和调制获得。每个帧的帧结构具体可以参见图2。

在一些示例中，不同帧的帧长度相等且各个帧长度等于预定帧长度n。当n₁＝n₂＝n₃＝n₄＝n或n₁＝n₂＝n₃＝n₄＝n₅＝n₆＝n。其中，n₁表示调度请求帧的帧长度。n₂表示调度授权帧的帧长度。n₃表示数据帧的帧长度。n₄表示反馈帧的帧长度。n₅表示重传数据帧的帧长度。n₄表示确认帧的帧长度。

在一些示例中，每个帧从相应的发射端(例如第一节点或第二节点)发射通过无线信道到达相应的接收端(例如第二节点或第一节点)。x可以表示发射端处具有单位功率的帧。帧x以发送功率P_t传输到无线信道。经过无线信道的帧到达接收端处时表示为y。h表示衰落和其他传播现象的信道系数，ω是加性复高斯噪声，建模为

在一些示例中，无线信道可以是无记忆块衰落信道。衰落系数h对同一个帧下的n个信道使用来说是相同的，对于不同帧来说衰落系数h独立改变。衰落系数h满足其中，表示信道响应。另外，γ_h表示信道信噪比(SNR)，且满足

在一些示例中，接收端(例如第二节点或第一节点)知道导频信号，接收端可以通过最小均方误差(MMSE)准则获得的信道估计且满足由此，估计衰落系数建模为其中，

在一些示例中，确认帧(ACK)或失败帧(NACK)等通用信号检测方法是为了平衡漏检和误报错误。然而用于检测ACK/NACK的传统检测方法容易导致具有对称错误率。为了支持超可靠性的要求，且失败帧(即NACK数据包)检测的准确性比确认帧(ACK数据包)更为重要，可以基于假设检验条件检测反馈帧。

在一些示例中，如图3所示，资源优化方法还可以包括第一节点基于接收的反馈帧和假设检验条件获得虚警概率，基于Neyman–Pearson(内曼–皮尔逊)理论，当虚警概率小于或等于虚警概率的上限时，获得最优阈值以确定检测概率(步骤S200)。

在步骤S200中，假设检验条件满足：由此，能够便于后续基于假设检验条件进行性能分析。

在一些示例中，假设反馈帧x₄等于1，也即x₄＝1时，反馈帧为失败帧；假设反馈帧x₄等于0，也即x₄＝0时，反馈帧为确认帧，则假设检验条件可以表示为：当为真时接受假设称为虚警，虚警概率(PFA)用P_FA表示。当为真时接受假设称为漏检，漏检概率(PMD)由P_MD表示。

在一些示例中，第一节点可以通过信道估计来估计第二节点发送的反馈帧。基于估计的反馈帧和假设检验条件可以获得虚警概率。

在步骤S200中，由于最佳决策规则由Neyman-Pearson理论定义，故基于Neyman–Pearson理论，虚警概率P_FA满足P_FA≤ε_PFA。其中，ε_PFA表示虚警概率的上限。由此，能够保证虚警概率小于虚警概率的上限，最大化检测概率。

在一些示例中，当P_FA≤ε_PFA时，设置虚警概率等于虚警概率的上限ε_PFA，获得最优阈值θ⁰，最优阈值θ⁰满足其中，γ_h表示信道信噪比。由此，能够获得最优阈值。

在一些示例中，基于最优阈值θ⁰可以获得失败帧的P_D检测概率。检测概率P_D满足：

其中，sign(x)表示帧决定功能。当帧x≥0时，sign(x)＝1，否则sign(x)＝-1。

在一些示例中，如图3所示，资源优化方法还可以包括当检测概率不满足系统阈值时，反馈帧为确认帧，当检测概率满足系统阈值时，反馈帧为失败帧，第一节点向第二节点发送重传数据帧，第二节点基于数据帧和重传数据帧进行最大比合并后进行解码，计算各个帧差错概率，并向第一节点发送确认帧，基于帧差错概率获得第一可靠性参数、第二可靠性参数，进而获得第一吞吐量和第二吞吐量(步骤S300)。

在步骤S300中，当检测概率P_D不满足系统阈值时，第一节点接收的反馈帧为确认帧。例如，预设系统阈值是0.8，当P_D≤0.8时，反馈帧为确认帧。当检测概率P_D满足系统阈值时，第一节点接收的反馈帧为失败帧，第一节点向第二节点发送重传数据帧，第二节点可以基于数据帧和重传数据帧进行最大比合并后进行解码，计算各个帧差错概率，并向第一节点发送确认帧，具体可以参见图1的无线传输过程。例如，当P_D＞0.8时，重传机制被触发。其中，对数据帧和重传数据帧进行最大比合并即对数据帧和重传数据帧进行同相加权合并，权重可以由相应的帧(即数据帧或重传数据帧)的信噪比决定。

在一些示例中，第二节点可以对进行最大比合并后的帧进行解码进而获得帧中的源信息。

在一些示例中，在帧错误概率为ε的情况下，短帧长度为n的近似吞吐量可以满足其中，γ表示接收端的信噪比，且满足C(γ)是香农容量，V(γ)是信道分散系数，Q^-1(·)是高斯函数Q的反演函数。基于式(1)、帧长度n和信息比特数k＝Rn可以获得帧差错概率ε。第一节点或第二节点计算的帧差错概率ε满足其中，k表示源信息的信息位长度，γ表示信噪比，n表示帧长度，n_d表示信息信号的信号长度，C(γ)表示香农容量，V(γ)表示信道分散系数。由此，能够获得帧差错概率。

在一些示例中，基于可以获得每个帧的帧差错概率ε_i＝ε(k_i,n_i,γ_i)，γ₃＝γ₅，也即第i个帧的帧差错概率ε_i。

在一些示例中，基于帧差错概率获得数据传输的第一可靠性参数p₁第一可靠性参数p₁满足由此，能够获得第一可靠性参数。基于第一可靠性参数可以获得第一吞吐量。第一吞吐量R₁满足R₁＝p₁k_3,d/4n (2)。

在一些示例中，当发生数据重传时，基于帧差错概率可以获得第二可靠性参数p₂，第二可靠性参数p₂满足其中，ε_i表示第i个帧差错概率。由此，能够获得第二可靠性参数。基于第二可靠性参数可以获得第二吞吐量。第二吞吐量R₂满足R₂＝p₂k_3,d/6n(3)，其中，k_3,d表示第3个帧(数据帧)的源信息的数据信息位的信息位长度，n表示帧长度。

在一些示例中，如图3所示，资源优化方法还可以包括当第一总发射能量、第二总发射能量、源信息的信息位长度和帧长度满足要求时，基于混合蛙跳-极值优化算法第一节点和第二节点自适应地分配发射功率和导频信号的信号长度，以使第一吞吐量最大化(步骤S400)。

在步骤S400中，第二节点进行自适应分配时需要满足要求。满足的要求可以是指对第一节点的第一总发射能量、第二节点的第二总发射能量、源信息的信息位长度、各个帧的帧长度的限制。

具体而言，满足的要求包括第一节点的第一总发射能量不大于第一能量阈值E₁且第二节点的第二总发射能量不大于第二能量阈值E₂。，第一能量阈值和第二能量阈值的单位是W·Hz·s。第一总发射能量可以是第一节点的各个发射能量之和。第二总发射能量可以是第二节点的发射能量之和。第一节点或第二节点的发射能量可以通过P_i,tn_i表示，其中，P_i,t表示各个发射功率。在一些示例中，发射能量可以满足P_3,t＝P_5,t。

满足的要求还包括源信息的信息位长度等于附加信息位与数据信息位的信息位长度之和，也即k_i＝k_i,m+k_i,d。帧长度等于导频信号与信息信号的信号长度之和，也即n_i＝n_i,p+n_i,d。其中，n_i,p表示第i个帧的导频信号的信号长度，n_i,d表示第i个帧的信息信号的信号长度。由此，能够便于在第一总发射能量、第二总发射能量、源信息的信息位长度和帧长度满足要求时基于混合蛙跳-极值优化算法进行物理层资源优化。

在步骤S400中，第一节点和第二节点可以通过自动功率控制实现对功率的控制。例如，将第一节点或第二节点接收的射频信号依次输入具有滤波功能的滤波器和变频器，进而获得中频信号，再将此中频信号输入到第一节点或第二节点中的相应的自动功率控制模块中对功率进行控制。其中，自动功率控制模块包括A/D转换器、去直流单元、功率估计单元和功率反馈调整单元。

在一些示例中，自动功率控制模块的自动功率控制过程包括：将中频信号经过A/D转换器获得数字信号，该数字信号经过可变点数的去直流单元得到零均值的数字中频信号，该数字中频信号再经过点数可变的功率估计单元得到信号的功率估计，该功率估计值经过功率反馈调整单元得到新的增益系数值，新增益系数应用于下一时间段内的限幅调整过程，最终使数字中频信号的输出维持在稳定功率附近。

在一些示例中，第一节点或第二节点可以把接收到的信号加以稳定再发送出去，这样可有效地减少或避免通信信号在无线传输中的损失，保证用户的通信质量。

在步骤S400中，基于混合蛙跳-极值优化算法第一节点和第二节点自适应地分配发射功率P_t和导频信号的信号长度n_p，以使式(2)的第一吞吐量最大化。

在一些示例中，如图4所示，混合蛙跳-极值优化算法包括设置初始化参数(步骤S410)。初始化参数可以是各个发射功率P_i,t和各个导频信号的信号长度n_i,p等。

在一些示例中，如图4所示，混合蛙跳-极值优化算法还可以包括随机生成种群(由L个青蛙代表)(步骤S420)。也即随机生成包括L个青蛙在内的种群。

在一些示例中，如图4所示，混合蛙跳-极值优化算法还可以包括评估每只青蛙的适应度(步骤S430)。其中，适应度也可以称为适应值。式(2)的第一吞吐量可以作为混合蛙跳-极值优化算法中的适应值。当步骤S400中限制条件不满足时，从适应值中减去一个非常大的正整数惩罚系数T，以保持MSFLA-EO的鲁棒性。

在一些示例中，如图4所示，混合蛙跳-极值优化算法还可以包括判断是否满足收敛准则(步骤S440)和当满足收敛准则时，获得最优的输出参数并结束进程(步骤S450)。其中，输出参数可以包括发射功率和导频信号的信号长度。由此，混合蛙跳-极值优化算法能够基于上述的初始化参数进行优化，并获得优化的输出参数。

在一些示例中，如图4所示，混合蛙跳-极值优化算法还可以包括当不满足收敛准则时，按降序排序L个青蛙(步骤S460)。也即将L个青蛙相应的适应值按照降序排序。

在一些示例中，如图4所示，混合蛙跳-极值优化算法还可以包括构造群和子模因复合体(步骤S470)。具体而言，所有青蛙被分成多个群(也称组或社区)，每个群可以独立发展，以搜索不同方向的空间。

在一些示例中，如图4所示，混合蛙跳-极值优化算法还可以包括对于每个群，在每个青蛙的偶然极值优化(EO)过程中进行局部搜索(步骤S480)和对所有青蛙进行局部复位(步骤S490)。由此，能够确保快速和稳定的收敛。在步骤S480中，每个群可以代表一种模因，局部搜索可以被认为是每个群中的青蛙经历了模因演化。在偶然极值优化(EO)过程中允许每个青蛙之间转移模因。经过预设数量的模因演化步骤之后，信息在混洗过程(即步骤S490的局部复位行为)中在群之间传递。混洗确保了针对任何特定兴趣的文化演变没有偏见。

在一些示例中，混合蛙跳-极值优化算法结合了全局搜索算法(蛙跳算法SFLA)和本地勘探的极值优化算法(Extreme value optimization，EO)，且对于对高维连续函数的优化来说具有强大的鲁棒性和快速收敛性。蛙跳算法(SFLA)是一种元启发式优化方法。蛙跳算法在寻找具有最大可用食物量的位置时模仿一组青蛙的模因进化。在SFLA中，青蛙被认为是模因的宿主，并被描述为具有相同结构但不同适应性的模因载体。青蛙可以互相沟通，通过彼此感染(即彼此间传递信息)来改善他们的模因。当将SFLA应用于优化问题时，每个青蛙的适应性被正确定义并且通常称为适应性、适应度或适应值。适应值可以代表解决该优化问题的可行解。另外，MSFLA可以通过适当延长跳跃步长和增加跳跃惯性组件来解决社交行为，改善了跳跃规则。极值优化算法(EO)是受统计物理学领域启发的优化启方法。极值优化算法被设计为用于组合优化问题的局部搜索算法。与基于群组的SFLA相比，EO通常发展出单一的可行解，并对可行解中的最差的组分进行局部修改。也即若将质量度量分配给其各个组分，则可以获得较好的候选解。在EO中，选择某些低质量的组分，并根据其质量评估选择其他随机选择的组分。EO本质上是一种爬山(局部搜索)方法，类似于SFLA，该方法运行在次级群中最差的可行解上。

在一些示例中，如图3所示，资源优化方法还可以包括当第一可靠性参数不小于第一预设帧差错概率，获得最大化的第一吞吐量，当第一可靠性参数小于第一预设帧差错概率，进行重传并利用混合蛙跳-极值优化算法自适应分配发射功率和导频信号的信号长度，以使第二吞吐量最大化，当第二可靠性参数不小于第二预设帧差错概率，获得最大化第二吞吐量(步骤S500)。

在步骤S500中，第一预设帧差错概率表示为其中，表示第一总帧差错概率，第二预设帧差错概率表示为其中，表示第二总帧差错概率。进行步骤S400的优化后，判断第一可靠性参数与第一预设帧差错概率，当第一可靠性参数不小于第一预设帧差错概率时，即可以获得最大化的第一吞吐量并结束优化。当第一可靠性参数小于第一预设帧差错概率时(此时检测概率满足系统阈值)，进行步骤S300中的重传并利用步骤S400的混合蛙跳-极值优化算法自适应分配发射功率和导频信号的信号长度，以使第二吞吐量最大化，优化第二吞吐量后判断第二可靠性参数，当第二可靠性参数不小于第二预设帧差错概率时，即可以获得最大化的第二吞吐量并结束优化。若第二可靠性参数小于第二预设帧差错概率，则重新进行无线传输，基于新的帧进行物理层资源优化。

本公开涉及的基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法考虑了5GNR中的URLLC系统重传机制在物理层的资源分配问题。本公开的URLLC系统进行无线传输时，具有短帧结构和重传机制，能够满足超高响应和超可靠网络连接的要求。其中短帧结构的数量决定于是否重传，且短帧结构的导频长度、发射功率以及虚警概率是可调节的。

在一些示例中，假设第一节点和第二节点都有一个6字节的地址。一位表示第一次传输中的SR位，一位表示第二次传输中的SG位，一位表示第三次传输中的流量控制，一位表示第四次传输中的ACK位。另外，k_i,m＝97，i＝1,2,3,4。k_3,d＝4×6bytes＝192bits。另外，由于第一节点和第二节点的位置固定，故每个传输中的信道信噪比γ_h相同。由于发射功率P_i,t、导频信号的信号长度n_i,p、信息信号的信号长度n_i,d和帧长度n_i可调，故接收端接收到的信噪比γ_i不同。为了保持MSFLA-EO的稳健性，设定L＝T＝200。由此获得图5至图8的波形图。

图5是示出了本公开的示例所涉及的基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法的在不同的信道信噪比下的检测概率的波形示意图。图5中的波形A、B、C分别表示信道信噪比为0dB、10dB、20dB下的检测概率随着虚警概率的上限的变化的波形。其中，反馈帧的发射功率P_4,t满足P_4,t＝1W。导频信号的信号长度n_p满足n_p＝10。由图5可得，检测概率P_D对虚警概率的上限ε_PFA非常敏感，特别是在低信道信噪比γ_h下。如果P_D＞0.8，则重传机制被触发。

图6是示出了本公开的示例所涉及的基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法的在不同的帧长度下的吞吐量的波形示意图。图6中的波形D、E、F、G、H、K分别表示帧长度n为80、100、120、140、160、180下的吞吐量随着信道信噪比的变化的波形。其中，E₁＝E₂＝500，ε*＝10^-5。随着帧长度n的增加，有更多的资源来提供URLLC服务。由图6可得，随着帧长度n的增加，MSFLA-EO可以更容易地找到一个可行解来满足URLLC对低信道信噪比γ_h区域所需的约束。对于每条波形，由于数据重传通过占用更多时隙而发生，因此低信道信噪比γ_h区域下的吞吐量的值相对较低，而高信道信噪比γ_h区域下的吞吐量的值变得明显较高。另外，一旦获得可行解，吞吐量与信道信噪比γ_h、k_3,d和帧长度n无关。尽管当帧长度特别大时，在低信道信噪比γ_h区域下的吞吐量的值明显降低。由此，可以通过调整帧长度获得高的吞吐量，特别是在高信道信噪比γ_h区域。

假定n＝80，E₁＝E₂＝500，ε^*＝10^-5。基于图6考虑发射功率对发生数据重传情况下的影响。若P_3,t＝P_5,t，P_1,t＝P_2,t＝P_4,t＝P_6,t＝2W，n_i,p＝20，则对于信道信噪比γ_h在12dB、14dB、16dB和18dB的情况下，MSFLA-EO可以在发生数据重传情况下找到可行解。最佳的第二吞吐量为0.4bit/信道使用，相应的P_3,t＝P_5,t的最佳值分别为2.1249W、2.1234W、1.6217W和0.7416W。由此可得，随着信道信噪比的增加，发射功率降低。基于图6考虑导频信号对发生数据重传情况下的影响。若n_3,p＝n_5,p，P_i,t＝2W，n_1,p＝n_2,p＝n_4,p＝n_6,p＝20，则对于信道信噪比γ_h在12dB、14dB、16dB和18dB的情况下，MSFLA-EO可以在发生数据重传情况下找到可行解。最佳的第二吞吐量为0.4bit/信道使用，相应的n_3,p＝n_5,p的最佳值分别为7、10、39和43。由此可得，随着信道信噪比的增加，可以将更多的网络资源分配给导频信号。

图7是示出了本公开的示例所涉及的基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法的在不同的能量阈值下的吞吐量的波形示意图。图8是示出了本公开的示例所涉及的基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法的在不同的能量阈值下的吞吐量的波形示意图。其中，图7中第一能量阈值E₁等于第二能量阈值E₂。图7中的波形M、N、P分别表示E₁＝E₂＝500,1000,2000下的吞吐量随着信道信噪比的变化的波形。图8中的波形R表示第一能量阈值E₁等于2000且第二能量阈值E₂等于2000下的吞吐量随着信道信噪比的变化的波形。波形S表示第一能量阈值E₁等于2000且第二能量阈值E₂等于1000下的吞吐量随着信道信噪比的变化的波形。波形T表示第一能量阈值E₁等于1000且第二能量阈值E₂等于2000下的吞吐量随着信道信噪比的变化的波形。其中，图7和图8的限制条件是n＝80和ε*＝10^-5。由图7可知，随着信道信噪比γ_h的增大，吞吐量R的值逐渐变大。当随着能量阈值的增加，吞吐量R的值更快地出现改变。然而，当第一能量阈值E₁或第二能量阈值E₂较低时，MSFLA-EO无法找到一个可行解来满足低信道信噪比γ_h区域下式(2)的约束条件。若E₁＝E₂＝500，那么即使在数据重传的情况下，也找不到信道信噪比γ_h≤10dB可行解。

由图8可知，第一能量阈值E₁与第二能量阈值E₂不同会对本公开的资源优化方法产生影响。当E₁＝E₂的情况下的吞吐量达到最佳结果，因为达到了平衡状态。另外，在E₁＞E₂的情况下的吞吐量与E₁＝E₂的情况下的吞吐量相同，且均比E₁＜E₂的情况下的吞吐量好。

虽然以上结合附图和实施例对本公开进行了具体说明，但是可以理解，上述说明不以任何形式限制本公开。本领域技术人员在不偏离本公开的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本公开进行变形和变化，这些变形和变化均落入本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种基于启发式算法的重传机制的URLLC系统的资源优化方法，其特征在于，

包括：

第一节点向第二节点发送调度请求帧，所述第二节点基于所述调度请求帧反馈调度授权帧，所述第一节点接收所述调度授权帧向所述第二节点发送数据帧，所述第二节点基于所述数据帧向所述第一节点发送反馈帧，每个帧包括导频信号和信息信号，所述信息信号由源信息进行信道编码和调制获得；

所述第一节点基于接收的所述反馈帧和假设检验条件获得虚警概率，基于Neyman–Pearson(内曼–皮尔逊)理论，当所述虚警概率小于或等于虚警概率的上限时，获得最优阈值，以确定检测概率；

当所述检测概率不满足系统阈值时，所述反馈帧为确认帧，当所述检测概率满足系统阈值时，所述反馈帧为失败帧，所述第一节点基于所述失败帧向所述第二节点发送重传数据帧，所述第二节点基于所述数据帧和所述重传数据帧进行最大比合并后进行解码，计算各个帧差错概率，并向所述第一节点发送确认帧，基于所述帧差错概率获得数据传输的第一可靠性参数和第二可靠性参数，以获得第一吞吐量和第二吞吐量；

当所述第一节点的第一总发射能量不大于第一能量阈值且所述第二节点的第二总发射能量不大于第二能量阈值，所述源信息的信息位长度和帧长度满足要求时，基于混合蛙跳-极值优化算法所述第一节点和所述第二节点自适应地分配发射功率和所述导频信号的信号长度，以使所述第一吞吐量最大化；并且

判断所述第一可靠性参数与第一预设帧差错概率，当所述第一可靠性参数不小于第一预设帧差错概率，获得最大化第一吞吐量，当所述第一可靠性参数小于第一预设帧差错概率，进行重传并利用混合蛙跳-极值优化算法自适应分配发射功率和导频信号的信号长度，以使所述第二吞吐量最大化，当所述第二可靠性参数不小于第二预设帧差错概率，获得最大化第二吞吐量。

2.如权利要求1所述的资源优化方法，其特征在于：

所述源信息包括附加信息位和数据信息位，所述源信息的信息位长度满足k_i＝k_i,m+k_i,d，其中，k_i,m表示第i个帧的所述附加信息位的有效载荷位，k_i,d表示第i个帧的所述数据信息位的有效载荷位。

3.如权利要求1所述的资源优化方法，其特征在于：

所述帧长度等于所述导频信号与所述信息信号的信号长度之和，第i个帧的帧长度n_i满足n_i＝n_i,p+n_i,d，其中，n_i,p表示第i个帧的所述导频信号的信号长度，n_i,d表示第i个帧的所述信息信号的信号长度。

4.如权利要求1所述的资源优化方法，其特征在于：

所述假设检验条件满足：

H₀:反馈分组是确认帧

H₁:反馈分组是失败帧。

5.如权利要求1所述的资源优化方法，其特征在于：

设置所述虚警概率P_FA等于虚警概率的上限ε_PFA，获得最优阈值θ⁰，所述最优阈值θ⁰满足其中，γ_h表示信道信噪比。

6.如权利要求1所述的资源优化方法，其特征在于：

所述帧差错概率ε满足其中，k表示所述源信息的信息位长度，n表示所述帧长度，γ表示所述信噪比，C(γ)表示香农容量，V(γ)表示信道分散系数，n_d表示所述信息信号的信号长度。

7.如权利要求6所述的资源优化方法，其特征在于：

所述第一可靠性参数p₁满足第二可靠性参数p₂满足其中，ε_i表示第i个所述帧差错概率。

8.如权利要求7所述的资源优化方法，其特征在于：

所述第一吞吐量R₁满足R₁＝p₁k_3,d/4n，所述第二吞吐量R₂满足R₂＝p₂k_3,d/6n，其中，k_3,d表示第3个帧的源信息的数据信息位的信息位长度，n表示所述帧长度。

9.如权利要求1所述的资源优化方法，其特征在于：

所述混合蛙跳-极值优化算法包括：

设置初始化参数；随机生成包括L个青蛙在内的种群；评估每只青蛙的适应度；判断是否满足收敛准则；当满足收敛准则时，获得最优的输出参数并结束进程；当不满足收敛准则时，将L个青蛙相应的适应值按照降序排序；构造多组青蛙和子模因复合体；对于每组青蛙，在每个青蛙的偶然极值优化过程中进行局部搜索；对所有青蛙进行局部复位。

10.如权利要求9所述的资源优化方法，其特征在于：

所述初始化参数包括所述发射功率和所述导频信号的信号长度，所述输出参数包括所述发射功率和所述导频信号的信号长度。