CN113099460B - eMBB共存时基于预留的URLLC混合多址接入传输优化方法及系统 - Google Patents

eMBB共存时基于预留的URLLC混合多址接入传输优化方法及系统 Download PDF

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CN113099460B CN202110262319.1A CN202110262319A CN113099460B CN 113099460 B CN113099460 B CN 113099460B CN 202110262319 A CN202110262319 A CN 202110262319A CN 113099460 B CN113099460 B CN 113099460B
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Abstract

本发明公开了一种eMBB共存时基于预留的URLLC混合多址接入传输优化方法及系统，为URLLC分配预留的专用信道资源，当URLLC发包数小于专用预留信道数时，使用其专用预留信道进行URLLC传输；基于同时满足URLLC终端传输可靠性要求以及eMBB终端传输的目标数据速率要求，采用粒子群优化算法优化URLLC终端与eMBB终端的传输功率以及URLLC用户在eMBB用户资源块上的重叠位置，得到能够支持的URLLC终端数量的最大值；当URLLC发包数大于预留信道数时，多出的数据包则会重叠在eMBB用户的信道上进行URLLC的传输，有当URLLC的预留信道用完后，URLLC用户才会叠加在已经分配给eMBB用户的信道上进行传输，不仅保证了URLLC的高可靠性，同时也减少了其对eMBB用户的干扰，降低了eMBB用户的数据速率损失。

Description

eMBB共存时基于预留的URLLC混合多址接入传输优化方法及 系统
技术领域
本发明属于机器设备类通信业务上行传输技术领域，具体涉及eMBB共存时基于预留的URLLC混合多址接入传输优化方法及系统。
背景技术
随着5G技术的快速发展，超可靠低时延通信(Ultra-Reliable and Low-latencyCommunications，URLLC)和增强型移动宽带(enhanced Mobile Broadband，eMBB)两种异构业务的共存场景正发挥着越来越重要的作用。3GPP要求URLLC不仅应在1毫秒内传输32字节的短数据包，而且传输成功率必须高于99.999％。而eMBB的目标是实现高数据速率。根据现有研究成果，eMBB与URLLC的频谱分配方式主要有两种：1)分别为两种服务分配独立的频谱资源；2)两种服务共享频谱，URLLC对eMBB进行打孔或重叠。前者由于URLLC的偶发性会造成大量的频谱浪费；而后者为了保证URLLC的时延与可靠性要求，而直接对eMBB进行打孔/重叠，导致eMBB用户的服务质量(Quality-of-Service，QoS)降低，对eMBB用户而言不公平。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种在URLLC与eMBB共存场景下的基于预留的混合多址接入方案，URLLC要求具有毫秒级的时延与超高的可靠性，而eMBB的目标是实现超高的数据速率，满足5G无线通信系统提出的新挑战。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：eMBB共存时基于预留的URLLC混合多址接入传输优化方法，
建立数据传输系统，所述传输系统包括KU个URLLC终端和Ke个eMBB终端，系统为所有终端提供nF个瞬时信道增益独立同分布的子信道；
所述数据传输系统中：eMBB的调度单元为一个时隙，其每个时隙又进一步划分为nT个迷你时隙作为URLLC的调度单元；为eMBB终端分配相互正交的子信道，eMBB终端的子信道数
Figure GDA0003878861950000021
URLLC的子信道数/>
Figure GDA0003878861950000022
为URLLC终端分配专用预留信道，当URLLC终端发包数小于所述专用预留信道数时，使用其专用的信道进行URLLC传输；当URLLC发包数大于所述专用预留信道数时，多出的数据包重叠在eMBB终端的重叠信道上进行URLLC的传输；
计算每个迷你时隙中URLLC数据包在一个迷你时隙内通过预留信道和重叠信道上传输的误码率以及URLLC终端k的传输成功概率Psucc,k；
计算URLLC传输占用所有eMBB终端信道的总概率Psp；
计算一个时隙内eMBB终端在重叠信道上传输的平均比特数
Figure GDA0003878861950000023
基于同时满足URLLC终端传输可靠性要求以及eMBB终端传输的目标数据速率要求，采用粒子群优化算法优化URLLC终端与eMBB终端的传输功率以及URLLC终端在eMBB终端资源块上的重叠位置，得到能够支持的URLLC终端数量的最大值
Figure GDA0003878861950000024
为不同URLLC终端与eMBB终端的传输功率取值下的多个优化解。
根据每个迷你时隙中一个URLLC终端发包的概率，得到每个迷你时隙中其余URLLC终端有n个数据包的概率；
分别得到：预留信道资源足以支持URLLC数据包的传输时，URLLC终端传输数据包成功的概率
Figure GDA0003878861950000025
URLLC数据包随机选择
Figure GDA0003878861950000026
个在专用预留信道上进行传输时，URLLC终端传输数据包传输成功的概率/>
Figure GDA0003878861950000031
URLLC数据包占用eMBB终端子信道资源进行传输时，即URLLC数据包在重叠信道上传输时，URLLC终端传输数据包成功的概率
Figure GDA0003878861950000032
计算出URLLC数据包分别在预留信道和重叠信道上传输的误码率
Figure GDA0003878861950000033
和/>
Figure GDA0003878861950000034
根据所述
Figure GDA0003878861950000035
以及/>
Figure GDA0003878861950000036
得到某一个URLLC终端k的传输成功概率Psucc,k，Psucc，k≥Prel,(k＝1,2,3,...,KU)，Prel＝1-10-5；
Figure GDA0003878861950000037
其中，KU为一个通信系统内URLLC终端数量，P1为目标终端未被选中的概率，P2表示在
Figure GDA0003878861950000038
中任选/>
Figure GDA0003878861950000039
个，目标终端未被选中的概率。
所有eMBB终端被URLLC终端重叠的总概率Psp为：
Figure GDA00038788619500000310
其中
Figure GDA00038788619500000311
表示每个迷你时隙中一共到达n个数据包的概率，其中，指示列向量中/>
Figure GDA00038788619500000312
表示在每个迷你时隙中eMBB终端i被URLLC重叠的概率。/>
一个时隙内eMBB终端在重叠信道上传输的平均比特数
Figure GDA0003878861950000041
为：
Figure GDA0003878861950000042
其中，
Figure GDA0003878861950000043
表示eMBB终端m的初始传输功率，/>
Figure GDA0003878861950000044
表示其被URLLC重叠之后的传输功率，/>
Figure GDA0003878861950000045
表示URLLC终端k在重叠信道i上的信干噪比；gi为信道i的瞬时信道增益，αm为eMBB终端m的大尺度衰落信道增益，N0为单边噪声功率谱密度，T为每个迷你时隙的长度，B为每条子信道的带宽，PU,k为URLLC终端k的传输功率。
URLLC数据包在预留信道j上传输的误码率
Figure GDA0003878861950000046
为：
Figure GDA0003878861950000047
URLLC数据包在重叠信道上传输的误码率和
Figure GDA0003878861950000048
为：
Figure GDA0003878861950000049
其中，
Figure GDA00038788619500000410
表示用户k在预留信道j上的信噪比，/>
Figure GDA00038788619500000411
表示终端k在重叠信道i上的信干噪比；αk为URLLC终端k的大尺度衰落信道增益，gi为信道i的瞬时信道增益，αm为eMBB终端m的大尺度衰落信道增益，N0为单边噪声功率谱密度，T为每个迷你时隙的长度，B为每条子信道的带宽，PU,k为URLLC终端k的传输功率，/>
Figure GDA00038788619500000412
表示eMBB终端m被URLLC终端重叠之后的传输功率。
采用粒子群算法求出能够支持的URLLC终端数量的最大值，具体过程如下：
先固定PU,k,
Figure GDA00038788619500000413
得到优化解KU,opt，通过二分搜索算法找到可支持用户数的上界KU*，然后，计算得到可支持URLLC终端数的上界KU*对应的所有eMBB终端被URLLC终端重叠的总概率Psp*，根据所述KU*与Psp*则优化问题为：
Figure GDA0003878861950000051
s.t.KU≤KU*
Figure GDA0003878861950000052
Figure GDA0003878861950000053
Figure GDA0003878861950000054
通过PSO算法对PU,k,
Figure GDA0003878861950000055
进行搜索得到一系列不同功率取值下的优化解KU,opt，表示为/>
Figure GDA0003878861950000056
则最优解为/>
Figure GDA0003878861950000057
每个eMBB终端的目标传输速率。/>
一种数据传输系统，包括通信中端和终端，通信中端为终端提供nF个瞬时信道增益独立同分布的子信道，其中，终端包括KU个URLLC终端和Ke个eMBB终端，系统为所有终端提供nF个瞬时信道增益独立同分布的子信道；
eMBB的调度单元为一个时隙，其每个时隙又进一步划分为nT个迷你时隙作为URLLC的调度单元；为eMBB终端分配相互正交的子信道，eMBB终端的子信道数
Figure GDA0003878861950000058
URLLC的子信道数/>
Figure GDA0003878861950000059
为URLLC终端分配专用预留信道，当URLLC终端发包数小于所述专用预留信道数时，使用其专用的信道进行URLLC传输；当URLLC发包数大于所述专用预留信道数时，多出的数据包重叠在eMBB终端的重叠信道上进行URLLC的传输；KU的数量根据权利要求1～6所述方法得到。
一种eMBB共存时基于预留的URLLC混合多址接入传输优化系统，模型构建模块、URLLC时延与可靠性要求计算模块、eMBB的数据速率目标要求计算模块、占用eMBB终端信道计算模块、优化问题构建模块以及优化问题解算模块；
模型构建模块用于构建数据传输系统，所述传输系统包括KU个URLLC终端和Ke个eMBB终端，系统为所有终端提供nF个瞬时信道增益独立同分布的子信道；所述数据传输系统中：eMBB的调度单元为一个时隙，其每个时隙又进一步划分为nT个迷你时隙作为URLLC的调度单元；为eMBB终端分配相互正交的子信道，eMBB终端的子信道数
Figure GDA0003878861950000061
URLLC的子信道数/>
Figure GDA0003878861950000062
为URLLC终端分配专用预留信道，当URLLC终端发包数小于所述专用预留信道数时，使用其专用的信道进行URLLC传输；当URLLC发包数大于所述专用预留信道数时，多出的数据包重叠在eMBB终端的重叠信道上进行URLLC的传输；
URLLC时延与可靠性要求计算模块用于计算URLLC数据包在一个迷你时隙内通过预留信道和重叠信道上传输的误码率以及URLLC终端传输成功的总概率；
占用eMBB终端信道计算模块用于计算URLLC传输占用所有eMBB终端信道的总概率Psp；
eMBB的数据速率目标要求计算模块用于计算在一个时隙内eMBB终端在重叠信道上传输的平均比特数；
优化问题构建模块以及优化问题解算模块用于基于同时满足URLLC终端传输可靠性要求以及eMBB终端传输的目标数据速率要求，优化URLLC终端与eMBB终端的传输功率以及URLLC终端在eMBB终端资源块上的重叠位置，得到能够支持的URLLC终端数量的最大值
Figure GDA0003878861950000063
为不同功率取值下的多个优化解。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提出的混合多址接入方案。即当URLLC流量到达时，先使用为其预留的频谱资源；当自己的频谱资源用尽时，再对eMBB进行重叠；一方面，为了在减少URLLC对eMBB干扰的同时又保证其自身的可靠性要求，本发明为URLLC分配预留的专用信道资源；当URLLC发包数小于预留信道数时，使用其专用的信道进行URLLC传输；当URLLC发包数大于预留信道数时，多出的数据包则会重叠在eMBB终端的信道上进行URLLC的传输。在这种基于预留的模式下，只有当URLLC的预留信道用完后，URLLC终端才会叠加在已经分配给eMBB终端的信道上进行传输，不仅保证了URLLC的高可靠性，同时也减少了其对eMBB终端的干扰，降低了eMBB终端的数据速率损失；另一方面，所提分配策略同时还考虑了eMBB终端的目标数据速率要求，基于不同的目标速率要求，每个eMBB终端则都会有一个被重叠资源块数量的上限；基于本发明混合多址接入方案，在满足URLLC的时延与可靠性要求以及每个eMBB终端的目标数据速率的要求下，本发明联合优化了URLLC与eMBB终端的传输功率以及URLLC终端在eMBB终端资源块上的重叠位置，以最大化系统可支持的URLLC终端数量。
附图说明
图1所示为本发明考虑的URLLC与eMBB终端共存场景下的系统模型图。
图2所示为本发明提出的URLLC与eMBB共存场景下的数据包传输模型图。
图3所示为在eMBB设备初始传输功率的不同取值下，URLLC设备的传输功率以及eMBB设备被URLLC重叠后的传输功率分别都取最优解时，系统可支持的URLLC终端设备数量最大值的变化曲线。
图4所示为粒子群算法的收敛过程。
图5所示为三种方案下(Proposed：基于预留的混合多址接入方案；Baseline 1：仅正交多址接入；Baseline 2：仅非正交多址接入)，系统最多可支持的URLLC设备数量与URLLC数据包到达概率之间的关系曲线。
图6为三种方案下(Proposed：基于预留的混合多址接入方案；Baseline 1：仅正交多址接入；Baseline 2：仅非正交多址接入)，系统最多可支持的URLLC设备数量与eMBB终端数量之间的关系曲线
图7为在本发明所提方案(Proposed：基于预留的混合多址接入方案)以及对照方案(Baseline 2：仅非正交多址接入)下，系统最多可支持的URLLC设备数量与eMBB终端平均目标数据速率之间的关系曲线。
具体实施方式
随着5G技术的快速发展，超可靠低时延通信(Ultra-Reliable and Low-latencyCommunications，URLLC)和增强型移动宽带(enhanced Mobile Broadband，eMBB)两种异构业务的共存场景正发挥着越来越重要的作用。3GPP要求URLLC不仅应在1毫秒内传输32字节的短数据包，而且传输成功率必须高于99.999％。而eMBB的目标是实现高数据速率。为了同时支持上述两种业务的服务质量(Quality-of-Service，QoS)需求，本发明提出一种在URLLC与eMBB共存场景下的基于预留的混合多址接入方案。一方面，为了在减少URLLC对eMBB干扰的同时又保证其自身的可靠性要求，本发明为URLLC分配预留的专用信道资源。当URLLC发包数小于专用预留信道数时，使用其专用预留信道进行URLLC传输；当URLLC发包数大于预留信道数时，多出的数据包则会重叠在eMBB终端的信道上进行URLLC的传输。在这种基于预留的模式下，只有当URLLC的预留信道用完后，URLLC终端才会叠加在已经分配给eMBB终端的信道上进行传输，不仅保证了URLLC的高可靠性，同时也减少了其对eMBB终端的干扰，降低了eMBB终端的数据速率损失。另一方面，所提分配策略同时还考虑了eMBB终端的目标数据速率要求。基于不同的目标速率要求，每个eMBB终端则都会有一个被重叠资源块数量的上限。基于以上混合多址接入方案，在满足URLLC的时延与可靠性要求以及每个eMBB终端的目标数据速率的要求下，本发明联合优化URLLC与eMBB终端的传输功率以及URLLC终端在eMBB终端资源块上的重叠位置，以最大化数据传输系统可支持的URLLC终端数量。
1数据传输系统模型
考虑KU个URLLC终端与Ke个eMBB终端共存的上行传输场景，如图1所示。eMBB的调度单元为一个时隙，信道资源在每个时隙的起始分配给eMBB终端。URLLC比起eMBB而言具有更加严格的时延要求，其每个时隙又进一步划分为nT个迷你时隙作为URLLC的调度单元。
数据传输系统为所有用户设备提供nF个瞬时信道增益独立同分布的子信道。假设B≤WC，其中B表示子信道带宽，WC表示信道相干带宽，因此每条子信道都经历平坦信道衰落。为了减少eMBB终端间的相互干扰，分别为eMBB终端分配相互正交的子信道，本发明所述系统中，一个用户也可以是一个终端。
因此，分配给eMBB终端的子信道数满足
Figure GDA0003878861950000091
(系统中eMBB终端的数量)。将剩余的子信道作为URLLC的预留信道资源，因此分配给URLLC的子信道数满足
Figure GDA0003878861950000092
在每个迷你时隙中，当URLLC数据包到达时，它将优先选择分配给自己的子信道。直到为其预留的子信道耗尽时，URLLC数据包才会叠加在eMBB信道上进行传输。
2数学问题建模
2.1URLLC服务质量要求
参考图2，考虑KU个URLLC终端。假设在每个迷你时隙中，各个用户的发包概率为p，每个用户一次发一个数据包，则在每个迷你时隙中，除目标用户之外，其余KU-1个用户中再有额外的n(0≤n≤KU-1)个数据包的概率为：
Figure GDA0003878861950000093
根据每个迷你时隙中一个URLLC终端发包的概率，得到每个迷你时隙中其余URLLC终端有n个数据包的概率；
分别得到预留信道资源足以支持URLLC数据包的传输时，URLLC终端传输数据包成功的概率
Figure GDA0003878861950000094
URLLC数据包随机选择
Figure GDA0003878861950000095
个在专用预留信道上进行传输时，URLLC终端传输数据包传输成功的概率/>
Figure GDA0003878861950000101
URLLC数据包占用eMBB终端子信道资源进行传输时，URLLC终端传输数据包成功的概率
Figure GDA0003878861950000102
即URLLC数据包的数量大于瞬时信道增益独立同分布的子信道，小于URLLC终端数量时；
根据所述
Figure GDA0003878861950000103
和/>
Figure GDA0003878861950000104
得到某一个URLLC终端k的传输成功概率Psucc,k，Psucc，k≥Prel,(k＝1,2,3,...,KU)，Prel＝1-10-5；
同时计算URLLC数据包分别在两种子信道上传输的误码率
Figure GDA0003878861950000105
与/>
Figure GDA0003878861950000106
任一个URLLC终端k在预留信道上传输的最大比特数
Figure GDA0003878861950000107
所述数据包在一个迷你时隙内传输完成。
当
Figure GDA0003878861950000108
时，预留信道资源足以支持URLLC数据包的传输，因此其传输失败仅由传输信道上的解码错误导致，则此时URLLC终端k的传输成功概率为：/>
Figure GDA0003878861950000109
其中
Figure GDA00038788619500001010
表示URLLC终端k在预留信道j上的误码率。
当
Figure GDA00038788619500001011
时，在数据包中随机选择/>
Figure GDA00038788619500001012
个在预留信道上进行传输，剩余没有被选中的则需要与eMBB共享信道资源。假设目标终端未被选中的概率为P1，则有：
Figure GDA00038788619500001013
因此，此时目标用户的传输成功概率为：
Figure GDA00038788619500001014
其中
Figure GDA00038788619500001015
表示URLLC终端k在重叠信道i上的误码率。
同理可得，当nF＜n+1≤KU时，目标用户的传输成功概率可表示为：
Figure GDA00038788619500001016
其中，P2表示“在
Figure GDA00038788619500001017
中任选/>
Figure GDA00038788619500001018
个，目标用户未被选中”的概率，并且其表达式为：
Figure GDA0003878861950000111
综上所述，URLLC终端k的传输成功概率可以表示如下：
Figure GDA0003878861950000112
URLLC数据包分别在两种子信道上传输的误码率
Figure GDA0003878861950000113
与/>
Figure GDA0003878861950000114
如下：
在每个迷你时隙中，URLLC终端k可以在预留信道j上传输的最大比特数可以表示为：
Figure GDA0003878861950000115
其中Q-1(·)表示Q函数的反函数，
Figure GDA0003878861950000116
表示用户k在预留信道j上的信噪比。
为了满足URLLC的时延要求，其数据包必须在一个迷你时隙内传输完成，假设每个数据包包含D比特，因此将
Figure GDA0003878861950000117
代入上式则可以解得URLLC数据包在预留信道j上传输的误码率/>
Figure GDA0003878861950000118
为：/>
Figure GDA0003878861950000119
同理可得URLLC终端k在重叠信道i上的误码率：
Figure GDA00038788619500001110
其中，
Figure GDA00038788619500001111
表示用户k在重叠信道i上的信干噪比；αk为URLLC终端k的大尺度衰落信道增益，gi为信道i的瞬时信道增益，αm为eMBB终端m的大尺度衰落信道增益，N0为单边噪声功率谱密度，T为每个迷你时隙的长度，B为每条子信道的带宽，PU,k为URLLC终端k的传输功率，/>
Figure GDA0003878861950000121
表示eMBB终端m被URLLC终端重叠之后的传输功率。
为了保证每个URLLC终端的可靠性要求，则需要满足下列约束条件：
Psucc，k≥Prel,(k＝1,2,3,...,KU)，
其中，Prel＝1-10-5表示系统的可靠性要求。
根据每个迷你时隙中，URLLC传输占用eMBB终端信道的概率，计算URLLC传输占用所有eMBB终端信道的总概率Psp，
根据eMBB终端在某一信道上被URLLC重叠的平均资源块个数，在一个时隙内，eMBB终端可以在信道i上传输的平均比特数
Figure GDA0003878861950000122
每个eMBB终端的目标传输速率/>
Figure GDA0003878861950000123
eMBB终端可以在信道i上传输的平均比特数/>
Figure GDA0003878861950000124
不小于每个eMBB终端的目标传输速率/>
Figure GDA0003878861950000125
eMBB服务质量要求
为了描述URLLC对eMBB终端的重叠策略，构造一个指示列向量I，其中
Figure GDA0003878861950000126
Figure GDA0003878861950000127
表示在每个迷你时隙中eMBB终端i被URLLC重叠的概率。
令Psp表示所有eMBB终端被URLLC终端重叠的总概率，则有：
Figure GDA0003878861950000128
其中
Figure GDA0003878861950000129
表示每个迷你时隙中一共到达n个数据包的概率。
若以
Figure GDA00038788619500001210
表示eMBB终端m在信道i上被URLLC重叠的平均资源块个数，则有：
Figure GDA00038788619500001211
nT为一个时隙内迷你时隙的数量。
因此，在一个时隙内，eMBB终端m可以在信道i上传输的平均比特数为：
Figure GDA0003878861950000131
其中，
Figure GDA0003878861950000132
表示eMBB终端m的初始传输功率，/>
Figure GDA0003878861950000133
表示其被URLLC重叠之后的传输功率。
假设每个eMBB终端有其相应的目标传输速率
Figure GDA0003878861950000134
则对于eMBB终端m应满足：
Figure GDA0003878861950000135
结果可以参考图3。
优化问题构建
根据前文的分析与公式推导构建优化问题，其优化目标是在同时满足URLLC时延与可靠性要求以及eMBB的数据速率目标的条件下，最大化系统可支持的URLLC终端数。因此优化问题可表示如下：
Figure GDA0003878861950000136
s.t.0≤PU,k≤PU，k＝1,2,3,...,KU
Figure GDA0003878861950000137
Psucc,k≥Prel＝1-ε，k＝1,2,3,...,KU
Figure GDA0003878861950000138
Figure GDA0003878861950000139
Figure GDA00038788619500001310
基于粒子群算法的两步优化算法
为了解决上述优化问题，本文提出了一种基于粒子群算法的两步优化算法，参考图4。
第1步：固定PU,k,
Figure GDA00038788619500001311
得到优化解KU,opt，可证明Psucc,k随着KU的增大而减小，故当Psucc,k＝Prel时，可通过二分搜索算法找到可支持用户数的上界KU*，然后，根据前文分析计算得到Psp*。通过将上述KU*与Psp*代入，原始优化问题可以改写为：
Figure GDA0003878861950000141
s.t.KU≤KU*
Figure GDA0003878861950000142
Figure GDA0003878861950000143
Figure GDA0003878861950000144
第2步：通过PSO算法对PU,k,
Figure GDA0003878861950000145
进行搜索，从而得到最优解，通过PSO算法可以得到一系列不同功率取值下的优化解KU,opt，表示为/>
Figure GDA0003878861950000146
因此可得原始优化问题的最优解为：/>
Figure GDA0003878861950000147
具体算法过程如算法1所示。
Figure GDA0003878861950000148
数值仿真与结果分析
1)仿真参数设置
本发明将所提的基于预留的混合多址接入方法与传统接入方法(即仅考虑正交或非正交多址接入)进行比较。仿真结果表明，本发明所述方法比传统接入方法具有更好的性能。仿真所设置的系统参数如表1所示：
表1仿真参数
Figure GDA0003878861950000151
由图5可知，在三种方案下，可支持最大URLLC设备数都随着URLLC发包概率的增大而减小。这是因为，对于所提方案与对比方案2而言，URLLC的发包概率越大，对eMBB终端的重叠概率就越大，从而导致eMBB终端的数据速率损失就越多，同时又为了保证eMBB终端的目标数据速率，系统可支持的URLLC设备数则就越少；而对于对比方案1而言，URLLC与eMBB的传输互不影响，系统可支持的最大URLLC设备数仅与其数据包传输成功率有关，因此，URLLC的发包概率越大，其数据包传输成功率就越小，为了保证URLLC的高可靠性，系统可支持的URLLC设备数则就越少。其中，所提方案可支持的URLLC设备数最多，其次是仅正交多址接入方案。仅非正交多址接入方案可支持的URLLC设备数最少，一方面是为了保证eMBB终端的数据速率要求，系统需要减少URLLC设备数以降低URLLC对eMBB终端的重叠概率；另一方面，URLLC在重叠资源上会受到较强的来自eMBB终端的干扰，从而使其传输成功率降低，因此降低URLLC设备数有利于保证其可靠性要求。
图6所示为三种方案下(Proposed：基于预留的混合多址接入方案；Baseline 1：仅正交多址接入；Baseline 2：仅非正交多址接入)，系统最多可支持的URLLC设备数量与eMBB终端数量之间的关系曲线。
由图6可知，仅非正交多址接入方案下的最大URLLC设备数几乎不随eMBB终端数而改变。这是因为虽然可重叠的信道数增加，但是eMBB的数据速率要求也同样增大了，二者对URLLC终端数量KU的影响相互抵消。本发明所述接入方法与仅正交多址接入方案中的最大URLLC设备数则随着eMBB终端的增大而减少。对于对比方案1而言，这是由于预留信道会随着eMBB终端的增大而减少，从而导致可支持最大URLLC设备数也减小；而本发明所述接入方法除了预留信道之外还有重叠信道可以用于传输，重叠信道的变化又几乎不影响可支持的URLLC设备数，因此在二者的共同作用下所提方案的变化曲线呈下降趋势。
图7所示为在本发明所提方案(Proposed：基于预留的混合多址接入方案)以及对照方案(Baseline 2：仅非正交多址接入)下，系统最多可支持的URLLC设备数量与eMBB终端平均目标数据速率之间的关系曲线。
由图7可知，可支持最大URLLC设备数随着eMBB终端平均目标数据速率的增大而减少。这是因为当eMBB终端目标速率增大时，为了保证其速率要求，可提供给URLLC的重叠资源就减少了，从而导致可支持URLLC终端数降低。又因为本发明所述接入方法的URLLC有预留资源的补充，因此其可支持设备数高于对比方案2。
综上所述，本发明提出的基于预留的混合多址接入方案，不仅可以同时满足URLLC的时延与可靠性要求以及eMBB业务的数据速率目标，还可以通过选择最优的设备传输功率与URLLC在eMBB上的重叠位置，以最大化系统可支持的URLLC设备数量。仿真结果表明：与现有方案相比，本发明基于预留的混合多址接入方案不仅有效地保障了URLLC以及eMBB业务的服务质量要求，而且显著提升了系统可支持的URLLC终端设备数量，具有十分重要的现实意义与应用前景。
本发明提供一种数据传输系统，包括通信中端和终端，通信中端为终端提供nF个瞬时信道增益独立同分布的子信道，其中，终端包括KU个URLLC终端和Ke个eMBB终端，系统为所有终端提供nF个瞬时信道增益独立同分布的子信道；
eMBB的调度单元为一个时隙，其每个时隙又进一步划分为nT个迷你时隙作为URLLC的调度单元；为eMBB终端分配相互正交的子信道，eMBB终端的子信道数
Figure GDA0003878861950000171
URLLC的子信道数/>
Figure GDA0003878861950000172
为URLLC终端分配专用预留信道，当URLLC终端发包数小于所述专用预留信道数时，使用其专用的信道进行URLLC传输；当URLLC发包数大于所述专用预留信道数时，多出的数据包重叠在eMBB终端的重叠信道上进行URLLC的传输；KU的数量根据本发明所述优化方法得到。
基于预留的混合多址接入方案，本发明提供一种接入网设备，包括：
收发器，用于获取第一数据和第二数据，并向eMBB终端传输第一数据，向URLLC终端传输第二数据，第一数据为URLLC数据包，第二数据为eMBB数据包；
处理器，用于向eMBB终端和URLLC终端分配瞬时信道增益独立同分布的子信道，通过控制子信道，使得每个迷你时隙中，当URLLC数据包到达时，先经过URLLC信道传输，URLLC信道耗尽时，若URLLC数据包未传输完成，则URLLC数据包通过eMBB资源传输。
以上内容是对本发明的详细说明，不能认定本发明的仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (7)

1.eMBB共存时基于预留的URLLC混合多址接入传输优化方法，其特征在于，
建立数据传输系统，所述传输系统包括KU个URLLC终端和KB个eMBB终端，系统为所有终端提供nF个瞬时信道增益独立同分布的子信道；
所述数据传输系统中：eMBB的调度单元为一个时隙，其每个时隙又进一步划分为nT个迷你时隙作为URLLC的调度单元；为eMBB终端分配相互正交的子信道，eMBB终端的子信道数
Figure FDA0003983213710000011
URLLC的子信道数/>
Figure FDA0003983213710000012
为URLLC终端分配专用预留信道，当URLLC终端发包数小于所述专用预留信道数时，使用其专用的信道进行URLLC传输；当URLLC发包数大于所述专用预留信道数时，多出的数据包重叠在eMBB终端的重叠信道上进行URLLC的传输；
计算每个迷你时隙中URLLC数据包在一个迷你时隙内通过预留信道和重叠信道上传输的误码率以及URLLC终端k的传输成功概率Psucc,k；
计算URLLC传输占用所有eMBB终端信道的总概率Psp；
计算一个时隙内eMBB终端在重叠信道上传输的平均比特数
Figure FDA0003983213710000013
基于同时满足URLLC终端传输可靠性要求以及eMBB终端传输的目标数据速率要求，最大化系统可支持的URLLC终端数；优化问题表示如下：
Figure FDA0003983213710000014
s.t.0≤PU,k≤PU，k＝1,2,3,...,KU
Figure FDA0003983213710000015
Psucc,k≥Prel＝1-ε，k＝1,2,3,...,KU
Figure FDA0003983213710000016
Figure FDA0003983213710000017
Figure FDA0003983213710000018
Prel为系统可靠性，
Figure FDA0003983213710000019
为每个eMBB终端的目标传输速率，固定/>
Figure FDA00039832137100000110
得到优化解KU,opt，证明Psucc,k随着KU的增大而减小，当Psucc,k＝Prel时，通过二分搜索算法找到可支持用户数的上界KU*，然后，根据前文分析计算得到Psp*；通过将上述KU*与Psp*代入，原始优化问题改写为：
Figure FDA0003983213710000021
s.t.KU≤KU*
Figure FDA0003983213710000022
Figure FDA0003983213710000023
Figure FDA0003983213710000024
Ii∈[0,1]表示指示列向量，PU,k为URLLC终端k的传输功率，
Figure FDA0003983213710000025
表示eMBB终端m被URLLC重叠之后的传输功率；
采用粒子群优化算法优化URLLC终端与eMBB终端的传输功率以及URLLC终端在eMBB终端资源块上的重叠位置，对PU,k,
Figure FDA0003983213710000026
进行搜索，从而得到最优解，得到能够支持的URLLC终端数量的最大值/>
Figure FDA0003983213710000027
为不同URLLC终端与eMBB终端的传输功率取值下的多个优化解。
2.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，根据每个迷你时隙中一个URLLC终端发包的概率，得到每个迷你时隙中其余URLLC终端有n个数据包的概率，分别得到：
预留信道资源足以支持URLLC数据包的传输时，URLLC终端传输数据包成功的概率
Figure FDA0003983213710000028
URLLC数据包随机选择
Figure FDA0003983213710000029
个在专用预留信道上进行传输时，URLLC终端传输数据包传输成功的概率/>
Figure FDA00039832137100000210
URLLC数据包占用eMBB终端子信道资源进行传输时，即URLLC数据包在重叠信道上传输时，URLLC终端传输数据包成功的概率
Figure FDA00039832137100000211
计算出URLLC数据包分别在预留信道和重叠信道上传输的误码率
Figure FDA00039832137100000212
和/>
Figure FDA00039832137100000213
根据所述
Figure FDA00039832137100000214
以及/>
Figure FDA00039832137100000215
得到某一个URLLC终端k的传输成功概率Psucc,k，Psucc，k≥Prel,k＝1,2,3,...,KU，Prel＝1-10-5；
Figure FDA0003983213710000031
其中，KU为一个通信系统内URLLC终端数量，P1为目标终端未被选中的概率，P2表示在
Figure FDA0003983213710000032
中任选/>
Figure FDA0003983213710000033
个，目标终端未被选中的概率。
3.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所有eMBB终端被URLLC终端重叠的总概率Psp为：
Figure FDA0003983213710000034
/>
其中
Figure FDA0003983213710000035
表示每个迷你时隙中一共到达n个数据包的概率，其中，指示列向量中/>
Figure FDA0003983213710000036
表示在每个迷你时隙中eMBB终端i被URLLC重叠的概率。
4.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，一个时隙内eMBB终端在重叠信道上传输的平均比特数
Figure FDA0003983213710000037
为：
Figure FDA0003983213710000038
其中，
Figure FDA0003983213710000039
表示eMBB终端m的初始传输功率，/>
Figure FDA00039832137100000310
表示eMBB终端m被URLLC重叠之后的传输功率，/>
Figure FDA0003983213710000041
表示URLLC终端k在重叠信道i上的信干噪比；gi为信道i的瞬时信道增益，αm为eMBB终端m的大尺度衰落信道增益，N0为单边噪声功率谱密度，T为每个迷你时隙的长度，αk为URLLC终端k的大尺度衰落信道增益，B为每条子信道的带宽，PU,k为URLLC终端k的传输功率；/>
Figure FDA0003983213710000042
为eMBB终端m在信道i上被URLLC重叠的平均资源块个数。
5.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，URLLC数据包在预留信道j上传输的误码率
Figure FDA0003983213710000043
为：
Figure FDA0003983213710000044
URLLC数据包在重叠信道上传输的误码率和
Figure FDA0003983213710000045
为：
Figure FDA0003983213710000046
其中，
Figure FDA0003983213710000047
表示用户k在预留信道j上的信噪比，/>
Figure FDA0003983213710000048
表示终端k在重叠信道i上的信干噪比；αk为URLLC终端k的大尺度衰落信道增益，gi为信道i的瞬时信道增益，αm为eMBB终端m的大尺度衰落信道增益，N0为单边噪声功率谱密度，T为每个迷你时隙的长度，B为每条子信道的带宽，PU,k为URLLC终端k的传输功率，/>
Figure FDA0003983213710000049
表示eMBB终端m被URLLC终端重叠之后的传输功率。
6.一种数据传输系统，其特征在于，包括通信中端和终端，通信中端为终端提供nF个瞬时信道增益独立同分布的子信道，其中，终端包括KU个URLLC终端和KB个eMBB终端；
eMBB的调度单元为一个时隙，其每个时隙又进一步划分为nT个迷你时隙作为URLLC的调度单元；为eMBB终端分配相互正交的子信道，eMBB终端的子信道数
Figure FDA00039832137100000410
URLLC的子信道数/>
Figure FDA00039832137100000411
为URLLC终端分配专用预留信道，当URLLC终端发包数小于所述专用预留信道数时，使用其专用的信道进行URLLC传输；当URLLC发包数大于所述专用预留信道数时，多出的数据包重叠在eMBB终端的重叠信道上进行URLLC的传输；KU的数量根据权利要求1～5任一项所述方法得到。
7.一种eMBB共存时基于预留的URLLC混合多址接入传输优化系统，其特征在于，模型构建模块、URLLC时延与可靠性要求计算模块、eMBB的数据速率目标要求计算模块、占用eMBB终端信道计算模块、优化问题构建模块以及优化问题解算模块；
模型构建模块用于构建数据传输系统，所述传输系统包括KU个URLLC终端和KB个eMBB终端，系统为所有终端提供nF个瞬时信道增益独立同分布的子信道；所述数据传输系统中：eMBB的调度单元为一个时隙，其每个时隙又进一步划分为nT个迷你时隙作为URLLC的调度单元；为eMBB终端分配相互正交的子信道，eMBB终端的子信道数
Figure FDA0003983213710000051
URLLC的子信道数/>
Figure FDA0003983213710000052
为URLLC终端分配专用预留信道，当URLLC终端发包数小于所述专用预留信道数时，使用其专用的信道进行URLLC传输；当URLLC发包数大于所述专用预留信道数时，多出的数据包重叠在eMBB终端的重叠信道上进行URLLC的传输；
URLLC时延与可靠性要求计算模块用于计算URLLC数据包在一个迷你时隙内通过预留信道和重叠信道上传输的误码率以及URLLC终端传输成功的总概率Psucc,k；
占用eMBB终端信道计算模块用于计算URLLC传输占用所有eMBB终端信道的总概率Psp；
eMBB的数据速率目标要求计算模块用于计算在一个时隙内eMBB终端在重叠信道上传输的平均比特数
Figure FDA0003983213710000053
优化问题构建模块以及优化问题解算模块用于基于同时满足URLLC终端传输可靠性要求以及eMBB终端传输的目标数据速率要求，最大化系统可支持的URLLC终端数；优化问题表示如下：
Figure FDA0003983213710000061
s.t.0≤PU,k≤PU，k＝1,2,3,...,KU
Figure FDA0003983213710000062
Psucc,k≥Prel＝1-ε，k＝1,2,3,...,KU
Figure FDA0003983213710000063
Figure FDA0003983213710000064
Figure FDA0003983213710000065
Prel为系统可靠性，
Figure FDA0003983213710000066
为每个eMBB终端的目标传输速率，固定PU,k,/>
Figure FDA0003983213710000067
得到优化解KU,opt，证明Psucc,k随着KU的增大而减小，当Psucc,k＝Prel时，通过二分搜索算法找到可支持用户数的上界KU*，然后，根据前文分析计算得到Psp*；通过将上述KU*与Psp*代入，原始优化问题改写为：
Figure FDA0003983213710000068
s.t.KU≤KU*
Figure FDA0003983213710000069
Figure FDA00039832137100000610
Figure FDA00039832137100000611
/>
Ii∈[0,1]表示指示列向量，PU,k为URLLC终端k的传输功率，
Figure FDA00039832137100000612
表示eMBB终端m被URLLC重叠之后的传输功率，
采用粒子群优化算法优化URLLC终端与eMBB终端的传输功率以及URLLC终端在eMBB终端资源块上的重叠位置，对
Figure FDA00039832137100000613
进行搜索，从而得到最优解，得到能够支持的URLLC终端数量的最大值/>
Figure FDA00039832137100000614
为不同功率取值下的多个优化解。/>
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