CN110677219A - 一种短数据包译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种短数据包译码方法，获取当前网络中短数据包可实现速率，给定传输功率P和所需要满足的条件；设定短数据包可实现速率的带宽W以及基站的天线总数N，将问题转换为表达式P1；通过去除问题P1中的天线数限制因素，将问题转换为表达式P2；通过构建方程组与一维线性搜索相结合的方式求解问题P2，获取系统的最小译码错误概率。本发明通过在给定传输功率和所需要满足条件NOMA的URLLC短数据包下寻求最佳带宽分配的策略，实现译码错误概率最小化方法，考虑了长数据包中不能实现的可靠性和延迟性，同时采用方程组结合一维线性搜索的方式简化了计算量，本发明符合未来移动通信发展的趋势，具有应用性广、实用性强的优势。

Description

一种短数据包译码方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于NOMA(Non-OrthogonalMultiple Access，非正交多址)的URLLC(Ultra-Reliable Low-Latency Communications，超可靠低延迟通信)技术下短数据包译码错误概率最小化方法。

背景技术

随着物联网通信技术的快速发展，URLLC是5G必将存在的新型应用场景之一。满足传输要求的同时，降低译码错误概率问题是通信技术发展的核心问题。在现有的4G系统中，一方面资源分配的最小时间单位是1ms，

无法满足URLLC的端对端(End-to-End，E2E)延迟需要；另一方面，利用香农公式在长数据包中对URLLC进行资源分配和性能分析时，会低估通信的可靠性和延迟性，不能满足服务质量(Quality of Service，QoS)。因此，为了进一步降低下一代移动通信系统的译码错误概率，满足未来网络需要支持的各种可靠性和延迟性同时保证严格的QoS应用，URLLC最优资源分配问题逐渐引起了学术界和工业界的兴趣。URLLC能够在短数据包中根据给定的传输功率和所需要满足条件优化带宽，这也满足对于未来普及5G通信EE最大化的需要。为此我们在现有的NOMA基础上引入URLLC技术显得尤为重要。

在利用URLLC技术实现最优资源分配的同时，该网络模型下的译码错误概率问题也引起了人们的广泛关注，现有的物理层安全研究中暂时没有对具有给定传输功率和所需要满足条件的URLLC短数据包下译码错误概率最小化方面的研究，同时为实现带宽最优资源分配，现有的研究方案中的资源分配考虑较多因素，增加了分析的复杂度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种基于NOMA的URLLC技术下短数据包译码错误概率最小化方法，

其目的在于提供一种优化的带宽资源分配以实现NOMA的URLLC技术下短数据包译码错误概率最小化。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种短数据包译码方法，包括以下步骤：

步骤1、获取当前网络中数据包可实现速率，并根据数据包可实现速率给定传输功率P和所需满足的条件；

步骤2、假设数据包可实现速率下的带宽为W，基站的天线总数为N，获得该短数据包的译码错误概率，并将译码错误率最小化描述为问题式；

步骤3、根据问题式获得上传数据包和下载数据包的最优带宽分配，并对系统带宽按照最优带宽分配进行优化资源分配。

所述步骤1至步骤3是基于NOMA的URLLC技术下短数据包译码方法。

所述步骤1中，给定传输功率P满足

其中

表示BS的DL/UP最大传输功率，

表示第k个用户DL/第i个传感器UP传输功率阈值。

所述步骤2中，取得的该短数据包的错误概率为：

其中a，b，c均为正常数，则当天线数N为最优个数时译码错误率最小化描述为问题P1：

当天线数N足够大时，则问题P1转为问题P2：

其中t，m，n均为正常数。

所述步骤2中，ε(W，N)所包含参数a、b、c；

所述参数a的数值取决于τ数据传输持续时间和Q_G与高斯有关的函数；

所述参数b的数值取决于α大范围信道增益、g小范围信道增益、P给定传输功率以及φ信噪比丢失，其中φ＞1；

所述参数c的数值取决于τ数据传输持续时间、Q_G与高斯有关的函数、b_req每次数据包传输比特数有关；

最优天线个数N^*表达式中的C₁为常数，C₂是一个与N^*无关的参数。

所述步骤2中，问题P1转为问题P2的方法是通过将天线数假设为足够大，同时满足给定UL/DL功率传输P的限制要求。

所述步骤3中，通过问题P2构建方程组：

1)定义变量带宽W，由之前等式有

是关于W的非凸函数；

2)假设N足够大，将等式转换为同时通过推导证明可知y(W)为W在(0，W⁽⁰⁾)上的严格下凸函数，且存在W^th∈(0，W⁽⁰⁾)；

3)当W∈[0，W^th)时，y’(W)＜0；当W∈(W^th，W⁽⁰⁾]时，y’(W)＞0，可知W＝W^th时，y(W)可取得最小值；

4)因此为获得在天线数足够大限制条件下系统最小译码错误概率，可构建下述方程组以求解最优带宽分配

本发明通过在给定传输功率和所需要满足条件NOMA的URLLC短数据包下寻求最佳带宽分配的策略，实现译码错误概率最小化方法，考虑了长数据包中不能实现的可靠性和延迟性，同时采用方程组结合一维线性搜索的方式简化了计算量，本发明符合未来移动通信发展的趋势，具有应用性广、实用性强的优势。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：

图1是本发明一种基于NOMA的URLLC技术下短数据包译码错误概率最小化方法的系统模型示意图；

图2是本发明一种基于NOMA的URLLC技术下短数据包译码错误概率最小化方法的流程示意图；

图3是实施例提供的译码错误概率最小化方法在天线数N＝4以及给定传输功率和所需要满足条件下，证明存在唯一解使得函数值y(W)最小的仿真示意图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图1所示，是本发明一种基于NOMA的URLLC技术下短数据包译码错误概率最小化方法的系统模型示意图，系统包含多个BS，k个用户以及i个传感器，其中实线箭头表示UL，即传感器仅上传数据包；虚线箭头表示DL，即用户仅下载传感器上传的数据包。该通信场景的通信距离不超过由一跳回程连接的BS所覆盖的区域，其中BS装配有N根有源传输天线，每个移动设备仅配有一根天线。

如图2所示，是本发明一种基于NOMA的URLLC技术下短数据包译码错误概率最小化方法的流程示意图，包括以下步骤：

(1)获取当前网络中短数据包的可实现速率，给定传输功率P满足

其中

表示BS(Base Station，基站)DL(downlink，下行链路)/UP(uplink；上行链路)最大传输功率，

表示第k个用户DL/第i个传感器UP传输功率阈值。

(2)假设短数据包可实现速率下的带宽为W，基站的天线总数为N(N为正整数)，可取得该短数据包的错误概率为

其中a，b，c均为正常数，因此在天线数N为最优个数的限制下可将译码错误率最小化描述为问题P1：

参数C₁的数值取决于带宽W，且为常数，C₂是一个与N^*无关的参数，且满足C₂＝(1-θ)P，其中θ是应用设备的比重，即较大的θ值对应用设备的功耗有严格的限制。

参数t的数值取决于P给定传输功率、α大范围信道增益、g小范围信道增益、φ信噪比丢失，其中φ＞1、ρ单侧噪声频谱密度；

通过除去问题P1中的天线数N限制因素(天线数N足够大)，将问题转换为P2：

其中t，m，n均为正常数，S、U分别表示为模型中的传感器、用户；

参数m的数值取决于数据包的可实现速率；

参数n的数值取决于V信道色散、τ数据传输持续时间、Q_G与高斯有关的函数；

求解问题P2，首先通过P2构建方程组，获得UL/DL最优带宽分配，从而分别取得UL/DL最小译码错误概率，进一步通过一维搜索对系统带宽进行优化资源分配可取得系统的最小化译码错误概率。

上述方法中，部分步骤具体如下：

其中(2)中，ε(W，N)所包含参数a、c主要取决于τ(数据传输持续时间)和Q_G(与高斯有关的函数)；b主要取决于α(大范围信道增益)、g(小范围信道增益)、P(给定传输功率)以及φ(信噪比丢失，φ＞1)；其中c还与b_req(每次数据包传输比特数)有关。最优天线个数N^*表达式中的C₁为常数，C₂是一个与N^*无关的参数。

其中(3)中，去除问题P1中的天线数N限制因素的方法为通过将天线数假设为足够大，同时满足给定UL/DL功率传输P的限制要求，从而去除问题中的天线数N限制因素。

其中(4)中，方程组构建步骤为首先定义变量带宽W，由之前等式有

是关于W的非凸函数，假设N足够大，可将等式转换为：同时通过推导证明可知y(W)为W在(0，W⁽⁰⁾)上的严格下凸函数，且存在W^th∈(0，W⁽⁰⁾)，当W∈[0，W^th)时，y’(W)＜0；当W∈(W^th，W⁽⁰⁾]时，y’(W)＞0，可知W＝W^th时，y(W)可取得最小值，因此为获得在天线数足够大的限制条件下系统最小译码错误概率，可构建下述方程组以求解最优带宽分配；

如图3所示，是实施例提供的译码错误概率最小化方法在天线数N＝4以及给定传输功率和所需要满足条件下，证明存在唯一解使得函数值y(W)最小的仿真示意图。可以看出，本实施例提供的译码错误概率最小化方法中的y(W)为W在(0，W⁽⁰⁾)上的严格下凸函数，且存在W^th∈(0，W⁽⁰⁾)，当W∈[0，W^th)时，y’(W)＜0；当W∈(W^th，W⁽⁰⁾]时，y’(W)＞0，可知W＝W^th时，y(W)可取得最小值。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种短数据包译码方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、获取当前网络中数据包可实现速率，并根据数据包可实现速率给定传输功率P和所需满足的条件；

步骤2、假设数据包可实现速率下的带宽为W，基站的天线总数为N，获得该短数据包的译码错误概率，并将译码错误率最小化描述为问题式；

步骤3、根据问题式获得上传数据包和下载数据包的最优带宽分配，并对系统带宽按照最优带宽分配进行优化资源分配。

2.根据权利要求1所述的短数据包译码方法，其特征在于：所述步骤1至步骤3是基于NOMA的URLLC技术下短数据包译码方法。

3.根据权利要求1或2所述的短数据包译码方法，其特征在于：所述步骤1中，给定传输功率P满足

其中

表示BS的DL/UP最大传输功率，

表示第k个用户DL/第i个传感器UP传输功率阈值。

4.根据权利要求3所述的短数据包译码方法，其特征在于：所述步骤2中，取得的该短数据包的错误概率为：

其中a，b，c均为正常数，则当天线数N为最优个数时译码错误率最小化描述为问题P1：

当天线数N足够大时，则问题P1转为问题P2：

其中t，m，n均为正常数。

5.根据权利要求4所述的短数据包译码方法，其特征在于：所述步骤2中，ε(W，N)所包含参数a、b、c；

所述参数a的数值取决于τ数据传输持续时间和Q_G与高斯有关的函数；

所述参数b的数值取决于α大范围信道增益、g小范围信道增益、P给定传输功率以及φ信噪比丢失，其中φ＞1；

所述参数c的数值取决于τ数据传输持续时间、Q_G与高斯有关的函数、b_req每次数据包传输比特数有关；

最优天线个数N^*表达式中的C₁为常数，C₂是一个与N^*无关的参数。

6.根据权利要求5所述的短数据包译码方法，其特征在于：所述步骤2中，问题P1转为问题P2的方法是通过将天线数假设为足够大，同时满足给定UL/DL功率传输P的限制要求。

7.根据权利要求4、5或6所述的短数据包译码方法，其特征在于：所述步骤3中，通过问题P2构建方程组：

1)定义变量带宽W，由之前等式有

是关于W的非凸函数；

2)假设N足够大，将等式转换为

同时通过推导证明可知y(W)为W在(0，W⁽⁰⁾)上的严格下凸函数，且存在W^th∈(0，W⁽⁰⁾)；

3)当W∈[0，W^th)时，y’(W)＜0；当W∈(W^th，W⁽⁰⁾]时，y’(W)＞0，可知W＝W^th时，y(W)可取得最小值；

4)因此为获得在天线数足够大限制条件下系统最小译码错误概率，可构建下述方程组以求解最优带宽分配

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