CN101394299B

CN101394299B - 网络编码与星座叠加编码结合运用到移动通信系统中的方法

Info

Publication number: CN101394299B
Application number: CN200810223779.8A
Authority: CN
Inventors: 陈力; 张欣; 杨大成
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2008-10-13
Filing date: 2008-10-13
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2028-10-13
Also published as: CN101394299A

Abstract

本发明提供的技术方案用于一发多收的广播通信系统中，通过将网络编码(NC)和星座叠加编码(SC)两种最新的通信技术相结合，并设计将两者在系统吞吐量和延时等方面的增益同时利用，最终达到对系统性能的进一步优化。而且本方案易于实现、应用方式也比较灵活。本发明通过在第一次传输和重传中合理设计传输信息，将星座叠加编码和网络编码技术有效地结合在一起。首先将不同优先级的信息复用到星座叠加编码的不同星座图上，这样提高了系统的吞吐量；然后在重传时，根据发端记录下的收端反馈的错误图案，利用网络编码来设计重传信息，最终又利用星座叠加编码来传输这些编码后的信息，从而减少了重传次数，降低了重传时延。

Description

网络编码与星座叠加编码结合运用到移动通信系统中的方法

技术领域

本发明是将两种最新的技术：网络编码(Network Coding，NC)和星座叠加编码(Superposition Coding，SC)结合在一起然后运用到普遍的移动通信网络中，或者是其它与移动通信网络有类似衰落特性的通信网络。将NC与SC结合使用可以有效减少重传次数、提高传输效率，从而提高整个系统吞吐量和误码性能。本发明能将NC和SC在提高系统性能方面的优势都能同时体现出来，使它们的增益达到一种叠加的效果。

背景技术

网络编码(Network Coding，NC)作为21世纪通信领域的一项重大突破，它以能够达到组播容量的优势而越来越受到关注，NC将物理层和网络层的两个核心概念：编码与路由融合在一起。它允许网络中间节点对接收到的信息比特流进行操作(编码)、然后转发，以使网络达到最大流最小割容量。NC具有提高网络吞吐量、增加频带利用率、节省重传次数、增强网络的容错性、鲁棒性和安全性等优点。而现在关于NC的无线研究与应用还处于探索阶段。除了研究NC在无线网络中的具体实现方式外，NC与其它无线技术的结合成为NC在无线研究中的一大热点。

离散NC(Digital NC，又称数字NC)比较常用的实现方式有两种：

1.异或，在发端将多个不同的信息块进行异或编码后再发送出去；

2.随机线性，在发端将多个不同的信息块根据随机选出的系数线性合并编码后发送出去。

目前对NC与现有无线技术结合的研究有：与信道编码相结合、与HARQ技术相结合(NC-HARQ)、与MAC层调度相结合、与速率控制相结合、与MIMO技术相结合等。

星座叠加编码(Superposition Coding，SC，又称星座重叠编码)是超高速数据速率(UltraHigh Data Rate，UHDR)的一项特色技术，它与NC类似，也能有效提高系统性能。当收发端都是单天线时，SC能达到广播信道容量。在使用SC时，多个用户可以复用相同的频率资源，但是采用不同的调制方式。信道条件较差的用户采用较低的调制等级，将信息映射到基本星座图(Basic)上；信道条件较好的用户采用较高的调制等级，将信息映射到附加星座图(Basic)上。接收端在解调时，先解调出调制等级低的用户，并从检测信号中减去其干扰，然后再解调出调制等级高的用户。这样节省了系统资源，从而达到更优的系统性能。

目前对SC的研究还处于初步阶段，主要是针对SC的具体实现以及分析它对系统容量性能的影响。

发明内容

为了有效利用NC和SC这两种技术带来的增益，以进一步提升系统的吞吐量和误码性能，本发明提出一种将两项技术相结合的方案：将SC运用到NC-HARQ技术中

为了减少重传次数，降低重传时延，从而提高系统性能，本发明是将SC技术用到NC与HARQ相结合的NC-HARQ中，其基本原理是：首先使用SC在相同的时频资源是发送不同优先级的两类信息，并在发端构造一个对错反馈信息(ACK/NACK消息)图案，然后根据对错消息图案来设计利用NC进行重传。

本发明适用的基本系统模型为：在一个一发多收的广播系统中，发端S需要发送相同的一段信息给N(N>1)个收端R₁，R₂，...，R_N，其中包括I个信息块，每个信息块j包括优先级不同的两类信息A、B，其中A类属于基本信息，具有较高优先级，如果传输错误则必须重传；B类属于附加信息，具有较低优先级，如果传输错误可以不用重传。这种业务模型对应于实际中的媒体流或多适应多速率业务(Adaptive Multi-Rate Service，AMR)。每个时隙发送一个信息块。假设任一收端R_i每收到一个信息块就反馈ACK/NACK消息以标识该接收信息块的对错。

其具体实现步骤为：

步骤1：发端利用SC技术进行广播。发端S在每一时隙用SC技术向所有收端广播一个信息块j，将优先级高的A_j信息映射到SC中的基本星座图(Basic)上，而B_j映射到SC的附加星座图(Additional)上。

步骤2：收端解调信息。收端R_i在检测到信号后，首先根据SC的解调方式分别解调出调制在基本星座图和附加星座图上的编码信息；然后再利用收端已知的信息进行NC的译码操作，译出编码之前的原始信息。

步骤3：收端反馈信息。R_i在收到信息j后，根据解调结果向发端S反馈ACK/NACK消息。如果R_i不能正确解调A_j基本信息，则根据SC原理其一定不能正确解调B_j附加信息，此时反馈NACK消息。如果R_i能正确解调A_j基本信息，则无论其是否能正确解调B_j附加信息，都反馈ACK消息。

步骤3：收端反馈信息。R_i在收到信息j后，根据基本信息A_j和附加信息B_j的解调结果向发端S分别反馈A_j和B_j的ACK/NACK消息。如果R_i不能正确解调A_j基本信息，则根据SC原理其一定不能正确解调B_j附加信息，此时A_j和B_j都反馈NACK消息。如果R_i能正确解调A_j基本信息，则A_j反馈ACK，而根据B_j的解调结果反馈它的ACK/NACK消息。

步骤4：发端构造反馈信息表。发端S并不立即重传反馈NACK消息的数据块，而创建一个描述反馈消息状态的图案，它是用于记录各个收端R_i在每个时刻j反馈的A_j和B_j的ACK/NACK的状态表。

步骤5：发端根据反馈信息表利用NC设计重传。当一段信息(I个数据块)在第一次传输完成之后，发端根据记录的反馈信息表利用NC来进行异或编码(Exclusive OR，XOR)设计重传，重传时为了节省系统资源仍采用SC来进行传输。

步骤6：结束重传。当所有信息块的A类消息正确接收后结束重传。

在第5步中利用NC设计重传编码进行SC传输必须满足以下准则：

1.正交，每次进行异或编码(XOR)重传的K个信息块必须对应到不同的终端上。即对于每个终端来说，至少有K-1个信息块是已经正确解调了的。

2.A信息优先，首先考虑将未正确传输的A信息进行XOR编码重传，并且尽可能多地将未正确传输的正交的B信息一起进行XOR编码重传。编码后的XOR信息映射到基本星座图上发送出去。

3.将未正确解调的B信息进行XOR编码重传，编码后的信息映射到附加星座图上发送出去。

这种SC与NC-HARQ技术结合的方案比传统的SC传输节省了重传次数，因为使用了NC来进行重传；它比NC-HARQ传输节省了系统资源，因为每次传输都是将两部分信息复用到相同的时频资源块上。所以它能在吞吐量、误码和延时等方面提高系统性能。对于媒体流或AMR业务来说，这种技术能降低延时，提高传送信号的质量。因为它一方面减少了重传次数，另一方面传送了更多的附加的B信息。

附图说明

结合以下附图以及具体实例对发明所做的详细描述将便于理解本发明的原理、步骤、特点和优点，附图中：

图1是表示本发明第一项技术的系统模型。

图2是表示本发明第一项技术的工作步骤。

图3是表示本发明步骤4的错误信息表和步骤5的编码设计，是本发明的一个具体实施方案。

图4是表示本发明具体实施方案的另一个例子。

具体实施方式

为便于理解，本发明以常见的多适应多速率业务(Adaptive Multi-Rate Service，AMR)为例，来说明将星座叠加编码(SC)应用于NC-HARQ技术中。本发明对于所有具有这个示例中基本特征的业务模型都普遍适用。

AMR业务可以分为三种不同速率的信息：I_m1，I_m2和I_m3其中I_m1信息传输错误需要重传，I_m3传输错误不需要重传，I_m2介于Im₁和Im₃之间。我们将Im₁对应到上述模型中的A类信息，I_m2I_m3对应到B类信息。

在发端S将一段AMR业务分为I个信息块，分别是A₁，A₂，...，A_I和B₁，B₂，...，B_I。在传输的每一个时隙i，将A_i映射到SC的基本星座图(Basic)上，将B_i映射到SC的附加星座图(Addition)上，然后广播给所有的收端。收端根据各个时刻收到A类和B类信息的解调结果向发端反馈ACK/NACK消息，分别表示A类和B类信息的对错。发端将接收到的ACK/NACK消息构造成一个状态信息表，如附图1所示。

然后在I个信息块全部都反馈完信息后，发端根据状态信息表利用网络编码(NC)来设计重传。根据上面步骤5的重传NC设计准则，设计重传如下：

1.找到未正确传输的正交的A类信息：R₂在t₃时刻的A₃和R₁在t₄时刻的A₄信息；并找到尽可能多的与它们正交的未正确传输的B信息：R_i在t₂时刻的B₂信息。将它们进行XOR编码，得到：

A_{r 1} = A_{3} &CirclePlus; A_{4} &CirclePlus; B_{2}

2.找到未正确解调的正交的B类信息：R₂在t₃时刻的B₃和R₁在t₄时刻的B₄信息。将它们进行XOR编码，得到：

B_{r 1} = B_{3} &CirclePlus; B_{4}

3.在重传的第一时刻，将A_r1映射到SC的基本星座图上，将B_r1映射到SC的附加星座图上，然后将编码调制后的信号广播进行重传。

4.在接收端，首先按SC的解调方式，解调出最大似然的A_r1和B_r1，然后在各个收端进行译码操作，译码出之前未正确解调的信息：

在R₁端：

A_{r 1} &CirclePlus; A_{3} &CirclePlus; B_{2} = A_{4};

B_{r 1} &CirclePlus; B_{3} = B_{4};

在R₂端：

A_{r 1} &CirclePlus; A_{4} &CirclePlus; B_{2} = A_{3};

B_{r 1} &CirclePlus; B_{4} = B_{3};

在R_i端：

A_{r 1} &CirclePlus; A_{3} &CirclePlus; A_{4} = B_{2};

在R_N端：

B_{r 1} &CirclePlus; B_{4} = B_{3} .

5.同理，在重传的第二时刻，我们按重传NC设计原则设计出：

A_{r 2} = A_{I} &CirclePlus; B_{1}

B_r1＝B_I

分别将它们映射到SC的基本星座图和附加星座图上进行广播重传。

6.在各个接收端，首先按SC的解调方式解调出最大似然的A_r2和B_r2，然后进行NC译码操作：

在R₁端：

A_{r 2} &CirclePlus; A_{I} = B_{1};

在R₂端：

A_{r 2} &CirclePlus; B_{1} = A_{I}

；B_r1＝B_I；

在R_i端：B_r1＝B_I；

7.直到所有的A类信息都正确解调则结束本轮传输。

其示意图如附图3所示。

如果在发端记录的错误图案变为如附图4所示，即R_i的B₂信息正确而R₂的B₂信息错误，则根据重传NC设计原则，在重传的第一时刻，A_r1中不能包括B₂信息，它只能与其它正交的信息进行NC编码重传或者最后没有正确传输。最后，当A类信息全部正确传输后，结束本轮传输。

综合以上可以看出，本发明提出的信息传输与重传设计技术，将目前最新的两种技术网络编码(NC)和星座叠加编码(SC)结合在一起，具有如下特点：

1.由于在发端将信息按其优先级分类，并使用SC技术传输其不同种类信息，所以能提高系统吞吐量；

2.在重传时，使用NC技术来设计重传，并用SC技术来传输NC后的编码块，可以有效减少重传次数，降低重传时延；

3.对具体的应用系统和协议规范不敏感，具备兼容性。

总之，本发明是一种全新高效的信息传输和重传技术，其目的是以提高系统吞吐量，减少重传次数，降低重传时延来提高移动通信系统的吞吐、误码和延时性能。

Claims

1.网络编码(Network Coding，NC)与星座叠加编码(Superposition Coding，SC)结合运用到移动通信系统中的方法，基于包括系统中的通信设备、可用发射功率以及通信频段在内的通信资源，针对由各通信资源的不同划分和组合而构成的通信信道，在物理层将星座叠加编码技术运用到网络编码-混合自动重传请求中，使系统的时频资源比单独使用星座叠加编码或者网络编码-混合自动重传请求技术得到更充分的应用，在这种方案中，基于一发多收的广播系统模型，根据星座叠加编码和网络编码-混合自动重传请求技术的原理，设定的方案实现步骤为：

步骤1：发端利用星座叠加编码技术进行广播，发端S在每一时隙用星座叠加编码技术向所有收端广播一个信息块j，每个信息块j包括优先级不同的两类信息A类信息、B类信息，其中A类信息具有较高优先级，属于基本信息，B类信息具有较低优先级，属于附加信息，将优先级高的A_j信息映射到星座叠加编码中的基本星座图上，而优先级低的B_j信息映射到星座叠加编码中的附加星座图上；

步骤2：收端解调信息，收端R_i在检测到信号后，首先根据星座叠加编码的解调方式分别解调出调制在基本星座图和附加星座图上的编码信息；然后再利用收端已知的信息进行网络编码的译码操作，译出编码之前的原始信息；

步骤3：收端反馈信息，R_i在收到信息块j后，根据基本信息A_j和附加信息B_j的解调结果向发端S分别反馈A_j和B_j的ACK/NACK消息，如果R_i不能正确解调基本信息A_j，则根据星座叠加编码原理其一定不能正确解调附加信息B_j，此时A_j和B_j都反馈NACK消息，如果R_i能正确解调基本信息A_j，则A_j反馈ACK，而根据附加信息B_j的解调结果反馈它的ACK/NACK消息；

步骤4：发端构造反馈信息表，发端S并不立即重传反馈NACK消息的信息块，而创建一个描述反馈消息状态的图案，它是用于记录各个收端R_i在每个时刻反馈的A_j和B_j的ACK/NACK的状态表，以及将此图案用于后续重传信息的编码设计；

步骤5：发端根据反馈信息表利用网络编码设计重传，当一段信息在第一次传输完成之后，发端根据记录的反馈信息表利用网络编码来进行重传设计，重传时仍采用星座叠加编码来进行传输，即优先级高的信息映射到星座叠加编码的基本星座图上，优先级低的信息映射到附加星座图上；

步骤6：结束重传，当所有信息块的A类信息正确接收后结束重传；

在步骤5中利用网络编码设计重传编码进行星座叠加编码传输必须满足以下准则：

1)正交，每次进行网络编码重传的K个信息块必须对应到不同的终端上，即对于每个终端来说，至少有K-1个信息块是已经正确解调了的；

2)A类信息优先，首先考虑将未正确传输的正交的A类信息进行网络编码重传，并且将符合准则1)的未正确传输的正交的、并且与所述未正确传输的正交的A类信息正交的B类信息一起进行网络编码重传，编码后的信息映射到基本星座图上发送出去；

3)将未正确解调的正交的B类信息进行网络编码重传，编码后的信息映射到附加星座图上发送出去。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1所述的利用星座叠加编码技术进行广播的方法，包括将不同优先级信息映射到不同调制星座图上的方案，包括高优先级的信息调制映射到星座叠加编码中的基本星座图上，而低优先级的信息调制映射到星座叠加编码中的附加星座图上。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2所述的收端解调信息的方法，包括对检测到的信号首先按星座叠加编码的解调方式解调，然后进行网络编码译码，最终解调出原始信息。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3所述的收端反馈信息的方法，包括各收端分别向发端反馈各个收端的A类信息和B类信息的解调信息的ACK/NACK状态。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4所述的在发端构造反馈信息表的方法，包括同时记录下所有终端在各个时刻不同优先级信息的反馈信息，并将这些不同优先级的A类信息、B类信息的ACK/NACK消息构成一个反馈消息状态图案，以及将此图案用于后续重传信息的编码设计。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5所述的根据反馈信息表利用网络编码设计重传的方法，包括根据前面记录下的反馈信息表，利用网络编码设计需要重传的信息，然后将不同的编码后的信息映射到星座叠加编码的不同星座图上进行重传，即优先级高的信息映射到星座叠加编码的基本星座图上，优先级低的信息映射到附加星座图上。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，根据反馈信息表并通过网络编码来设计重传信息以及利用星座叠加编码来进行重传的方法，包括将终端记录的不同优先级的信息通过网络编码进行重传，即未正确传输的正交的A类信息进行网络编码，并将符合权利要求1准则1)中的未正确传输的正交的B类信息通过网络编码到重传信息块中。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的利用网络编码设计需要重传的信息，然后将不同的编码后的信息映射到星座叠加编码的不同星座上进行重传的方案，包括由未正确传输的正交的A类信息编码后的重传信息，以及如果有与这些A类信息正交的未正确传输的B类信息，则其中还包括此部分正交的B类信息的编码，映射到基本星座上；而单纯由未正确解调的正交的B类信息编码后的重传信息映射到附加星座上进行重传。