吳曉璇，郭彥芳，楊文文

(重慶郵電大學，重慶 400065)

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觸屏網(wǎng)絡中基于多載波機制的短幀的研究

吳曉璇，郭彥芳，楊文文

(重慶郵電大學，重慶 400065)

摘要：觸屏網(wǎng)絡(Tactile Internet) 作為5G最新提出來的一種研究領(lǐng)域，它可以實現(xiàn)人與物體、物體與物體通信時發(fā)送端到接收端的時延接近1 ms。比較了具有競爭力的3種波形：OFDM、FBMC和UFMC多載波波形，基于UFBM波形，通過幀長度優(yōu)化設計出一種最適合的短幀長度，在人與物體、物體與物體通信時減少端到端往返時延。通過matlab仿真，可以得到一個幀長等于0.2 ms的短幀，同時也保證了系統(tǒng)效率。

關(guān)鍵詞：低時延；短幀；多載波

0引言

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，移動互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務成為移動通信發(fā)展的主要驅(qū)動力。面向未來的第五代通信(5G)成為全球關(guān)注的熱點，其中觸屏網(wǎng)絡(Tactile Internet)[1,2]在5G中被提出。觸屏網(wǎng)絡,通俗的理解,在通信系統(tǒng)中,其可以實現(xiàn)人與物體，物體與物體通信時端到端的傳輸時延接近1 ms?，F(xiàn)今,人們可以通過移動通信相互聯(lián)系,然而由于時延關(guān)系,人與物體,機器與設備控制在移動通信網(wǎng)絡中并沒能很好的實現(xiàn)，所以，減少端到端時延成為觸屏網(wǎng)絡的關(guān)鍵問題。本文提出來一種基于多載波設計的短幀結(jié)構(gòu)，比較多載波波形，找到最適合觸屏網(wǎng)絡的波形，通過幀長優(yōu)化，計算出一種短幀長度，以期達到減少端到端傳輸時延的目的。

1多載波機制的比較

Tactile Internet中，主要考慮的是人與物體、物體與物體的通信，其數(shù)據(jù)類型具有包長較短和傳輸異步性等特點。分析和比較3種多載波機制，并基于新的多載波設計適合Tactile Internet通信的短幀。

1.1OFDM載波

OFDM技術(shù)[3]是多載波傳輸方案的實現(xiàn)方式之一，它的調(diào)制和解調(diào)是分別基于IFFT和FFT來實現(xiàn)，其具有實現(xiàn)的復雜度最低和頻譜利用率高等特點，被廣泛應用到4G中。OFDM是一種正交波形，帶外邊帶衰減起伏較大，在時域上，每個碼元之間需要插入循環(huán)前綴(CP)減小碼間干擾。但是OFDM的波形并不適用于Tactile Internet的通信，一是因為正交波形不適合異步包傳輸，二是在LTE中OFDM碼元間隔接近70 μs[4,5],不符合Tactile Internet中提出的1 ms的要求，所以新的多載波技術(shù)被提出。

1.2FBMC載波

FBMC[6]是基于濾波器組的多載波一種技術(shù)， 發(fā)送端通過合成濾波器組來實現(xiàn)多載波調(diào)制，接收端通過分析濾波器組來實現(xiàn)多載波解調(diào)。 合成濾波器組和分析濾波器組由一組并行的成員濾波器構(gòu)成，其中各個成員濾波器都是由原型濾波器經(jīng)載波調(diào)制而得到的調(diào)制濾波器，對每一個子載波進行濾波。與OFDM 相比，在頻率上，F(xiàn)BMC的子載波的帶外邊帶較窄，衰落較快，各載波之間不要求嚴格正交，而且可以通過各子載波帶寬設置和各子載波之間的交疊程度的靈活控制,從而減少相鄰子載波之間的干擾。在時域上，每個碼元之間不需要插入循環(huán)前綴，可以減小碼元的長度。但由于FBMC需要經(jīng)過很長的濾波器濾波，因此其復雜度相對過高。

1.3UFBM載波

UFMC[7]也是基于濾波器組的多載波一種技術(shù)，但是相比FBMC，UFMC是對每一組子載波進行濾波；通常，將12個子載波組合成一個子邊帶，然后通過濾波器濾波，得到一個尾巴較短的波形。OFDM與UFBM的波形比較如圖1所示，UFMC也能很好地減少帶外邊帶以及減少相鄰子載波的干擾。同時，在時域上也不需要采用循環(huán)前綴來抗多徑干擾，而且其復雜度比FBMC要低。由于Tactile Internet發(fā)送包通常是一個短包，且傳輸具有異步性， FBMC 以及UFMC的時頻效率如圖2所示。圖2表明，UFMC更適合短包的發(fā)射，而FBMC更適合長包的發(fā)射，所以在本文中，選擇UFMC多載波構(gòu)成新的碼元。

圖1　OFDM與UFBM　　　圖2　FBMC與UFBM　的波形比較　的時頻效率

2幀長度的優(yōu)化與設計

文章提出采用UFMC碼元替代OFDM碼元，但是一個短幀長度到底是多少，應該由多少個UFMC碼元組成呢？基于可以獲得最大系統(tǒng)效率考慮(其中包括信道條件以及調(diào)度開銷優(yōu)化幀長)，通過歸納數(shù)學公式來優(yōu)化短幀的長度。

基于UFMC系統(tǒng)，單小區(qū)內(nèi)，基站在頻率選擇性衰落信道發(fā)射數(shù)據(jù)給多個用戶，假定系統(tǒng)的總帶寬為BHz， 有N個子載波，因此每一個子載波的帶寬為B/NHz，一個UFMC碼元長度Ts=N/B。在時域上，一個幀由一系列連續(xù)的UFMC碼元組成，一個幀假設有L個UFMC碼元和J個資源塊，那么每一個資源塊由L個UFMC碼元組成。在頻域上，由Nr個連續(xù)的子載波組成，其中Nr=N/J。每個資源塊又可以劃分為多個資源元素，在時域上每個資源元素的跨度是一個碼元。因此，一個幀有L*J個時頻資源元素。假設每個幀調(diào)度產(chǎn)生一次調(diào)度信令，最多有K個用戶可以被調(diào)度。同時，基站發(fā)射調(diào)度信息給用戶所產(chǎn)生的的調(diào)度開銷分配在一個幀的前面幾個UFBM碼元。

在一個指定的UFMC資源塊，用戶k在(i，j)資源元素上可行性速率可以理解為信息速率：

(1)

式中，N0為噪聲頻譜密度，P(k)i,j為發(fā)射功率，h(k)i,j為信道的增益;NrB/N為信道的帶寬，NP(k)i,j|h(k)i,j|2/BNrN0為接收的信噪比。假設每個資源塊的發(fā)射功率相等(P(k)i,j=P,∨i,j,k)，用戶k在第j個資源塊的信息速率為：

(2)

那么在不考慮調(diào)度開銷情況時，整個資源塊最大的信息速率為(其中Ij=k，表示資源塊j分配給第k個用戶):

(3)

將式(1)代入式(2):

(4)

實際中，已被調(diào)度的用戶在發(fā)射信息之前需要知道資源塊的分配。因此，基站會在每個幀的開始位置會將資源塊的分配情況發(fā)射給用戶；其中有2種發(fā)射模式：一種是單獨發(fā)射模式；另一種是聯(lián)合發(fā)射模式。關(guān)于單獨發(fā)射模式，每個用戶(k∈U)的二進制映射表Mk在基站中形成，如果用戶k在資源塊j被調(diào)度(Ij=k，Ij表示已將資源塊j分配給第k個用戶)，那么二進制映射表Mk第j個實數(shù)為“1”，否則為“0”。 單獨發(fā)射模式，用戶只知道自己的資源塊的分配情況，而不知道其他用戶的情況。而聯(lián)合發(fā)射模式，其二進制映射表Mk代表的整個用戶資源塊分配情況廣播給每個用戶，這樣每個用戶不僅可以知道自己的信息，而且還可以知道其他用戶的資源塊分配信息。這2種模式各有利弊，而在文中使用的是聯(lián)合調(diào)度發(fā)射模式將調(diào)度信息發(fā)給送用戶。

2.1幀長度的優(yōu)化

基于聯(lián)合調(diào)度機制，分析在資源塊上全部的調(diào)度開銷。首先使用運行長度編碼對調(diào)度映射M編碼；假設給出資源塊分配情況I={3,3,2,1,1,1,5,4,2,2,2,4,5,5}，運行長度編碼會產(chǎn)生2個向量21311312和32154245，第1個向量表示運行長度，第2個向量表示已將對應的資源塊分配給用戶的指數(shù)。經(jīng)過運行長度編碼之后，資源塊上所需的全部的調(diào)度開銷可以表示為：

(5)

式中，R表示調(diào)度映射固定的開銷所需的比特，f(j,Ij,Ij-1) 函數(shù)表示的是當用戶之間發(fā)生轉(zhuǎn)換時用于開銷的比特。一般情況，R的計算公式：

(6)

式中，|U|·Lid表示每個用戶有一個長度為Lid比特的ID , |U|表示用戶個數(shù)。Nfec表示用CRC編碼檢測所需的比特，最后一項是「log2(k)?用于計算在一個映射表中k個用戶其所需要的比特。而f(j,Ij,Ij-1)函數(shù)可以表示：

(7)

當Ij=Ij-1時，表明用戶之間沒有資源塊轉(zhuǎn)換也就不需要額外的開銷。當Ij≠Ij-1時，表明用戶之間發(fā)生轉(zhuǎn)換，「log2(U)?用來描述把下一個的資源塊分配給這個用戶所需要的比特，「log2(J-j)?是表示計算余下的連續(xù)資源塊分配給用戶時所需要的比特。

因此，一個最優(yōu)的幀長度可以提供幀的最大信息速率，即一個UFBM幀的最大吞吐量可以等于一個UFBM幀總的信息率減去其資源塊上調(diào)度所耗的全部開銷，則計算公式可以表示為:

(8)

式中，ρ是一個常數(shù)，表示發(fā)送一個比特所需要的開銷。當ρ=0時，表示發(fā)送調(diào)度資源時不需要任何開銷。當ρ≥1時，表示發(fā)送調(diào)度資源時需要信令開銷，ρ值越大，信令開銷越大，UFBM幀的最大吞吐量也就越小。另一方面，從式(8)可以觀察到，幀的長度越長，用于發(fā)送數(shù)據(jù)的UFBM碼元就越多，那么平攤在每個碼元上用于信令調(diào)度開銷就越少。但是如果幀的長度很長，調(diào)度時就不能更好地跟蹤信道信息，從而導致在多用戶與基站通信時不利于使用多用戶分集抵抗信道衰落，同時也會增加調(diào)度時延。因此，通過得到一個短幀，減少通信時延同時也可以保證系統(tǒng)效率最大化。由幀長和幀調(diào)度時可以提供信息速率相關(guān)性，將系統(tǒng)效率定義為：

(9)

將式(4)和式(8)代入式(9)，可以得到幀長與系統(tǒng)效率的關(guān)系公式：

(10)

2.2幀長度優(yōu)化仿真結(jié)果

根據(jù)式(10)，通過matlab仿真，參數(shù)設置為：總帶寬B=72 MHz，用戶個數(shù)k=10，載波頻率fc=2 GHz,最大多普勒頻移fv=22.2 Hz,子載波個數(shù)N=1 200，每個子載波帶寬60 kHz,每個幀有資源塊個數(shù)J=100。幀長與系統(tǒng)效率關(guān)系如圖3所示。

圖3　幀長與系統(tǒng)效率關(guān)系

圖3通過仿真，可以看到，選擇ρ=3這一條曲線，當L≤12時，系統(tǒng)效率會隨著幀的長度增加而增加，當L≥12時，系統(tǒng)效率隨著幀的長度增加而減少。這樣說明當幀的過長，調(diào)度時就不能很好地跟蹤信道信息，信道衰落大，導致調(diào)度決定會受到影響，所以選擇L=12，即一個幀是由12個UFBM碼元所組成，可以獲得最大的系統(tǒng)效率。

2.3幀長度的設計與計算

眾所周知，LTE FDD的幀結(jié)構(gòu)[8,9]如圖4所示，幀長10 ms,包括20個時隙(slot)和10個子幀(sub-frame)。其中每個子幀由2個時隙組成，每個時隙包含6/7OFDM碼元。LTE的發(fā)送時間間隔(TTI)為1個子幀1 ms。每個時隙中，OFDM碼元之間需要插入循環(huán)前綴抑制碼間串擾。在本文中，設計一種短幀，其幀結(jié)構(gòu)是由12個UFBM碼元所組成，其中每個時隙，UFBM碼元之間不需要插入循環(huán)前綴抑制碼間串擾，因此幀長度通過計算：

Lframe=Tsymbol·N=1/60 kHz·12=0.2 ms。

圖4　幀的結(jié)構(gòu)

3結(jié)束語

UFMC多載波波形相對于FBMC以及OFDM波形在邊帶衰減性能確實具有優(yōu)越性。提出基于UFMC波形的碼元構(gòu)成一個幀長，并設計一種短幀結(jié)構(gòu)，優(yōu)化幀長度，最后通過matlab仿真并計算得到一個短幀的幀長0.2 ms。 遠遠小于LTE中的1 ms的幀長，大大減少了通信用戶平面的時延以及隨機接入時延，有助于5G中Tactile Internet低時延實現(xiàn)。

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Research on Short Frame Length Based on Multi-carrier (MC) Scheme in Tactile Internet

WU Xiao-xuan,GUO Yan-fang,YANG Wen-wen

(Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 40065,China)

Abstract：The tactile Internet has been recently proposed as a promising technology,and it can improve the transmission delay from transmitting end to receiving end close to 1ms in communications between objects as well as between human and objects.This paper compared such three waveforms as OFDM,(Filter Bank Multi-carrier),UFMC (Universal Filtered Multi-carrier).Based on UFBM waveform,an optimal short frame is designed with frame length optimization,which can shorten the end-to-end delay in communications between objects as well as between human and objects.By simulation,a short frame in length of 0.2ms can be obtained without system efficiency reduction.

Key words：low delay; short frame; multi-carrier

中圖分類號：TN919.1

文獻標識碼：A

文章編號：1003-3114(2016)02-41-3

作者簡介：吳曉璇(1991—)，女，碩士研究生，主要研究方向：第五代移動通信低時延技術(shù)研究。郭彥芳(1990—)，女，碩士研究生，主要研究方向：移動通信和無線傳感網(wǎng)絡。

基金項目：長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃(IRT1299),重慶市科委項目(CSTC2012jjA40044，cstc2013yykfA40010)，重慶市科委重點實驗室專項經(jīng)費

收稿日期：2015-12-15

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.02.10

引用格式：吳曉璇，郭彥芳，楊文文.觸屏網(wǎng)絡中基于多載波機制的短幀的研究[J].無線電通信技術(shù),2016,42(2):41-43,54.