基于Nutaq平臺的SC分組輪詢多址接入方法

宋曉華，李文麗

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

1 引言

隨著智能通信設備的發展與普及，使得無線通信業務量呈爆炸式增長，通信業務的發展趨勢也越來越多樣化，使得人們對通信服務質量的要求也變得多種多樣，從而對串行通信網絡也提出了更高的要求[1-3]。串行通信網絡不僅要支持更多用戶同時登錄的需求，還要滿足高速運行和降低延時的要求。在這種趨勢下，串行通信網絡的低成本、部署結構簡單以及易于擴展等優勢逐漸獲得廣大用戶的青睞[4]。

在傳統的串行通信網絡中，大多數都是采用正交多址接入的方式來進行用戶的復用。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成為一個新的研究熱點。目前常用的接入方法有面向5G的非正交多址接入技術，該方法為了滿足5G網絡時代在連接數和頻譜效率上的需求，將5G網絡應用到了非正交多址接入技術設計中，從多用戶信息論的角度出發，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計原理、信號處理能力以及接入性能增益，從非正交網絡運營的角度，剖析了非正交多址接入技術在未來的應用前景。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，該方法將OFDM應用到DFT加擾矢量碼分多址接入技術中，引入矢量正交頻分復用技術，利用張量積的矩陣分解特性排列組合了發射信號，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雜度。仿真結果顯示，該DFT加擾矢量碼分多址接入技術的性能更高[6-8]。

雖然上述方法均能針對通信網絡實現多址接入，但是在海量通信業務量下，存在通信網絡吞吐量不高的問題，因此，將Nutaq平臺應用到串行通信分組輪詢多址接入方法設計中，從而提高串行通信網絡的吞吐量。

2 串行通信分組輪詢多址接入方法設計

2.1 控制多址接入信道容量

為了適應串行通信業務需求，提高串行通信網絡數據的傳輸速率，應用Nutaq平臺合理控制串行通信分組輪詢多址接入信道容量，通過復用來提高串行通信網絡的數據速率，并通過串行通信的多樣性來提高串行通信網絡的性能，使其滿足大多數用戶的需求。

(1)

其中，Es表示串行通信發射機輸出的信號總能量；MT表示業務量；MN表示信號傳輸速度；I表示寬頻帶。串行通信網絡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的復矩陣，其中，MR表示衰落系數，

對于實際的接入環境，串行通信分組輪詢多址接入信道的衰落系數是一個隨機的變量。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，得到串行通信網絡接收串行信號的協方差矩陣Er為

Er=HRjr

(3)

其中，Rj表示業務負載；r表示有效輪詢周期。

假設串行通信分組輪詢多址接入信道的參數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)表示串行通信網絡發射信號矢量s的概率分布狀態；I(s∣y)表示串行通信網絡發射信號矢量s與接收信號矢量y之間的互信息。改變f(s)可以使接收和發送信號矢量之間的互信息呈現最大化，從而實現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)表示串行通信網絡接收信號矢量y的相對熵；H(y∣s)表示在發射信號矢量s的基礎上接收信號矢量y的條件熵。

H(y)的最大化處理即對I(s，y)進行最大化處理，串行通信網絡接收信號矢量y的協方差矩陣Ry需要滿足式(6)的條件

(6)

針對Ry中所有的串行通信網絡接收信號矢量y，如果都屬于ZMCSCG矢量，那么H(y)就可以實現最大化。串行通信網絡接收信號矢量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；MR表示申請時隙。結合式(7)和式(8)，計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表示串行通信網絡中數據傳輸比率；PC表示數據傳輸時延；Jc表示數據處理時間。

應用Nutaq平臺建立了串行通信分組輪詢接入信道發生信號的協方差矩陣，利用信道容量接收矢量，得到串行通信網絡接收串行信號的協方差矩陣，再利用分組輪詢多址接入信息熵與條件熵間的聯系，計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移函數為p(y∣χK)。如果串行通信網絡所輸出的分組輪詢多址概率分布取決于相應的輸入，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成為K個消息集，那么K個消息集的編碼函數映射過程為

EK:WK→xK

(11)

其中，WK表示數據集容量，其具有一定的相對獨立性。

利用式(11)就可以映射得到的譯碼函數，表示為

D(x)=ynWK

(12)

其中，yn表示信道均衡系數。

基于譯碼函數[10]，計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分布。在串行通信系統中，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現串行通信數據的高效傳輸。

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式為

(14)

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

假設串行通信系統每一個發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量。

通過串行通信網絡所輸出的分組輪詢多址概率分布，利用編碼函數映射過程，得到的譯碼函數。計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計

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：更新串行通信網絡FN處和VN處的多址接入結果

(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+1，重復操作Step2，直到達到最大迭代次數，串行通信分組輪詢多址接入結果為

(19)

綜上所述，在Nutaq平臺的基礎上，先對串行通信分組輪詢多址接入信道容量進行控制，建立了串行通信分組輪詢多址接入信道，通過設計串行通信分組輪詢多址接入算法，實現了串行通信分組輪詢的多址接入。

3 仿真分析

為了驗證基于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和基于OFDM的DFT加擾矢量碼分多址接入技術作為對比方法，進行仿真研究。

3.1 設置仿真參數

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絡節點中布置，將節點分布在10m*10m的串行通信網絡中。參數配置情況如表1所示。

表1 仿真參數

3.2 結果討論與分析

網絡吞吐量是評價串行通信網絡分組輪詢多址接入性能的重要指標之一，對比測試不同方法在20MHz信道帶寬的吞吐量，并將信道帶寬擴展至80MHz和160MHz。定義串行通信網絡吞吐量是單位時間內，串行通信網絡中所有分組輪詢業務節點成功發送的數據量，圖1顯示了信道帶寬20MHz、業務產生速率5M時的串行通信網絡吞吐量。

圖1 20MHz信道帶寬時串行通信網絡吞吐量

從圖1的測試結果可以看出，在業務節點數量低于48個之前，三種方法的網絡吞吐量帶寬之間的差距不明顯，但是隨著業務節點數量的增多，基于Nutaq平臺的多址接入方法的網絡吞吐量明顯高于傳統方法，并且持續保持較高的領先優勢，說明在信道帶寬為20MHz時，所提方法的網絡吞吐量更高。

圖2顯示了信道帶寬80MHz、業務產生速率20M時的串行通信網絡吞吐量。

圖2 80MHz信道帶寬時串行通信網絡吞吐量

從圖2的測試結果可以看出，隨著業務節點數量的逐漸增加，基于Nutaq平臺的多址接入方法的網絡吞吐量呈現出持續增加的趨勢，并且增加趨勢十分明顯，而面向5G的非正交多址接入技術和基于OFDM的DFT加擾矢量碼分多址接入技術的網絡吞吐量在增加了一定程度之后，逐漸平穩，網絡吞吐量最高值始終低于1000Mbps。

說明在信道帶寬為80MHz時，所提方法的網絡吞吐量更高。

圖3顯示了信道帶寬160MHz、業務產生速率20M時的串行通信網絡吞吐量。

圖3 160MHz信道帶寬時串行通信網絡吞吐量

從圖3的測試結果可以看出，串行通信網絡信道帶寬為160MHz時，基于Nutaq平臺的多址接入方法測試得到的串行通信網絡吞吐量優勢更加明顯。

綜合上述實驗結果可知，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絡吞吐量，這是由于該方法運用Nutaq平臺控制串行通信分組輪詢多址接入信道容量，提高了串行通信網絡數據的傳輸速率，進而提升了網絡吞吐量。

4 結束語

為了解決傳統方法存在的串行通信網絡吞吐量較低的問題，提出了基于Nutaq平臺的串行通信分組輪詢多址接入方法。實驗結果顯示，該方法在信道帶寬為20MHz、80MHz和160MHz時，串行通信網絡吞吐量都比較高，說明其適合在通信領域中廣泛應用。