一种上行链路中信号传输性能的方法

1.本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种快速评估基于非正交哈希接入协议的上行链路中信号传输性能的方法。


背景技术：

2.区块链无线网(b-ran)融合了区块链与移动通信系统技术，可以在无信任担保的物联网设备间，利用区块链提供安全可靠的无线资源共享与接入服务。与目前的频谱交易网络合作模式相比，区块链无线网的经济激励与信任模式可以很好的消除中间代理的额外开销，各运营商之间的合作无需额外部署无线电基础设施，可以大规模降低数据访问服务的成本，并且构建网络与用户之间的信任关系。
3.目前，大多数物联网的随机接入设计只应用于所有设备均属一个公共运营商的场景，为提高传输效率，每个节点应该严格遵守随机接入协议。然而，在实际实践中，物联网网络通常包括大量属于多方的设备，设备彼此并不能相互信任。因此在随机接入协议中引入哈希难题，很好的解决了在无授权网络环境下，存在恶意设备抢占信道资源，造成通信堵塞的问题。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种快速评估基于非正交哈希接入协议的上行链路中信号传输性能的方法，不仅可以快速获得系统的性能指标，又能够揭示出网络参数对于信息传输中断概率和吞吐量的影响。
5.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
6.根据本发明提出的一种快速评估基于非正交哈希接入协议的上行链路中信号传输性能的方法，包括以下步骤：
7.步骤1、在无线网络上行链路中，有n个设备均匀分布在半径为d的圆形区域内，n个设备采用非正交哈希接入协议分别向圆形区域中心的基站发送信号，在给定间隙内基站接收设备发出的信号；
8.步骤2、在同一时隙内，基站向信道中广播哈希难题，其中n个有传输信息需求的设备解决哈希难度后获得接入信道的权利，同时基站允许多个设备进行传输；
9.步骤3、基站接收到不同设备的信号后进行动态sic解码，优先解码瞬时信干噪比最高的设备，同时将其他设备的信号看作为干扰信号，如果解码成功，则将该设备的信号从叠加信号中去除，然后再解码其他设备；叠加信号为所有设备发送的总信号；
10.步骤4、通过瞬时信干燥比计算得到信号传输的中断概率；
11.步骤5、通过信号传输的中断概率计算得到信号的吞吐量。
12.作为本发明所述的一种快速评估基于非正交哈希接入协议的上行链路中信号传输性能的方法进一步优化方案，步骤1中，
13.假设在半径为d的圆形区域内，有n个均匀分布的设备，分别向区域中心的基站发
送信号；基站在给定时隙内接收到的信号y记为其中，di是基站和第i个用于发射信号的设备之间的距离，α是路径损耗系数，p表示设备发送功率，xi是在具有零均值和单位方差的复高斯信道上第i个设备发射的信号向量，xi的包络|hi|遵循瑞利分布，w是方差为σ2的零均值复高斯噪声向量，n
ha
为获得接入信道的权利的设备，hi为第i个设备传输时的信道增益。
14.作为本发明所述的一种快速评估基于非正交哈希接入协议的上行链路中信号传输性能的方法进一步优化方案，
15.步骤2中，在n个设备中有n个设备获得接入信道的权利的概率为步骤2中，在n个设备中有n个设备获得接入信道的权利的概率为其中，n
ha
为获得接入信道的权利的设备，
16.定义难度k为设备获得无效哈希值的概率，k＝pr{ki≥k
target
}＝1-k
target
/(k
max
+1),k
target
表示为基站广播的目标哈希值且k
target
∈(0，k
max
),ki表示第i个设备计算出的哈希值，k
max
为基站广播的目标哈希值的最大值，pr{*}表示为概率。
17.作为本发明所述的一种快速评估基于非正交哈希接入协议的上行链路中信号传输性能的方法进一步优化方案，
18.步骤3、定义基站成功解码设备发送的信号的概率为瞬时信噪比大于正确解码阈值的概率，其中正确解码阈值γ0表示为γ0＝2
ξ-1，ξ为信道中的目标速率；瞬时信噪比γi表示为γi＝|hi|2d
i-α
p/σ2。
19.作为本发明所述的一种快速评估基于非正交哈希接入协议的上行链路中信号传输性能的方法进一步优化方案，步骤3中，假设基站的接收机最多同时接收三个设备以内的发送信号，当信道中有一个设备传输时，即n
ha
＝1时，基站成功接收信号的概率w_1为
[0020][0021]
其中，l为高斯切比雪夫求积的近似精度，σ
p
、ck、βk、xk均为参数，e为自然常数。
[0022]
作为本发明所述的一种快速评估基于非正交哈希接入协议的上行链路中信号传输性能的方法进一步优化方案，
[0023]
步骤3中，当信道中有两个设备传输时，即n
ha
＝2时，两个设备为第一设备和第二设备，第一设备、第二设备的瞬时信噪比分别为γ1、γ2，且γ1》γ2；此时，基站的接收机解码存在如下三种情况：
[0024]
情况(1)为第一设备与第二设备均未能正确解码的概率w_2_1为：
[0025][0026]
其中，c
l
、β
l
、x
l
均为参数，l为高斯切比雪夫求积的近似精度；
[0027]
情况(2)为第一设备正确解码，第二设备未能正确解码的概率w_2_2为：
[0028][0029]
情况(3)为第一设备与第二设备都成功解码的概率w_2_3为：
[0030][0031]
作为本发明所述的一种快速评估基于非正交哈希接入协议的上行链路中信号传输性能的方法进一步优化方案，
[0032]
步骤3中，当信道中有三个设备传输时，即n
ha
＝3时，三个设备为第一设备、第二设备和第三设备，第一设备、第二设备和第三设备的瞬时信噪比分别为γ1、γ2、γ3，且γ1》γ2》γ3；此时，基站的接收机解码存在如下四种情况，
[0033]
情况(1)为第一设备、第二设备和第三设备均未能正确解码的概率w_3_1为：
[0034][0035]
其中，
[0036]cm
、βm、xm均为参数，l为高斯切比雪夫求积的近似精度；
[0037]
情况(2)为第一设备正确解码，第二设备、第三设备未能正确解码的概率w_3_2为：
[0038][0039]
情况(3)为第一设备、第二设备正确解码，第三设备未能正确解码的概率w_3_3为：
[0040][0041]
情况(4)为第一设备、第二设备和第三设备均正确解码的概率w_3_4为：
[0042][0043]
作为本发明所述的一种快速评估基于非正交哈希接入协议的上行链路中信号传输性能的方法进一步优化方案，
[0044]
步骤4中，当信道中有一个设备传输时，其中断概率为p
out_1
＝1-w_1；当信道中有两个设备同时传输时，第一设备的平均中断概率为p
out_2,1
＝w_2_1，第二设备的平均中断概率为p
out_2,2
＝w_2_1+w_2_2；当信道中有三个设备同时传输时，第一设备的平均中断概率为p
out_3,1
＝w_3_1，第二设备的平均中断概率为p
out_3,2
＝w_3_1+w_3_2，第三设备的平均中断概率为p
out_3,3
＝1-w_3_4。
[0045]
作为本发明所述的一种快速评估基于非正交哈希接入协议的上行链路中信号传输性能的方法进一步优化方案，
[0046]
步骤5中，当信道中有一个设备传输时，信道中的吞吐量为ρ1＝ξw_1；当信道中有两个设备同时传输时，其吞吐量为ρ2＝ξw_2_2+2ξw_2_3；当信道中有三个设备同时传输时，其吞吐量为ρ3＝ξw_3_2+2ξw_3_3+3ξw_3_4。
[0047]
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0048]
与基于大规模网络模型的仿真相比，利用本方法进行信息传输中断概率和吞吐量的测试，可以获得与蒙特卡洛仿真结果非常接近的数值解，且计算时间被大幅缩减，缩减的程度随着网络规模的变大而增加。
附图说明
[0049]
图1是信道吞吐量与传输功率的关系。
[0050]
图2是信道吞吐量与难度值k的关系。
[0051]
图3是评估非正交哈希接入协议的上行链路中信号传输性能的方法的具体流程
具体实施方式
[0052]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
[0053]
如图3所示，一种快速评估基于非正交哈希接入协议的上行链路中信号传输性能的方法，包括如下步骤：
[0054]
1)考虑无线网络的上行链路，其中有n个设备均匀分布在半径为d的圆形区域内，n个设备采用非正交哈希接入协议分别向区域中心的公共基站发送信号；
[0055]
2)在同一时隙内，基站向信道中广播哈希难题，其中n个有传输信息需求的设备解决哈希难度后获得接入信道的权利，同时基站允许多个设备进行传输；
[0056]
3)基站接收到不同设备的信息后进行动态sic解码，优先解码瞬时信干噪比较高的设备，同时将其他设备的信号看作为干扰信号，如果解码成功，则将该用户的信号从叠加信号中去除，然后再解码其他设备；叠加信号为所有设备发送的总信号
[0057]
4)通过顺势信干燥比计算得到信号传输中断概率；
[0058]
5)通过信号传输的中断概率计算得到信号的吞吐量；
[0059]
所述步骤1)，假设在半径为d的圆形区域内，有n个均匀分布的设备，分别向区域中心的公共基站发送信息。基站在给定时隙内接收到的信号记为心的公共基站发送信息。基站在给定时隙内接收到的信号记为其中，di是基站和第i个发射信号设备之间的距离，α是路径损耗系数，p表示设备发送功率，xi是在具有零均值和单位方差的复高斯信道上发射的信号向量，xi的包络|hi|遵循瑞利分布，w是方差为σ2的零均值复高斯噪声向量，n
ha
为获得接入信道的权利的设备，hi为第i个设备传输时的信道增益。
[0060]
所述步骤2)，定义难度k为设备获得无效哈希值的概率，k＝pr{ki≥k
target
}＝1-k
target
/(k
max
+1),k
target
表示为基站广播的目标哈希值且k
target
∈(0，k
max
),ki表示第i个设备计算出的哈希值，k
max
为基站广播的目标哈希值的最大值，pr{*}表示为概率。。在n个设备中有n个设备获得传输权的概率为其中n
ha
为获得接入权的设备，
[0061]
所述步骤3)，定义基站成功解码设备发送的信号的概率为瞬时信噪比大于正确解码阈值的概率，其中正确解码阈值表示为γ0＝2
ξ-1，ξ为信道中的目标速率；瞬时信噪比表示为γi＝|hi|2d
i-α
p/σ2。
[0062]
所述步骤3)，假设基站接收机最多同时接收三个设备以内的发送信号，当信道中有一个设备传输时，即n
ha
＝1时，基站成功接收信号的概率w_1为
[0063][0064]
其中，l为高斯切比雪夫求积的近似精度，σ
p
、ck、βk、xk均为参数，e为自然常数。
[0065]
所述步骤3)，当信道中有两个设备传输时，即n
ha
＝2时，两个设备为第一设备和第二设备，第一设备、第二设备的瞬时信噪比分别为γ1、γ2，且γ1》γ2；此时，基站接收机解码存在如下三种情况：
[0066]
情况(1)为第一设备与第二设备均未能正确解码的概率w_2_1为：
[0067][0068]
其中，c
l
、β
l
、x
l
均为参数，l为高斯切比雪夫求积的近似精度；
[0069]
情况(2)为第一设备正确解码，第二设备未能正确解码的概率w_2_2为：
[0070]
[0071]
情况(3)为第一设备与第二设备都成功解码的概率w_2_3为：
[0072][0073]
所述步骤3)，当信道中有三个设备传输时，即n
ha
＝3时，三个设备为第一设备、第二设备和第三设备，第一设备、第二设备和第三设备的瞬时信噪比分别为γ1、γ2、γ3，且γ1》γ2》γ3；此时，基站接收机解码存在如下四种情况，情况(1)为第一设备、第二设备和第三设备均未能正确解码的概率w_3_1为：
[0074][0075]
其中，
[0076]cm
、βm、xm均为参数，l为高斯切比雪夫求积的近似精度；
[0077]
情况(2)为第一设备正确解码，第二设备、第三设备未能正确解码的概率w_3_2为：：
[0078][0079]
情况(3)为第一设备、第二设备正确解码，第三设备未能正确解码的概率w_3_3为：
[0080][0081]
情况(4)为第一设备、第二设备和第三设备均正确解码的概率w_3_4为：
[0082][0083]
所述步骤4)，当信道中有一个设备传输时，其中断概率为p
out_1
＝1-w_1；当信道中
有两个设备同时传输时，第一设备的平均中断概率为p
out_2,1
＝w_2_1，第二设备的平均中断概率为p
out_2,2
＝w_2_1+w_2_2；当信道中有三个设备同时传输时，第一设备的平均中断概率为p
out_3,1
＝w_3_1，第二设备的平均中断概率为p
out_3,2
＝w_3_1+w_3_2，第三设备的平均中断概率为p
out_3,3
＝1-w_3_4。
[0084]
所述步骤5)，当信道中有一个设备传输时，信道中的吞吐量为ρ1＝ξw_1；当信道中有两个设备同时传输时，其吞吐量为ρ2＝ξw_2_2+2ξw_2_3；当信道中有三个设备同时传输时，其吞吐量为ρ3＝ξw_3_2+2ξw_3_3+3ξw_3_4。
[0085]
实施例：在仿真测试环境中，模拟一个基站，基站覆盖范围内随机分布地部署若干个符合均匀分布的设备，并利用非正交哈希接入协议向基站传输数据，一个设备先计算哈希难题，计算出的哈希值低于目标哈希值则向基站上传信息，基站利用sic接收机解码多用户共享同一时频资源所传输的信号。假设基站最多解码不多于3个设备利用noma技术同时传输的信息，其中路径损耗系数α＝4，基站覆盖范围d＝100m，噪声功率为σ2＝-104dbm。
[0086]
通过采用本发明中所述的方法，其仿真效果如下：
[0087]
由图1中可以看出基于本发明方法给出的信息传输的吞吐量的解析解与经过大量monte carlo仿真得到的数值解的结果高度相同，并且，伴随着传输功率的增加，应用本发明方法，系统的吞吐量显著提高。图2中可以看出当达到最优难度值时，系统的吞吐量达到最高。
[0088]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。