CN116437364B - 一种非授权频段5g新空口多址接入机制切换方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信技术领域，公开了一种非授权频段5G新空口多址接入机制切换方法及系统，通过建立统一化模型，在得到3GPP公平和数据率公平约束下共存网络最大有效吞吐量和最优网络参数显示表达式的基础上，得出最优化参数；提出与WiFi公平共生的非授权频段5G新空口多址接入机制自适应选择方法，根据网络参数不同，自适应选择不同的多址接入机制，以最大化共生网络吞吐量性能。本发明的仿真实验表明，通过优化设置，在3GPP公平或数据率公平约束下，无论选用哪种多址接入机制，NR‑U与WiFi共生网络都能达到有效吞吐量最大化；且在不同标准参数下，使用本技术提出的多址接入机制选择方法，可实现网络有效吞吐量性能最优化。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种非授权频段5G新空口多址接入机制切换方法及系统。
背景技术
近年来，随着虚拟现实、增强现实、物联网等大流量应用的普及，在用户无线传输需求日益增长下频谱资源短缺已成为第五代通信技术亟需解决的难题。有限的已授权频谱资源愈发难以满足急剧增长的数据吞吐需求，如何充分利用非授权频段、发展授权频段共享技术已得到了包括美国联邦通信委员会FCC、欧洲通信委员会ECC的多国政府组织和3GPP等国际标准化组织的关注与推动。而在5GHz等非授权频段，若直接引入基于集中式接入的蜂窝网络系统，会对统一频段下使用基于检测的随机接入技术的WiFi系统造成巨大干扰，带来频谱利用率下降和公平性等问题。为保证在非授权频段下不同接入技术的公平共存，有两类频谱共享技术得到了广泛关注，包括以带有冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA/CA)为代表的先听后说(LBT)技术和以负载循环(Duty Cycle)为代表的非先听后说(Non-LBT)技术。在第四代通信技术中，两类技术分别应用于3GPP组织在Release 13版本标准提出的LTE-LAA标准和LTE-U Forum组织提出的LTE-U标准中。而在3GPP在2020年7月冻结的5G新空中接口第二阶段Release 16版本标准中，作为4G LTE-LAA技术的迭代，发布了首个支持在6Ghz非授权频段工作的5G新空口(5G New Radio Unlicensed，5G NR-U)技术。而在如美国、中国、韩国和印度等国家，不强制要求在信道接入时进行信道侦听。因此，5G NR-U在不同参数要求下，如何选择其MAC层接入机制和相关网络参数，以最大化网络吞吐量性能，仍是待解决的问题。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：在5GHz等非授权频段，若直接引入基于集中式接入的蜂窝网络系统，会对统一频段下使用基于检测的随机接入技术的WiFi系统造成巨大干扰，带来频谱利用率下降和公平性等问题。而5G NR-U协议现有方法仅使用基于LBT的信道接入机制，在部分网络环境下无法达到最优吞吐量性能以及充分利用频谱资源。因在信道接入时LBT机制在部分国家不被强制要求，在不同网络参数要求下，如何在部署5G NR-U网络时选择最适合的信道接入机制，仍是待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种非授权频段5G新空口多址接入机制切换方法及系统，尤其涉及一种面向与WiFi公平共生的非授权频段5G新空口多址接入机制切换方法、系统、介质、设备及终端。
本发明是这样实现的，一种非授权频段5G新空口多址接入机制切换方法，所述非授权频段5G新空口多址接入机制切换方法包括：通过建立统一化模型，在得到3GPP公平和数据率公平约束下共存网络最大有效吞吐量和最优网络参数显示表达式的基础上，得出最优化参数；提出与WiFi公平共生的非授权频段5G新空口多址接入机制自适应选择方法，根据网络参数不同，自适应选择不同的多址接入机制，以最大化共生网络吞吐量性能。
进一步，所述非授权频段5G新空口多址接入机制切换方法包括以下步骤：
步骤一，构建网络场景并获取共生网络系统参数；
步骤二，计算3GPP公平、数据率公平约束下网络最优吞吐量参数；
步骤三，计算3GPP公平、数据率公平约束下的网络性能阈值函数并进行5G NR-U网络多址接入机制选择；
步骤四，使用所选5G NR-U网络多址接入机制和网络最优吞吐量参数部署网络并进行仿真验证。
进一步，所述步骤一中的构建网络场景并获取共生网络系统参数包括：
共存网络中存在一个WiFi接入点和一个5G NR-U基站，分别与n(W)-1个WiFi节点和n(NR)-1个NR-U设备相连接；其中，WiFi网络在MAC层采用IEEE802.11DCF协议进行传输，且每个节点采用相同的退避参数，包括初始退避窗口值W(W)，最大退避等级K(W)以及最大退避窗口保持次数值m(W)；当WiFi节点接入信道时，将以R(W)的物理层数据传输速率发送一个长PL(W)的数据包，若成功传输，其占用信道时长为若传输失败，其占用信道时长为τF；对于5GNR-U网络，MAC层接入机制为“先听后说”LBT信道接入方案策略或非先听后说Non-LBT的CSAT信道接入方案策略。其中，基于CSAT的5G NR-U设备采用相同的时隙周期TDC和周期占空比β，周期占空比β表示一个周期内5G NR-U节点所占时长比例；而基于LBT的5G NR-U节点，与WiFi节点类似，采用相同的初始退避窗口值W(NR)、最大退避等级K(NR)、最大退避保持次数m(NR)、传输机会TXOP值T(NR)和可选择时隙值σ(NR)，若传输成功，其将占用信道时长为/>若传输失败，其假设其占用信道时长与WiFi相同，为τF；与WiFi节点不同的是，NR-U节点在接入信道时，随节点的优先级不同，所使用的传输机会TXOP值不同。
进一步，所述步骤二中的计算3GPP公平、数据率公平约束下网络最优吞吐量参数包括：
为满足3GPP公平要求，需保证WiFi网络在NR-U与WiFi共存网络中的吞吐量不低于WiFi与WiFi共存网络中的吞吐量/>即满足条件其中/>为5G NR-U与WiFi共生网络总吞吐量/>在满足3GPP公平下的最大值。特别地，对于基于CSAT的5G NR-U与WiFi共存网络，即需满足条件/>此时共存网络最大有效吞吐量为其中/> σ为时隙长度，取值为9μs，基于CSAT的NR-U节点最优占空比为WiFi节点最佳初始退避窗口为其中/>而对于基于LBT的NR-U与WiFi共存网络，即需满足条件/>当时，/>其中ηmax,WiFi+WiFi为WiFi与WiFI共存网络所能达到的最大网络吞吐量,/>NR-U节点和WiFi节点最佳初始退避窗口值为/>相反，当γ*≤1时，在3GPP条件下所能达到的最大网络吞吐量与WiFi与WiFi共存网络所能达到的最大网络吞吐量一致，/>此时NR-U的初始退避窗口值为无穷大，NR-U的节点被限制传输，而WiFi节点初始退避窗口为/>
为满足数据率公平要求，需保证NR-U与WiFi共存网络中两类网络有效吞吐量相等，需满足条件其中/>为5G NR-U与WiFi共生网络总吞吐量在满足数据率公平下的最大值。特别地，对于基于CSAT的NR-U与WiFi共存网络，即需满足条件/>此时共存网络最大有效吞吐量为基于CSAT的NR-U节点的最优占空比为WiFi节点的最优初始退避窗口为而对于基于LBT的NR-U与WiFi共存网络，即需满足条件/>则共存网络的最大有效吞吐量为基于LBT的NR-U节点最优初始退避窗口为/>WiFi节点的最优初始退避窗口为
进一步，所述步骤三中的计算3GPP公平、数据率公平约束下的网络性能阈值函数并进行5G NR-U网络多址接入机制选择包括：
在3GPP公平约束下，γ*>1时，共生网络阈值函数f3GPP(networkparameters)为
而对于γ*≤1，共生网络阈值函数f3GPP(networkparameters)为
基于上述阈值函数，当f3GPP(network parameters)＝0时，共存网络中NR-U节点多址接入机制选择CSAT或LBT，有效吞吐量均相等；当f3GPP(network parameters)>0时，NR-U节点多址接入机制应选择CSAT机制，以获得更优的共生网络有效吞吐量性能；当f3GPP(network parameters)<0则应选择LBT机制。当其他网络参数固定，TDC与TNR取不同的标准参数时，如图3所示，落在图上方阴影部分的点选择CSAT机制，而落在图下方的点应则选择LBT机制，达到吞吐量性能最优。
在数据率公平约束下，计算阈值函数fDF(network parameters)
当fDF(network parameters)＝0时，共存网络中NR-U节点多址接入机制选择CSAT或LBT，有效吞吐量均相等；当fDF(network parameters)>0时，应选择CSAT作为NR-U节点的多址接入机制，以获得更优的共存网络有效吞吐量性能，反之fDF(network parameters)<0则应选择LBT机制。在数据率公平约束下，当其他网络参数固定，TDC与T(NR)取不同的标准参数值时，为使共存网络吞吐量性能最优，如图5所示，落在图上方阴影部分的点选择CSAT机制，而落在图下方的点则选择LBT机制。
进一步，所述步骤四中的使用所选5G NR-U网络多址接入机制和网络最优吞吐量参数部署网络并进行仿真验证包括两个部分，一是NR-U与WiFi共存网络在3GPP公平约束下，作使用固定多址接入机制与使用多址接入机制选择方法两种情况下共生网络最优吞吐量的对比。因在3GPP公平约束下，多址接入机制选择方法与NR-U可调整时隙σ(NR)和NR-U与WiFi节点数量的比值都相关，仿真验证实验分别改变σ(NR)与/>看共存网络在固定多址接入方式与自适应多址接入方式下，有效吞吐量的变化；二是在NR-U与WiFi共存网络在数据率公平约束下，作使用固定多址接入机制与使用提出的多址接入机制选择方法两种情况下共存网络最优吞吐量的对比，因在数据率公平约束下，多址接入机制选择方法与无关，仿真实验为验证共存网络在固定多址接入方式与自适应多址接入方式下，有效吞吐量随NR-U可调整时隙σ(NR)的变化情况。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的非授权频段5G新空口多址接入机制切换方法的非授权频段5G新空口多址接入机制切换系统，所述非授权频段5G新空口多址接入机制切换系统包括：
场景构建模块，用于构建网络场景并获得共生网络系统参数；
网络最优吞吐量参数计算模块，用于计算3GPP公平、数据率公平约束下网络最优吞吐量参数；
多址接入机制选择模块，用于计算3GPP公平、数据率公平约束下的网络性能阈值函数并进行5G NR-U网络多址接入机制选择；
仿真验证模块，用于使用所选5G NR-U网络多址接入机制和网络最优吞吐量参数部署网络并通过仿真验证实验进行仿真验证b。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述的非授权频段5G新空口多址接入机制切换方法的步骤。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述的非授权频段5G新空口多址接入机制切换方法的步骤。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的非授权频段5G新空口多址接入机制切换系统。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一，针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
本发明提供的非授权频段5G新空口多址接入机制切换方法，通过建立合适的理论模型，在得到3GPP公平和数据率公平约束下共存网络最大有效吞吐量和最优网络参数显示表达式的基础上，得出在不同标准参数下，NR-U节点应如何选择其使用的多址接入机制，以使得网络吞吐量性能最优化。仿真实验表明，通过优化设置，在3GPP公平或数据率公平约束下，无论选用哪种多址接入机制，NR-U与WiFi共生网络都能达到有效吞吐量最大化；且在不同标准参数下，使用本技术提出的多址接入机制选择方法，可实现网络有效吞吐量性能最优化。
本发明提供的非授权频段5G新空口多址接入机制切换方法可在不同情况下自适应选择与WiFi公平共生的非授权频段5G新空口多址接入机制，在满足3GPP公平和数据率公平条件下，最优化共生网络的有效吞吐量性能。本技术方法针对5G NR-U的新特性，进行技术方法分析，主要涉及以下两个部分：第一，本技术通过建立统一化模型，在不同公平性约束下分别对两类共存网络的有效吞吐量进行了最大化推导，并得出了最优化参数；第二，本技术提出了一种共生网络中NR-U节点随机接入机制选择方法，根据网络参数不同，可自适应选择不同的多址接入机制，以最大化共生网络吞吐量性能，提高信道利用效率。
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
本发明通过仿真验证实验，可证明使用本技术方法提出的与WiFi公平共生的非授权频段5G新空口多址接入机制自适应选择方案，在数据率公平和3GPP公平约束下都能达到比使用固定接入机制更优的网络有效吞吐量性能。
第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：
在5G NR-U设备部署时，通过使用本技术方法提供的与WiFi公平共生的非授权频段5G新空口多址接入机制自适应选择方案，可最大化网络性能、提高非授权频谱利用率，是提高5G NR-U设备吞吐量性能的解决方案。
(2)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：
本发明的技术方案所提供的与WiFi公平共生的非授权频段5G新空口多址接入机制自适应选择方案，对5G NR-U的多址接入机制选择问题进行了指导，对现有5G NR-U MAC层协议进行了补充，填补了5G NR-U多址接入技术选择技术领域的空白。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述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的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的非授权频段5G新空口多址接入机制切换方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的5G NR-U与WiFi网络共存场景图；
图3是本发明实施例提供的在3GPP公平约束下，基于LBT的5G NR-U与WiFi共存网络有效吞吐量和基于CSAT的5G NR-U与WiFi共存网络最优吞吐量相等时，随/>变化图；NR-U时隙值vNR＝500μs，时隙周期标准值TDC＝80,160ms，传输机会TXOP标准值TNR＝2,3,8,8ms；
图4是本发明实施例提供的在3GPP公平约束下，基于LBT的5G NR-U与WiFi共存网络有效吞吐量和基于CSAT的5G NR-U与WiFi共存网络最优吞吐量相等时，随/>变化图；图(a)为NR-U时隙值σ(NR)＝125,250,500,1000μs；图(b)为NR-U时隙值σ(NR)＝1000μs，节点数量比值/>
图5是本发明实施例提供的在数据率公平约束下，基于LBT的5G NR-U与WiFi共存网络有效吞吐量和基于CSAT的5G NR-U与WiFi共存网络最优吞吐量相等时，随/>变化图；NR-U时隙值σNR＝250μs，时隙周期标准值TDC＝80,160ms，传输机会TXOP标准值TNR＝2,3,8,8ms；
图6是本发明实施例提供的在数据率公平约束下，当基于LBT的5G NR-U与WiFi共存网络有效吞吐量和基于CSAT的5G NR-U与WiFi共存网络最优吞吐量相等，NR-U时隙值取σ(NR)＝125,250,500,1000μs时，随/>变化图；
图7是本发明实施例提供的在3GPP公平约束下，共存网络总有效吞吐量随NR-U时隙值σ(NR)变化图；WiFi节点数量n(W)＝10，NR-U节点数量n(NR)＝50，基于LBT的NR-U节点TXOP值TNR＝3ms，基于CSAT的NR-U节点时隙周期值TDC＝80ms；
图8是本发明实施例提供的在3GPP公平约束下，共存网络总有效吞吐量随NR-U节点数量n(NR)变化图；WiFi节点数量n(W)＝10，NR-U时隙值σ(NR)＝250μs，基于LBT的NR-U节点TXOP值TNR＝3ms，基于CSAT的NR-U节点时隙周期值TDC＝80ms；
图9是本发明实施例提供的在数据率公平约束下，共存网络总有效吞吐量随NR-U时隙值σ(NR)变化图；WiFi节点数量n(W)＝10，NR-U节点数量n(NR)＝50，基于LBT的NR-U节点TXOP值TNR＝3ms，基于CSAT的NR-U节点时隙周期值TDC＝160ms。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种非授权频段5G新空口多址接入机制切换方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
如图1所示，本发明实施例提供的非授权频段5G新空口多址接入机制切换方法包括以下步骤：
S101，构建网络场景并获取共生网络系统参数；
S102，计算3GPP公平、数据率公平约束下网络最优吞吐量参数；
S103，计算3GPP公平、数据率公平约束下的网络性能阈值函数并进行5GNR-U网络多址接入机制选择；
S104，使用所选5G NR-U网络多址接入机制和网络最优吞吐量参数部署网络并进行仿真验证。
本技术方法提出了一种在3GPP公平和数据率公平约束下，NR-U与WiFi共生网络多址接入机制选择方案，主要包括构建网络场景并获取共生网络系统参数、公平约束下网络最优吞吐量参数计算、性能阈值函数计算并进行5G NR-U网络多址接入机制选择以及部署网络并仿真验证四个部分。
(1)构建网络场景并获取共生网络系统参数：构建如图2所示网络场景，共存网络中有一个WiFi接入点和一个5G NR-U基站，其分别与n(W)-1个WiFi节点和n(NR)-1个NR-U设备相连接。其中WiFi网络在MAC层采用IEEE 802.11DCF协议进行传输，且每个节点采用相同的退避参数，包括初始退避窗口值W(W)，最大退避等级K(W)以及最大退避窗口保持次数值m(W)，当WiFi节点接入信道时，其将以R(W)的物理层数据传输速率发送一个长PL(W)的数据包，若成功传输，其占用信道时长为若传输失败，其占用信道时长为τF；对于5G NR-U网络，基于CSAT的5G NR-U设备采用相同的时隙周期TDC和周期占空比β(一个周期内5G NR-U节点所占时长比例)，对于基于LBT的5G NR-U设备，与WiFi节点类似，使用相同的初始退避窗口值W(NR)、最大退避等级K(NR)、最大退避保持次数m(NR)、传输机会TXOP值T(NR)和可选择时隙值σ(NR)，若传输成功，其将占用信道时长为/>若传输失败，其假设其占用信道时长与WiFi相同，为τF，与WiFi节点不同的是，NR-U节点在接入信道时，随节点的优先级不同，其所使用的传输机会TXOP值会不同。
(2)计算3GPP公平、数据率公平约束下网络最优吞吐量参数：为满足3GPP公平要求，需保证WiFi网络在NR-U与WiFi共存网络中的吞吐量不低于WiFi与WiFi共存网络中的吞吐量/>即满足条件/>其中/>为5GNR-U与WiFi共生网络总吞吐量/>在满足3GPP公平下的最大值。特别地，对于基于CSAT的NR-U与WiFi共存网络，其需满足条件/>此时共存网络最大有效吞吐量为
其中/>σ为时隙长度，取值为9μs，基于CSAT的NR-U节点最优占空比为/>WiFi节点最佳初始退避窗口为其中/>对于基于LBT的NR-U与WiFi共存网络，其需满足条件/>此时，当时，/>其中ηmax,WiFi+WiFi为WiFi与WiFI共存网络所能达到的最大网络吞吐量,/>NR-U节点和WiFi节点最佳初始退避窗口值为相反，当γ*≤1时，此时在3GPP条件下所能达到的最大网络吞吐量与WiFi与WiFi共存网络所能达到的最大网络吞吐量一致，即/>此时NR-U的初始退避窗口值为无穷大，NR-U的节点被限制传输，而WiFi节点初始退避窗口为/>
为满足数据率公平要求，需保证NR-U与WiFi共存网络中两类网络有效吞吐量相等，及需满足条件其中/>为5G NR-U与WiFi共生网络总吞吐量/>在满足3数据率公平下的最大值。特别地，对于基于CSAT的NR-U与WiFi共存网络，其需满足条件/>此时共存网络最大有效吞吐量为基于CSAT的NR-U节点的最优占空比为/>WiFi节点的最优初始退避窗口为/>对于基于LBT的NR-U与WiFi共存网络，其需满足条件/>此时共存网络的最大有效吞吐量为/>基于LBT的NR-U节点最优初始退避窗口为WiFi节点的最优初始退避窗口为/>
(3)计算3GPP公平、数据率公平约束下的网络性能阈值函数并进行5G NR-U网络多址接入机制选择：基于在3GPP公平和数据率公平约束下的共存网络最优有效吞吐量显式结果，本技术方法提出一种与WiFi公平共生的非授权频段5G新空口多址接入机制自适应选择方法。
在3GPP公平约束下，γ*>1时，共生网络阈值函数f3GPP(network parameters)为
而对于γ*≤1，共生网络阈值函数f3GPP(networkparameters)为
基于上述阈值函数，当f3GPP(network parameters)＝0时，共存网络中NR-U节点多址接入机制选择CSAT或LBT，有效吞吐量均相等；当f3GPP(network parameters)>0时，NR-U节点多址接入机制应选择CSAT机制，以获得更优的共生网络有效吞吐量性能；当f3GPP(network parameters)<0则应选择LBT机制。当其他网络参数固定，TDC与TNR取不同的标准参数时，如图3所示，落在图上方阴影部分的点选择CSAT机制，而落在图下方的点应则选择LBT机制，达到吞吐量性能最优。基于前式，阈值函数不仅与NR-U可调整时隙σ(NR)有关，也与NR-U与WiFi节点数量的比值有关，如图4所示。
在数据率公平约束下，计算阈值函数fDF(network parameters)
当fDF(network parameters)＝0时，共存网络中NR-U节点多址接入机制选择CSAT或LBT，有效吞吐量均相等；当fDF(network parameters)>0时，应选择CSAT作为NR-U节点的多址接入机制，以获得更优的共存网络有效吞吐量性能，反之fDF(network parameters)<0时则应选择LBT机制。在数据率公平约束下，当其他网络参数固定，TDC与T(NR)取不同的标准参数值时，为使共存网络吞吐量性能最优，如图5所示，落在图上方阴影部分的点选择CSAT机制，而落在图下方的点则选择LBT机制。与3GPP公平约束下不同的是，阈值函数与共存网络节点数量无关，仅与NR-U时隙长度σ(NR)有关，变化趋势如图6所示。
(4)使用所选5G NR-U网络多址接入机制和网络最优吞吐量参数部署网络并进行仿真验证：主要包括两个部分，一是NR-U与WiFi共存网络在3GPP公平约束下，作使用固定多址接入机制与使用本技术方法提出的多址接入机制选择方法两种情况下共生网络最优吞吐量的对比。因在3GPP公平约束下，多址接入机制选择方法与NR-U可调整时隙σ(NR)和NR-U与WiFi节点数量的比值都相关，仿真验证实验分别改变σ(NR)与/>看共存网络在固定多址接入方式与自适应多址接入方式下，有效吞吐量的变化；二是NR-U与WiFi共存网络在数据率公平约束下，作使用固定多址接入机制与使用本技术方法提出的多址接入机制选择方法两种情况下共存网络最优吞吐量的对比，因在数据率公平约束下，多址接入机制选择方法与/>无关，仿真实验为验证共存网络在固定多址接入方式与自适应多址接入方式下，有效吞吐量随NR-U可调整时隙σ(NR)的变化情况。通过以上两部分实验，可证明使用本技术方法提出的与WiFi公平共生的非授权频段5G新空口多址接入机制自适应选择方案，在数据率公平和3GPP公平约束下都能达到比使用固定接入机制更优的网络有效吞吐量性能。
本发明实施例提供的非授权频段5G新空口多址接入机制切换系统包括：
网络场景构建模块，用于构建网络场景并获取共生网络系统参数；
最优吞吐量参数计算模块，用于计算3GPP公平、数据率公平约束下网络最优吞吐量参数
多址接入机制选择模块，用于计算不同公平约束下的网络性能阈值函数并进行5GNR-U网络多址接入机制选择；
仿真验证模块，用于使用所选5G NR-U网络多址接入机制和网络最优吞吐量参数部署网络并通过仿真验证实验进行仿真验证。
为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
实施例一：
(1)构建网络场景并获取共生网络系统参数：构建如图2所示网络场景，共存网络中有一个WiFi接入点和一个5G NR-U基站，其分别与n(W)-1个WiFi节点和n(NR)-1个NR-U设备相连接，其中WiFi网络在MAC层采用IEEE 802.11DCF协议进行传输，且网络要求符合3GPP公平。对于WiFi网络，获取如下所示网络参数：初始退避窗口值W(W)，最大退避等级K(W)、最大退避窗口保持次数值m(W)、WiFi节点物理层数据传输速率R(W)、数据包长PL(W)、传输成功时占用信道时长传输失败时占用信道时长τF；对于5G NR-U网络，获取如下所示网络参数：基于CSAT的5G NR-U设备的时隙周期TDC和周期占空比β、基于LBT的5G NR-U设备的初始退避窗口值W(NR)、最大退避等级K(NR)、最大退避保持次数m(NR)、传输机会TXOP值T(NR)、可选择时隙值σ(NR)、成功传输时将占用信道时长为/>传输失败时占用信道时长τF。
(2)计算公平约束下网络最优吞吐量参数：为满足3GPP公平要求，对于基于CSAT的NR-U与WiFi共存网络，其最大有效吞吐量为
其中σ为时隙长度，为基于CSAT的NR-U节点最优占空比。WiFi节点最佳初始退避窗口为/>其中对于基于LBT的NR-U与WiFi共存网络，当时，共生网络最大吞吐量/>其中ηmax,WiFi+WiFi为WiFi与WiFI共存网络所能达到的最大网络吞吐量,/>NR-U节点和WiFi节点最佳初始退避窗口值为/>当γ*≤1时，此时在3GPP条件下所能达到的最大网络吞吐量为/>此时NR-U的初始退避窗口值为无穷大，WiFi节点初始退避窗口为/>
(3)计算公平约束下网络性能阈值函数并进行5G NR-U网络多址接入机制选择：在3GPP公平约束下，γ*>1时，共生网络阈值函数f3GPP(network parameters)为
而对于γ*≤1，共生网络阈值函数f3GPP(network parameters)为
基于上述阈值函数，当f3GPP(network parameters)＝0时，共存网络中NR-U节点多址接入机制选择CSAT或LBT，有效吞吐量均相等；当f3GPP(network parameters)>0时，NR-U节点多址接入机制应选择CSAT机制，以获得更优的共生网络有效吞吐量性能；当f3GPP(network parameters)<0则应选择LBT机制。
(4)使用所选5G NR-U网络多址接入机制和网络最优吞吐量参数部署网络并进行仿真验证：NR-U与WiFi共存网络在3GPP公平约束下，作使用固定多址接入机制与使用本技术方法提出的多址接入机制选择方法两种情况下共生网络最优吞吐量的对比。因在3GPP公平约束下，多址接入机制选择方法与NR-U可调整时隙σ(NR)和NR-U与WiFi节点数量的比值都相关，仿真验证实验分别改变σ(NR)与/>看共存网络在固定多址接入方式与自适应多址接入方式下，有效吞吐量的变化。
实施例2：
(1)构建网络场景并获取共生网络系统参数：构建如图2所示网络场景，共存网络中有一个WiFi接入点和一个5G NR-U基站，其分别与n(W)-1个WiFi节点和n(NR)-1个NR-U设备相连接，其中WiFi网络在MAC层采用IEEE 802.11DCF协议进行传输，且网络要求符合数据率公平。对于WiFi网络，获取如下所示网络参数：初始退避窗口值W(W)，最大退避等级K(W)、最大退避窗口保持次数值m(W)、WiFi节点物理层数据传输速率R(W)、数据包长PL(W)、传输成功时占用信道时长传输失败时占用信道时长τF；对于5G NR-U网络，获取如下所示网络参数：基于CSAT的5G NR-U设备的时隙周期TDC和周期占空比β、基于LBT的5G NR-U设备的初始退避窗口值W(NR)、最大退避等级K(NR)、最大退避保持次数m(NR)、传输机会TXOP值T(NR)、可选择时隙值σ(NR)、成功传输时将占用信道时长为/>传输失败时占用信道时长τF。
(2)计算公平约束下网络最优吞吐量参数：为满足数据率公平要求，对于基于CSAT的NR-U与WiFi共存网络，其最大有效吞吐量为基于CSAT的NR-U节点的最优占空比为/>WiFi节点的最优初始退避窗口为/>对于基于LBT的NR-U与WiFi共存网络，其最大有效吞吐量为基于LBT的NR-U节点最优初始退避窗口为/>WiFi节点的最优初始退避窗口为
(3)计算公平约束下网络性能阈值函数并进行5G NR-U网络多址接入机制选择：在数据率公平约束下，计算阈值函数fDF(network parameters)
当fDF(network parameters)＝0时，共存网络中NR-U节点多址接入机制选择CSAT或LBT，有效吞吐量均相等；当fDF(network parameters)>0时，应选择CSAT作为NR-U节点的多址接入机制，以获得更优的共存网络有效吞吐量性能，反之fDF(network parameters)<0则应选择LBT机制。
(4)使用所选5G NR-U网络多址接入机制和网络最优吞吐量参数部署网络并进行仿真验证：NR-U与WiFi共存网络在数据率公平约束下，作使用固定多址接入机制与使用本技术方法提出的多址接入机制选择方法两种情况下共存网络最优吞吐量的对比，因在数据率公平约束下，多址接入机制选择方法与无关，仿真实验为验证共存网络在固定多址接入方式与自适应多址接入方式下，有效吞吐量随NR-U可调整时隙σ(NR)的变化情况。
本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
为使本技术方法能够在部署真实网络前对网络参数进行仿真分析，指导共生网络中NR-U节点的多址接入机制选择，最优化共存网络有效吞吐量性能，最大化共存网络频谱利用率，以下结合附图和MATLAB具体实施例结果，对本技术进行进一步的阐述，但不作为对本技术的限定。
下面为本技术举出的最佳实施例：
本技术方法是一种自适应选择与WiFi网络共生的NR-U网络多址接入机制，以最大化共存网络有效吞吐量，并给出显示表达式的技术方法。
(1)共生网络中WiFi节点采用IEEE 802.11标准参数：节点初始退避窗口值W(W)为16，最大退避等级K(W)为6，最大退避窗口保持次数值m(W)为1，同时WiFi节点数据有效负载4000字节，数据传输速率RD为54Mbps。基于LBT的NR-U节点采用优先级2或4的配置，具体为始退避窗口值W(R)为16、最大退避等级K(R)为1或6、最大退避保持次数m(R)为4、传输机会TXOP值T(NR)为3000或8000微秒。基于Non-LBT的NR-U节点时隙周期TDC选择80或160ms，占空比根据公平约束的不同选择最优占空比或/>
(2)在3GPP公平约束下，当使用本技术方法提出的多址接入机制选择方案时，如图7和图8所示，当NR-U节点可选时隙σ(NR)或NR-U与WiFi节点数量的比值变化时，NR-U节点可自适应选择多址接入机制，以获得比固定多址接入机制情况下更优的共生网络总有效吞吐量性能。
在数据率公平约束下，与3GPP公平约束下类似，使用本技术提出的多址接入机制，如图9所示，当NR-U节点可选时隙σ(NR)变化时，共生网络可获得相较于固定多址接入机制情况下更优的共生网络总有效吞吐量性能。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种非授权频段5G新空口多址接入机制切换方法，其特征在于，所述非授权频段5G新空口多址接入机制切换方法包括：通过建立统一化模型，在得到3GPP公平和数据率公平约束下共存网络最大有效吞吐量和最优网络参数显示表达式的基础上，得出最优化参数；提出与WiFi公平共生的非授权频段5G新空口多址接入机制自适应选择方法，根据网络参数不同，自适应选择不同的多址接入机制，以最大化共生网络吞吐量性能；
所述非授权频段5G新空口多址接入机制切换方法包括以下步骤：
步骤一，构建网络场景并获取共生网络系统参数；
步骤二，计算3GPP公平、数据率公平约束下网络最优吞吐量参数；
步骤三，计算3GPP公平、数据率公平约束下的网络性能阈值函数并进行5G NR-U网络多址接入机制选择；
步骤四，使用所选5G NR-U网络多址接入机制和网络最优吞吐量参数部署网络并进行仿真验证；
所述步骤一中的网络场景构建和共生网络系统参数获取包括：
构建的网络场景的共存网络中有一个WiFi接入点和一个5G NR-U基站，其分别与n(W)-1个WiFi节点和n(NR)-1个NR-U设备相连接；其中WiFi网络在MAC层采用IEEE 802.11分布式协调函数DCF协议进行传输，且每个节点采用相同的退避参数，包括初始退避窗口值W(W)，最大退避等级K(W)以及最大退避窗口保持次数值m(W)，当WiFi节点接入信道时，将以R(W)的物理层数据传输速率发送一个长PL(W)的数据包，若成功传输，其占用信道时长为若传输失败，其占用信道时长为τF；对于5G NR-U网络，基于CSAT的5G NR-U设备采用相同的时隙周期TDC和周期占空比β，对于基于LBT的5G NR-U设备，与WiFi节点类似，使用相同的初始退避窗口值W(NR)、最大退避等级K(NR)、最大退避保持次数m(NR)、传输机会TXOP值T(NR)和可选择时隙值σ(NR)，若传输成功，其将占用信道时长为/>若传输失败，其假设其占用信道时长与WiFi相同，为τF，与WiFi节点不同的是，NR-U节点在接入信道时，随节点的优先级不同，其所使用的传输机会TXOP值会不同；
所述步骤二中的公平约束下网络最优吞吐量参数计算包括：
为满足3GPP公平要求，需保证WiFi网络在NR-U与WiFi共存网络中的吞吐量不低于WiFi与WiFi共存网络中的吞吐量/>即满足条件
其中为5G NR-U与WiFi共生网络总吞吐量/>在满足3GPP公平下的最大值；特别地，对于基于CSAT的NR-U与WiFi共存网络，其需满足条件/>此时共存网络最大有效吞吐量为
其中
σ为时隙长度，取值为9μs，基于CSAT的NR-U节点最优占空比为
WiFi节点最佳初始退避窗口为
其中
对于基于LBT的NR-U与WiFi共存网络，其需满足条件
此时，当时，
其中ηmax,WiFi+WiFi为WiFi与WiFI共存网络所能达到的最大网络吞吐量,NR-U节点和WiFi节点最佳初始退避窗口值为
相反，当γ*≤1时，此时在3GPP条件下所能达到的最大网络吞吐量与WiFi与WiFi共存网络所能达到的最大网络吞吐量一致，即此时NR-U的初始退避窗口值为无穷大，NR-U的节点被限制传输，而WiFi节点初始退避窗口为
为满足数据率公平要求，需保证NR-U与WiFi共存网络中两类网络有效吞吐量相等，及需满足条件
其中为5G NR-U与WiFi共生网络总吞吐量/>满足数据率公平下的最大值；特别地，对于基于CSAT的NR-U与WiFi共存网络，其需满足条件
此时共存网络最大有效吞吐量为
基于CSAT的NR-U节点的最优占空比为
WiFi节点的最优初始退避窗口为/>对于基于LBT的NR-U与WiFi共存网络，其需满足条件
此时共存网络的最大有效吞吐量为
基于LBT的NR-U节点最优初始退避窗口为
WiFi节点的最优初始退避窗口为
所述步骤三中的计算3GPP公平、数据率公平约束下的网络性能阈值函数并进行5G NR-U网络多址接入机制选择包括：
在3GPP公平约束下，γ*>1时，共生网络阈值函数f3GPP(network paramers)为
而对于γ*≤1，共生网络阈值函数f3GPP(network paramers)为
基于上述阈值函数，当f3GPP(network parameters)＝0时，共存网络中NR-U节点多址接入机制选择CSAT或LBT，有效吞吐量均相等；
当f3GPP(network parameters)>0时，NR-U节点多址接入机制应选择CSAT机制，以获得更优的共生网络有效吞吐量性能；当f3GPP(network parameters)<0则应选择LBT机制；
在数据率公平约束下，计算阈值函数fDF(network parameters)
当fDF(network parameters)＝0时，共存网络中NR-U节点多址接入机制选择CSAT或LBT，有效吞吐量均相等；当fDF(network parameters)>0时，应选择CSAT作为NR-U节点的多址接入机制，以获得更优的共存网络有效吞吐量性能，反之fDF(network parameters)<0则应选择LBT机制；在数据率公平约束下，当其他网络参数固定，TDC与T(NR)取不同的标准参数值时，为使共存网络吞吐量性能最优；
所述步骤四中的使用所选5G NR-U网络多址接入机制和网络最优吞吐量参数部署网络并进行仿真验证包括两个部分，一是NR-U与WiFi共存网络在3GPP公平约束下，作使用固定多址接入机制与使用多址接入机制选择方法两种情况下共生网络最优吞吐量的对比；二是在NR-U与WiFi共存网络在数据率公平约束下，作使用固定多址接入机制与使用提出的多址接入机制选择方法两种情况下共存网络最优吞吐量的对比，因在数据率公平约束下，多址接入机制选择方法与无关。
2.一种应用如权利要求1所述的非授权频段5G新空口多址接入机制切换方法的非授权频段5G新空口多址接入机制切换系统，其特征在于，所述非授权频段5G新空口多址接入机制切换系统包括：
网络场景构建模块，用于构建网络场景并获取共生网络系统参数；
最优吞吐量参数计算模块，用于计算3GPP公平、数据率公平约束下网络最优吞吐量参数
多址接入机制选择模块，用于计算不同公平约束下的网络性能阈值函数并进行5G NR-U网络多址接入机制选择；
仿真验证模块，用于使用所选5G NR-U网络多址接入机制和网络最优吞吐量参数部署网络并通过仿真验证实验进行仿真验证。
3.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1所述的非授权频段5G新空口多址接入机制切换方法的步骤。
4.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1所述的非授权频段5G新空口多址接入机制切换方法的步骤。
5.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求2所述的非授权频段5G新空口多址接入机制切换系统。
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