一种基于二元逻辑关系的无线数据发送方法与流程

本发明属于数据传输领域，涉及一种基于二元逻辑关系的无线数据发送方法。

背景技术：

a.无线网络的发展历史

通过下一代无线网络(wirelessnetworks,wn)的发展，任何时间、任何地点的万物互联都可以作为无线传输的目标进行展望，这是一个从理论研究到工业均朝气蓬勃的发展趋势，预计这一趋势将推动大规模的无线资源规划，以满足全球交通数据的爆炸式增长。

但是由于目前可用的无线资源限制，无线网络的性能始终存在瓶颈。在无线网络发展的过去十年里，诸如多输入多输出(mimo)、协同多点传输(comp)、正交频分多址(ofdma)以及非正交多址(noma)等技术都是有助于改善无线网络的用户吞吐量。

在s.fu等人的研究中，关注了comp在无线网络中的性能，提出了一种联合用户调度和功率分配的启发式算法；通过与传统蜂窝网络的比较，验证comp可以将无线容量提高20％-25％。s.fu等人进一步将工作扩展到mimo场景中，在该场景中，无线容量可以大大增加。z.ding等人研究noma的实现和性能，它可以通过连续干扰消除(sic)消除部分无线干扰，提高无线容量。h.s.cha等人在实验中通过干扰对齐提高无线容量，可以压缩噪声空间，在相同发射天线数量的情况下比mimo传输更多的符号。

基于无线网络的发展历史，可以通过利用空域资源提高用户吞吐量。当前最流行的技术是comp和noma。

comp分为mutingcomp和联合传输(jt)型comp，在前者中，几个基站按预先确定的协作簇对簇内用户提供服务，它只有两个状态，要么基站处于服务状态要么处于关闭状态，且同时频用户只能接收来自一个基站的服务；在后者中，协作基站集合内的所有基站可以在同时频传输相同的用户数据服务用户以提高无线接收信号的接收质量。。

noma指多个用户信号可以在同一个频率子信道上被复用。信道增益较好的用户可以解码信道增益较差的用户的干扰从而降低系统干扰。

b.数据附着(da)的定义

在无线网络发展过程中，利用上述提到的技术可以有效的改善无线网络用户吞吐量的性能，但是无线信道增益进一步限制了用户吞吐量。数据附着(da)是一种新型的机制，数据附加在诸如频率子信道数等物理资源上，特别是在第五代无线网络(5g)中，大规模的资源配置可以为数据传输提供大量可用的数据附着信息，即任何物理资源都可以等效地替代频率子信道，比如基站的天线、基站的放置等。对于具有多个频率子信道的特定基站，首先将物理资源编码为二进制形式，其中“1”表示使用该物理资源，“0”表示不使用。于是二进制代码的每个组合表示物理资源和用户之间的服务关系，也对应于一组附加的da数据。

da消息可以附加到频率子信道上。通过每个子信道上不同的用户调度，用户可以获得额外的da消息。如图1所示，以第一个用户为例，如果只有第三个子信道为用户服务，则da消息为“0010”，除了频率子信道外，基站上的发射天线也可以获得da增益。在图1中，定义一个特定的天线为“1”，而不是“0”，通过读取服务状态，用户可以获得da消息“10010101”，利用毫米波(mmwave)、大规模天线技术(massive-mimo)等资源的大规模布设，可以大大增加da消息。

以基于da的子信道为例，其中由于传信的子信道不是预先确定的，用户可以使用广播信道等多种方法来区分接收信号的源子信道。但在本发明并没有对此进行深入的探索以待后续研究，本发明侧重于da机制的理论框架本身。

传统信息传输都是以一个最大信道分配给某个用户服务，相当于这种方式是确定的，一个信道给一个用户服务，用户调度是固定的，其缺点是不够灵活，并且当无线信道质量都很差或非常接近的情况下，这种用户调度的方式带来的增益并不如采用具有随机用户调度特征的da附着方式大。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于二元逻辑关系的无线数据发送方法，为此本发明提出了利用正交频分多址(ofdma)、非正交多址(noma)以及协作多点传输(comp)等技术来提升网络空间可用物理层资源数目以承载da数据。进一步的，本发明通过noma技术提升网络资源利用率。经过本发明仿真实验结果验证了基于数据附着的无线传输的有效性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于二元逻辑关系的无线数据发送方法，该方法包括以下步骤：

s1：定义一个频域子信道服务用户为1，不服务为0，则通过信道是否对用户服务得到一串信息比特，当信道数特别多时，这种数据附着方式承载的信息量将大于通过用户调度得到的容量增益，通过可用资源服务用户的逻辑关系实现数据附着(dataattachment,da)；

s2：使用非正交多址技术(noma)实现资源同时同频服务于多个用户从而进一步提升无线资源利用率。

进一步，所述步骤s1具体为：da同时为不同的用户服务，利用noma技术，用户通过连续干扰抵消(successiveinterferencecancellation,sic)对目标信号和每个子信道上相应的干扰进行解码。

进一步，所述用户吞吐量分为两部分，即数据附着信息和香农容量；对于传统的无线传输，用户调度利用无线信道增益来最大限度地提高用户吞吐量，当考虑da时，用户调度就由da消息携带的信息决定，这导致用户调度的随机性，无法充分使用无线信道增益；同时当考虑da时，与传统的无线传输相比，香农容量将会降低，使得da的性能依赖于无线环境；

1)无线信道质量相近且子信道或其他资源的可用数量足够大时，da技术能取得明显容量增益并超过随机用户调度导致的香农容量损失；2)当无线干扰很强时，用户调度不能带来较大的用户吞吐量增益，此时da技术能取得明显的系统容量增益。

进一步，所述步骤s2具体为：

s201：用物理层资源来编码da消息

一个子信道对特定用户的服务状态用“0”或“1”的二进制值表示；当频域信道承载da信息时，假设可用子信道数目为s，则根据其服务某用户的状态在每个子帧中向该用户发送s比特的da消息；在每个子帧中，为特定用户服务的子信道生成编码表，由于用户的业务呈随机到达特征，每个用户的da编码在编码表中也以随机的方式出现；

s202：扩大可用物理资源种类增加da信息

在5g中，基于毫米波的频率带宽至少为1ghz，把带宽分成多个子信道；当无线干扰强时，da信息将是满足无线传感器网络(wirelesssensornetworks,wsn)用户需求的有力保证；当无线环境满足各子信道增益接近或无线干扰极大的场景时，da能有效提高用户吞吐量，补偿随机用户调度的不足；

基于大规模mimo的da传输；对于特定的用户，采用“1”和“0”来定义发送信号给用户；然后，在基站侧配置t根天线的数量在一个用户的子帧中增加da的比特位；如果用户端配置了y根天线接收信号，da消息在每个用户的增加到yt位；

另一方面，若干基站能组成基站协作簇同时向用户发送信号；通过解码来自不同基站的信号，基站协作簇中基站(bss)数目的增加将能极大的增加da消息的数量。

进一步，所述步骤s202中，若有四个物理信道时，分别通过子信道和mimo引入da，子信道对特定用户的服务状态对应于4位da消息；bs通过da消息将“1001”信息位发送给用户a，然后子信道1和4将为用户a服务，多用户通过noma在同一子信道上多路复用信号；子信道1将同时服务于用户a、b和c。

进一步，所述da消息包括da的调制位消息和da的消息位消息，通过对无线信道增益进行调制，调制位确定传输da消息的子信道，以获得da消息位；当da消息位数足够大时，香农容量增强；

将n个基站聚成一簇，用于联合传输，然后从特定的基站发送的信号或不发送的信号都表示1位da消息；

除了频率和空间资源，时间域也用来传输da消息；将时隙分组编码，时隙传输信息给某用户定义为“1”，时隙不传输则定义为“0”；通过在不同的时隙里调度用户，可在香农容量里添加da消息。

进一步，该方法能够通过频域子带、天线数目、无人机服务时的无人机与用户端接收角度从多维度承载da信息；当某信道对某用户传输da信息比特为0，即不服务时，通过noma技术该信道同样能够服务于别的用户，即此时该信道对别的用户能够传输比特1，从而实现子信道同时为多个用户服务，提升系统资源利用率。

本发明的有益效果在于：在无线网络中当子信道无线信道状态相差不大时，用户调度对系统容量的影响并不大，此时利用本发明的方法，定义一个频域子信道服务用户为1，不服务为0；则通过信道是否对用户服务可以得到一串信息比特，当信道数特别多时，这种数据附着方式承载的信息量(da容量与香农容量之和)将大于通过用户调度得到的香农容量增益。同理这种数据附着可以通过天线数目，无人机服务时无人机与用户端接收角度(如左/右)等承载。另一方面，当某信道对某用户传输da信息比特为0(不服务)时，该用户同样可以服务于别的用户(传输1)，这可以通过noma技术实现，从而实现一个子信道同时频为多个用户服务以增加资源利用率。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为利用noma技术实现da原理图；

图2为用于传输da消息的物理资源示意图；

图3为验证使用da报文的无线传输效果优于传统noma方法的性能示意图；

图4为noma和da算法之间的用户吞吐量的公平性示意图；

图5为高斯白噪声功率谱密度对用户吞吐量的影响示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

(一)通过noma技术实现da

图1为说明利用noma技术实现da时的原理，即不同的用户可以从不同的子信道接收目标信号，其中被占用的子信道可能会被不同的用户重复使用来传输信息。

如图1所示，不同的用户可以从不同的子信道接收目标信号，其中被占用的子信道可能会被不同的用户重复使用来传输信息，所以da的一个关键特性是子信道、天线等资源相同，它可以同时为不同的用户服务。noma为实现这一机制提供了一种有效的途经，即利用noma技术，用户可以通过连续干扰抵消对目标信号和每个子信道上相应的干扰进行解码。为了更具有针对性，本发明不考虑预编码；以频率子信道为例，用户在无线网络中是随机分布的，且假设一个子帧为1ms(毫秒)。

除了da消息之外，系统的用户吞吐量也来自于香农容量。并且用户吞吐量可以分为两部分，即数据附着信息和香农容量。对于传统的无线传输，用户调度可以利用无线信道增益来最大限度地提高用户吞吐量，但是当考虑da时，用户调度就是由da消息携带的信息决定的，这导致了用户调度的随机性，无法使用无线信道增益；同时这说明当考虑da时，与传统的无线传输相比下香农容量将会降低，这样使得da的性能很大程度上依赖于无线环境。只有当无线信道质量相近且子信道(或其他资源)的可用数量足够大时，da增益才能超过随机用户调度导致的香农容量损失，这是因为当无线干扰很强时，用户调度不能带来较大的用户吞吐量增益。

(二)研究使用da消息提高用户吞吐量的方向

a.da消息的编码

如上所述，da可以通过物理资源获取其他用户数据，然而随机的用户调度导致了基于无线环境的基于da无线传输的性能，因此本发明研究方法是用无线信道增益来编码da消息。

一个子信道对特定用户的服务状态可以用“0”或“1”的二进制值表示。所有子信道的服务状态都可以在每个子帧中添加s位da消息。在每个子帧中，为特定用户服务的子信道将根据编码表生成，由于用户的业务到达是随机的，因此每个用户的da编码在表中以随机的方式出现。

最大化用户吞吐量应该考虑无线信道增益，但是当考虑da消息时，编码决定用户调度，每个编码对应一个特定的信息。这说明如果所有的s位都作为da消息使用，那么使用da发送就不能将信道增益的消息用于用户调度，因此有必要设计一种考虑无线信道增益的编码机制的方法，s位da消息可包括da的调制位和da的消息位两类，通过对无线信道增益进行调制，调制位确定传输da消息的子信道，以获得da消息位。当s位数足够大时，这种划分是可以接受的，同时香农容量可以大大增强。在本发明中，为今后的研究提出了这一方向。详细的编码方法将在以后的工作中进行研究。

b.用于传送da消息的可用物理资源

许多物理资源可以用于da传输。在图1中，分别通过子信道和mimo引入了da。图2显示了用于传输da消息的几个物理资源，在左上角，显示了da通过频率子信道的过程，子信道对特定用户的服务状态对应于图中4位da消息。举例来说，bs应该通过da消息将“1001”信息位发送给用户a，然后子信道1和4将为用户a服务，多用户可以通过noma在同一子信道上多路复用信号。如图2所示，子信道1将同时服务于用户a、b和c。

在5g时代，基于毫米波的频率带宽至少为1ghz，可以把带宽分成多个子信道。例如，假设无线带宽为1ghz，相当于划分为10⁷个子信道，即每个子信道的带宽为100hz，每个用户可以实现10gbps的da消息。当无线干扰强时，10gbpsda报文将是满足无线传感器网络用户需求的有力保证。在这种情况下，da可以很大程度上提高用户吞吐量，补偿随机用户调度的不足。

在图2的右上角，描述了基于大规模mimo的da传输。对于特定的用户，采用“1”和“0”来定义发送信号给用户，而不是发送给用户。然后，在基站侧t天线的数量可以在一个用户的子帧中增加da的比特位。如果用户端配置了y天线接收信号。然后，da消息可以在每个用户的子框架中增加到yt位。因为大规模mimo中存在大量天线，通过发射天线发送da消息是一种可行的方法。

另一方面，基站可以同时向用户发送信号。通过解码来自不同基站的信号，可以随着集群中bss的增加而增加da消息的数量。以图2中左下角的情况为例，将n个基站聚成一簇，用于联合传输，然后从特定的基站发送的信号或不发送的信号都表示1位da消息。这表明da消息可以在子框架中为一个用户进一步增加为ynt位。

除了频率和空间资源，时间域也可以用来传输da消息。例如，可以将时隙分组并编码，某时隙传输信息给用户定义为“1”，不传输定义为“0”。通过在不同的时隙里调度用户，可以在香农容量里添加da消息。

在图2右下角描述了车辆网络的场景，在车辆侧配置了一个全向接收天线。无人机的传感器和道路传感器沿着道路铺设，以传输控制车辆行动的命令。当车辆移动时，道路传感器和车辆之间的角度会发生变化，通过改变服务于车辆的基站，可以采用不同的接收角度来编码da消息，另一方面，uav可以巡航在车辆的两侧。可以定义来自无人机的信号在左边为“1”，在右边为“0”，可以生成作为da消息的二进制代码。

频率的子信道、天线的数量等来源，可以使da消息的数量有效增加，这表明通过不同的资源类别可以在很大程度上增加da消息的大小。

除了作为da消息使用的资源外，da中的一个关键问题是noma中的功率分配，其中二进制代码被附加到相应的资源(如本发明中的子信道)上，虽然资源首先将为具有更好的无线信道增益的用户提供服务，以最大限度地提高用户吞吐量，但是在本发明中，使用等功率分配来简化，使本发明更加集中。

da的另一个重要问题是，用户应该检测所有可用资源的信号，如子信道、天线等。这就要求高复杂度的去信号检测，因为传统的无线网络通常预先确定用于无线传输的资源并向用户报告。图5为将无线干扰视为高斯白噪声，探究高斯白噪声功率谱密度对用户吞吐量的影响，可以看出，一些基于广播消息的网络，如车辆网络，具有通过da消息增加用户吞吐量的自然优势。

(三)案例

在matlab2013b中实现仿真，在模拟部分中，假设ofdm-noma系统由10个用户组成，实验中比较了da与noma技术的性能，显然noma中的用户调度是基于无线信道增益的，而da方法是随机的。为了降低计算复杂度，简化仿真，假设采用单输入单输出(siso)的方法。毫米波(mmwave)的无线带宽为1mhz，进一步平均分为10⁴个子信道。假设基站的最大发射功率为10dbm。基站的覆盖半径设为0.2km。本发明采用文献中提出的下一代无线网络的信道模型，并为了更好地衡量用户吞吐量的公平性，采用rajjain的公式进行案例研究。

如图3所示，可以验证使用da报文的无线传输效果优于传统noma方法的性能。随着基站发射功率的增大，两种算法性能之间的差距减小，因为信号接收sinr的增强导致了更好的无线容量，并且da方法中出现了随机传输的不完善性。

在图4中，进一步给出了两种算法之间的用户吞吐量的公平性。da方法比noma方法具有明显的公平性增益。当基站发射功率的增加时，两种算法的性能差距缩小，这是因为在noma技术中收到sinr信号的增强可以增加每个用户的用户吞吐量，而da方法中的子信道只服务几个用户，功率增大导致公平性下降。

在图5中，将无线干扰视为高斯白噪声，并探究高斯白噪声功率谱密度对用户吞吐量的影响。如图5所示，随着高斯白噪声功率谱密度的增加，用户吞吐量随着无线环境的降低而降低。在图5中还可以看出，da方法与noma方法的性能差距都是随着高斯白噪声功率谱密度的增大而增大，因为无线信道环境越差，用户吞吐量越差，da方法的有效性更加明显些，可以证明da方法在强干扰情况下更加有效。

本发明介绍了在下一代无线网络中增加用户吞吐量的数据附着(da)消息。所使用的大规模资源可以提供大量的标签，这些标签被视为无效的消息，并直接在传统的无线网络中丢弃。在本发明中，利用这些资源类别，根据资源效用的不同状态，将它们编码为二进制的“0”或“1”。通过子信道给出da消息的实例，其中服务于特定用户的子信道被表示为“1”，不服务表示为“0”。基于这样的体系结构，可以通过扩展模拟验证的da消息来增加用户吞吐量。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。