CN113660731A - 基于scma免授权接入的多包接收业务质量优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SCMA免授权接入的多包接收业务质量优化方法，其包括：通过单帧分析获得SCMA免授权接入模式下每一帧的总吞吐量；利用马尔可夫链对随机退避策略下的SCMA免授权接入进行稳态分析，获得免授权接入状态转移概率；根据总吞吐量和免授权接入状态转移概率获得时延限制下数据包传输的可靠性；根据时延限制下数据包传输的可靠性，利用改进的二分法优化MPR能力值，获得满足URLLC需求的MPR最佳能力值。本发明能够根据马尔可夫链导出的时延和可靠性能指标，在时延和可靠性约束下获得最优的MPR能力值K，实现资源利用率和可靠性的最优折中，减小了时延的同时增大了吞吐量。

Description

基于SCMA免授权接入的多包接收业务质量优化方法

技术领域

本发明涉及一种基于SCMA免授权接入的多包接收业务质量优化方法，属于非正交多址接入通信技术领域。

背景技术

在超可靠低延迟通信(URLLC)场景下，零星的小数据包传输模式需要授权调度，导致了高开销和延迟，使得通信效率低下。为解决此问题，可以采用免授权接入以减少信令的开销和延迟。免授权接入技术是低时延工业物联网的潜在促成因素，在免授权模式下，用户设备(User Equipment,UE)可以直接传输数据，而无需在传输之前请求调度授权。但在高负载情况下免授权接入也容易发生冲突，造成资源利用率下降，可靠性降低、时延增大等问题。因此，免授权接入只能在低到中等负载的场景下正常工作，当负载超过一定阈值时，碰撞概率增大，从而导致时延增大。

为了减少碰撞的影响，带来更低的时延、更高的吞吐量和可靠性，可以采用非正交多址接入技术(Non-orthogonal Multiple-access,NOMA)，将一个资源分配给多个用户。稀疏码分多址接入(Sparse Code Multiple Access,SCMA)技术就是一种基于码本的非正交多址方案，通过向终端分配不同的码本来实现非正交多址访问。由于码本的稀疏特性，即使同时传输多个终端数据，SCMA通过消息传递算法(Message Passing Algorithm,MPA)接收机仍然可以对重叠信号进行解码，并根据不同的导频序列，识别来自不同终端的数据。SCMA编码器将来自不同SCMA数据层的码字叠加在一起进行传输，并复用L个无线资源单元。通过SCMA编码器，J个用户的发送信号通过相应的调制扩频被映射到L个正交资源块上，形成多维码字，进一步通过每个用户的多维码字进行非正交传输，实现SCMA系统的资源复用，其复用用户数目就是MPR能力值K。由于每个资源块复用用户数目K与MPA算法复杂度成正比，因此要求K＜＜J。当复用用户数过大时，会产生碰撞，因此需要建立一个随机退避机制来降低碰撞概率，提高整个系统的传输效率。另外，多包接收能力虽然提高了资源利用率和吞吐量，但其实现却付出了多用户检测算法或硬件复杂度的代价，极大地增加了保证用户数据传输可靠性的难度，因此，如何设计一种能够控制算法或硬件复杂度的同时，最大化时延限制下可靠性的方案，是URLLC场景下SCMA免授权接入技术需要面临的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于SCMA免授权接入的多包接收业务质量优化方法，在URLLC场景下将免授权接入与SCMA相结合，根据马尔可夫链导出的时延和可靠性能指标，在时延和可靠性约束下获得最优的MPR能力值K，实现资源利用率和可靠性的最优折中，减小了时延的同时增大了吞吐量。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：

本发明提出了基于SCMA免授权接入的多包接收业务质量优化方法，包括如下步骤：

通过单帧分析获得SCMA免授权接入模式下每一帧的总吞吐量；

利用马尔可夫链对随机退避策略下的SCMA免授权接入进行稳态分析，获得免授权接入状态转移概率；

根据总吞吐量和免授权接入状态转移概率计算SCMA免授权接入的碰撞概率和预期用户数量，并获得时延限制下数据包传输的可靠性；

根据时延限制下数据包传输的可靠性，利用改进的二分法优化MPR能力值，获得满足URLLC需求的MPR最佳能力值。

进一步的，通过单帧分析获得SCMA免授权接入模式下每一帧的总吞吐量的方法为：

在SCMA免授权接入模式下以帧为单位对用户传输进行分析，获得第i帧中k个用户选择同一资源块的概率：

其中，q(k|p_c,L_i,n_i)表示第i帧中k个用户选择同一资源块的概率，p_c表示碰撞概率，L_i表示第i帧中可用的免授权正交资源块数，n_i表示第i帧中的用户总数，

I为帧总数；

根据q(k|p_c,L_i,n_i)计算第i帧中每个资源块的预期吞吐量：

其中，

表示第i帧中每个资源块的预期吞吐量，K为最大复用用户数量；

根据

计算第i帧的总吞吐量：

其中，T(n_i,p_c,L_i,K)表示第i帧的总吞吐量。

进一步的，所述随机退避策略为：

在SCMA免授权接入模式下，设最大复用用户数量为K，当第i帧中有k个用户选择相同的资源块时，如果k≤K，则k个用户的传输不发生碰撞并成功解码；如果k＞K，k个用户的传输发生碰撞并解码失败，k个用户以碰撞概率跳过第i帧，碰撞和排队的每个用户选择另一帧中的随机时隙作为等待时隙，并在等待时隙中等待下一次传输，传输尝试次数加一；当一个用户的传输尝试次数到达M且该用户的传输仍未成功解码，则丢弃该用户传输的数据包，其中，M为传输尝试次数阈值。

进一步的，随机退避策略下的SCMA免授权接入的方法为：

在第i帧中，每个用户的起始状态为非活跃状态OFF，每个用户以

的概率从非活跃状态OFF转移到活跃状态ON，其中，非活跃状态OFF表示用户不传输数据包的状态，活跃状态ON表示用户传输数据包的状态，p_c表示碰撞概率；

在活跃状态ON下，当用户第m次尝试传输数据包时，用户以

的概率随机选择等待时隙x，并进入第m次等待时隙状态(m,x)，其中，m∈[1,M]，x∈[0，W-1]，W为SCMA免授权接入的最大时隙；

当用户到达第m次尝试传输状态(m,0)时，用户以1-p_c的概率尝试传输数据包，如果传输成功，则用户首先进入传输成功状态SUCC，随后进入非活跃状态OFF，如果传输失败，则用户以p_c的概率进入第m+1次等待时隙状态(m+1,x)，等待第m+1次传输数据包；

如果用户尝试M次传输数据包后仍未成功，则认为用户传输的数据包超过时延限制，将该数据包丢弃，用户首先进入传输失败状态FAIL，随后进入非活跃状态OFF。

进一步的，免授权接入状态转移概率的表达式如下：

其中，b_s为免授权接入状态转移概率，b_on表示用户在活跃状态ON下的概率，b_off表示用户在非活跃状态OFF下的概率，b_fail表示用户在传输失败状态FAIL下的概率，b_m,0表示用户在第m次尝试传输状态(m,0)下的概率，b_m,x表示用户在第m次等待时隙状态(m,x)下的概率，b_succ表示用户在传输成功状态SUCC下的概率。

进一步的，计算SCMA免授权接入的碰撞概率和预期用户数量的方法为：

利用每一帧的总吞吐量获得碰撞概率的计算公式：

其中，p_c表示碰撞概率，T(λ,L_i,K)表示SCMA免授权接入模式下第i帧的总吞吐量，λ表示预期用户数量，L_i表示第i帧中可用的免授权正交资源块数，K为最大复用用户数量；

根据免授权接入状态转移概率，通过马尔科夫链分析每个免授权接入状态下的预期用户数量，计算公式如下：

其中，N为SCMA免授权接入中的用户数量，M为传输尝试次数阈值，b_m,0表示用户在第m次尝试传输状态(m,0)下的概率，b_off表示用户在非活跃状态OFF下的概率，W为SCMA免授权接入的最大时隙；

对碰撞概率和预期用户数量的计算公式进行联立求解，获得SCMA免授权接入的碰撞概率p_c和预期用户数量λ。

进一步的，获得时延限制下数据包传输的可靠性的方法为：

根据碰撞概率p_c和预期用户数量λ获得时延限制下数据包传输的可靠性：

其中，R表示时延限制下数据包传输的可靠性，β_k表示每一帧中在非活跃状态OFF下存在k个用户的概率，n_i表示第i帧中的用户总数，

进一步的，利用改进的二分法优化MPR能力值的方法为：

(1)初始化K^l＝1和K^x＝K^max，其中，K^l和K^x分别为改进的二分法的中间变量，K^max为MPR能力的最大值；

(2)令K＝K^l+[(K^x-K^l)/2]，计算MPR能力值为K时时延限制下数据包传输的可靠性R，并将R与预设的可靠性要求R^th比较；

(3)如果R≠R^th，当R＜R^th时，令K^x＝K，当R＞R^th时，令K^l＝K，并返回步骤(2)，如果R＝R^th，进入步骤(4)；

(4)令K^min＝K，K^min即为满足URLLC需求的MPR最佳能力值。

采用以上技术手段后可以获得以下优势：

本发明提出了一种基于SCMA免授权接入的多包接收业务质量优化方法，针对SCMA免授权接入场景，利用马尔科夫链方法对随机退避策略下的用户进行免授权接入的所有可能状态进行分析，计算其状态转移概率，并以此得到时延限制下免授权接入中数据包传输的可靠性，为解决MPR增大了算法和硬件复杂度的问题，本发明方法在时延和可靠性的约束下利用改进的二分法优化MPR能力值K，最终得到使资源利用率和可靠性折中的MPR最佳能力值，提高URLLC场景下SCMA免授权接入的性能。

本发明方法能够满足URLLC业务的时延限制可靠性需求，同时降低了MPR算法和硬件复杂度，提高了免授权接入技术的资源利用率，减小了免授权接入时延，增大了系统吞吐量。

附图说明

图1为本发明实施例中SCMA编码示意图；

图2为本发明实施例中K＝2时的MPR系统模型图；

图3为本发明基于SCMA免授权接入的多包接收业务质量优化方法的步骤流程图；

图4为本发明实施例中随机退避策略下SCMA免授权接入的状态转移示意图；

图5为本发明实施例中可用资源块数L_i与吞吐量T的关系图；

图6为本发明实施例中时延限制下可靠性与平均到达率的关系图；

图7为本发明实施例中MPR最佳能力值K^min与平均到达率的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：

本发明提出了一种基于SCMA免授权接入的多包接收业务质量优化方法，SCMA可以通过向终端分配不同的码本来实现非正交多址访问，图1给出了本发明SCMA免授权接入模式下，SCMA编码器将来自不同SCMA数据层的码字叠加在一起进行传输的过程，图中复用了4个无线资源单元，通过SCMA编码器，6个用户的发送信号通过相应的调制扩频被映射到4个正交资源块上，形成多维码字，进一步通过每个用户的多维码字进行非正交传输，实现SCMA系统的资源复用。图2给出了最大复用用户数量K＝2时的MPR系统模型图解，描述了当前帧中，复用用户数超过限定数量2时，会产生碰撞，因此需要建立一个随机退避机制来降低碰撞概率，如图2中的B发生碰撞，需要在下一帧中重新传输，选择资源块A和B，使得所有用户的传输都能成功解码，提高整个系统的传输效率。

在URLLC场景下将免授权接入与SCMA相结合，如图3所示，本发明方法具体包括如下步骤：

步骤A、通过单帧分析获得SCMA免授权接入模式下每一帧的总吞吐量。

为了提高SCMA免授权接入的传输效率，本发明设计了一个随机退避策略来降低碰撞概率，该随机退避策略的具体内容为：

在SCMA免授权接入模式下，设最大复用用户数量为K，当第i帧中有k个用户选择相同的资源块时，如果k≤K，则k个用户的传输不发生碰撞并成功解码；如果k＞K，k个用户的传输发生碰撞并解码失败，为了控制负载，k个用户以碰撞概率跳过第i帧，碰撞和排队的每个用户选择另一帧中的随机时隙作为等待时隙，并在等待时隙中等待下一次传输，传输尝试次数加一；当一个用户的传输尝试次数到达M且该用户的传输仍未成功解码，则丢弃该用户传输的数据包，其中，M为传输尝试次数阈值，最大时隙为W，每个时隙长度定义为τ，因此SCMA免授权接入的时延限制为Wτ。在本发明方法中，每次发生碰撞后，用户将随机选择新的等的时隙，而不必总是选择最大的等待时隙数。

在随机退避策略下，步骤A的具体操作如下：

步骤A01、定义k条件下的概率分布，即k个用户选择同一个资源块的概率

为：

其中，

为第i帧中未碰撞的用户数，L_i表示第i帧中可用的免授权正交资源块数，

I为帧总数。

步骤A02、由于

是第i帧中的所有用户数n_i和碰撞概率p_c的函数，因此，若每个RB都能负载

个用户，在给定n_i，考虑到碰撞概率p_c和可用的免授权正交资源块数L_i的情况下，重新定义第i帧中k个用户选择同一资源块的概率为q(k|p_c,L_i,n_i)。

在SCMA免授权接入模式下以帧为单位对用户传输进行分析，则q(k|p_c,L_i,n_i)的表达式如下：

其中，p_c表示碰撞概率，n_i表示第i帧中的用户总数。

步骤A03、定义每帧的吞吐量为成功解码用户的数量，根据q(k|p_c,L_i,n_i)计算第i帧中每个资源块的预期吞吐量，具体公式如下：

其中，

表示第i帧中每个资源块的预期吞吐量，括号()内的参数表示预期吞吐量

包含的所有变量，K为最大复用用户数量。

步骤A04、根据

计算第i帧的总吞吐量，具体公式如下：

其中，T(n_i,p_c,L_i,K)表示第i帧的总吞吐量。

步骤B、由于一帧中排队的用户数取决于新到达的用户和其避退的方案，所以单帧分析无法预测预期的延迟和可靠性，因此，本发明在进行单帧分析后，利用马尔可夫链对随机退避策略下的SCMA免授权接入进行稳态分析，研究其稳态性能，获得免授权接入状态转移概率。

如图4所示，随机退避策略下的SCMA免授权接入的方法如下：

(1)在第i帧中，每个用户的起始状态为非活跃状态OFF，每个用户以

的概率从非活跃状态OFF转移到活跃状态ON，其中，非活跃状态OFF表示用户不传输数据包(不需要将携带的数据包接入到资源块)的状态，活跃状态ON表示用户传输数据包的状态。

(2)在活跃状态ON下，用户开始尝试传输数据包，用户每一次尝试传输数据包的状态可以称为活跃状态ON的子状态(即等待时隙状态)。当用户第m次尝试传输数据包时，用户以

的概率随机选择等待时隙x，并进入第m次等待时隙状态(m,x)，其中，m∈[1,M]，x∈[0，W-1]，W为SCMA免授权接入的最大时隙。

(3)当用户到达第m次尝试传输状态(m,0)时，用户以1-p_c的概率尝试传输数据包，如果传输成功，则用户首先进入传输成功状态SUCC，随后进入非活跃状态OFF，用户可以在非活跃状态OFF下生成下一个数据包，并再次进行数据包传输；如果第m次尝试传输失败，则用户以p_c的概率进入第m+1次等待时隙状态(m+1,x)，等待第m+1次传输数据包。

(4)如果用户尝试M次传输数据包后仍未成功，则认为用户传输的数据包超过时延限制，将该数据包丢弃，用户首先进入传输失败状态FAIL，随后进入非活跃状态OFF，使得时延限制下的可靠性降低。

基于图4利用全局平衡方程将免授权接入状态转移概率表示为函数b_off，则免授权接入状态转移概率的表达式如下：

其中，b_s为免授权接入状态转移概率，b_on表示用户在活跃状态ON下的概率，b_off表示用户在非活跃状态OFF下的概率，b_fail表示用户在传输失败状态FAIL下的概率，b_m,0表示用户在第m次尝试传输状态(m,0)下的概率，b_m,x表示用户在第m次等待时隙状态(m,x)下的概率，b_succ表示用户在传输成功状态SUCC下的概率。

令

S为SCMA免授权接入的所有状态的集合，则用户非活跃状态下的概率的表达式为：

步骤C、根据总吞吐量和免授权接入状态转移概率计算SCMA免授权接入的碰撞概率和预期用户数量，并获得时延限制下数据包传输的可靠性，具体操作如下：

步骤C01、定义状态b_m,0下的预期用户数量为λ，即传输用户的平均有效数量

则λ为n_i和p_c的函数，用λ代替公式(11)中的n_i和p_c可得T(λ,L_i,K)，利用每一帧的总吞吐量和预期用户数量获得碰撞概率的计算公式：

其中，T(λ,L_i,K)表示SCMA免授权接入模式下第i帧的总吞吐量。

步骤C02、根据免授权接入状态转移概率，通过马尔科夫链分析每个免授权接入状态下的预期用户数量，计算公式如下：

其中，N为SCMA免授权接入中的用户数量，M为传输尝试次数阈值，b_m,0表示用户在第m次尝试传输状态(m,0)下的概率。

步骤C03、对碰撞概率和预期用户数量的计算公式进行联立求解，即对公式(14)、(15)进行联立求解，获得SCMA免授权接入的碰撞概率p_c和预期用户数量λ。

步骤C04、定义一个短帧中在非活跃状态OFF下存在k个用户的概率β_k为：

在时延Wτ约束下，定义每个短帧中成功传输的数据包和到达数据包比率的平均值γ_k为：

根据碰撞概率p_c、预期用户数量λ、β_k和γ_k获得时延时延限制为Wτ限制下数据包传输的可靠性：

其中，R表示时延限制下数据包传输的可靠性。

步骤D、为解决MPR增大了算法和硬件复杂度的问题，根据时延限制下数据包传输的可靠性，利用改进的二分法优化MPR能力值，获得满足URLLC需求的MPR最佳能力值，以最小的代价实现URLLC的性能要求，以实现资源利用率和可靠性的最优折中，减小时延的同时增大了吞吐量。

将K^min表示为实现URLLC性能要求所需的MPR能力最小值，K^min满足下式：

K^min＝min{K:R≥R^th,K≤K^max,K∈Z}

其中，R^th表示W个时隙延迟范围内的可靠性要求，Z为整数集，K^max为MPR能力的最大值，K^max受到基站的接收硬件限制，如接收天线的数量等。

步骤D01、初始化K^l＝1和K^x＝K^max，定义MPR能力的最大值和最小值界限，其中，K^l和K^x分别为改进的二分法的中间变量。

步骤D02、令K＝K^l+[(K^x-K^l)/2]，根据公式(18)计算MPR能力值为K时时延限制下数据包传输的可靠性R，并将R与预设的可靠性要求R^th比较。

步骤D03、如果R≠R^th，当R＜R^th时，说明一个资源块接收的数据包过多，导致可靠性降低，令K^x＝K，以此降低MPR能力，当R＞R^th时，说明一个资源块接收的数据包小于其最大容限值，令K^l＝K，以此增大MPR能力，并返回步骤D02，重新计算K值；如果R＝R^th，进入步骤D04。

步骤D04、令K^min＝K，K^min即为满足URLLC需求的MPR最佳能力值。

在本发明实施例中，随着MPR能力值K的改变，可用资源块数L_i与吞吐量T的关系如图5所示，其中，特殊情况K＝1是遗留碰撞通道模型，此时任何碰撞都是不可恢复的。分析表明，对于任意K值，吞吐量T都随着L_i的增加渐进地趋于n_ip_c，其中n_i取100，p_c取0.35。图5表明虽然吞吐量会随着K值的增大而增长，但由于受到时延和随机退避策略的限制，随着可用资源数和K值的增大，可能会导致丢包率的增加，造成吞吐量无法持续增长，最终趋于一个平稳值，与时延限制下的可靠性保持折中关系。

在本发明实施例中，当实验限制Wτ＝0.5ms时，随着MPR能力值K的改变，时延限制下可靠性与平均到达率的关系如图6所示，随着平均到达率的增大，时延限制下的可靠性渐进地增加，且K值越小时，时延限制下的可靠性越大。这表明，多包接收力虽然提高了资源利用率，但其实现却付出了多用户检测算法或硬件复杂度的代价，极大地增加了保证用户数据传输可靠性的难度，但本发明方法仍然保持了时延限制下可靠性的增长趋势，充分利用了MPR的能力，实现了资源利用率和时延限制下可靠性的最优折中。

在本发明实施例中，在URLLC的场景下，可靠性要求为99.999％，时延限制为Wτms，即可靠性必须在Wτ内确保为99.999％，其中，时隙长度τ设为0.1ms，K^max设为8。图7为URLLC所需MPR最佳能力值K^min与平均到达率的关系图，可以看出，K^min随平均到达率的增大而增大，随时延范围的增大而减小，而且，两者的增加趋势和减少趋势都呈现出逐步增加的趋势。

本发明方法从对时延和可靠性的性能要求出发，将免授权接入与SCMA相结合，由于码本的稀疏特性，SCMA通过MPA接收机仍然可以对重叠信号进行解码，并根据不同的导频序列，识别来自不同终端的数据，实现多包接收，提高资源利用率。针对SCMA复用用户的碰撞问题，本发明建立了一个随机退避机制来降低碰撞概率，根据马尔可夫链导出的时延和可靠性能指标，在时延和可靠性约束下，本发明利用一种改进的二分法来优化得到最小的MPR能力值K，实现资源利用率和可靠性的最优折中方法，减小了时延同时增大了吞吐量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于SCMA免授权接入的多包接收业务质量优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过单帧分析获得SCMA免授权接入模式下每一帧的总吞吐量；

利用马尔可夫链对随机退避策略下的SCMA免授权接入进行稳态分析，获得免授权接入状态转移概率；

根据总吞吐量和免授权接入状态转移概率计算SCMA免授权接入的碰撞概率和预期用户数量，并获得时延限制下数据包传输的可靠性；

根据时延限制下数据包传输的可靠性，利用改进的二分法优化MPR能力值，获得满足URLLC需求的MPR最佳能力值。

2.根据权利要求1所述的基于SCMA免授权接入的多包接收业务质量优化方法，其特征在于，通过单帧分析获得SCMA免授权接入模式下每一帧的总吞吐量的方法为：

在SCMA免授权接入模式下以帧为单位对用户传输进行分析，获得第i帧中k个用户选择同一资源块的概率：

其中，q(k|p_c,L_i,n_i)表示第i帧中k个用户选择同一资源块的概率，p_c表示碰撞概率，L_i表示第i帧中可用的免授权正交资源块数，n_i表示第i帧中的用户总数，

I为帧总数；

根据q(k|p_c,L_i,n_i)计算第i帧中每个资源块的预期吞吐量：

其中，

表示第i帧中每个资源块的预期吞吐量，K为最大复用用户数量；

根据

计算第i帧的总吞吐量：

其中，T(n_i,p_c,L_i,K)表示第i帧的总吞吐量。

3.根据权利要求1所述的基于SCMA免授权接入的多包接收业务质量优化方法，其特征在于，所述随机退避策略为：

在SCMA免授权接入模式下，设最大复用用户数量为K，当第i帧中有k个用户选择相同的资源块时，如果k≤K，则k个用户的传输不发生碰撞并成功解码；如果k＞K，k个用户的传输发生碰撞并解码失败，k个用户以碰撞概率跳过第i帧，碰撞和排队的每个用户选择另一帧中的随机时隙作为等待时隙，并在等待时隙中等待下一次传输，传输尝试次数加一；当一个用户的传输尝试次数到达M且该用户的传输仍未成功解码，则丢弃该用户传输的数据包，其中，M为传输尝试次数阈值。

4.根据权利要求3所述的基于SCMA免授权接入的多包接收业务质量优化方法，其特征在于，随机退避策略下的SCMA免授权接入的方法为：

在第i帧中，每个用户的起始状态为非活跃状态OFF，每个用户以

的概率从非活跃状态OFF转移到活跃状态ON，其中，非活跃状态OFF表示用户不传输数据包的状态，活跃状态ON表示用户传输数据包的状态，p_c表示碰撞概率；

在活跃状态ON下，当用户第m次尝试传输数据包时，用户以

的概率随机选择等待时隙x，并进入第m次等待时隙状态(m,x)，其中，m∈[1,M]，x∈[0，W-1]，W为SCMA免授权接入的最大时隙；

当用户到达第m次尝试传输状态(m,0)时，用户以1-p_c的概率尝试传输数据包，如果传输成功，则用户首先进入传输成功状态SUCC，随后进入非活跃状态OFF，如果传输失败，则用户以p_c的概率进入第m+1次等待时隙状态(m+1,x)，等待第m+1次传输数据包；

如果用户尝试M次传输数据包后仍未成功，则认为用户传输的数据包超过时延限制，将该数据包丢弃，用户首先进入传输失败状态FAIL，随后进入非活跃状态OFF。

5.根据权利要求1或4所述的基于SCMA免授权接入的多包接收业务质量优化方法，其特征在于，免授权接入状态转移概率的表达式如下：

其中，b_s为免授权接入状态转移概率，b_on表示用户在活跃状态ON下的概率，b_off表示用户在非活跃状态OFF下的概率，b_fail表示用户在传输失败状态FAIL下的概率，b_m,0表示用户在第m次尝试传输状态(m,0)下的概率，b_m,x表示用户在第m次等待时隙状态(m,x)下的概率，b_succ表示用户在传输成功状态SUCC下的概率。

6.根据权利要求1所述的基于SCMA免授权接入的多包接收业务质量优化方法，其特征在于，计算SCMA免授权接入的碰撞概率和预期用户数量的方法为：

利用每一帧的总吞吐量获得碰撞概率的计算公式：

其中，p_c表示碰撞概率，T(λ,L_i,K)表示SCMA免授权接入模式下第i帧的总吞吐量，λ表示预期用户数量，L_i表示第i帧中可用的免授权正交资源块数，K为最大复用用户数量；

根据免授权接入状态转移概率，通过马尔科夫链分析每个免授权接入状态下的预期用户数量，计算公式如下：

其中，N为SCMA免授权接入中的用户数量，M为传输尝试次数阈值，b_m,0表示用户在第m次尝试传输状态(m,0)下的概率，b_off表示用户在非活跃状态OFF下的概率，W为SCMA免授权接入的最大时隙；

对碰撞概率和预期用户数量的计算公式进行联立求解，获得SCMA免授权接入的碰撞概率p_c和预期用户数量λ。

7.根据权利要求6所述的基于SCMA免授权接入的多包接收业务质量优化方法，其特征在于，获得时延限制下数据包传输的可靠性的方法为：

根据碰撞概率p_c和预期用户数量λ获得时延限制下数据包传输的可靠性：

其中，R表示时延限制下数据包传输的可靠性，β_k表示每一帧中在非活跃状态OFF下存在k个用户的概率，n_i表示第i帧中的用户总数，

8.根据权利要求1所述的基于SCMA免授权接入的多包接收业务质量优化方法，其特征在于，利用改进的二分法优化MPR能力值的方法为：

(1)初始化K^l＝1和K^x＝K^max，其中，K^l和K^x分别为改进的二分法的中间变量，K^max为MPR能力的最大值；

(2)令K＝K^l+[(K^x-K^l)/2]，计算MPR能力值为K时时延限制下数据包传输的可靠性R，并将R与预设的可靠性要求R^th比较；

(3)如果R≠R^th，当R＜R^th时，令K^x＝K，当R＞R^th时，令K^l＝K，并返回步骤(2)，如果R＝R^th，进入步骤(4)；

(4)令K^min＝K，K^min即为满足URLLC需求的MPR最佳能力值。

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