基于時延感知的5G通信鏈路映射算法

曹 軍，凌 云

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

高質(zhì)量通信體驗是通信技術在交流領域的追求，尤其是近幾年信息技術不斷發(fā)展，通信基礎設施的建立不斷完善，第五代通信技術時代（5G）到來。對5G通信技術的主要需求有4個方面：連續(xù)覆蓋性、熱點高容量性、低功耗連接性和低時延高可靠性。本文主要分析基于時延感知的5G通信技術。由于傳統(tǒng)算法時延性較高，數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量不佳，針對此問題，提出線性預編碼方案，降低干擾和誤碼率；再依據(jù)5G通信技術過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，將碼字進行分層映射到各個數(shù)據(jù)流，結合預編碼聯(lián)合將數(shù)據(jù)傳送到端口；最后基于時延感知優(yōu)化映射算法感知層，提升頻譜效率和峰值速率，提高用戶使用感受。通過實驗論證，本文提出的算法基本可以滿足移動通信的低時延高可靠的要求。

1 線性預編碼技術傳輸數(shù)據(jù)

預編碼技術首先將接收到的數(shù)據(jù)進行處理，降低在數(shù)據(jù)傳輸過程中產(chǎn)生干擾，達到提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，降低用戶時延感知過程的目的。其中線性預編碼作為更便捷的技術，應用更為廣泛。建立線性預編碼傳輸系統(tǒng)的過程如下：在多天線傳輸系統(tǒng)中，信號接收量是由信道向量、發(fā)送信號矩陣和噪聲向量組成；經(jīng)線性預編碼技術調(diào)整后，形成數(shù)據(jù)矩陣，對該矩陣進行分解，得到一個共軛轉(zhuǎn)置矩陣，再由數(shù)據(jù)接收端進行處理，得到碼本[1]。由此可見，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)不再需要知道全部的信道向量，而只清楚碼本的數(shù)量即可。預編碼數(shù)據(jù)傳輸實際上就是在發(fā)射端對發(fā)射信號乘以共軛轉(zhuǎn)置矩陣，再對其進行奇異值分解處理，大大減少了接收端需要處理數(shù)據(jù)的復雜性，為提高傳輸時延提供了技術基礎，使得5G通信鏈路即使采用簡單的線性處理算法，也能獲得較好的性能。

2 設計5G通信鏈路的層映射模式

5G通信中的數(shù)據(jù)傳輸通過不同的時域、頻域和空間傳輸資源，基于時延感知的5G通信鏈路映射則把重點放在傳輸時間即時域這一層面上來。時域傳輸，即指上行的業(yè)務數(shù)據(jù)流進行信道向量編碼之后的數(shù)據(jù)。每一個不同的向量對應不同的數(shù)據(jù)流，只有這樣多個端口發(fā)送數(shù)據(jù)，才能保證時域傳輸。當時域數(shù)據(jù)流與接收端口數(shù)量不相同時，將會導致接收端口無法破譯碼本的結果。在當前的5G通信鏈路的應用技術中，接收端口與發(fā)送端口的數(shù)據(jù)流無法正常匹配，已經(jīng)成為常見問題。因此需要制定層映射模式規(guī)則，保證發(fā)送端的信道向量與接收端口的數(shù)據(jù)流相對應，即通過層映射模式將信道向量重新映射到每一個數(shù)據(jù)層，每層都能與有效的數(shù)據(jù)流相對應。數(shù)據(jù)流進行層映射處理后，傳輸塊[x(0)(i)…x(v-1)(i)]根據(jù)以下算法映射到天線端口：

式中，i=0，1，...，Map-1，Map=Mlayer。

式（1）中算法制定了層映射與數(shù)據(jù)流的對應關系，數(shù)據(jù)進入端口后通過層映射模式，將每個數(shù)據(jù)的復值信息映射到各個數(shù)據(jù)層中。通過層映射模式將原本雜亂的信道向量規(guī)則地映射到接收端數(shù)據(jù)端口，完成數(shù)據(jù)傳輸。層映射和預編碼聯(lián)合完成碼字到天線端口數(shù)據(jù)流的處理。

3 基于時延感知優(yōu)化映射算法感知層

在搭建算法過程中，基于時延感知理論，聯(lián)合流控制和調(diào)度算法，建立端對端時延隊列，以減少每個數(shù)據(jù)包從進入數(shù)據(jù)隊列到離開數(shù)據(jù)隊列的等待時間，降低端對端時延感知，優(yōu)化映射算法感知層。在網(wǎng)絡架構方面，利用建立線性預編碼數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和開發(fā)層映射功能，搭建5G通信鏈路映射算法，提高接入網(wǎng)的整體性能，滿足5G復雜場景的需求。其具體算法如下：

式中，R=948/1024（取0.9258）為冗余數(shù)；a(j)為歸一化比例因子；v為發(fā)送的最大層數(shù)；Qm為峰值速率；f（j）為頻譜效率；NPRB為帶寬上調(diào)的最大RB數(shù)；NPRB12則為調(diào)度的最大子載波數(shù)；Ts為一個子幀內(nèi)的OFDM符號的平均周期，OH（j）為相對于有效帶寬時間積包含的RE總數(shù)。在此算法中，設置統(tǒng)一的信噪比數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸開始之后，依次經(jīng)過信息調(diào)整、重新編碼、冗余信道編碼之后，對數(shù)據(jù)進行預編碼生成數(shù)據(jù)流碼本，再由層映射將碼流映射到數(shù)層，其中層數(shù)是能夠獨立并行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流個數(shù)。之后將編碼矩陣傳輸?shù)蕉丝谔帲?jīng)過OFDM進行調(diào)制，最后經(jīng)過信道和噪聲加擾之后到達接收端。此算法基于時延感知理論優(yōu)化映射算法感知層，測定頻譜效率和單用戶傳輸峰值速率，以此為評價標準可以驗證基于時延感知搭建5G通信鏈路映射算法的可靠性。

4 實驗論證分析

4.1 頻譜效率實驗

為保證本文提出的基于時延感知的5G通信映射算法的有效性，進行實驗論證，實驗論證將本文提出算法設為實驗組，將傳統(tǒng)算法設為對比組，將信噪比作為變量，對兩組的頻譜效率進行統(tǒng)計，結果如表1。

表1 頻譜效率（bits/s/Hz）數(shù)據(jù)統(tǒng)計

由表1頻譜效率數(shù)據(jù)可知，相較于對比組，在信噪比為10 dB時，實驗組提高了0.67 bit/s/Hz；信噪比為20 dB時，實驗組提高了0.71 bit/s/Hz；信噪比為30 dB時，實驗組提高了0.61 bit/s/Hz；信噪比為40 dB時，實驗組提高了0.86 bit/s/Hz；信噪比為50 dB時，實驗組提高了1.11 bit/s/Hz。本文提出算法有更高的頻譜效率。

4.2 峰值速率實驗

峰值速率是驗證通信算法有效性的另一重要指標，將信噪比作為變量，對兩組的峰值速率進行統(tǒng)計，結果如表2。

表2 峰值速率（Mb/s）數(shù)據(jù)統(tǒng)計

由表2峰值速率數(shù)據(jù)可知，相較于對比組，在信噪比為10 dB時，實驗組提高了0.75 Mb/s；信噪比為20 dB時，實驗組提高了1.11 Mb/s；信噪比為30 dB時，實驗組提高了1.16 Mb/s；信噪比為40 dB時，實驗組提高了1.73 Mb/s；信噪比為50 dB時，實驗組提高了1.53 Mb/s；由此可見，本文提出算法有更大的峰值速率。綜合實驗結果表明，與傳統(tǒng)算法相比，總體傳輸效果提升了19.8%。本文提出的基于時延感知的5G通信映射算法能夠提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l譜效率和峰值效率，減少數(shù)據(jù)包流動等待時間，降低數(shù)據(jù)傳輸過程中的時延感知，具有更優(yōu)越的通信性能表現(xiàn)。

5 結 論

本文對基于時延感知的5G通信鏈路映射算法進行分析，經(jīng)實驗論證，取得了不錯的測試結果，驗證了所提出算法的優(yōu)越性。但此次研究還存在一些不足之處，今后的研究工作中，可以將重點轉(zhuǎn)移到擴大最大峰值速率上來，通過現(xiàn)有的基于時延感知的5G通信算法，擴大數(shù)據(jù)的傳輸峰值，為5G通信技術提供更可靠的技術手段。