一种面向M2M通信的短包传输方法技术

本发明专利技术公开了一种面向移动到移动(M2M)通信的短包传输方法，该方法包含以下步骤：首先，获取M2M通信系统参数以及级联衰落信道环境参数；然后通过选择合适的调制后符号块长度来最大化有效吞吐量并给定平均误块率最大约束；最后利用平均误块率的渐进性表达式进行块长的优化求解。与现有的方法相比，本发明专利技术提出的短包传输方法考虑了实际M2M通信场景下级联散射的负面效应，以及面向低时延、低功耗目标的短包通信需求，基于平均误块率的渐进式的优化算法在复杂度方面具有显著优势。法在复杂度方面具有显著优势。法在复杂度方面具有显著优势。

【技术实现步骤摘要】
一种面向M2M通信的短包传输方法


[0001]本专利技术涉及无线通信
，具体涉及一种面向M2M通信的短包传输方法。

技术介绍

[0002]车辆间通信、智能高速公路应用和移动自组织网络的爆炸性增长，移动到移动(M2M)通信发展势头迅猛。针对这些应用场景，为了满足低延时、高能效以及安全性的严格要求，M2M通信通常需要传输大量的短数据包。但是，传统信息论均是基于无限块长的假设，香农定理对短包通信不再适用。为了解决该问题，面向短包传输的有限长编码理论被提出，基于该理论可以推导最大可达速率以及误块率(BLER)的近似表达式。此外，不同于蜂窝通信，M2M通信系统设计迫切需要引入新范式。此外，蜂窝通信中基站通常具有高仰角天线，其局部散射可以忽略，因此蜂窝通信通常可以构建成瑞利、莱斯分布以及Nakagami分布等。然而，M2M通信通常会遭受更严重的衰落，这是因为M2M通信场景中的收发器天线通常安装在几乎相同的高度，这会导致两组或更多组的散射现象。当电磁波通过多个散射体反射传播时，将导致M2M通信过程中产生多个级联的小尺度衰落过程。据已有的实验测量数据证实，级联衰落信道可以很好拟合此类衰落场景的统计分布。然而缺少针对此类级联衰落信道下的短包传输方法。因此，目前亟待针对M2M的通信场景构建短包传输方案。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种面向M2M通信的短包传输方法。
[0004]本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0005]一种面向M2M通信的短包传输方法，所述短包传输方法的实现步骤如下：
[0006]S1、获取M2M通信系统参数以及信道环境参数，包括确定级联衰落信道的总级数K、每一级衰落信道的平均功率增益σ
k2
、信道衰落因子m、广义信道相关系数λ
k
、信号发送功率P、高斯白噪声功率每次所传短数据包的信息比特数N，其中，k＝1,
…
,K；
[0007]S2、构建块长最优化问题，将优化目标设定为最大化吞吐量，其中，吞吐量由有效吞吐量给出，即并给定平均误块率的约束上界ε
th
，即基于约束条件，上述块长最优化问题构建如下：
[0008][0009]其中，L为调制符号长度，又称块长；
[0010]S3、利用平均误块率的渐进性表达式进行块长L的优化求解，其具体数学形式如下
[0011][0012]其中，和分别对应级联衰落信道、信道相关性、发送信噪比、信息位数和块长的影响因子，误块率的归一化参数误块率的积分下限v＝β
‑
1/(2δ)，误块率的积分上限μ＝β+1/(2δ)，误块率的积分限中间值β＝2
N/L
‑
1，级联信噪比Γ(m)表示伽马函数，为广义相关因子向量，(
…
,
…
,
…
)
T
为转置符号，且
[0013][0014]进一步地，所述步骤S3中对块长L的优化求解按照如下过程进行确定：
[0015]为满足高可靠性的严格约束，平均误块率上界约束一般远远小于1，即满足ε
th
＜＜1，据此将长期平均吞吐量近似为η＝N/L，从而将目标函数转化为块长L的最小化问题，同时，由于平均误块率是块长L的单调递减函数，因此最优块长L*必然满足等式最终通过二分法对最优块长L*进行求解。
[0016]进一步地，所述步骤S3中在计算平均误块率时，若级联衰落信道是完全相关衰落信道，即其中，为全1列向量，则平均误块率的渐进表达式如下：
[0017][0018]本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0019]1、以往蜂窝通信通常将衰落信道构建成瑞利、莱斯分布以及Nakagami分布等，这种信道衰落特性不再适用于M2M通信场景中的收发器天线通常安装在几乎相同的高度，这会导致两组或更多组的散射现象，本专利技术充分考虑了M2M通信中存在广泛的散射现象从而导致的系统性能下降；
[0020]2、传统M2M通信系统设计未考虑短包通信以满足低延时要求，然而短包通信通常会导致可靠性性能损失，为保障可靠性引入误块率约束条件，最终本专利技术提供了一种面向低时延高可靠M2M通信需求的解决方法；
[0021]3、由于渐近误块率的计算复杂度低，本专利技术基于渐进误块率的近似形式可以有效简化块长设计问题。
附图说明
[0022]图1是本专利技术提出的一种面向M2M通信的短包传输方法的实施流程图；
[0023]图2是本专利技术中M2M通信系统模型示意图；
[0024]图3是本专利技术的最优块长与信噪比之间的关系图。
具体实施方式
[0025]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。
[0026]实施例
[0027]移动到移动(M2M)通信场景下无线信道通常服从级联衰落，而短包通信是面向低延时物联网通信的一个显著特征。传统基于香农定理的通信系统设计方法不再适用于该场景。为充分考虑级联衰落信道相关性对M2M通信系统设计影响，本专利技术首先提出了符合实际的一种基于空间相关级联Nakagami信道模型。基于该模型以及有限长编码理论，本专利技术提出了一种误块率(BLER)在高信噪比下的渐进性表达式，该表达式相较于准确值的计算有极低的复杂度，简化后续的M2M通信系统优化设计。基于该表达式，本实施例通过优化选择合适的码长在给定BLER约束的条件下最大化吞吐量性能。
[0028]下面具体分析该短包传输方法。
[0029]一、M2M通信系统模型
[0030]大量物联网应用都需要借助移动到移动(M2M)通信，通常会受到级联衰落的困扰。由于M2M通信中的收发器通常配有低仰角天线，因此发射器和接收器之间不可避免存在丰富散射现象。如图2所示，电磁波通过多个散射体，从而遭受多个小尺度衰落过程构成的级联衰落信道。此外，M2M通信为了满足低延时以及物联网节点低能耗需求，通常采用短分组数据包传输。
[0031]虽然瑞利和莱斯分布能够在大多数情况下多径衰落信道进行很好建模，但实际无线信道测量表明Nakagami衰落提供了更好的拟合。Nakagami与莱斯分布相比较并不要求有直射信道条件，且Nakagami模型在仿真衰落信道时，通过参数m的调整，能够对从严重、适中、轻微到无衰落衰落环境进行仿真，它包含了瑞利模型和莱斯模型，所以在衰落信道建模中有着广泛应用。
[0032]通过将级联衰落信道建模为Nakagami衰落幅度的乘积，如下所示
[0033][0034]其中，H1，
…
，H
K
服从Nakagami分布。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向M2M通信的短包传输方法，其特征在于，所述短包传输方法的实现步骤如下：S1、获取M2M通信系统参数以及信道环境参数，包括确定级联衰落信道的总级数K、每一级衰落信道的平均功率增益σ
k2
、信道衰落因子m、广义信道相关系数λ
k
、信号发送功率P、高斯白噪声功率每次所传短数据包的信息比特数N，其中，k＝1,
…
,K；S2、构建块长最优化问题，将优化目标设定为最大化吞吐量，其中，吞吐量由有效吞吐量给出，即并给定平均误块率的约束上界ε
th
，即基于约束条件，上述块长最优化问题构建如下：其中，L为调制符号长度，又称块长；S3、利用平均误块率的渐进性表达式进行块长L的优化求解，其具体数学形式如下其中，和分别对应级联衰落信道、信道相关性、发送信噪比、信息位数和块长的影响因子，误块率的归一化参数误块率的积分下限v＝β
‑
1/(2δ)，误块率的积分上限μ＝β+1/(2δ...

【专利技术属性】
技术研发人员：施政，杨光华，窦庆萍，李晓帆，马少丹，塞奥佐罗斯特斯菲斯，柳宁，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：