基于用户活跃度的上行免授权SCMA的CTU分配方法，本发明专利技术涉及CTU分配方法。本发明专利技术的目的是为了解决现有CTU分配中用户间CTU碰撞概率大，计算复杂度高的问题。过程为：一：在免授权上行SCMA系统中，计算得到在T′个时隙内，N_length个用户L个CTU对应的平均CTU碰撞概率，对平均CTU碰撞概率进行简化，得到NP‑hard优化式；二：将用户n按照活跃度Wn从大到小排序，并给予不同的优先级；N'表示用户集N按照活跃度从大到小排列后生成的新集合，三：得到最优解集合；四：根据N、N'和最优解集合得到用户和CTU分配关系矩阵。本发明专利技术用于SCMA的CTU分配领域。
【技术实现步骤摘要】
基于用户活跃度的上行免授权SCMA的CTU分配方法
本专利技术涉及上行免授权SCMA中的CTU分配方法。
技术介绍
无线通信对海量接入、低时延、高吞吐量的巨大需求使得第五代移动通信(thefifthgeneration,5G)成为了当今研究的热点话题。5G能够满足更高的服务质量需求(higherqualityofservice,QoS),满足物联网(Internetofthings,IoT)的场景。然而，作为长期演进(LongTermEvolution,LTE)系统的关键技术，正交多址接入技术(orthogonalfrequencydivisionmultipleaccess,OFDMA)将频带分成多个相互正交的子载波，并将这些子载波分别分给不同的用户来达到多址接入。受限于这种正交的划分方式，OFDMA的用户增益不会超过1，没法满足海量接入的需求。同时，上行LTE的传输遵循请求、调度的模式，这也会带来无法避免的时延。因此，SCMA作为一种新型的基于码本形式的非正交多址接入技术被提出。基于竞争的上行SCMA传输方式通过分配给不同的用户不同的码本来实现多址接入。由于稀疏性的码本带来了一个新的维度，SCMA的接收机可以译码出相互重叠的信号信息，这也带来了传统正交多址接入技术所不具备的用户增益。在上行免授权SCMA传输系统中，一个用户传递数据的过程是这样的:在传送一个信息之前，每个用户都被分配给了一个CTU，CTU是一个时间、频率、码本和导频的组合。接收机通过检测每个CTU中的导频序列来检测用户并完成信道估计。只要在基站中没有发生导频碰撞，接收机就可以借助消息传递算法(MessagePassingAlgorithm,MPA)对信息序列完成译码。传统的CTU分配策略采用模除形式，它根据用户的序号完成对CTU的分配，没有考虑到用户自身诸如活跃度、位置等的信息特性，导致现有CTU分配中用户间CTU碰撞概率大，计算复杂度高。SCMA(SparseCodeMultipleAccess)为稀疏码分多址接入；CTU(ContentionTransmissionUnit)为竞争传输单元。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有CTU分配中用户间CTU碰撞概率大，计算复杂度高的问题，而提出基于用户活跃度的上行免授权SCMA的CTU分配方法。基于用户活跃度的上行免授权SCMA的CTU分配方法具体过程为：步骤一：在免授权上行SCMA系统中，计算得到在T′个时隙内，N_length个用户L个CTU对应的平均CTU碰撞概率，对平均CTU碰撞概率进行简化，得到NP-hard优化式；步骤二：在免授权上行SCMA系统中，将用户n按照活跃度Wn从大到小排序，并给予不同的优先级；n＝1,2,...,N_length；活跃度高，优先级高；N'表示用户集N中用户按照活跃度Wn从大到小排列后生成的新集合，N'＝N×TR，其中TR表示从N到N'的映射矩阵；用户集N包括N_length个用户；集合N'包括N_length′个用户；步骤三：设置Pco(m)表示步骤二得到的集合N'中前m个用户的CTU碰撞概率，ΔP(m)＝[Pco(m)-Pco(m-1)]表示当第m个用户被考虑接入免授权上行SCMA系统时所出现的CTU碰撞增量，对ΔP(m)进行迭代循环求解最优化，得到每次的最优解gm，根据每次的最优解gm，得到最优解集合G'＝{g1,...gm,...,gN_length′}；其中，m＝1,2,...,N_length′；Pco(m-1)表示步骤二得到的集合N'中前m-1个用户的CTU碰撞概率；步骤四：根据N、N'和最优解集合G'得到用户和CTU分配关系矩阵G。本专利技术的有益效果为：本专利技术在原始的模除算法的基础上，引入用户的复杂度作为CTU分配的一个参考因子，重新推导出了基于用户复杂度的平均CTU碰撞概率的公式，基于此碰撞公式的最优化求解是一个非线性混合整数问题，同时也是NP-hard问题，本专利技术通过引入碰撞增量将此问题分解成一个可解的优化问题。在降低用户间CTU碰撞概率的同时，相比于暴力求解的方法，极大地减低了计算的复杂度。本专利技术相比于原始的基于模除的分配的性能优势与特点体现于：1.考虑了用户的活跃度特性，在用户密集接入的场景下极大地减少碰撞概率，即丢包率。2.用户越密集，活跃度差距越大，其性能提升越为显著。3.相比于暴力求解问题，本专利技术能够以极低的复杂度得到优解。通过图3a可知，借助本专利技术提出的算法，在用户数分别为24,30,36时丢包率对应有17％、20％、22％的下降。，图3b为用户数为24，CTU数分别为8、10、12的情况下，丢包率对应有23％、19％、17％的下降。因此，可以看出本专利技术所提出的算法具有很好的丢包率性能；同时也可以知道用户越密集的场景，所提出的算法的丢包率性能就越好，这对于未来5G海量接入的物联网场景来说是十分具有现实意义的。图4表示了用户数从24到36变化时所提算法与暴力求解复杂度的对比图。由图4可以看出当用户数为30时，计算复杂度能够减少16个数量级。附图说明图1为本专利技术上行免授权SCMA传输示意图，ACK为确认指令；图2为本专利技术用户及CTU中时间频率资源、码本和导频的关系图，C1为第一个码本，C2为第二个码本，CJ为第J个码本，P1为第一个导频序列，PL+1为第L+1个导频序列，PL(J-1)+1为第L(J-1)+1个导频序列，PL为第L个导频序列，P2L为第2L个导频序列，PLJ为第LJ个导频序列，f为频率，t为时间，C为码本，P为导频序列；图3a为CTU数不变情况基于用户活跃度的CTU分配算法和基于模除的CTU分配算法对应的丢包率CDF图，CDF为累积概率密度分布；N为N_length个用户；图3b用户数不变情况基于用户活跃度的CTU分配算法和基于模除的CTU分配算法对应的丢包率CDF图；图4为本专利技术所提出算法同直接优化求解复杂度对比图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的基于用户活跃度的上行免授权SCMA的CTU分配方法具体过程为：因此为了能够减少因为CTU碰撞所带来的丢包率并进一步提高整个上行SCMA系统的和速率，本专利技术引入用户的活跃度作为一项评价指标来协助基站完成对CTU资源的分配。本专利技术考虑如下的物联网场景：每个用户的活跃度都各不相同，同时他们的活跃度处于一个准静态状态，也就是说每个用户在一段时间内被允许接入的概率服从一个关于其活跃度的分配。同时用户在一段时间内的接入概率也可以用来估计下一段时间内用户的活跃度。此外本专利技术推导出了CTU碰撞概率的表达式，并且发现碰撞概率同用户的活跃度及CTU的分配策略都有着密切的关系。在这种情况下，研究了基于用户活跃度的CTU最优化分配策略来降低CTU的碰撞概率及丢包率并且证明丢包率最优化的问题是一个NP-hard问题。通过利用提出的基于用户活跃度的CTU分配算法，将NP-hard问题转化成了一个低复杂度可解的问题，完成对系统丢包率的优化。上行免授权SCMA系统模型如下：假设一个上行SCMA系统中有N个用户、L个CTU、J个码本以及K个子载波。并且存在这样的对应关系：N≥J>K，在基站中接收到的信息可以表示为：在这其中y＝[y1y2...yK]T是子载波中接本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于用户活跃度的上行免授权SCMA的CTU分配方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一：在免授权上行SCMA系统中，计算得到在T′个时隙内，N_length个用户L个CTU对应的平均CTU碰撞概率，对平均CTU碰撞概率进行简化，得到NP‑hard优化式；步骤二：在免授权上行SCMA系统中，将用户n按照活跃度Wn从大到小排序，并给予不同的优先级；n＝1,2,...,N_length；活跃度高，优先级高；N'表示用户集N中用户按照活跃度Wn从大到小排列后生成的新集合，N'＝N×TR，其中TR表示从N到N'的映射矩阵；用户集N包括N_length个用户；集合N'包括N_length′个用户；步骤三：设置Pco(m)表示步骤二得到的集合N'中前m个用户的CTU碰撞概率，ΔP(m)＝[Pco(m)‑Pco(m‑1)]表示当第m个用户被考虑接入免授权上行SCMA系统时所出现的CTU碰撞增量，对ΔP(m)进行迭代循环求解最优化，得到每次的最优解gm，根据每次的最优解gm，得到最优解集合G'＝{g1,...gm,...,gN_length′}；其中，m＝1,2,...,N_length′；Pco(m‑1)表示步骤二得到的集合N'中前m‑1个用户的CTU碰撞概率；步骤四：根据N、N'和最优解集合G'得到用户和CTU分配关系矩阵G。...
【技术特征摘要】
1.基于用户活跃度的上行免授权SCMA的CTU分配方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一：在免授权上行SCMA系统中，计算得到在T′个时隙内，N_length个用户L个CTU对应的平均CTU碰撞概率，对平均CTU碰撞概率进行简化，得到NP-hard优化式；步骤二：在免授权上行SCMA系统中，将用户n按照活跃度Wn从大到小排序，并给予不同的优先级；n＝1,2,...,N_length；活跃度高，优先级高；N'表示用户集N中用户按照活跃度Wn从大到小排列后生成的新集合，N'＝N×TR，其中TR表示从N到N'的映射矩阵；用户集N包括N_length个用户；集合N'包括N_length′个用户；步骤三：设置Pco(m)表示步骤二得到的集合N'中前m个用户的CTU碰撞概率，ΔP(m)＝[Pco(m)-Pco(m-1)]表示当第m个用户被考虑接入免授权上行SCMA系统时所出现的CTU碰撞增量，对ΔP(m)进行迭代循环求解最优化，得到每次的最优解gm，根据每次的最优解gm，得到最优解集合G'＝{g1,...gm,...,gN_length′}；其中，m＝1,2,...,N_length′；Pco(m-1)表示步骤二得到的集合N'中前m-1个用户的CTU碰撞概率；步骤四：根据N、N'和最优解集合G'得到用户和CTU分配关系矩阵G。2.根据权利要求1所述基于用户活跃度的上行免授权SCMA的CTU分配方法，其特征在于：所述步骤一中在免授权上行SCMA系统中，计算得到在T′个时隙内，N_length个用户L个CTU对应的平均CTU碰撞概率，对平均CTU碰撞概率进行简化，得到NP-hard优化式；具体过程为：其中，gnl＝{0,1}表示第n个用户与第l个CTU的分配关系，如果gnl＝1，则表示第n个用户被分配给了第l个CTU，反之若gnl＝0则表示第n个用户和第l个CTU没有相配对；gn＝[gn1gn2...gnL]T表示第n个用户的分配关系向量；T为转置；gl＝[g1lg2l...gN_lengthl]T表示第l个CTU的分配关系向量；Wn(t)为活...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴玮，孙俊伟，吴宣利，薛彤，郭珊，张立强，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23
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