MTC中基于NOMA短编码块传输的高可靠低迟延无线资源分配优化方法技术

本发明专利技术公开了MTC中基于NOMA短编码块传输的高可靠低迟延无线资源分配优化方法，针对机器类通信(Machine Type Communications，MTC)场景的业务特征和服务质量要求，考虑基于非正交多址(Non‑Orthogonal Multiple Access，NOMA)的MTC中短分组/短编码块传输，MTC中基于NOMA的高可靠低迟延无线资源优化问题。首先，上行传输是基于NOMA的MTC通信的瓶颈，考虑无线蜂窝网络中支持NOMA和高可靠低迟延性能要求，建立了上行无线资源优化的系统模型；然后，分析了上行传输迟延，导出了基于距离的链路可靠性函数；进一步，以迟延、可靠性和带宽为约束下条件，提出了一种最大化中心用户和速率的无线资源分配方法。通过实验仿真在系统所需带宽、吞吐量、能量效率等性能方面都具有优势。

High Reliability and Low Delay Radio Resource Allocation Optimization Method Based on NOMA Short Code Block Transmission in MTC

【技术实现步骤摘要】
MTC中基于NOMA短编码块传输的高可靠低迟延无线资源分配优化方法
本专利技术属于信息通信领域，具体是基于NOMA的MTC中上行短分组/短编码块传输的无线资源优化，提出了一种高可靠低迟延无线资源优化方法。
技术介绍
面向2020年及未来，机器类通信(MachineTypeCommunications，MTC)将带来越来越多样化的需求，包括工业自动化，智能电网，电子医疗，多媒体，触觉互联网，物联网(IoT)和车载互联网(IoV)等，以及移动通信业务量和资源需求的剧增。MTC并发性地产生大量的短数据包类业务请求，而且部分应用场景还要求在支持大连接数的同时，进一步提供低迟延、高可靠(Ultra-ReliableandLow-Latency，URLL)的服务质量(QoS,QualityofService)。综合5G中MTC场景的海量移动用户数量及其业务特征，一些文献研究了不同类型的无线接入技术，但是传统正交资源分配方式显然限制了额外用户数的接入。非正交多址(Non-OrthogonalMultipleAccess，NOMA)技术能够通过功率分配和串行干扰消除(SuccessiveInterferenceCancellation,SIC)技术使得多个用户共享同一资源(如时间、频谱等资源)，实现时/频域上的非正交资源分配，从而提升了系统的频谱效率和能量效率，并显著增加连接设备的数量。对于这种功率域NOMA(以下简称为NOMA)，信道质量差的用户可以分到更多的功率，以确保达到用户的目标速率，从而在网络吞吐量和用户公平性之间取得平衡。因此，将MTC与NOMA技术相结合，可以更好地提升MTC中用户服务质量。但是，大多数是在信道编码无限长的信道中研究，也没有考虑在极低时延约束要求。MTC的无线资源分配与传统实时业务的核心区别在于传输延迟和数据包大小，在信道编码的长度有限长时，用户的解码错误概率需考虑在内，此外，如果将信道编码无限长信道的Shannon容量用于设计资源分配，则不能保证排队时延和时延违反概率，从而不能满足高可靠性(即低的传输错误概率或丢包率)。本专利技术考虑高可靠低迟延要求下基于NOMA的MTC无线资源管理问题，寻求低时延高可靠MTC的最优资源分配策略更具挑战性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于考虑基于NOMA的MTC中短分组/短编码块传输，探讨MTC中基于NOMA的高可靠低迟延无线资源优化问题，提出一种MTC中基于NOMA短编码块传输的高可靠低迟延无线资源分配优化方法。本专利技术的目的在于考虑基于NOMA的MTC中短分组/短编码块传输，探讨MTC中基于NOMA的高可靠低迟延无线资源优化问题，提出一种MTC中基于NOMA短编码块传输的高可靠低迟延无线资源分配优化方法。为了实现上述目的的本专利技术采用如下技术方案：本专利技术考虑用户数相对稳定的情况，如图2提出的短帧结构，为了满足系统的低迟延需求，不采用重传机制，由于不能采用重传机制，本专利技术考虑一个基于可实现速率的传输模型，在确保用户对达到了迟延和可靠性的性能前提下，最大化中心用户(用户2)系统的和速率为本文的优化目标。具体步骤如下：(1)根据无线蜂窝网络中支持NOMA和高可靠低迟延性能要求，建立行无线资源优化的系统模型；该系统模型中，用户对共用同一信道，用户在发送传输请求前都需要接入到基站中，用户对产生的数据发送给基站，基站成功接收数据后发送给接收端，且当用户有数据包传输时才分配带宽；(2)在步骤(1)的基础上，根据MTC应用场景的业务特征和服务质量要求，建立基于非正交多址的MTC中短分组/短编码块传输模型；(3)根据短分组/短编码块传输模型获得基于距离的链路可靠性函数；(4)以迟延、可靠性和带宽为约束条件，以最大化中心用户和速率为目标，进行无线资源分配。本专利技术研究了基于NOMA的MTC中上行短分组/短编码块传输的无线资源优化，提出了一种高可靠低迟延无线资源优化方案。当MTC场景中移动用户量激增时，为在带宽受限下满足高可靠低迟延要求，考虑一个基于可实现速率的传输模型，基于有限块长度信道编码的可实现速率来反映可靠性约束，采用NOMA技术，实现时/频域上的非正交资源分配，满足系统QoS需求的接入和传输，实验仿真验证所提方案对比OMA(正交多址接入)方案在系统所需带宽、吞吐量、能量效率等性能方面都有一定的优势。附图说明图1为本专利技术的非正交多址K个用户对系统模型；图2为短帧结构；图3为εmax＝10-5时用户离基站的距离与可靠性的关系曲线；图4为不同εmax下用户数与系统和速率的关系曲线；图5为用户数与系统所需总带宽的关系曲线；图6为用户数与吞吐量的关系曲线；图7为用户数与能量效率的关系曲线。具体实施方式结合附图对本专利技术做以下详细分析。本专利技术考虑非正交多址系统单小区上行链路，如图1所示，一个基站(BS)的蜂窝系统，蜂窝基站天线的数目为Nt，K对单天线MTC用户(含2个MTCD)，即系统中MTCD的总数为2K，一个用户对共用同一信道，假设用户在发送传输请求前都需要接入到基站中，用户对产生的数据发送给基站，基站成功接收数据后发送给接收端。由于多天线时分双工(TDD)基站有测距(用户到基站的距离)能力，本专利技术采用TDD方式。本专利技术考虑频率-平坦衰落信道，当用户设备有数据包传输时才分配带宽，基站给第k对用户分配Nk个子信道，Bk表示分配给第k个用户对的每个子信道的带宽，Wc表示信道相干带宽，当分配给每个用户对的带宽小于信道相干带宽时它是有效的，即Bk＜Wc能满足此要求，分配给第k个用户对的带宽为NkBk,每个子信道具有独立的信道增益，并发传输的用户对设备使用不同的子信道。NOMA是基于功率域分配的新型多址技术，它通过将多个用户信号在功率域进行简单线性叠加，实现在相同的时域、频域或空域资源上的传输。因为并发传输的用户对设备使用不同的子信道，本专利技术只考虑一个用户对之间的干扰，下面举例说明。在图1中，假设现有用户1和用户2占用相同的时域、频域、空域资源，两者的信号在功率域上叠加，用户1是小区的边缘用户，用户2是小区的中心用户。其中用户1分配较高的功率，用户2分配较低的功率。在接收端，假设基站使用SIC接收机来解码多用户信号，用户1不进行SIC，因为其优先于用户2解码，并将用户2的信号视为对其的干扰。用户2首先进行SIC，将用户1的信号从接收信号中减去，随后解码自己的信号，此时，用户2不受用户1的干扰。表示边缘用户的发射功率，表示中心用户的发射功率，由于多天线TDD基站具有测距能力，在TDD上行传输中采用反向功率控制。用户设备的发射功率表示为：其中，α＞2为路径损耗指数，ρ0为基站所需的平均接收功率。表示用户离基站的距离，Pmax表示用户的最大发射功率。基站接收到第k个用户对中第i个用户的信号为：其中，信道系数为即信道服从独立同分布的高斯分布，其均值为0，方差为1。为第k个用户对中i个用户发送的信号，为加性高斯白噪声，其均值为0，方差为第k个用户对的平均信道增益表示为第k个用户对在第j个子信道上的瞬时信道增益表示为[.]H表示共轭转置。为了满足系统的迟延需求，由于不能采用重传机制，本专利技术考虑一个基于可实现速率的传输模型。第k个用户对中第i个用户在第j(j∈(0,Nk))个子信道上的和速率表示为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.MTC中基于NOMA短编码块传输的高可靠低迟延无线资源分配优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据无线蜂窝网络中支持NOMA和高可靠低迟延性能要求，建立行无线资源优化的系统模型；该系统模型中，用户对共用同一信道，用户在发送传输请求前都需要接入到基站中，用户对产生的数据发送给基站，基站成功接收数据后发送给接收端，且当用户有数据包传输时才分配带宽；(2)在步骤(1)的基础上，根据MTC应用场景的业务特征和服务质量要求，建立基于非正交多址的MTC中短分组/短编码块传输模型；(3)根据短分组/短编码块传输模型获得基于距离的链路可靠性函数；(4)以迟延、可靠性和带宽为约束条件，以最大化中心用户和速率为目标，进行无线资源分配。

【技术特征摘要】
1.MTC中基于NOMA短编码块传输的高可靠低迟延无线资源分配优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据无线蜂窝网络中支持NOMA和高可靠低迟延性能要求，建立行无线资源优化的系统模型；该系统模型中，用户对共用同一信道，用户在发送传输请求前都需要接入到基站中，用户对产生的数据发送给基站，基站成功接收数据后发送给接收端，且当用户有数据包传输时才分配带宽；(2)在步骤(1)的基础上，根据MTC应用场景的业务特征和服务质量要求，建立基于非正交多址的MTC中短分组/短编码块传输模型；(3)根据短分组/短编码块传输模型获得基于距离的链路可靠性函数；(4)以迟延、可靠性和带宽为约束条件，以最大化中心用户和速率为目标，进行无线资源分配。2.根据权利要求1所述MTC中基于NOMA短编码块传输的高可靠低迟延无线资源分配优化方法，其特征在于：步骤(2)所述短分组/短编码块传输模型表示如下：第k个用户对中第i个用户在第j个子信道上的和速率表示为第k个用户对到基站在一帧内能传输的最大比特数为其中，N0表示单边信号噪声谱密度，表示Q函数的逆函数，表示第k个用户对中第i个用户的平均信道增益，表示第k个用户对中第i个用户在第j个子信道上的瞬时信道增益，Bk表示分配给第k个用户对的每个子信道的带宽，Tf表示每个TDD帧的持续时间，等同于系统的传输时间间隔TTI，表示第k个用户对中第i个用户在第j个子信道上的传输错误率，表示第k个用户对中第i个用户在第j个子信道上一帧内能传输的最大比特数，3.根据权利要求2所述MTC中基于NOMA短编码块传输的高可靠低迟延无线资源分配优化方法，其特征在于：在所述短分组/短编码块传输模型中，如果接收到的信噪比高于门限值，则成功地传输ubit的数据包，否则，传输则不能成功；如果瞬时信道增益高于门限值则数据包以的概率成功传输，否则，系统就...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢显中，黎佳，黄倩，陈杰，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50