基于Nutaq平台的SC分组轮询多址接入方法

2021-11-17宋晓华李文丽

计算机仿真 2021年3期

宋晓华，李文丽

(1.燕京理工学院信息科学与技术学院，河北廊坊 065201；2.北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876)

1 引言

随着智能通信设备的发展与普及，使得无线通信业务量呈爆炸式增长，通信业务的发展趋势也越来越多样化，使得人们对通信服务质量的要求也变得多种多样，从而对串行通信网络也提出了更高的要求[1-3]。串行通信网络不仅要支持更多用户同时登录的需求，还要满足高速运行和降低延时的要求。在这种趋势下，串行通信网络的低成本、部署结构简单以及易于扩展等优势逐渐获得广大用户的青睐[4]。

在传统的串行通信网络中，大多数都是采用正交多址接入的方式来进行用户的复用。但是越来越多的研究表明，分组轮询多址接入方法的频谱利用率更高[5]，因此，串行通信分组轮询多址接入方法已经成为一个新的研究热点。目前常用的接入方法有面向5G的非正交多址接入技术，该方法为了满足5G网络时代在连接数和频谱效率上的需求，将5G网络应用到了非正交多址接入技术设计中，从多用户信息论的角度出发，先探讨了非正交多址接入与正交多址接入之间的理论性能，并比较逼近多用户信道容量的有效途径，深入分析了非正交多址接入方案的设计原理、信号处理能力以及接入性能增益，从非正交网络运营的角度，剖析了非正交多址接入技术在未来的应用前景。除了该方法之外，常用的方法还有基于OFDM的DFT加扰矢量码分多址接入技术，该方法将OFDM应用到DFT加扰矢量码分多址接入技术中，引入矢量正交频分复用技术，利用张量积的矩阵分解特性排列组合了发射信号，通过求解张量积的矩阵向量，得到分集增益抑制单一子载波的衰落，降低DFT加扰矢量码分多址接入的复杂度。仿真结果显示，该DFT加扰矢量码分多址接入技术的性能更高[6-8]。

虽然上述方法均能针对通信网络实现多址接入，但是在海量通信业务量下，存在通信网络吞吐量不高的问题，因此，将Nutaq平台应用到串行通信分组轮询多址接入方法设计中，从而提高串行通信网络的吞吐量。

2 串行通信分组轮询多址接入方法设计

2.1 控制多址接入信道容量

为了适应串行通信业务需求，提高串行通信网络数据的传输速率，应用Nutaq平台合理控制串行通信分组轮询多址接入信道容量，通过复用来提高串行通信网络的数据速率，并通过串行通信的多样性来提高串行通信网络的性能，使其满足大多数用户的需求。

(1)

其中，Es表示串行通信发射机输出的信号总能量；MT表示业务量；MN表示信号传输速度；I表示宽频带。串行通信网络在传输信号的过程中，宽频带都会比较窄，串行通信分组轮询多址接入信道的频率响应也比较平坦。将串行通信分组轮询多址接入信道矩阵H作为MR×MT的复矩阵，其中，MR表示衰落系数，

对于实际的接入环境，串行通信分组轮询多址接入信道的衰落系数是一个随机的变量。获取平均串行通信分组轮询多址接入信道容量接收矢量的表达式为

r=Hs+n

(2)

其中，Hs表示信道容量传输矢量；n表示信号噪声矢量。

利用信道容量接收矢量，得到串行通信网络接收串行信号的协方差矩阵Er为

Er=HRjr

(3)

其中，Rj表示业务负载；r表示有效轮询周期。

假设串行通信分组轮询多址接入信道的参数不会随时间的变化而变化，那么串行通信分组轮询多址接入信道容量可以表示为

C=f(s)maxI(s∣y)

(4)

其中，f(s)表示串行通信网络发射信号矢量s的概率分布状态；I(s∣y)表示串行通信网络发射信号矢量s与接收信号矢量y之间的互信息。改变f(s)可以使接收和发送信号矢量之间的互信息呈现最大化，从而实现串行通信分组轮询多址接入信道容量最大化。利用分组轮询多址接入信息熵与条件熵之间的联系，即可得到

I(s，y)=H(y)-H(y∣s)

(5)

其中，H(y)表示串行通信网络接收信号矢量y的相对熵；H(y∣s)表示在发射信号矢量s的基础上接收信号矢量y的条件熵。

H(y)的最大化处理即对I(s，y)进行最大化处理，串行通信网络接收信号矢量y的协方差矩阵Ry需要满足式(6)的条件

(6)

针对Ry中所有的串行通信网络接收信号矢量y，如果都属于ZMCSCG矢量，那么H(y)就可以实现最大化。串行通信网络接收信号矢量y与信号噪声矢量n之间的相对熵为

H(y)=log2det(eRy)

(7)

H(n)=log2det(eσ2IMR)

(8)

其中，e表示接入时隙；σ2表示接收信号矢量处于接入状态；MR表示申请时隙。结合式(7)和式(8)，计算串行通信分组轮询多址接入信道的容量，表示为

(9)

其中，α表示串行通信网络中数据传输比率；PC表示数据传输时延；Jc表示数据处理时间。

应用Nutaq平台建立了串行通信分组轮询接入信道发生信号的协方差矩阵，利用信道容量接收矢量，得到串行通信网络接收串行信号的协方差矩阵，再利用分组轮询多址接入信息熵与条件熵间的联系，计算串行通信分组轮询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础上，建立多址接入信道。串行通信分组轮询多址接入信道分为离散型多址接入信道和高斯型多址接入信道[9]。令离散型多址接入信道为χK，分组轮询多址概率转移函数为p(y∣χK)。如果串行通信网络所输出的分组轮询多址概率分布取决于相应的输入，并且前一个多址输入信道的输入条件和输出条件都是相互独立的，则将其表示为

(10)

其中，串行通信分组轮询多址接入信道的构成为K个消息集，那么K个消息集的编码函数映射过程为

EK:WK→xK

(11)

其中，WK表示数据集容量，其具有一定的相对独立性。

利用式(11)就可以映射得到的译码函数，表示为

D(x)=ynWK

(12)

其中，yn表示信道均衡系数。

基于译码函数[10]，计算串行通信分组轮询多址接入信道码的均衡误差概率，即

(13)

由于离散型多址接入信道在Nutaq平台中具有乘积分布特性，因此，在搭建Nutaq平台时需要服从正态分布。在串行通信系统中，除了离散型多址接入信道可以接受分组轮询多址接入消息以外，高斯型多址接入信道也可以实现串行通信数据的高效传输。

在高斯型多址接入信道中，接收端收到串行通信信号的表达式为

(14)

其中，gk表示高斯型多址接入信道的增益；Zi表示独立分布的分组轮询多址接入方差的高斯随机变量序列。

假设串行通信系统每一个发送端的均衡功率限制为pK，将其定义为

(15)

其中，Yi表示高斯型多址接入信道容量域中串行通信信号数量。

通过串行通信网络所输出的分组轮询多址概率分布，利用编码函数映射过程，得到的译码函数。计算串行通信分组轮询多址接入信道码的均衡误差概率，建立离散型多址接入信道，结合高斯型多址接入信道，建立了串行通信分组轮询多址接入信道。

2.3 串行通信分组轮询多址接入算法设计

Step1：初始化分组轮询多址接入概率

在迭代接入开始之前，初始化每一个串行通信终端发送每一个码字的概率为相同值，将其表示为

(16)

Step2：更新串行通信网络FN处和VN处的多址接入结果

(17)

(18)

其中，l表示不包含串行通信终端j的终端集合；χ表示不包含载波k的载波集合。

Step3：迭代次数+1，重复操作Step2，直到达到最大迭代次数，串行通信分组轮询多址接入结果为

(19)

综上所述，在Nutaq平台的基础上，先对串行通信分组轮询多址接入信道容量进行控制，建立了串行通信分组轮询多址接入信道，通过设计串行通信分组轮询多址接入算法，实现了串行通信分组轮询的多址接入。

3 仿真分析

为了验证基于Nutaq平台的串行通信分组轮询多址接入方法的有效性，将面向5G的非正交多址接入技术和基于OFDM的DFT加扰矢量码分多址接入技术作为对比方法，进行仿真研究。

3.1 设置仿真参数

采用仿真软件搭建一个仿真平台，仿真场景在单个串行通信网络节点中布置，将节点分布在10m*10m的串行通信网络中。参数配置情况如表1所示。

表1 仿真参数

3.2 结果讨论与分析

网络吞吐量是评价串行通信网络分组轮询多址接入性能的重要指标之一，对比测试不同方法在20MHz信道带宽的吞吐量，并将信道带宽扩展至80MHz和160MHz。定义串行通信网络吞吐量是单位时间内，串行通信网络中所有分组轮询业务节点成功发送的数据量，图1显示了信道带宽20MHz、业务产生速率5M时的串行通信网络吞吐量。

图1 20MHz信道带宽时串行通信网络吞吐量

从图1的测试结果可以看出，在业务节点数量低于48个之前，三种方法的网络吞吐量带宽之间的差距不明显，但是随着业务节点数量的增多，基于Nutaq平台的多址接入方法的网络吞吐量明显高于传统方法，并且持续保持较高的领先优势，说明在信道带宽为20MHz时，所提方法的网络吞吐量更高。

图2显示了信道带宽80MHz、业务产生速率20M时的串行通信网络吞吐量。

图2 80MHz信道带宽时串行通信网络吞吐量

从图2的测试结果可以看出，随着业务节点数量的逐渐增加，基于Nutaq平台的多址接入方法的网络吞吐量呈现出持续增加的趋势，并且增加趋势十分明显，而面向5G的非正交多址接入技术和基于OFDM的DFT加扰矢量码分多址接入技术的网络吞吐量在增加了一定程度之后，逐渐平稳，网络吞吐量最高值始终低于1000Mbps。

说明在信道带宽为80MHz时，所提方法的网络吞吐量更高。

图3显示了信道带宽160MHz、业务产生速率20M时的串行通信网络吞吐量。