CN113163428A - 一种低复杂度低时延和低信令开销的5g数据传输方法 - Google Patents

一种低复杂度低时延和低信令开销的5g数据传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低复杂度低时延和低信令开销的5G数据传输方法，该方法包括：初始传输的终端设备监听基站广播的工作状态，直到监听到空闲时将上行数据、范德蒙矩阵编码元素和传输轮次(初始为0)封装在一个数据帧中进行数据传输；基站接收到数据帧并进行解调后，广播该时隙的数据解调结果以及重传概率；传输出错的终端设备，以范德蒙矩阵编码格式和重传概率进行重传；经过有限次数据重传，基站成功解析冲突数据包，接收状态广播为确认。本发明取消了传统通信网络中数据上传前的信令交互，降低信令开销；重传概率的应用降低了传输功耗；利用基站的广播机制，降低技术难度和复杂度，最终实现密集终端设备与基站之间低复杂度和低功耗的数据传输。

Description

一种低复杂度低时延和低信令开销的5G数据传输方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及实现第五代移动通信系统中在满足低复杂度和低时延通信需求下减少系统信令开销的数据传输方法。
背景技术
第五代移动通信技术(5G)作为新一代无线移动通信网络，主要用于满足2020年以后的人类信息社会需求。在高速发展的移动互联网和不断增长的物联网业务需求共同推动下，5G的性能目标全面发展成为高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。
2015年6月，ITU-R WP5D第22次会议上，已经正式将5G命名为IMT-2020，并发布了IMT-2020愿景以及时间表，同时将5G分为3个主要的应用场景：增强移动宽带(enhancedMobile Broadband，eMBB)、大规模机器通信(massive Machine Type Communications，mMTC)和超高可靠低延时通信(Ultra-Reliable and Low Latency Communications，uRLLC)。
移动宽带场景可划分为移动互联网与移动物联网场景。eMBB主要针对于前者，是指在现有移动宽带业务场景的基础上，对于用户体验等性能的进一步提升，是5G最基本的需求。mMTC和uRLLC则是服务于后者，但各自侧重点不同。mMTC针对的是低功耗大连接场景，主要面向智慧城市、环境监测、智能家居、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、低成本、海量连接等特点。uRLLC则针对低时延高可靠场景，主要面向移动医疗、自动驾驶、云游戏等以远程和即时处理为目标的应用场景，具有极低时延、极高可靠性这两个核心特点。
在使用传统无线通信(如2G/3G/4G/Wi-Fi)的数据上传方法时，首先会进行信令的交互，当每次传输的数据量较大时，此时信令的开销只占一小部分，不会造成过多的资源浪费。然而，在例如智慧电网、智能家居等场景中，由于感知终端设备的大量架设，数据上传的次数明显增多，每次上传的主要是如环境的状态感知、终端设备运转等数据，其特点是数据量比较小，但需要不断进行间隔传输。由于传输的数据量比较小，但传输的次数又很较多，这就造成了数据上传过程中较大的信令开销和资源的浪费，同时网络架构也更加复杂。然而，直接减少信令的开销又会导致数据接收端同时接收多个数据包的情况，造成接收端无法解调数据包并将冲突数据的时隙全部丢弃的行为，使得冲突时隙的信道利用率为零，严重的影响了网络的传输性能。因此，网络辅助分集多址接入(Network Diversity RandomAccess，NDRA)被提出用于解决上述问题。NDMA是由Michail K.Tsatsanis等人提出的ー种利用网络中节点对冲突信号的协同传输获得分集特性，然后利用信号分离技术来解决数据包冲突的方法。该方法通过对冲突的数据包进行再利用，可以提升吞吐量和时延性能等。但是，NDMA技术存在一个重要的问题：当冲突节点的个数较多时，每个用户都重传数据会造成功率的严重浪费，非常不利于物联网应用中低功耗的节点。
基于此，迫切地需要提供一种数据传输方法，能够在降低信令开销的基础上，满足网络传输的性能需求，实现复杂场景下的低时延、低复杂度、低功耗、低成本和海量连接等复合式的目标。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种低复杂度低时延和低信令开销的5G数据传输方法，该方法可以应用于第五代移动通信网络中要求低复杂度和低时延的密集小型数据包上传这类特殊应用场景，如智能家居、智慧电网等，能够减少终端设备与基站之间的信令交互，同时满足业务数据传输的性能需求，实现该场景下低时延、低复杂度、低功耗、低成本、海量连接等目标。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
第一方面，本发明提出了一种新型数据帧结构，包括：
新型数据帧结构包括经过范德蒙矩阵编码后的上行数据的第一部分以及存储范德蒙矩阵编码元素和传输轮次的第二部分，所述第一部分的数据帧长度根据上行数据的大小进行调整。
在一个可选的实现方式中，所述新型数据帧结构适用于时分系统，且第一部分为可变数据部分。
在一个可选的实现方式中，所述新型数据帧结构的第一部分，最大长度为a个时隙，可根据传输数据的大小灵活调整，其主要在上行数据传输时使用。
在一个可选的实现方式中，所述新型数据帧结构的第二部分，为固定b个时隙，用来指示对于本次传输数据的范德蒙编码方式，其中b1个时隙用来存储范德蒙编码元素，剩下的b2个时隙用来存储传输轮次。
第二方面，本发明提出了一种针对新型数据帧结构的数据传输方法，包括：
初始传输的终端设备监听基站广播的工作状态，直到监听到空闲时将上行数据、范德蒙矩阵编码元素和传输轮次(初始为0)封装在一个数据帧中，将封装后的数据帧上传到基站；
基站接收到封装后的数据帧并进行解调后，广播数据解调结果(确认信息ACK/非确认信息NACK)以及重传概率；
对于传输出错的终端设备，以范德蒙矩阵编码格式和基站广播的概率确定是否重传一次数据；
经过有限次数据重传，基站成功解析冲突数据包，接收状态广播为确认(ACK)。
在一个可选的实现方式中，所述基站可以是宏基站，也可以是微基站、小基站等。
在一个可选的实现方式中，所述终端设备监听基站广播的接收状态，包括：
当首次监听到基站广播接收数据的状态为确认信息(ACK)时，则判断基站空闲，终端设备进行数据帧上传；
当首次监听到基站广播接收数据的状态为非确认信息(NACK)时，则判断基站正在解析处理数据，终端设备暂停发送数据帧，并持续监听基站接收数据的结果，直到基站接收数据的状态广播为ACK时，才可以上传数据帧。
在一个可选的实现方式中，所述基站广播的接收数据的结果，包括：
当基站反馈结果为ACK时，表示已正常接收解析数据包；
当基站反馈结果为NACK时，表示基站同时接收到多个终端设备上传的数据包，产生数据冲突或者接受的数据包部分损坏，导致解析失败。
在一个可选的实现方式中，所述已发送数据帧的终端设备接收基站的反馈消息，包括：
若终端设备接收到基站的ACK消息，则数据传输结束；
若终端设备接收到基站的NACK消息，则数据传输失败的终端设备将根据基站广播的重传概率进行概率数据重传。
在一个可选的实现方式中，当基站在同一时隙出现K个终端设备发送的N个调制信号有冲突时，基站广播接收数据的结果为NACK，并安排终端设备按照约定的数据重传规则在接下来的连续M-1个时隙重发数据。在基站发现终端设备发生的数据有冲突及之后的M-1个连续时隙内，基站接收到的终端设备数据可表示为：
Z＝VIX+W
其中，M×N维矩阵Z＝[z(n)，z(n+1)，…z(n+i)]T表示基站接收到的终端初始冲突时隙n以及后续的M-1次重传中接收到的信号，向量z(n+i)是基站在第n+i个时隙接收到的K个终端设备发送的N个数据信号；M×N维矩阵W表示相应的白噪声；M×N维矩阵X＝[x1，x2，…xK]T表示K个终端设备在终端设备数据有冲突时隙及之后的M-1个连续时隙内发送的原始数据。
此外，M×K维矩阵
Figure BDA0003074059400000041
为一个标准的范德蒙矩阵，其中
Figure BDA0003074059400000042
表示范德蒙矩阵编码元素aj的i次方，不失一般性，a在实际系统中可以使用自然常数e来代替；K×M维矩阵
Figure BDA0003074059400000043
是终端设备在连续M个时隙的数据发送指示变量矩阵。
基站和终端设备约定的数据重传规则具体为：基站在接收到的终端初始冲突时隙n确定每个重传时隙终端设备的重传概率，对于冲突中的各个终端设备，在每一次重传时隙，根据重传概率进行数据重传。基站利用次优的线性解法进行冲突数据帧的解析，得到下述数据解析过程表示，还根据接收数据帧中的范德蒙矩阵编码信令，译码确定本次传输的正确性，其中[*]-1表示矩阵的求逆操作。
X＝(VI)-1Z
对于K个数据包冲突，由于M×K的范德蒙矩阵的秩等于min{K,M}，即无噪声情况下需要(K-1)次重传即可解调出冲突的终端设备的全部数据；若基站根据范德蒙矩阵编码信令译码后发现传输出现错误，则额外进行一次重传，最终基站一共收到冲突包的K份有效信息，矩阵VI达到满秩，此时采用线性解法即可对冲突包数据进行解析。
第三方面，本发明提出了一种针对于线性解析解法的低复杂度重传方法，包括：
对于冲突中的各个终端设备，在每一次重传时隙，都将生成一个[0,1]区间内的随机数，并与重传概率进行比较，进而分别决定本次重传时隙每个终端设备的重传情况。
在一个可选的实现方式中，所述随机数与重传概率门限值进行比较，包括：
基站在接收到的终端初始冲突时隙n确定每个重传时隙终端设备的重传概率，对于冲突中的各个终端设备，在每一次重传时隙，都将生成一个[0,1]区间内的随机数，并与重传概率门限值进行比较，包括：
若用户i在时隙j随机生成的随机数pi,j不大于重传概率门限值pThreshold，则该终端设备于该次重传时隙进行重传；
若用户i在时隙j随机生成的随机数pi,j大于重传概率门限值pThreshold，则该终端设备于该次重传时隙不进行重传。
用户i在时隙j是否重新传输数据的指示变量表示如下：
Figure BDA0003074059400000061
在第一个冲突时隙，所有终端设备都传输了数据，也即K×M维矩阵I的第一列全为1。
在一个可选的实现方式中，不需要考虑终端设备的能耗，基站也无法获悉系统内的全部发射冲突的终端设备的标识，可以将K×M维矩阵I设计成为全1矩阵，如下。
Figure BDA0003074059400000062
该情况下数据传输退化为传统的NDRA数据传输方式。
在另外一个可选的实现方式中，为了降低终端设备的能耗，在基站可以获悉系统内的全部发射冲突的终端设备的标识时，可以将K×M维矩阵I设计成为下三角矩阵，如下。
Figure BDA0003074059400000063
在另外一个可选的实现方式中，为了降低终端设备的能耗，但基站无法获悉系统内的全部发射冲突的终端设备的标识时，可以将K×M维矩阵I设计成为稀疏矩阵，如下。
Figure BDA0003074059400000064
在一个可选的实现方式中，所述重传概率来自于基站广播信息，基站基于已知冲突终端设备的数量、能耗和时延约束，设定冲突终端设备的重传概率。
第四方面，提供一种基站，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的数据传输方法。
第五方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的数据传输方法。
本发明采用上述技术方案所带来的有益技术效果如下：
1、新型数据帧结构中，可根据传输的数据类型动态配置数据帧长度，数据传输效率更高。
2、新型数据上传协议取消了传统通信网络中数据上传之前的信令交互，数据上传变得更加简单，降低传输设备的技术难度和复杂度，精简网络架构中的硬件成本。
3、新型编码、重传与解析协议，针对低功耗大连接物联网场景的数据传输特点重新进行了设计，降低了数据上传过程中的信令开销，实现类传输时隙的100％利用，提升了能源与时延资源的利用率。
4、根据终端设备的功率、时延需求等灵活配置数据重传状态，可适配多种不同的物联网应用场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是本申请实施例的应用场景的示意图；
图2是本申请实施例提供的一种新型数据帧结构的示意图；
图3是本申请实施例提供的一种终端与基站之间数据传输的交互图；
图4是本申请实施例提供的一种终端设备数据上行传输的流程示意图；
图5是本申请实施例提供的一种基站广播接收结果的流程示意图；
图6是本申请实施例提供的一种基站的结构示意图；
图7是本申请实施例提供的另一种基站的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例中，所述基站是一种部署在无线接入网中用以为终端设备提供无线通信功能的装置。所述基站可以包括各种形式的宏基站，微基站(也称为小站)，中继站，接入点，传输接入点(Transmission Receiver point，TRP)等。在采用不同的无线接入技术的系统中，具备基站功能的设备的名称可能会有所不同，例如，在LTE系统中，称为演进的节点B(evolved NodeB，eNB或者eNodeB),在第三代(3rd Generation，3G)系统中，称为节点B(Node B，NB)等。为方便描述，本申请所有实施例中，上述为终端设备提供无线通信功能的装置统称为基站。
本申请实施例中，所涉及到的终端设备可以包括各种具有无线通信功能的手持设备、车载设备、可穿戴设备、计算设备或连接到无线调制解调器的其它处理设备。所述终端设备也可以称为移动台(Mobile Station，MS)、终端(Terminal)，还可以包括用户单元(subscriber unit)、蜂窝电话(cellular phone)、智能手机(smart phone)、无线数据卡、个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)电脑、平板型电脑、无线调制解调器(modem)、手持设备(handset)、膝上型电脑(laptop computer)、机器类型通信(MachineType Communication，MTC)终端等。为方便描述，本申请所有实施例中，上面提到的设备统称为终端设备。
参见图1，是本申请实施例的应用场景的示意图。如图1所示，蜂窝通信系统可以是2G、3G、4G或来5G中的一种。终端设备可以是传统的手机用户，也可以是机器通信中的机器设备，或者用于采集数据的传感器节点。以未来5G通信系统为例，终端设备可以代表大带宽需求的增强移动宽带(enhanced Mobile Broadband，eMBB)应用、海量接入需求的大规模机器通信(massive Machine Type Communications，mMTC)和超高可靠低延时通信(Ultra-Reliable and Low Latency Communications，URLLC)应用。
在原来的设计中，蜂窝移动通信一般都针对大带宽的人人通信应用，即eMBB应用。蜂窝移动通信系统中一般采用集中调度方式为用户传输数据，通常都需要消耗控制信令。但是，蜂窝系统中控制信令是非常宝贵且有限的，比如，在4G LTE系统中，控制信令只在一个下行数据帧的最多前三个OFDM符号上承载。因此，对于小数据包业务的传输而言，使用集中调度方式的数据传输方式会存在以下的问题：
(1)终端设备的数据到达后，可能没有足够的控制信令为其分配资源，该终端设备只能等待，而对于时延要求苛刻的终端设备而言，基站有可能在该终端设备的数据时延约束内无法为该终端设备分配资源，造成终端设备的满意度低下。
(2)小数据包的终端设备中数据比特和控制信令的开销相当，如果使用集中调度方式的数据传输方式，会造成系统控制信令开销大，整体系统的资源利用率低。
为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种新型数据帧结构、一种低复杂度和低时延的数据传输方法以及配套基站、一种新型重传协议，下面将分别详细进行介绍。
为降低数据上传过程中的信令开销，不再使用传统的信令交互方式，而是将信令信息附于数据帧结构之中，这样数据上传之前并不需要进行信令交互，而是可以直接发送数据，本发明实施例提供了一种数据上传新型数据帧结构。
参见图2，新型数据帧结构适用于时分系统，DATA部分为可变数据部分，ENCODER部分为范德蒙矩阵编码信令。其中，DATA部分，最大长度为a个时隙，可根据传输数据的大小灵活调整，其主要在上行数据传输时使用；ENCODER部分为固定b个时隙，用来指示对于本次传输数据的范德蒙编码方式，其中b1个时隙用来存储范德蒙编码元素，剩下的b2个时隙用来存储传输轮次，当基站接收到数据帧时，会通过ENCODER部分译码DATA部分，并广播接收数据的结果，结果分为两种，一种是ACK，代表数据确认接收，另一种是NACK，代表数据非确认接收，即数据接收过程中产生错误；DATA部分与ENCODER部分构成一个完整的传输帧。
由于采用新型数据帧结构，不再进行数据上传之前信令的交互，这样会导致基站在某一时刻会同时接收多个用户发送的数据，导致数据包无法进行解析。为解决同一时刻接收多个数据包冲突问题，针对新型数据帧结构数据传输协议，参见图3，本申请实施例提供了一种上行数据传输方法的交互图。如图3所示，所述方法由蜂窝通信系统中的基站和终端设备交互执行，包括但不限于以下步骤。
301：初始传输的终端设备监听基站广播的状态。
302：终端设备根据监听结果，将上行数据和范德蒙矩阵编码信令封装在一个数据帧中进行数据上传。
在本申请实施例中，步骤301，302的具体执行过程可以如下所述：
第一步：当终端设备完成数据采集或者数据计算之后，首先按照数据帧结构中DATA部分的范德蒙矩阵编码要求对数据进行处理与封装。
具体地，所述DATA部分为可变数据部分，但有最大长度时隙a。因此，若编码后的上传数据较小，满足帧长度限制，则以数据的实际长度进行封装，若上传数据较大，超出帧长度限制，则以最大长度进行分批次封装传输。
第二步：终端设备完成数据封装之后，监听基站状态。当首次基站状态为ACK时，代表允许终端设备开始进行数据上传。当首次侦听基站的状态为NACK时，代表此时基站正在解析处理用户冲突数据，此时，数据采集终端暂停发送数据，并持续监听基站状态信息，直到基站状态为ACK时，才可以上传数据。
303：基站接收到数据帧中的数据部分时，通过广播信令反馈接收到的数据状态，广播信息中包括数据解调结果(ACK/NACK)和重传概率。
在本申请实施例中，步骤303的具体执行过程可以如下所述：
第一步：基站接收同一时隙内所有进行上行传输的数据帧，并进行存储和解析处理。
第二步：基站根据接收以及处理解析情况，进行数据解调结果的广播。
具体地，一方面，当基站处于空闲状态或者已正确完成当前数据包解析可以继续接收新数据包时，基站广播发送ACK信息，ACK状态指示有两层含义，一是对于已发送数据包的终端设备来说，其表示已正常接收解析数据包，对于未发送数据包或将要发送数据包的设备来说，ACK表示基站已准备好接收新数据，可以进行数据上传。
另一方面，当基站同时接收到多个设备上传的数据包时，此时，基站是无法对多个数据包进行解析，需要借助多包接收机制来完成对冲突数据包的解析，基站会广播发送NACK和重传概率。NACK状态指示同样具有两层含义，一是对于数据冲突设备，表示当前发送的数据存在冲突或未接收成功，要求重新发送。二是，对于未发送数据设备，表示当前接收端存在数据冲突或有设备数据上传未成功，此时不允许新设备进行数据上传，需继续等待。重传概率来自于基站广播信息，基站基于已知冲突终端设备的数量、能耗和时延约束，设定冲突终端设备的重传概率。
304：传输出错的终端设备，根据基站广播的概率，选择性重传数据一次。
在本申请实施例中，步骤304的具体执行过程可以如下所述：
第一步：已经上传的终端设备进行基站状态的再次监听，确认自身传输成功情况。
具体地，如果基站广播信息为ACK，代表此次数据上传成功，如果继续侦听到基站广播信息为NACK，代表此次数据上传发生了数据冲突，代表此次数据上传不成功。
第二步：确认传输出错的终端设备，开始重传前的概率比较。
具体地，所述概率比较，是指对于冲突中的各个终端设备，在每一次重传时隙，都将生成一个随机数，并与重传概率进行比较。其中，所述随机数的随机区间为[0,1]。
第三步：根据概率比较结果，各个需要重传的终端设备重新编码、封装、上传数据帧一次。
具体地，所述概率比较结果，是指若随机数不小于重传概率，则该终端设备于该重传时隙进行重传，若随机数小于重传概率，则该终端设备于该重传时隙不进行重传。
305：经过有限次数据重传，基站成功解析冲突数据包，接收状态广播为确认。
在本申请实施例中，步骤305的具体执行过程可以如下所述：
当基站在同一时隙出现K个终端设备发送的N个调制信号有冲突时，基站广播接收数据的结果为NACK，并安排终端设备按照约定的数据重传规则在接下来的连续M-1个时隙重发数据。在基站发现终端设备发生的数据有冲突及之后的M-1个连续时隙内，基站接收到的终端设备数据可表示为：
Z＝VIX+W
其中，M×N维矩阵Z＝[z(n),z(n+1),…z(n+i)]T表示基站接收到的终端初始冲突时隙n以及后续的M-1次重传中接收到的信号，向量z(n+i)是基站在第n+i个时隙接收到的K个终端设备发送的N个数据信号；M×N维矩阵W表示相应的白噪声；M×N维矩阵X＝[x1,x2,…xK]T表示K个终端设备在终端设备数据有冲突时隙及之后的M-1个连续时隙内发送的原始数据。
此外，M×K维矩阵
Figure BDA0003074059400000121
为一个标准的范德蒙矩阵，其中
Figure BDA0003074059400000122
表示范德蒙矩阵编码元素aj的i次方，不失一般性，a在实际系统中可以使用自然常数e来代替；K×M维矩阵
Figure BDA0003074059400000123
是终端设备在连续M个时隙的数据发送指示变量矩阵。
基站利用次优的线性解法进行冲突数据帧的解析，得到下述数据解析过程表示，还根据接收数据帧中的范德蒙矩阵编码信令，译码确定本次传输的正确性，其中[*]-1表示矩阵的求逆操作。
X＝(VI)-1Z
基于上述发明思想，本发明实施例提供了终端设备数据上行传输的流程示意图，请参见图4。终端设备在每次进行数据上传或者重传之前，按照图4的步骤执行，下面展开详细描述。
401：终端设备完成初始的数据采集或计算处理。
402：终端设备于每一时隙进行基站状态的监听，若状态为NACK，转入步骤403；若状态为ACK，转入步骤404。
403：获知基站正在解析处理数据冲突情况，终端设备继续等待。
404：对原始数据实现范德蒙矩阵编码，根据编码后上传数据的大小，选择打包数据封装的方式：若上传数据大于帧长度限制，转入步骤405；否则，转入步骤406。
405：以最大长度进行新型数据帧结构DATA部分的分批次封装。
406：以编码后数据的实际长度进行新型数据帧结构DATA部分的封装。
407：终端设备可以将封装好的数据和相应范德蒙矩阵编码信令以新型数据帧结构进行数据上传，
408：终端设备继续于每一时隙监听基站状态，确定数据上传是否成功，若状态为ACK，表示数据上传成功，转入步骤410；若状态为NACK，表示数据上传失败，转入步骤409。
409：终端设备在决定数据重传之前，生成一个[0,1]区间内的随机数，并与基站广播的重传概率进行比较，若随机数小于重传概率，等待一个时隙，转入步骤408；否则，转入步骤404。
410：数据上传成功，本次数据传输过程结束。
基于上述发明思想，本发明实施例提供了基站广播接收状态的流程示意图，请参见图5。基站在每次接收到上传数据之后，按照图5的步骤执行，下面展开详细描述。
501：基站于每个时隙接收众多终端设备上传的数据帧，判断是否发生数据冲突，若未发生数据冲突，数据解析正常，转入步骤502；否则，转入步骤503。
502：广播发送ACK信令，通知已发送数据的终端设备，上传数据解析成功；通知欲发送数据的终端设备，基站空闲，可接收上传数据，本次数据接收与解析过程结束。
503：广播发送NACK信令和重传概率，通知已发送数据的冲突终端设备，上传数据解析不成功，需要以广播的概率重新上传；通知欲发送数据的终端设备，基站正在处理冲突数据，需要等待并暂停数据上传。
504：重新接收冲突终端设备传输的数据包，并通过范德蒙矩阵和线性解法判断是否解析成功，若冲突数据包解析成功，转入步骤502；否则，转入步骤503。
基于上述发明思想，本发明实施例提供了一种基站的结构示意图，请参见图6。所述基站包括存储器601、处理器602、接收器603和发射器604，并可通过总线或者其它方式连接(图6中以通过总线连接为例)，下面展开详细描述。
存储器601用于存储程序代码以及接收器603接收到的数据帧，其中，存储的程序代码具体用于实现图5实施例中的所述基站的功能。
处理器602用于调用并运行存储于存储器601中的程序代码，基站通过处理器602用于解析接收器603接收到的数据包。
接收器603用于接收终端设备上传的数据帧。
发射器604用于向终端设备广播基站接收结果，包括ACK和NACK，以及冲突设备的重传概率。
需要说明的，处理器602的执行步骤以及处理器602涉及的其他技术特征还可参照图3和图5方法实施例中所述基站的相关内容，这里不再赘述。
基于上述发明思想，本发明实施例提供了另一种基站的结构示意图，请参见图7。所述基站包括接收单元701、处理单元702和广播单元703，下面展开详细描述。
接收单元701用于基站接收并存储终端设备的数据，以满足系统的正常运行。
处理单元702用于基站解析每个时隙下上传的数据包，并将解析结果由广播单元通过控制信令通知终端设备。
广播单元703用于基站将接收结果使用广播消息或其他配置的控制消息通知终端设备，以便传输出错的终端设备可以重新传输数据。其中，接收结果包括ACK和NACK和重传概率。
需要说明的，通过前述图5实施例的详细描述，本领域技术人员可以清楚的知道基站所包含的各个功能模块的实现方法，所以为了说明书的简洁，在此不再详述，具体请参见图5以及相关描述。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质可以是前述任一实施例所述的基站的内部存储单元，例如基站的硬盘或内存。所述计算机可读存储介质也可以是所述基站的外部存储设备，例如所述基站上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述计算机可读存储介质还可以既包括所述基站的内部存储单元也包括外部存储设备。所述计算机可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述终端所需的其他程序和数据。所述计算机可读存储介质还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件单元组合执行完成。软件单元可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器执行存储器中的指令，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例中描述的各方法步骤和单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各实施例的步骤及组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域普通技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本申请实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。
本领域普通技术人员可以理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低复杂度低时延和低信令开销的5G数据传输方法，其特征在于，该方法包括：
初始传输的终端设备监听基站广播的工作状态，直到监听到空闲时将上行数据、范德蒙矩阵编码元素和传输轮次(初始为0)封装在一个数据帧中，将封装后的数据帧上传到基站；
基站接收到封装后的数据帧并进行解调后，广播数据解调结果以及重传概率，所述数据解调结果为确认信息(ACK)或者非确认信息(NACK)两种；
对于传输出错的终端设备，以范德蒙矩阵编码格式和基站广播的概率确定是否重传一次数据；
经过有限次数据重传，基站成功解析数据包，接收数据的状态广播为确认(ACK)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据帧包括经过范德蒙矩阵编码后的上行数据的第一部分以及存储范德蒙矩阵编码元素和传输轮次的第二部分，所述第一部分的数据帧长度根据上行数据的大小进行调整。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，终端设备监听基站广播的工作状态，包括：
当首次监听到基站广播接收数据的状态为确认信息(ACK)时，则判断基站空闲，终端设备进行数据帧上传；
当首次监听到基站广播接收数据的状态为非确认信息(NACK)时，则判断基站正在解析处理数据，终端设备暂停发送数据帧，并持续监听基站接收数据的结果，直到基站接收数据的状态为ACK时，才上传数据帧。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基站广播的接收数据的结果，包括：
当基站反馈接收结果为ACK时，表示已正常接收解析数据；
当基站反馈接收结果为NACK时，表示基站同时接收到多个终端设备上传的数据包，产生数据冲突或者接受的数据包部分损坏，导致解析失败。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，已发送数据帧的终端设备接收基站的反馈消息，包括：
若终端设备接收到基站的ACK消息，则数据传输结束；
若终端设备接收到基站的NACK消息，则数据传输失败的终端设备将根据基站广播的重传概率进行有选择的数据重传。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于传输失败的各个终端设备，在每一次重传时隙，都将生成一个[0，1]区间内的随机数，并与重传概率门限值进行比较，包括：
若用户i在时隙j随机生成的随机数pi，j不大于重传概率门限值pThreshold，则该终端设备于该次重传时隙进行重传；
若用户i在时隙j随机生成的随机数pi，j大于重传概率门限值pThreshold，则该终端设备于该次重传时隙不进行重传。
用户i在时隙j是否重新传输数据的指示变量
Figure FDA0003074059390000021
表示如下：
Figure FDA0003074059390000022
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述重传概率来自于基站广播信息，基站基于已知传输失败的终端设备数量、能耗和时延约束，设定终端设备的重传概率。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当在同一时刻出现K个终端设备发送的N个调制信号有冲突时，基站广播接收数据的结果为NACK，并安排终端设备按照约定的数据重传规则在接下来的连续M-1个时隙重发数据。在基站发现终端设备发生的数据有冲突及之后的M-1个连续时隙内，基站接收到的终端设备数据可表示为：
Z＝VIX+W
其中，M×N维矩阵Z＝[z(n)，z(n+1)，…z(n+i)]T表示基站接收到的终端初始冲突时隙n以及后续的M-1次重传中接收到的信号，向量z(n+i)是基站在第n+i个时隙接收到的K个终端设备发送的N个数据信号；M×N维矩阵W表示相应的白噪声；M×N维矩阵X＝[x1，x2，…xK]T表示K个终端设备在终端设备数据有冲突时隙及之后的M-1个连续时隙内发送的原始数据。
此外，M×K维矩阵
Figure FDA0003074059390000031
为一个标准的范德蒙矩阵，其中
Figure FDA0003074059390000032
表示范德蒙矩阵编码元素aj的i次方，不失一般性，a在实际系统中可以使用自然常数e来代替；K×M维矩阵
Figure FDA0003074059390000033
是终端设备在连续M个时隙的数据发送指示变量矩阵。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，基站和终端设备约定的数据重传规则具体为：基站在接收到的终端初始冲突时隙n确定每个重传时隙终端设备的重传概率，对于冲突中的各个终端设备，在每一次重传时隙，根据重传概率进行数据重传。基站利用次优的线性解法进行冲突数据帧的解析，得到下述数据解析过程表示，还根据接收数据帧中的范德蒙矩阵编码信令，译码确定本次传输的正确性，其中[*]-1表示矩阵的求逆操作。
X＝(VI)-1Z
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，对于K个数据包冲突，由于M×K的范德蒙矩阵的秩等于min{K,M}，即无噪声情况下需要(K-1)次重传即可解调出冲突的终端设备的全部数据；若基站根据范德蒙矩阵编码信令译码后发现传输出现错误，则额外进行一次重传，最终基站一共收到冲突包的K份有效信息，矩阵VI达到满秩，此时采用线性解法即可对冲突包数据进行解析。
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