URLLC短包传输方法、系统及介质

urllc短包传输方法、系统及介质
技术领域
1.本发明涉及数据传输技术领域，尤其涉及一种基于差分调制和多连接的urllc短包传输方法、系统及介质。


背景技术：

2.本发明涉及通信技术领域，主要应用于第五代(5g，5th generation)及以后的移动通信网络下的超可靠低时延通信(urllc，ultra-reliable and low-latency communications)。目前urllc中的短包传输主要采用基于参考信号的方式来获取准确的信道状态信息。然而，由于短包传输的数据包尺寸较小，参考信号会导致明显的信令开销。并且，短包传输在高速移动场景下需要插入大量的参考信号来保证信道估计的精度，因此会严重恶化系统的频谱效率和时延性能。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于提供一种可以实现低信令开销，低时延和高频谱效率的基于差分调制和多连接的urllc短包传输方法、系统及介质，旨在有效减低短包传输的参考信号成本，并且使得高速移动场景下的短包传输可以携带更多的信息数据，保证系统的可靠性。
4.为了达到上述目的，本发明提出一种基于差分调制和多连接的urllc短包传输方法，所述方法包括以下步骤：
5.步骤s10，通过编码器将l个信息比特大小的短包编码成若干个比特大小的编码序列；
6.步骤s20，采用差分调制策略将所述编码序列转换为一系列信息符号，其中，信息表示为两个相邻传输符号的相位差；
7.步骤s30，采用多连接策略将所述信息符号传输给多个关联的基站；
8.步骤s40，通过对应的差分解调器和解码器对接收端接收到的信息符号进行解调和解码，并生成l个信息比特的估计。
9.本发明的进一步技术方案是，所述步骤s10，通过编码器将l个信息比特大小的短包编码成若干个比特大小的编码序列的步骤包括：
10.假设一个urllc用户需要传输l个比特大小的紧急信息序列b＝{b[1]，b[2]，...，b[l]}给基站，信息序列首先经过一个码率为rc＝l/j的编码器来编码生成j个比特大小的编码序列c＝{c[1]，c[2]，...，c[j]}。
[0011]
本发明的进一步技术方案是，所述步骤s20，采用差分调制策略将所述编码序列转换为一系列信息符号，其中，信息表示为两个相邻传输符号的相位差的步骤包括：
[0012]
编码序列首先被转换为一系列m阶相移键控psk信息符号，其中，使用来表示m阶psk信息符号的集合，并且假设j是log2m的整数倍，
因此，长度为j比特的编码序列被转换为n＝j/log2m个符号长度的信息块；使用来表示块中的第n个符号，其中n＝1，
…
，n；对于差分调制，信息表示为两个相邻传输符号的相位差；urllc用户传输的第n个符号由下式给出：
[0013]
s[n]＝d[n]s[n-1]，
[0014]
其中s[0]＝1表示初始参考信号。
[0015]
本发明的进一步技术方案是，所述步骤s30，采用多连接策略将所述信息符号传输给多个关联的基站的步骤包括：
[0016]
将编码和调制后的信息符号同时传输给k个关联的基站，第k个关联d基站对于s[n]的接收信号表示为：
[0017][0018]
其中k＝1，
…
，k，ρ表示用户的发射功率，wk[n]表示第n个传输符号在第k条连接中所经历的噪声以及hk[n]表示第n个传输符号在第k条连接所经历信道增益，基于两个相邻的接收符号，多连接策略中的每个基站可以对信号进行解调并获得相应的决策变量，对于差分调制，第n个信息符号在第k个连接的决策变量算为：
[0019][0020]
本发明的进一步技术方案是，所述步骤s30，采用多连接策略将所述信息符号传输给多个关联的基站的步骤中，为了获得分集增益，使用选择结合策略或最大比例结合策略，将从多个连接接收到的信息组合成单一的结果输出；
[0021]
其中，选择结合策略是通过选择具有最大幅度的决策变量来恢复传输的信息，也即：
[0022][0023]
其中
[0024]
最大比例结合策略是通过将所有的决策变量进行相加来恢复信息，也即：
[0025][0026]
本发明的进一步技术方案是，所述步骤s40，通过对应的差分解调器和解码器对接收端接收到的信息符号进行解调和解码，并生成l个信息比特的估计的步骤包括：采用硬判决检测器来将组合器的每个输出z[n]映射到psk符号集中的一个点，因此，可以使用最小欧氏距离检测规则将检测到的接收信号表示为
[0027][0028]
所述解码器利用所述检测器的输出来解码生成l个信息比特的估计
[0029]
为实现上述目的，本发明还提出一种基于差分调制和多连接的urllc短数据包传输系统，所述系统包括存储器、处理器以及存储在所述处理器上的基于差分调制和多连接
的urllc短包传输程序，所述基于差分调制和多连接的urllc短包传输程序被所述处理器运行时执行如上所述的方法的步骤。
[0030]
为实现上述目的，本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有基于差分调制和多连接的urllc短包传输程序，所述基于差分调制和多连接的urllc短包传输程序被处理器运行时执行如上所述的方法的步骤。
[0031]
本发明基于差分调制和多连接的urllc短包传输方法、系统及介质的有益效果是：
[0032]
本发明通过使用差分调制，能有效减低短包传输的参考信号成本，并且使得高速移动场景下的短数据包可以携带更多的信息数据；另一方面，本发明还利用了多连接策略来保证系统的可靠性。因此，相比传统的基于参考信号的短包传输，本发明可以实现低信令开销，低时延和高频谱效率的urllc。
附图说明
[0033]
图1是在3gpp release 17中指定的urllc数据包格式示意图；
[0034]
图2是基于差分调制的urllc数据包格式示意图；
[0035]
图3是本发明基于差分调制和多连接的urllc短数据包传输方法较佳实施例的流程示意图；
[0036]
图4是差分调制在单条链路传输下的流程示意图；
[0037]
图5是多连接策略示意图。
[0038]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
具体实施方式
[0039]
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0040]
5g网络提供了三个至关重要的服务类别：增强移动宽带(embb，enhanced mobile broadband)，大规模机器类通信(mmtc，massive machine-type communications)以及urllc。在这三个服务类别中，urllc可以支持一系列的任务关键型应用，如工厂自动化，智能交通，远程控制以及智能电网等。根据第三代合作伙伴计划(3gpp，3rd generation partnership project)的要求，一个通用的urllc服务在5g网络下需要实现小于10ms的端到端时延和不大于10-5
的误块率(bler，block error rate)。
[0041]
为了满足如此严格的性能要求，urllc需要采用一个几十到几百字节大小的短数据包来减少数据帧在传输，检测和处理中引起的时延。图1展示了一个通用的urllc短数据包格式，其中包含信息数据，前导码(preamble)，帧同步序列(frame synchronization)，端设备id(end-device id)，帧检查序列(frame check sequence)以及解调参考信号(dmrs，demodulation reference signal)等。具体地，前导码，帧同步序列，端用户id以及帧检查序列主要用于同步，数据包检测以及数据包完整性验证等操作。此外，为了对上下行链路进行信道估计，3gpp release 17还要求在短数据包中周期性地插入解调参考信号(dmrs，demodulation reference signal)，从而实现相干解调。
[0042]
由图1可知，在短包传输中，用于获取准确信道状态信息的参考信号可能占据数据包相对较大的比例，从而导致明显的信令开销，这与传统的远大于1000字节大小的长数据
包传输截然不同。在传统的长数据包传输中，信息数据数远远超过参考信号数，因此信道估计的开销通常较小甚至可以被忽略。
[0043]
另一方面，对于高速移动场景，短数据包传输需要插入更多的参考信号来保证信道估计的精度，从而导致显著的处理时延。因此，如果在短包传输中使用传统的基于参考信号的信道估计策略，系统的频谱效率和时延性能可能会明显恶化。
[0044]
为了避免信道估计引起的信令开销和延迟，本发明提出一种基于差分调制和多连接的urllc短数据包传输方法，采用差分调制来传输短数据包。通过使用差分调制，发射机能够将信息编码为两个连续信息符号之间的相位差，并且接收机可以比较两个连续接收符号的相位来直接提取数据。因此，基于差分调制的短包传输策略不需要信道估计过程和解调参考信号。本发明所提出的基于差分调制的urllc数据包格式如图2所示。然而，使用差分调制会导致3db的性能下降，这意味着系统可靠性可能会降低。为了克服这一缺点，本发明将差分调制与多连接相结合来提高短包传输的可靠性，从而实现urllc。在多连接策略中，相同的信息数据可以在单个时隙内通过多条通信链路进行传输，并且接收机可以将接收到的多个数据包进行结合。因此，与传统的单连接策略相比，多连接策略可以有效地减少数据包错误，从而提高系统可靠性。
[0045]
具体地，如图3所示，本发明基于差分调制和多连接的urllc短数据包传输方法较佳实施例包括以下步骤：
[0046]
步骤s10，通过编码器将l个信息比特大小的短包编码成若干个比特大小的编码序列。
[0047]
具体地，本实施例中，所述步骤s10包括：
[0048]
假设一个urllc用户需要传输l个比特大小的紧急信息序列b＝{b[1]，b[2]，...，b[l]}给基站，信息序列首先经过一个码率为rc＝l/j的编码器来编码生成j个比特大小的编码序列c＝{c[1]，c[2]，...，c[j]}。
[0049]
其中，所述urllc用户例如为机器人、车辆或vr/ar设备等。
[0050]
步骤s20，采用差分调制策略将所述编码序列转换为一系列信息符号，其中，信息表示为两个相邻传输符号的相位差。
[0051]
为了避免信道估计过程，本实施例在短数据包传输中采用了差分调制，其中，差分调制在单条链路传输下的流程如图4所示。
[0052]
具体地，编码序列首先被转换为一系列m阶相移键控psk信息符号，其中，使用来表示m阶(psk，phase-shift keying)信息符号的集合，并且假设j是log2m的整数倍，因此，长度为j比特的编码序列被转换为n＝j/log2m个符号长度的信息块；使用来表示块中的第n个符号，其中n＝1，
…
，n；对于差分调制，信息表示为两个相邻传输符号的相位差；urllc用户传输的第n个符号由下式给出：
[0053]
s[n]＝d[n]s[n-1]，
[0054]
其中s[0]＝1表示初始参考信号。
[0055]
步骤s30，采用多连接策略将所述信息符号传输给多个关联的基站。
[0056]
为了提高系统的可靠性和实现urllc，本发明采用如图5所示的多连接策略。
[0057]
所述步骤s30具体包括：
[0058]
将编码和调制后的信息符号同时传输给k个关联的基站，第k个关联d基站对于s[n]的接收信号表示为：
[0059][0060]
其中k＝1，
…
，k，ρ表示urllc用户的发射功率，wk[n]表示第n个传输符号在第k条连接中所经历的噪声以及hk[n]表示第n个传输符号在第k条连接所经历信道增益，基于两个相邻的接收符号，多连接策略中的每个基站可以对信号进行解调并获得相应的决策变量，对于差分调制，第n个信息符号在第k个连接的决策变量算为：
[0061][0062]
本实施例中，多连接策略中的每个基站可以将接收到的信息数据通过回程链路转发到中心处理器进行合并，从而提高系统可靠性。
[0063]
为了获得分集增益，本发明可以使用选择结合(sc，selection combining)策略或最大比例结合(mrc，maximal ratio combining)策略，将从多个链路接收到的信息组合成单一的结果输出。
[0064]
具体地说，sc策略是通过选择具有最大幅度的决策变量来恢复传输的信息，也即：
[0065][0066]
其中而mrc策略是通过将所有的决策变量进行相加来恢复信息，也即：
[0067][0068]
步骤s40，通过对应的差分解调器和解码器对接收端接收到的信息符号进行解调和解码，并生成l个信息比特的估计。
[0069]
所述步骤s40具体包括：本发明采用硬判决检测器来将组合器的每个输出z[n]映射到psk符号集中的一个点。因此，可以使用最小欧氏距离检测规则将检测到的接收信号表示为
[0070][0071]
通过所述解码器利用所述检测器的输出来解码生成l个信息比特的估计
[0072]
本发明基于差分调制和多连接的urllc短包传输方法的有益效果是：
[0073]
本发明通过使用差分调制，能有效减少短包传输的参考信号成本，并且使得高速移动场景下的短包传输可以携带更多的信息数据；另一方面，本发明还利用了多连接策略来保证系统的可靠性。因此，相比传统的基于参考信号的短包传输，本发明可以实现低信令开销，低时延和高频谱效率的urllc。
[0074]
为实现上述目的，本发明还提出一种基于差分调制和多连接的urllc短包传输系统，所述系统包括存储器、处理器以及存储在所述处理器上的基于差分调制和多连接的
urllc短包传输程序，所述基于差分调制和多连接的urllc短包传输程序被所述处理器运行时执行如上实施例所述的方法的步骤，这里不再赘述。
[0075]
为实现上述目的，本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有基于差分调制和多连接的urllc短包传输程序，所述基于差分调制和多连接的urllc短包传输程序被处理器运行时执行如上实施例所述的方法的步骤，这里不再赘述。
[0076]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种基于差分调制和多连接的urllc短包传输方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤s10，通过编码器将l个信息比特大小的短包编码成若干个比特大小的编码序列；步骤s20，采用差分调制策略将所述编码序列转换为一系列信息符号，其中，信息表示为两个相邻传输符号的相位差；步骤s30，采用多连接策略将所述信息符号传输给多个关联的基站；步骤s40，通过对应的差分解调器和解码器对接收端接收到的信息符号进行解调和解码，并生成l个信息比特的估计。2.根据权利要求1所述的基于差分调制和多连接的urllc短包传输方法，其特征在于，所述步骤s10，通过编码器将l个信息比特大小的短包编码成若干个比特大小的编码序列的步骤包括：假设一个urllc用户需要传输l个比特大小的紧急信息序列b＝{b[1]，b[2]，...，b[l]}给基站，信息序列首先经过一个码率为r
c
＝l/j的编码器来编码生成j个比特大小的编码序列c＝{c[1]，c[2]，...，c[j]}。3.根据权利要求2所述的基于差分调制和多连接的urllc短包传输方法，其特征在于，所述步骤s20，采用差分调制策略将所述编码序列转换为一系列信息符号，其中，信息表示为两个相邻传输符号的相位差的步骤包括：编码序列首先被转换为一系列m阶相移键控psk信息符号，其中，使用来表示m阶psk信息符号的集合，并且假设j是的整数倍，因此，长度为j比特的编码序列被转换为n＝j/log2m个符号长度的信息块；使用来表示块中的第n个符号，其中n＝1，
…
，n；对于差分调制，信息表示为两个相邻传输符号的相位差；urllc用户传输的第n个符号由下式给出：s[n]＝d[n]s[n-1]，其中s[0]＝1表示初始参考信号。4.根据权利要求3所述的基于差分调制和多连接的urllc短包传输方法，其特征在于，所述步骤s30，采用多连接策略将所述信息符号传输给解码器的步骤包括：将编码和调制后的信息符号同时传输给k个关联的基站，第k个关联基站对于s[n]的接收信号表示为：其中k＝1，
…
，k，ρ表示用户的发射功率，w
k
[n]表示第n个传输符号在第k条连接中所经历的噪声以及h
k
[n]表示第n个传输符号在第k条连接所经历信道增益，基于两个相邻的接收符号，多连接策略中的每个基站可以对信号进行解调并获得相应的决策变量，对于差分调制，第n个信息符号在第k个连接的决策变量算为：5.根据权利要求4所述的基于差分调制和多连接的urllc短包传输方法，其特征在于，所述步骤s30，采用多连接策略将所述信息符号传输给解码器的步骤中，为了获得分集增益，使用选择结合策略或最大比例结合策略，将从多个连接接收到的信息组合成单一的结
果输出；其中，选择结合策略是通过选择具有最大幅度的决策变量来恢复传输的信息，也即：其中最大比例结合策略是通过将所有的决策变量进行相加来恢复信息，也即：6.根据权利要求5所述的基于差分调制和多连接的urllc短包传输方法，其特征在于，所述步骤s30，采用多连接策略将所述信息符号传输给解码器的步骤中，采用硬判决检测器来将组合器的每个输出z[n]映射到psk符号集中的一个点，因此，可以使用最小欧氏距离检测规则将检测到的接收信号表示为7.根据权利要求6所述的基于差分调制和多连接的urllc短数据包传输方法，其特征在于，所述步骤s40，通过所述解码器对接收到的信息符号解码生成l个信息比特的估计的步骤包括：所述解码器利用所述检测器的输出来解码生成l个信息比特的估计8.一种基于差分调制和多连接的urllc短包传输系统，其特征在于，所述系统包括存储器、处理器以及存储在所述处理器上的基于差分调制和多连接的urllc短包传输程序，所述基于差分调制和多连接的urllc短包传输程序被所述处理器运行时执行如权利要求1至7任意一项所述的方法的步骤。9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有基于差分调制和多连接的urllc短包传输程序，所述基于差分调制和多连接的urllc短包传输程序被处理器运行时执行如权利要求1至7任意一项所述的方法的步骤。

技术总结
本发明提供了一种基于差分调制和多连接的URLLC短包传输方法、系统及介质，该方法包括：通过编码器将L个信息比特大小的短包编码成若干个比特大小的编码序列；采用差分调制策略将所述编码序列转换为一系列信息符号，其中，信息表示为两个相邻传输符号的相位差；采用多连接策略将所述信息符号传输给多个关联的基站；通过对应的差分解调器和解码器对接收端收到的信息符号进行解调和解码，并生成L个估计的信息比特。本发明能有效减少短包传输的参考信号成本，使得高速移动场景下的短数据包可以携带更多的信息数据；并可保证系统的可靠性。相比传统的基于参考信号的短包传输，本发明可以实现低信令开销，低时延和高频谱效率的URLLC。URLLC。URLLC。


技术研发人员：郑福春 郑灿健
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/8/24