[发明专利]一种短包通信中基于喷泉码的非正交多址接入系统跨层设计方法

权利要求书

1.一种短包通信中基于喷泉码的非正交多址接入系统跨层设计方法，其特征在于：实现步骤具体如下：

步骤A、建立一个下行两用户NOMA系统；具体实现如下：

A1，构建一个基站，即BS，和两个用户设备，即UE的非正交多址接入系统单小区下行链路，其中，UE-1是小区中心用户，UE-2是小区边缘用户，BS和两个UE都只具有单个天线；

A2，建模BS和两个BS之间的信道系数；表示BS和UE-i(i＝1,2)间信道系数，其中，h_i表示小尺度衰落，建模为均值为0方差为1的复高斯分布，表示BS和UE-i间的大尺度衰落，d_i表示BS和UE-i间的距离，β表示路径损耗，E{|g₁|²}＞＞E{|g₂|²}，其中E{·}表示期望运算；

A3，假定BS的总传输功率为P，分配给UE-1和UE-2的传输功率分别表示为P₁＝αP和P₂＝(1-α)P，其中α是功率分配因子，0＜α＜0.5；

A4，UE-i的信息由K个短数据包组成，首先，在应用层，BS将K个数据包通过喷泉编码变成N个喷泉编码包，每个短数据包和喷泉编码包的大小均为L_i个比特；然后，在物理层，UE-i的每个喷泉编码包通过物理层编码和调制产生物理帧x_i，其大小为T_i；最后，BS发射的叠加信号为x_T，其中，在接收端，UE-i的接收信号为r_i＝g_ix_T+n_i，其中，n_i表示UE-i的加性复高斯白噪声，其均值为0，方差为N₀，传输SNR定义为P/N₀；

步骤B、根据步骤A建立的系统模型，在跨层系统中，假定应用层采用理想喷泉码，UE-i只需成功接收K个喷泉编码包就可以恢复信息；给定UE-i的传输信息失败概率即在应用层不能全部恢复发送信息的错误概率和应用层喷泉码码率可以得到UE-i物理层平均块错误率ζ_i和的关系式：

其中，I_ζi(N-K+1,K)是不完全Beta函数；因此，UE-i的物理层平均块错误率为

步骤C、确定两用户在物理层恢复自身信号的瞬时信噪比，根据短数据包传输的最大可达速率计算公式，确定两用户在物理层的瞬时块错误率和平均块错误率；根据两用户平均块错误率的表达式，确定两用户在物理层的最小块长，最后得到物理层的最优功率分配因子和最小公共块长；具体实现如下：

C1，UE-2接收到信号r₂后，将x₁当作噪声，UE-2恢复x₂的瞬时信噪比为UE-1先把x₁当作噪声，恢复x₂，UE-1恢复x₂的瞬时信噪比为当UE-1通过串行干扰抵消技术正确消除x₂的干扰时，UE-1恢复x₁的瞬时信噪比为

C2，当给定信噪比γ、短数据包在物理层的块长大小T和短数据包在物理层要求的块错误率ε时，短数据包最大可达速率可以近似表示为：

其中，香农容量公式C(γ)＝log₂(1+γ)，信道散度Q^-1(·)表示的逆函数；

假定UE-i的物理层信息速率为R_i，则UE-i在物理层传输一个短数据包的块长大小为T_i＝L_i/R_i；UE-2恢复x₂的瞬时块错误率为UE-1恢复x₂的瞬时块错误率为当UE-1采用串行干扰抵消技术正确消除x₂的干扰时，UE-1恢复x₁的瞬时块错误率为ε₁₂是个很小的值，因此，UE-1总体瞬时BLERε₁为ε₁＝ε₁₂+(1-ε₁₂)ε₁₁≈ε₁₂+ε₁₁；UE-2总体瞬时块错误率ε₂为ε₂＝ε₂₂；

C3，根据C2得到的瞬时块错误率，衰落信道中平均块错误率E{ε_ij}可以表示为：

其中，i,j＝{1,2}，为γ_ij的概率密度函数，是γ_ij的累计分布函数，表示为：

其中，κ_i＝E{|g_i|²}P/N₀；根据一阶黎曼积分近似，UE-i的平均块错误率分别表示为：

C4，根据步骤C3，可以分别求出UE-i在物理层传输一个短数据包的最小块长T_i：

在高传输SNR下，令T₁＝T₂，最优功率分配因子α^*和最小公共块长T^*的表达式分别为：

步骤D、将步骤B得到的平均块错误率带入最优功率分配因子和最小公共块长的表达式中，得到物理层的最优功率分配因子和最小公共块长；根据最小公共块长，求出两个用户为了完成信息传输在物理层总的传输时间；具体实现如下：

D1，将步骤B得到的ζ_i带入公式(11)和(12)，即E{ε₁}＝ζ₁，E{ε₂}＝ζ₂；则在跨层设计方法中，物理层的最优功率分配因子α^**和最小公共块长T^**可以表示为：

D2，求出两个UE为了完成信息传输在物理层总的传输时间Γ＝NT^**；

步骤E、重复步骤B至步骤D，比较不同应用层喷泉码码率下两个用户完成信息传输在物理层总的传输时间，确定应用层最优的喷泉码码率及相应的物理层最优功率分配因子和最小公共块长使得信息在物理层总的传输时间最小化。