基于SCMA免授权接入的多包接收业务质量优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于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。本发明专利技术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。减小了时延的同时增大了吞吐量。减小了时延的同时增大了吞吐量。

【技术实现步骤摘要】
基于SCMA免授权接入的多包接收业务质量优化方法


[0001]本专利技术涉及一种基于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


技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种基于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。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用了如下技术手段：
[0006]本专利技术提出了基于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：
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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。
[0011]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：
[0012]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：
[0013][0014]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；
[0015]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：
[0016][0017]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；
[0018]根据计算第i帧的总吞吐量：
[0019][0020]其中，T(n
i
,p
c
,L
i
,K)表示第i帧的总吞吐量。
[0021]进一步的，所述随机退避策略为：
[0022]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。
[0023]进一步的，随机退避策略下的SCMA免授权接入的方法为：
[0024]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；
[0025]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；
[0026]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；
[0027]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。
[0028]进一步的，免授权接入状态转移概率的表达式如下：
[0029][0030]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，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，徐靖，齐婷，郑宝玉，崔景伍，窦海娥，
申请(专利权)人：南京南邮通信网络产业研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：