CN111683352A - 一种短包通信中基于喷泉码的非正交多址接入系统跨层设计方法 - Google Patents

Abstract

一种短包通信中基于喷泉码的非正交多址接入系统跨层设计方法，通过建立一个下行两用户NOMA系统，其中UE‑i只需成功接收K个喷泉编码包就可以恢复信息；给定UE‑i的传输信息失败概率和应用层喷泉码码率，得到UE‑i物理层平均块错误率ζ_i和

Description

一种短包通信中基于喷泉码的非正交多址接入系统跨层设计 方法

技术领域

本发明涉及一种短包通信中基于喷泉码的非正交多址接入(Non-orthogonalMultiple Access，NOMA)系统跨层设计方法，属于无线通信领域。

背景技术

增强型移动宽带、海量机器通信(Massive Machine Type Communications,MMTC)和高可靠低延时通信(Ultra-Reliable and Low-Latency Communications,URLLC)是5G时代确定的三大应用场景。为了实现低传输延时的要求，MMTC和URLLC采用短包传输来降低延时。相比于正交多址接入(如时分多址、频分多址等)，非正交多址接入(Non-OrthogonalMultiple Access,NOMA)技术通过发送信号在时/频/码域的叠加传输和串行干扰抵消(Successive Interference Cancellation,SIC)技术来实现多种场景下系统频谱效率和接入能力的显著提升，其已被列为5G移动通信的关键技术之一。喷泉码(如LT码和Raptor码)是一类纠删码技术，其具有无速率特性。系统Raptor码由于其优异的性能已被3GPP组织的多媒体广播多播业务标准采纳为应用层纠删码技术。跨层设计一直被认为是提高无线通信系统性能的有效手段。

目前，现有的在无线衰落信道中最优分配应用层纠删码和物理层信道编码码率的方法都是针对正交多址接入系统和采用仅适用于长数据包通信的香农容量公式得出的。针对MMTC和URLLC采用短包通信的特点，研究短包通信中基于喷泉码的NOMA系统跨层设计是有必要的。

发明内容

本发明提出了一种短包通信中基于喷泉码的非正交多址接入系统跨层设计方法，实现高可靠低时延的通信。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种短包通信中基于喷泉码的非正交多址接入系统跨层设计方法，其具体步骤如下：

步骤A、建立一个下行两用户NOMA系统。

步骤B、根据步骤A建立的系统模型，在跨层系统中，给定两用户传输信息失败概率(即在应用层不能全部恢复发送信息的错误概率)和应用层喷泉码码率，确定两用户在物理层的平均块错误率(BLock Error Rate，BLER)。

步骤C、确定两用户在物理层恢复自身信号的瞬时信噪比(Signal-to-NoiseRatio，SNR)，根据短数据包传输的最大可达速率计算公式，确定两用户在物理层的瞬时BLER和平均BLER。根据两用户平均BLER的表达式，确定两用户在物理层的最小块长，最后得到物理层的最优功率分配因子和最小公共块长。

步骤D、将步骤B得到的平均BLER带入最优功率分配因子和最小公共块长的表达式中，得到物理层的最优功率分配因子和最小公共块长。根据最小公共块长，得到两个用户为了完成信息传输在物理层总的传输时间。

步骤E、重复步骤B至步骤D，比较不同应用层喷泉码码率下两个用户完成信息传输在物理层总的传输时间，确定应用层最优的喷泉码码率及相应的物理层最优功率分配因子和最小公共块长使得信息在物理层总的传输时间最小化。

本发明首次将基于喷泉码的NOMA系统跨层设计应用到短包通信场景中，利用短包通信中最大可达速率的计算公式，在满足用户传输信息失败概率的约束条件下，得出了物理层的最优功率分配因子、最小公共块长和应用层最优的喷泉码码率，从而使得信息在物理层总的传输时间最小化，实现高可靠低时延的通信。

附图说明

图1为本发明BS端的信号处理流程；

图2为本发明中发送喷泉编码包数目N与最小公共块长T^**的关系图，其中，K＝10，d₁＝1，d₂＝2，L₁＝L₂＝200，

P/N₀＝20dB；

图3为本发明中发送喷泉编码包数目N与最优功率分配因子α^**之间的关系，其中，K＝10，d₁＝1，d₂＝2，L₁＝L₂＝200，

P/N₀＝20dB；

图4为本发明给出的发送喷泉编码包数目N与信息传输时间Γ之间的关系，其中，K＝10，d₁＝1，d₂＝2，L₁＝L₂＝200，

P/N₀＝20dB。

具体实施方式

下面结合附图对本发明从理论和具体实施两方面进一步说明。

一种短包通信中基于喷泉码的非正交多址接入(Non-orthogonal MultipleAccess，NOMA)系统跨层设计方法，是一种应用在短包通信中的跨层设计，具体实现步骤如下：

步骤A、建立一个下行两用户NOMA系统。

步骤B、根据步骤A建立的系统模型，在跨层系统中，假定应用层采用理想喷泉码，UE-i只需成功接收K个喷泉编码包就可以恢复信息。给定UE-i的传输信息失败概率

(即在应用层不能全部恢复发送信息的错误概率)和应用层喷泉码码率

可以得到UE-i物理层平均块错误率(BLock Error Rate，BLER)ζ_i和

的关系式：

其中，

是不完全Beta函数。因此，UE-i的物理层平均BLER为

步骤C、确定两用户在物理层恢复自身信号的瞬时信噪比(Signal-to-NoiseRatio，SNR)，根据短数据包传输的最大可达速率计算公式，确定两用户在物理层的瞬时BLER和平均BLER。然后根据两用户平均BLER的表达式，确定两用户在物理层的最小块长，最后得到物理层的最优功率分配因子和最小公共块长。

步骤D、将步骤B得到的平均BLER带入最优功率分配因子和最小公共块长的表达式中，得到在跨层系统中物理层的最优功率分配因子和最小公共块长。根据最小公共块长，得到两个用户为了完成信息传输在物理层总的传输时间。

步骤E、重复步骤B至步骤D，比较不同应用层喷泉码码率下两个用户完成信息传输在物理层总的传输时间，确定应用层最优的喷泉码码率及相应的物理层最优功率分配因子和最小公共块长使得信息在物理层总的传输时间最小化。

其中，步骤A具体包括：

A1，构建一个基站(Base Station，BS)和两个用户设备(User Equipment，UE)的NOMA系统单小区下行链路，其中，UE-1是小区中心用户，UE-2是小区边缘用户，BS和两个UE都只具有单个天线。

A2，建模BS与两个UE之间的信道系数。

表示BS和UE-i(i＝1,2)间信道系数，其中，h_i表示小尺度衰落，建模为均值为0方差为1的复高斯分布，

表示BS和UE-i间的大尺度衰落，d_i表示BS和UE-i间的距离，β表示路径损耗，E{|g₁|²}>>E{|g₂|²}，其中E{·}表示期望运算。

A3，假定BS的总传输功率为P，分配给UE-1和UE-2的传输功率分别表示为P₁＝αP和P₂＝(1-α)P，其中α是功率分配因子，0＜α＜0.5。

A4，UE-i的信息由K个短数据包组成。首先，在应用层，BS将K个数据包通过喷泉编码变成N个喷泉编码包，每个短数据包和喷泉编码包的大小均为L_i个比特；然后，在物理层，UE-i的每个喷泉编码包通过物理层编码和调制产生物理帧x_i，其大小为T_i；最后，BS发射的叠加信号为x_T，其中，

在接收端，UE-i的接收信号为r_i＝g_ix_T+n_i，其中，n_i表示UE-i的加性复高斯白噪声，其均值为0，方差为N₀，传输SNR定义为P/N₀。

其中，步骤C具体包括：

C1，UE-2接收到信号r₂后，将x₁当作噪声，UE-2恢复x₂的瞬时信噪比SNR为

UE-1先把x₁当作噪声，恢复x₂，UE-1恢复x₂的瞬时信噪比SNR为

当UE-1通过串行干扰抵消(Successive InterferenceCancellation,SIC)技术正确消除x₂的干扰时，UE-1恢复x₁的瞬时信噪比SNR为

C2，当给定信噪比γ、短数据包在物理层的块长大小T和短数据包在物理层要求的块错误率ε时，短数据包最大可达速率(见“Channel coding rate in the finiteblocklength regime”,IEEE Transactions on Information Theory，Vol.56,No.5,June2010)可以近似表示为：

其中，香农容量公式C(γ)＝log₂(1+γ)，信道散度

Q^-1(·)表示

的逆函数。

假定UE-i的物理层信息速率为R_i，则UE-i在物理层传输一个短数据包的块长大小为T_i＝L_i/R_i。UE-2恢复x₂的瞬时BLER为

UE-1恢复x₂的瞬时BLER为

当UE-1采用SIC技术正确消除x₂的干扰时，UE-1恢复x₁的瞬时BLER为

ε₁₂是个很小的值，因此，UE-1总体瞬时BLERε₁为ε₁＝ε₁₂+(1-ε₁₂)ε₁₁≈ε₁₂+ε₁₁。UE-2总体瞬时BLERε₂为ε₂＝ε₂₂。

C3，根据C2得到的瞬时BLER，衰落信道中平均BLERE{ε_ij}可以表示为：

其中，i,j＝{1,2}，

为γ_ij的概率密度函数，

是γ_ij的累计分布函数，

表示为：

其中，κ_i＝E{|g_i|²}P/N₀。根据一阶黎曼积分近似，UE-i的平均BLER分别表示为：

C4，根据步骤C3，可以分别得到UE-i在物理层传输一个短数据包的最小块长T_i：

在高传输SNR下，令T₁＝T₂，则最优功率分配因子α^*和最小公共块长T^*分别表示为：

其中，步骤D具体包括：

D1，将步骤B得到的ζ_i带入公式(11)和(12)，即E{ε₁}＝ζ₁，E{ε₂}＝ζ₂。在跨层方案中，物理层的最优功率分配因子α^**和最小公共块长T^**可以表示为：

D2，求出两个UE为了完成信息传输在物理层总的传输时间Γ＝NT^**。

本发明的某个具体实施过程如下：

一种短包通信中基于喷泉码的NOMA系统跨层设计方法，具体实现步骤如下：

步骤A、构建一个BS和两个UE的NOMA系统单小区下行链路，其中，UE-1是小区中心用户，UE-2是小区边缘用户，BS和两个UE都只具有单个天线。

表示BS和UE-i(i＝1,2)间信道系数，其中，h_i表示小尺度衰落，建模为均值为0方差为1的复高斯分布，

表示BS和UE-i间的大尺度衰落，d_i表示BS和UE-i间的距离，其中d₁＝1，d₂＝2，β表示路径损耗，β＝2。假定BS的总传输功率为P，分配给UE-1和UE-2的传输功率分别表示为P₁＝αP和P₂＝(1-α)P，其中α是功率分配因子，0＜α＜0.5。UE-i的信息由10个短数据包组成，即K＝10。BS端信号处理流程如图1所示。首先，在应用层，BS将K个数据包通过喷泉编码变成N个喷泉编码包，每个短数据包和喷泉编码包的大小均为L_i个比特，其中L₁＝L₂＝200；然后，在物理层，UE-i的每个喷泉编码包通过物理层编码和调制产生物理帧x_i，其大小为T_i；最后，BS发射的叠加信号为x_T，其中，

在接收端，UE-i的接收信号为r_i＝g_ix_T+n_i，其中，n_i表示UE-i的加性复高斯白噪声，其均值为0，方差为N₀。传输SNRP/N₀＝20dB。

步骤B、根据步骤A建立的系统模型，在跨层系统中，假定应用层采用理想喷泉码，UE-i只需成功接收K个喷泉编码包就可以恢复信息。给定UE-i的传输信息失败概率

(即在应用层不能全部恢复发送信息的错误概率)和应用层喷泉码码率

其中

可以得到UE-i物理层平均BLERζ_i和

的关系式：

其中，

是不完全Beta函数。因此，UE-i的物理层平均BLER为

步骤C、确定两用户在物理层恢复自身信号的瞬时SNR，根据短数据包传输的最大可达速率计算公式，确定两用户在物理层的瞬时BLER和平均BLER。根据两用户平均BLER的表达式，确定两用户在物理层的最小块长，最后得到最优功率分配因子和最小公共块长的表达式。

步骤D、将步骤B得到的平均BLER带入最优功率分配因子和最小公共块长的表达式中，得到在跨层系统中物理层的最优功率分配因子和最小公共块长。根据最小公共块长，得到两个用户为了完成信息传输在物理层总的传输时间。

步骤E、重复步骤B至步骤D，比较的结果如图2至4所示。图2给出了不同N值下最小公共块长T^**的大小。图3表示了最优功率分配因子α^**和N之间的关系。图4给出了两个UE为了完成信息传输在物理层总的传输符号数目Γ与N之间的关系。仅有物理层编码时，即N＝K＝10，可以算出T^**＝74005，α^**＝0.25，Γ＝7.4005×10⁵。当加入应用层喷泉编码时，如图2和图4所示，T^**和Γ的值大大减小，当N＝20时，Γ存在最小值，即Γ＝2156，此时应用层最优的喷泉码码率

物理层最优功率分配因子α^**为0.156，物理层最小公共块长T^**为108。

Claims (4)

1.一种短包通信中基于喷泉码的非正交多址接入系统跨层设计方法，其特征在于：实现步骤具体如下：

步骤A、建立一个下行两用户NOMA系统；

步骤B、根据步骤A建立的系统模型，在跨层系统中，假定应用层采用理想喷泉码，UE-i只需成功接收K个喷泉编码包就可以恢复信息；给定UE-i的传输信息失败概率

即在应用层不能全部恢复发送信息的错误概率和应用层喷泉码码率

可以得到UE-i物理层平均块错误率ζ_i和

的关系式：

其中，

是不完全Beta函数。因此，UE-i的物理层平均块错误率为

步骤C、确定两用户在物理层恢复自身信号的瞬时信噪比，根据短数据包传输的最大可达速率计算公式，确定两用户在物理层的瞬时块错误率和平均块错误率。根据两用户平均块错误率的表达式，确定两用户在物理层的最小块长，最后得到物理层的最优功率分配因子和最小公共块长；

步骤D、将步骤B得到的平均块错误率带入最优功率分配因子和最小公共块长的表达式中，得到物理层的最优功率分配因子和最小公共块长。根据最小公共块长，求出两个用户为了完成信息传输在物理层总的传输时间；

步骤E、重复步骤B至步骤D，比较不同应用层喷泉码码率下两个用户完成信息传输在物理层总的传输时间，确定应用层最优的喷泉码码率及相应的物理层最优功率分配因子和最小公共块长使得信息在物理层总的传输时间最小化。

2.根据权利要求1所述的一种短包通信中基于喷泉码的非正交多址接入系统跨层设计方法，其特征在于：步骤A具体实现如下：

A1，构建一个基站，即BS，和两个用户设备，即UE的非正交多址接入系统单小区下行链路，其中，UE-1是小区中心用户，UE-2是小区边缘用户，BS和两个UE都只具有单个天线；

A2，建模BS和两个BS之间的信道系数；

表示BS和UE-i(i＝1,2)间信道系数，其中，h_i表示小尺度衰落，建模为均值为0方差为1的复高斯分布，

表示BS和UE-i间的大尺度衰落，d_i表示BS和UE-i间的距离，β表示路径损耗，

其中E{·}表示期望运算；

A3，假定BS的总传输功率为P，分配给UE-1和UE-2的传输功率分别表示为P₁＝αP和P₂＝(1-α)P，其中α是功率分配因子，0＜α＜0.5。

A4，UE-i的信息由K个短数据包组成。首先，在应用层，BS将K个数据包通过喷泉编码变成N个喷泉编码包，每个短数据包和喷泉编码包的大小均为L_i个比特；然后，在物理层，UE-i的每个喷泉编码包通过物理层编码和调制产生物理帧x_i，其大小为T_i；最后，BS发射的叠加信号为x_T，其中，

在接收端，UE-i的接收信号为r_i＝g_ix_T+n_i，其中，n_i表示UE-i的加性复高斯白噪声，其均值为0，方差为N₀，传输SNR定义为P/N₀。

3.根据权利要求1所述的一种短包通信中基于喷泉码的非正交多址接入系统跨层设计方法，其特征在于：步骤C具体实现如下：

C1，UE-2接收到信号r₂后，将x₁当作噪声，UE-2恢复x₂的瞬时信噪比为

UE-1先把x₁当作噪声，恢复x₂，UE-1恢复x₂的瞬时信噪比为

当UE-1通过串行干扰抵消技术正确消除x₂的干扰时，UE-1恢复x₁的瞬时信噪比为

C2，当给定信噪比γ、短数据包在物理层的块长大小T和短数据包在物理层要求的块错误率ε时，短数据包最大可达速率可以近似表示为：

其中，香农容量公式C(γ)＝log₂(1+γ)，信道散度

Q^-1(·)表示

的逆函数；

假定UE-i的物理层信息速率为R_i，则UE-i在物理层传输一个短数据包的块长大小为T_i＝L_i/R_i；UE-2恢复x₂的瞬时块错误率为

UE-1恢复x₂的瞬时块错误率为

当UE-1采用串行干扰抵消技术正确消除x₂的干扰时，UE-1恢复x₁的瞬时块错误率为

ε₁₂是个很小的值，因此，UE-1总体瞬时BLERε₁为ε₁＝ε₁₂+(1-ε₁₂)ε₁₁≈ε₁₂+ε₁₁；UE-2总体瞬时块错误率ε₂为ε₂＝ε₂₂；

C3，根据C2得到的瞬时块错误率，衰落信道中平均块错误率E{ε_ij}可以表示为：

其中，i,j＝{1,2}，

为γ_ij的概率密度函数，

是γ_ij的累计分布函数，

表示为：

其中，κ_i＝E{|g_i|²}P/N₀。根据一阶黎曼积分近似，UE-i的平均块错误率分别表示为：

C4，根据步骤C3，可以分别求出UE-i在物理层传输一个短数据包的最小块长T_i：

在高传输SNR下，令T₁＝T₂，最优功率分配因子α^*和最小公共块长T^*的表达式分别为：

4.根据权利要求1所述的一种短包通信中基于喷泉码的非正交多址接入系统跨层设计方法，其特征在于：步骤D具体实现如下：

D1，将步骤B得到的ζ_i带入公式(11)和(12)，即E{ε₁}＝ζ₁，E{ε₂}＝ζ₂；则在跨层设计方法中，物理层的最优功率分配因子α^**和最小公共块长T^**可以表示为：

D2，求出两个UE为了完成信息传输在物理层总的传输时间Γ＝NT^**。

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