基于Nutaq平臺的SC分組輪詢多址接入方法

宋曉華，李文麗

(1.燕京理工學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 廊坊 065201；2.北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100876)

1 引言

隨著智能通信設(shè)備的發(fā)展與普及，使得無線通信業(yè)務(wù)量呈爆炸式增長，通信業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢也越來越多樣化，使得人們對通信服務(wù)質(zhì)量的要求也變得多種多樣，從而對串行通信網(wǎng)絡(luò)也提出了更高的要求[1-3]。串行通信網(wǎng)絡(luò)不僅要支持更多用戶同時登錄的需求，還要滿足高速運(yùn)行和降低延時的要求。在這種趨勢下，串行通信網(wǎng)絡(luò)的低成本、部署結(jié)構(gòu)簡單以及易于擴(kuò)展等優(yōu)勢逐漸獲得廣大用戶的青睞[4]。

在傳統(tǒng)的串行通信網(wǎng)絡(luò)中，大多數(shù)都是采用正交多址接入的方式來進(jìn)行用戶的復(fù)用。但是越來越多的研究表明，分組輪詢多址接入方法的頻譜利用率更高[5]，因此，串行通信分組輪詢多址接入方法已經(jīng)成為一個新的研究熱點(diǎn)。目前常用的接入方法有面向5G的非正交多址接入技術(shù)，該方法為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)時代在連接數(shù)和頻譜效率上的需求，將5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到了非正交多址接入技術(shù)設(shè)計(jì)中，從多用戶信息論的角度出發(fā)，先探討了非正交多址接入與正交多址接入之間的理論性能，并比較逼近多用戶信道容量的有效途徑，深入分析了非正交多址接入方案的設(shè)計(jì)原理、信號處理能力以及接入性能增益，從非正交網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營的角度，剖析了非正交多址接入技術(shù)在未來的應(yīng)用前景。除了該方法之外，常用的方法還有基于OFDM的DFT加擾矢量碼分多址接入技術(shù)，該方法將OFDM應(yīng)用到DFT加擾矢量碼分多址接入技術(shù)中，引入矢量正交頻分復(fù)用技術(shù)，利用張量積的矩陣分解特性排列組合了發(fā)射信號，通過求解張量積的矩陣向量，得到分集增益抑制單一子載波的衰落，降低DFT加擾矢量碼分多址接入的復(fù)雜度。仿真結(jié)果顯示，該DFT加擾矢量碼分多址接入技術(shù)的性能更高[6-8]。

雖然上述方法均能針對通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多址接入，但是在海量通信業(yè)務(wù)量下，存在通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量不高的問題，因此，將Nutaq平臺應(yīng)用到串行通信分組輪詢多址接入方法設(shè)計(jì)中，從而提高串行通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

2 串行通信分組輪詢多址接入方法設(shè)計(jì)

2.1 控制多址接入信道容量

為了適應(yīng)串行通信業(yè)務(wù)需求，提高串行通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸速率，應(yīng)用Nutaq平臺合理控制串行通信分組輪詢多址接入信道容量，通過復(fù)用來提高串行通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)速率，并通過串行通信的多樣性來提高串行通信網(wǎng)絡(luò)的性能，使其滿足大多數(shù)用戶的需求。

(1)

其中，Es表示串行通信發(fā)射機(jī)輸出的信號總能量；MT表示業(yè)務(wù)量；MN表示信號傳輸速度；I表示寬頻帶。串行通信網(wǎng)絡(luò)在傳輸信號的過程中，寬頻帶都會比較窄，串行通信分組輪詢多址接入信道的頻率響應(yīng)也比較平坦。將串行通信分組輪詢多址接入信道矩陣H作為MR×MT的復(fù)矩陣，其中，MR表示衰落系數(shù)，

對于實(shí)際的接入環(huán)境，串行通信分組輪詢多址接入信道的衰落系數(shù)是一個隨機(jī)的變量。獲取平均串行通信分組輪詢多址接入信道容量接收矢量的表達(dá)式為

r=Hs+n

(2)

其中，Hs表示信道容量傳輸矢量；n表示信號噪聲矢量。

利用信道容量接收矢量，得到串行通信網(wǎng)絡(luò)接收串行信號的協(xié)方差矩陣Er為

Er=HRjr

(3)

其中，Rj表示業(yè)務(wù)負(fù)載；r表示有效輪詢周期。

假設(shè)串行通信分組輪詢多址接入信道的參數(shù)不會隨時間的變化而變化，那么串行通信分組輪詢多址接入信道容量可以表示為

C=f(s)maxI(s∣y)

(4)

其中，f(s)表示串行通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)射信號矢量s的概率分布狀態(tài)；I(s∣y)表示串行通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)射信號矢量s與接收信號矢量y之間的互信息。改變f(s)可以使接收和發(fā)送信號矢量之間的互信息呈現(xiàn)最大化，從而實(shí)現(xiàn)串行通信分組輪詢多址接入信道容量最大化。利用分組輪詢多址接入信息熵與條件熵之間的聯(lián)系，即可得到

I(s，y)=H(y)-H(y∣s)

(5)

其中，H(y)表示串行通信網(wǎng)絡(luò)接收信號矢量y的相對熵；H(y∣s)表示在發(fā)射信號矢量s的基礎(chǔ)上接收信號矢量y的條件熵。

H(y)的最大化處理即對I(s，y)進(jìn)行最大化處理，串行通信網(wǎng)絡(luò)接收信號矢量y的協(xié)方差矩陣Ry需要滿足式(6)的條件

(6)

針對Ry中所有的串行通信網(wǎng)絡(luò)接收信號矢量y，如果都屬于ZMCSCG矢量，那么H(y)就可以實(shí)現(xiàn)最大化。串行通信網(wǎng)絡(luò)接收信號矢量y與信號噪聲矢量n之間的相對熵為

H(y)=log2det(eRy)

(7)

H(n)=log2det(eσ2IMR)

(8)

其中，e表示接入時隙；σ2表示接收信號矢量處于接入狀態(tài)；MR表示申請時隙。結(jié)合式(7)和式(8)，計(jì)算串行通信分組輪詢多址接入信道的容量，表示為

(9)

其中，α表示串行通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸比率；PC表示數(shù)據(jù)傳輸時延；Jc表示數(shù)據(jù)處理時間。

應(yīng)用Nutaq平臺建立了串行通信分組輪詢接入信道發(fā)生信號的協(xié)方差矩陣，利用信道容量接收矢量，得到串行通信網(wǎng)絡(luò)接收串行信號的協(xié)方差矩陣，再利用分組輪詢多址接入信息熵與條件熵間的聯(lián)系，計(jì)算串行通信分組輪詢多址接入信道的容量。

2.2 建立多址接入信道

在多址接入信道容量控制的基礎(chǔ)上，建立多址接入信道。串行通信分組輪詢多址接入信道分為離散型多址接入信道和高斯型多址接入信道[9]。令離散型多址接入信道為χK，分組輪詢多址概率轉(zhuǎn)移函數(shù)為p(y∣χK)。如果串行通信網(wǎng)絡(luò)所輸出的分組輪詢多址概率分布取決于相應(yīng)的輸入，并且前一個多址輸入信道的輸入條件和輸出條件都是相互獨(dú)立的，則將其表示為

(10)

其中，串行通信分組輪詢多址接入信道的構(gòu)成為K個消息集，那么K個消息集的編碼函數(shù)映射過程為

EK:WK→xK

(11)

其中，WK表示數(shù)據(jù)集容量，其具有一定的相對獨(dú)立性。

利用式(11)就可以映射得到的譯碼函數(shù)，表示為

D(x)=ynWK

(12)

其中，yn表示信道均衡系數(shù)。

基于譯碼函數(shù)[10]，計(jì)算串行通信分組輪詢多址接入信道碼的均衡誤差概率，即

(13)

由于離散型多址接入信道在Nutaq平臺中具有乘積分布特性，因此，在搭建Nutaq平臺時需要服從正態(tài)分布。在串行通信系統(tǒng)中，除了離散型多址接入信道可以接受分組輪詢多址接入消息以外，高斯型多址接入信道也可以實(shí)現(xiàn)串行通信數(shù)據(jù)的高效傳輸。

在高斯型多址接入信道中，接收端收到串行通信信號的表達(dá)式為

(14)

其中，gk表示高斯型多址接入信道的增益；Zi表示獨(dú)立分布的分組輪詢多址接入方差的高斯隨機(jī)變量序列。

假設(shè)串行通信系統(tǒng)每一個發(fā)送端的均衡功率限制為pK，將其定義為

(15)

其中，Yi表示高斯型多址接入信道容量域中串行通信信號數(shù)量。

通過串行通信網(wǎng)絡(luò)所輸出的分組輪詢多址概率分布，利用編碼函數(shù)映射過程，得到的譯碼函數(shù)。計(jì)算串行通信分組輪詢多址接入信道碼的均衡誤差概率，建立離散型多址接入信道，結(jié)合高斯型多址接入信道，建立了串行通信分組輪詢多址接入信道。

2.3 串行通信分組輪詢多址接入算法設(shè)計(jì)

Step1：初始化分組輪詢多址接入概率

在迭代接入開始之前，初始化每一個串行通信終端發(fā)送每一個碼字的概率為相同值，將其表示為

(16)

Step2：更新串行通信網(wǎng)絡(luò)FN處和VN處的多址接入結(jié)果

(17)

(18)

其中，l表示不包含串行通信終端j的終端集合；χ表示不包含載波k的載波集合。

Step3：迭代次數(shù)+1，重復(fù)操作Step2，直到達(dá)到最大迭代次數(shù)，串行通信分組輪詢多址接入結(jié)果為

(19)

綜上所述，在Nutaq平臺的基礎(chǔ)上，先對串行通信分組輪詢多址接入信道容量進(jìn)行控制，建立了串行通信分組輪詢多址接入信道，通過設(shè)計(jì)串行通信分組輪詢多址接入算法，實(shí)現(xiàn)了串行通信分組輪詢的多址接入。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證基于Nutaq平臺的串行通信分組輪詢多址接入方法的有效性，將面向5G的非正交多址接入技術(shù)和基于OFDM的DFT加擾矢量碼分多址接入技術(shù)作為對比方法，進(jìn)行仿真研究。

3.1 設(shè)置仿真參數(shù)

采用仿真軟件搭建一個仿真平臺，仿真場景在單個串行通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中布置，將節(jié)點(diǎn)分布在10m*10m的串行通信網(wǎng)絡(luò)中。參數(shù)配置情況如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

3.2 結(jié)果討論與分析

網(wǎng)絡(luò)吞吐量是評價串行通信網(wǎng)絡(luò)分組輪詢多址接入性能的重要指標(biāo)之一，對比測試不同方法在20MHz信道帶寬的吞吐量，并將信道帶寬擴(kuò)展至80MHz和160MHz。定義串行通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量是單位時間內(nèi)，串行通信網(wǎng)絡(luò)中所有分組輪詢業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送的數(shù)據(jù)量，圖1顯示了信道帶寬20MHz、業(yè)務(wù)產(chǎn)生速率5M時的串行通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

圖1 20MHz信道帶寬時串行通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量

從圖1的測試結(jié)果可以看出，在業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量低于48個之前，三種方法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量帶寬之間的差距不明顯，但是隨著業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，基于Nutaq平臺的多址接入方法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量明顯高于傳統(tǒng)方法，并且持續(xù)保持較高的領(lǐng)先優(yōu)勢，說明在信道帶寬為20MHz時，所提方法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量更高。

圖2顯示了信道帶寬80MHz、業(yè)務(wù)產(chǎn)生速率20M時的串行通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

圖2 80MHz信道帶寬時串行通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量

從圖2的測試結(jié)果可以看出，隨著業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的逐漸增加，基于Nutaq平臺的多址接入方法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量呈現(xiàn)出持續(xù)增加的趨勢，并且增加趨勢十分明顯，而面向5G的非正交多址接入技術(shù)和基于OFDM的DFT加擾矢量碼分多址接入技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量在增加了一定程度之后，逐漸平穩(wěn)，網(wǎng)絡(luò)吞吐量最高值始終低于1000Mbps。

說明在信道帶寬為80MHz時，所提方法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量更高。

圖3顯示了信道帶寬160MHz、業(yè)務(wù)產(chǎn)生速率20M時的串行通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

圖3 160MHz信道帶寬時串行通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量

從圖3的測試結(jié)果可以看出，串行通信網(wǎng)絡(luò)信道帶寬為160MHz時，基于Nutaq平臺的多址接入方法測試得到的串行通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量優(yōu)勢更加明顯。

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在信道帶寬為20MHz、80MHz和160MHz的條件下，所提方法均具有更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，這是由于該方法運(yùn)用Nutaq平臺控制串行通信分組輪詢多址接入信道容量，提高了串行通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸速率，進(jìn)而提升了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

4 結(jié)束語

為了解決傳統(tǒng)方法存在的串行通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量較低的問題，提出了基于Nutaq平臺的串行通信分組輪詢多址接入方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法在信道帶寬為20MHz、80MHz和160MHz時，串行通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量都比較高，說明其適合在通信領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。