触屏网络中基于多载波机制的短帧的研究

吴晓璇，郭彦芳，杨文文

(重庆邮电大学，重庆 400065)



触屏网络中基于多载波机制的短帧的研究

吴晓璇，郭彦芳，杨文文

(重庆邮电大学，重庆 400065)

摘要：触屏网络(Tactile Internet) 作为5G最新提出来的一种研究领域，它可以实现人与物体、物体与物体通信时发送端到接收端的时延接近1 ms。比较了具有竞争力的3种波形：OFDM、FBMC和UFMC多载波波形，基于UFBM波形，通过帧长度优化设计出一种最适合的短帧长度，在人与物体、物体与物体通信时减少端到端往返时延。通过matlab仿真，可以得到一个帧长等于0.2 ms的短帧，同时也保证了系统效率。

关键词：低时延；短帧；多载波

0引言

随着移动通信技术的发展，移动互联网与物联网业务成为移动通信发展的主要驱动力。面向未来的第五代通信(5G)成为全球关注的热点，其中触屏网络(Tactile Internet)[1,2]在5G中被提出。触屏网络,通俗的理解,在通信系统中,其可以实现人与物体，物体与物体通信时端到端的传输时延接近1 ms。现今,人们可以通过移动通信相互联系,然而由于时延关系,人与物体,机器与设备控制在移动通信网络中并没能很好的实现，所以，减少端到端时延成为触屏网络的关键问题。本文提出来一种基于多载波设计的短帧结构，比较多载波波形，找到最适合触屏网络的波形，通过帧长优化，计算出一种短帧长度，以期达到减少端到端传输时延的目的。

1多载波机制的比较

Tactile Internet中，主要考虑的是人与物体、物体与物体的通信，其数据类型具有包长较短和传输异步性等特点。分析和比较3种多载波机制，并基于新的多载波设计适合Tactile Internet通信的短帧。

1.1OFDM载波

OFDM技术[3]是多载波传输方案的实现方式之一，它的调制和解调是分别基于IFFT和FFT来实现，其具有实现的复杂度最低和频谱利用率高等特点，被广泛应用到4G中。OFDM是一种正交波形，带外边带衰减起伏较大，在时域上，每个码元之间需要插入循环前缀(CP)减小码间干扰。但是OFDM的波形并不适用于Tactile Internet的通信，一是因为正交波形不适合异步包传输，二是在LTE中OFDM码元间隔接近70 μs[4,5],不符合Tactile Internet中提出的1 ms的要求，所以新的多载波技术被提出。

1.2FBMC载波

FBMC[6]是基于滤波器组的多载波一种技术， 发送端通过合成滤波器组来实现多载波调制，接收端通过分析滤波器组来实现多载波解调。 合成滤波器组和分析滤波器组由一组并行的成员滤波器构成，其中各个成员滤波器都是由原型滤波器经载波调制而得到的调制滤波器，对每一个子载波进行滤波。与OFDM 相比，在频率上，FBMC的子载波的带外边带较窄，衰落较快，各载波之间不要求严格正交，而且可以通过各子载波带宽设置和各子载波之间的交叠程度的灵活控制,从而减少相邻子载波之间的干扰。在时域上，每个码元之间不需要插入循环前缀，可以减小码元的长度。但由于FBMC需要经过很长的滤波器滤波，因此其复杂度相对过高。

1.3UFBM载波

UFMC[7]也是基于滤波器组的多载波一种技术，但是相比FBMC，UFMC是对每一组子载波进行滤波；通常，将12个子载波组合成一个子边带，然后通过滤波器滤波，得到一个尾巴较短的波形。OFDM与UFBM的波形比较如图1所示，UFMC也能很好地减少带外边带以及减少相邻子载波的干扰。同时，在时域上也不需要采用循环前缀来抗多径干扰，而且其复杂度比FBMC要低。由于Tactile Internet发送包通常是一个短包，且传输具有异步性， FBMC 以及UFMC的时频效率如图2所示。图2表明，UFMC更适合短包的发射，而FBMC更适合长包的发射，所以在本文中，选择UFMC多载波构成新的码元。

图1　OFDM与UFBM　　　图2　FBMC与UFBM　的波形比较　的时频效率

2帧长度的优化与设计

文章提出采用UFMC码元替代OFDM码元，但是一个短帧长度到底是多少，应该由多少个UFMC码元组成呢？基于可以获得最大系统效率考虑(其中包括信道条件以及调度开销优化帧长)，通过归纳数学公式来优化短帧的长度。

基于UFMC系统，单小区内，基站在频率选择性衰落信道发射数据给多个用户，假定系统的总带宽为BHz， 有N个子载波，因此每一个子载波的带宽为B/NHz，一个UFMC码元长度Ts=N/B。在时域上，一个帧由一系列连续的UFMC码元组成，一个帧假设有L个UFMC码元和J个资源块，那么每一个资源块由L个UFMC码元组成。在频域上，由Nr个连续的子载波组成，其中Nr=N/J。每个资源块又可以划分为多个资源元素，在时域上每个资源元素的跨度是一个码元。因此，一个帧有L*J个时频资源元素。假设每个帧调度产生一次调度信令，最多有K个用户可以被调度。同时，基站发射调度信息给用户所产生的的调度开销分配在一个帧的前面几个UFBM码元。

在一个指定的UFMC资源块，用户k在(i，j)资源元素上可行性速率可以理解为信息速率：

(1)

式中，N0为噪声频谱密度，P(k)i,j为发射功率，h(k)i,j为信道的增益;NrB/N为信道的带宽，NP(k)i,j|h(k)i,j|2/BNrN0为接收的信噪比。假设每个资源块的发射功率相等(P(k)i,j=P,∨i,j,k)，用户k在第j个资源块的信息速率为：

(2)

那么在不考虑调度开销情况时，整个资源块最大的信息速率为(其中Ij=k，表示资源块j分配给第k个用户):

(3)

将式(1)代入式(2):

(4)

实际中，已被调度的用户在发射信息之前需要知道资源块的分配。因此，基站会在每个帧的开始位置会将资源块的分配情况发射给用户；其中有2种发射模式：一种是单独发射模式；另一种是联合发射模式。关于单独发射模式，每个用户(k∈U)的二进制映射表Mk在基站中形成，如果用户k在资源块j被调度(Ij=k，Ij表示已将资源块j分配给第k个用户)，那么二进制映射表Mk第j个实数为“1”，否则为“0”。 单独发射模式，用户只知道自己的资源块的分配情况，而不知道其他用户的情况。而联合发射模式，其二进制映射表Mk代表的整个用户资源块分配情况广播给每个用户，这样每个用户不仅可以知道自己的信息，而且还可以知道其他用户的资源块分配信息。这2种模式各有利弊，而在文中使用的是联合调度发射模式将调度信息发给送用户。

2.1帧长度的优化

基于联合调度机制，分析在资源块上全部的调度开销。首先使用运行长度编码对调度映射M编码；假设给出资源块分配情况I={3,3,2,1,1,1,5,4,2,2,2,4,5,5}，运行长度编码会产生2个向量21311312和32154245，第1个向量表示运行长度，第2个向量表示已将对应的资源块分配给用户的指数。经过运行长度编码之后，资源块上所需的全部的调度开销可以表示为：

(5)

式中，R表示调度映射固定的开销所需的比特，f(j,Ij,Ij-1) 函数表示的是当用户之间发生转换时用于开销的比特。一般情况，R的计算公式：

(6)

式中，|U|·Lid表示每个用户有一个长度为Lid比特的ID , |U|表示用户个数。Nfec表示用CRC编码检测所需的比特，最后一项是「log2(k)⎤用于计算在一个映射表中k个用户其所需要的比特。而f(j,Ij,Ij-1)函数可以表示：

(7)

当Ij=Ij-1时，表明用户之间没有资源块转换也就不需要额外的开销。当Ij≠Ij-1时，表明用户之间发生转换，「log2(U)⎤用来描述把下一个的资源块分配给这个用户所需要的比特，「log2(J-j)⎤是表示计算余下的连续资源块分配给用户时所需要的比特。

因此，一个最优的帧长度可以提供帧的最大信息速率，即一个UFBM帧的最大吞吐量可以等于一个UFBM帧总的信息率减去其资源块上调度所耗的全部开销，则计算公式可以表示为:

(8)

式中，ρ是一个常数，表示发送一个比特所需要的开销。当ρ=0时，表示发送调度资源时不需要任何开销。当ρ≥1时，表示发送调度资源时需要信令开销，ρ值越大，信令开销越大，UFBM帧的最大吞吐量也就越小。另一方面，从式(8)可以观察到，帧的长度越长，用于发送数据的UFBM码元就越多，那么平摊在每个码元上用于信令调度开销就越少。但是如果帧的长度很长，调度时就不能更好地跟踪信道信息，从而导致在多用户与基站通信时不利于使用多用户分集抵抗信道衰落，同时也会增加调度时延。因此，通过得到一个短帧，减少通信时延同时也可以保证系统效率最大化。由帧长和帧调度时可以提供信息速率相关性，将系统效率定义为：

(9)

将式(4)和式(8)代入式(9)，可以得到帧长与系统效率的关系公式：

(10)

2.2帧长度优化仿真结果

根据式(10)，通过matlab仿真，参数设置为：总带宽B=72 MHz，用户个数k=10，载波频率fc=2 GHz,最大多普勒频移fv=22.2 Hz,子载波个数N=1 200，每个子载波带宽60 kHz,每个帧有资源块个数J=100。帧长与系统效率关系如图3所示。

图3　帧长与系统效率关系

图3通过仿真，可以看到，选择ρ=3这一条曲线，当L≤12时，系统效率会随着帧的长度增加而增加，当L≥12时，系统效率随着帧的长度增加而减少。这样说明当帧的过长，调度时就不能很好地跟踪信道信息，信道衰落大，导致调度决定会受到影响，所以选择L=12，即一个帧是由12个UFBM码元所组成，可以获得最大的系统效率。

2.3帧长度的设计与计算

众所周知，LTE FDD的帧结构[8,9]如图4所示，帧长10 ms,包括20个时隙(slot)和10个子帧(sub-frame)。其中每个子帧由2个时隙组成，每个时隙包含6/7OFDM码元。LTE的发送时间间隔(TTI)为1个子帧1 ms。每个时隙中，OFDM码元之间需要插入循环前缀抑制码间串扰。在本文中，设计一种短帧，其帧结构是由12个UFBM码元所组成，其中每个时隙，UFBM码元之间不需要插入循环前缀抑制码间串扰，因此帧长度通过计算：

Lframe=Tsymbol·N=1/60 kHz·12=0.2 ms。

图4　帧的结构

3结束语

UFMC多载波波形相对于FBMC以及OFDM波形在边带衰减性能确实具有优越性。提出基于UFMC波形的码元构成一个帧长，并设计一种短帧结构，优化帧长度，最后通过matlab仿真并计算得到一个短帧的帧长0.2 ms。 远远小于LTE中的1 ms的帧长，大大减少了通信用户平面的时延以及随机接入时延，有助于5G中Tactile Internet低时延实现。

参考文献

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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

中图分类号：TN919.1

文献标识码：A

文章编号：1003-3114(2016)02-41-3

作者简介：吴晓璇(1991—)，女，硕士研究生，主要研究方向：第五代移动通信低时延技术研究。郭彦芳(1990—)，女，硕士研究生，主要研究方向：移动通信和无线传感网络。

基金项目：长江学者和创新团队发展计划(IRT1299),重庆市科委项目(CSTC2012jjA40044，cstc2013yykfA40010)，重庆市科委重点实验室专项经费

收稿日期：2015-12-15

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.02.10

引用格式：吴晓璇，郭彦芳，杨文文.触屏网络中基于多载波机制的短帧的研究[J].无线电通信技术,2016,42(2):41-43,54.