CN101515842B - 一种基于喷泉编码的部分协作信息传输方法 - Google Patents

一种基于喷泉编码的部分协作信息传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种中继和协作通信的协作信息传输方法，特别涉及一种采用喷泉编码的部分协作信息传输方法，属于无线通信中的协作通信技术领域。本发明采用喷泉编码技术控制部分协作信息的传输，在不需要反馈信道的情况下，统计复用了系统的带宽资源，提高了数据吞吐能力。本发明经过构造待发送报文、将待发送报文进行喷泉编码、喷泉编码数据包调制输出、合作者部分协作、协作喷泉编码包的调制输出、终端译码判决等步骤，得到了部分协作信息传输方法。该方法能显著提高系统的数据吞吐能力，在相同吞吐量下，采用基于喷泉编码的数据传输方法仅需合作者提供百分之几的数据协助传输，且随着合作者数目的增多，每个合作者协助传输的消耗将减少。

Description

一种基于喷泉编码的部分协作信息传输方法
技术领域
本发明涉及一种中继和协作通信的协作信息传输方法，特别涉及一种采用喷泉编码的部分协作信息传输方法，属于无线通信中的协作通信技术领域。
背景技术
随着对高速率数据传输和无所不在信号覆盖的要求越来越高，无线信号的衰落特性成为影响传输性能的瓶颈之一。在中继和协作通信中，每个终端利用自己和合作者的空间信道，获得一定的空间分集增益，不但有效地对抗无线信号的衰落，还解决了由于终端尺寸的限制难以安装天线阵列的难题。
如图1为中继通信系统的一个下行传输示意图，基站A通过中继C和用户B通信。由于发送信号在无线信道中传输时能量随传输距离的增大指数衰减，但通过中继C的协助，用户B接收到的信号干扰比与无中继的情形相比有明显提高；同时将接收到的基站A和中继C的信号加以合并，利用空间分集技术，提高了用户的数据传送能力。
如图2为协作通信系统的示意图，用户A和用户C向共同的终端B发送数据。由于无线信道的广播特性，在用户A和用户C间信道状态特性较好的情况下，两个用户都能收到对方发送的数据。由于用户A和用户C在空间上的距离远远大于信号波长，用户A和终端B间及用户C和终端B间的衰落信道在空间上是独立的，因此，通过空间分集技术，协作通信也能提高系统的数据吞吐能力。
J.Nicholas Laneman在“Cooperative Diversity in Wireless Networks：EfficientProtocols and Outage Behavior”(IEEE Transactions on Information Theory，vol.50，no.12，pp.3062-3080，Dec.2004)中总结了合作者协助信源将信号发送至终端的方法，包括定点中继(Fixed Relaying，FR)、选择中继(Selection Relaying，SR)和增量中继(Incremental Relaying，IR)。其中，FR方法又包括放大转发(Amplify-and-Forward，AF)、检测转发(Detect-and-Forward，DF)和编码协作(CodedCooperation，CC)。上述协作方法，实现如下：
1).FR方法是在合作者接收到用户(上行传输)或基站(下行传输)发送的信源数据包后，通过重复发送信源数据包信息协助传输；
2).SR方法是先确定一个信噪比门限，然后根据源站点与合作者间的信道状态信息决定由源站点重发全部的数据包，还是由合作者转发全部的数据包信息；
3).IR方法是源站点根据终端关于直传链路(源站点到终端的传输链路)的反馈信息决定发送新的数据包，还是由合作者转发接收到的全部的数据包信息；
由于用户位置的随意性，距离源站点较近的用户，信道状态特性较好，终端收到的信源数据包的差错率就较低；而距离源站点较远的用户，差错率就较高。此时，如果不考虑已正确接收到的部分信源数据包，仍采用转发或重发全部信源数据包信息的FR和SR方法，必将带来带宽的浪费。对于协作通信而言，合作者由于终端处理能力、电池寿命等原因也可能不愿意采用转发全部数据包信息的协作方法。IR方法虽然可以在直传链路成功的情况下，信源数据包仅仅由源站点传输，达到节省带宽资源的目的，但反馈信道的使用，给实时通信带来障碍。
传统意义上的反馈重传(Feed-Back Retransmission，FBR)方法虽然可以实现部分协作转发(转发部分信源数据包)，但需要使用反馈信道指示需要重传的数据包；此时，不但占用了系统带宽资源，也增加了系统复杂性。
可见，上述合作者的协作方法在实际应用中还是有缺陷的，不能完全满足现实通信技术的发展要求。
发明内容
本发明的目的是针对FR方法、SR方法和IR方法(直传链路失败的情况下)需要转发或重发全部信源数据包信息，而IR方法和FBR方法需要使用反馈信道的缺陷，提出了一种基于喷泉编码的部分协作信息传输方法。该方法，在不需要反馈信道的情况下，实现了部分协作传输，统计复用了系统的带宽资源，提高了数据吞吐能力。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明的基于喷泉编码的部分协作信息传输方法，其具体步骤如下：
步骤一、构造待发送报文
构造包含K个信源数据包的待发送报文，设计每个信源数据包包含N个二进制符号，规定(a0，a1，…，aN-1)，(b0，b1，…，bN-1)，…，(f0，f1，…，fN-1)构成一个待发送报文；
其中K，N均为正整数；
步骤二、将待发送报文进行喷泉编码
将步骤一中构造的待发送报文进行喷泉编码；具体流程为：将包含K个信源数据包的待发送报文(a0，a1，…，aN-1)，(b0，b1，…，bN-1)，…，(f0，f1，…，fN-1)重新排序成数据包(a0，b0，…，f0)，(a1，b1，…，f1)，…，(aN-1，bN-1，…，fN-1)后进行喷泉编码，如将排序后的第i个数据包(ai，bi，…，fi)经过喷泉编码后生成半无限编码数据包(Ai，Bi，…，Fi，…)，  i＝0，1，…，N-1；按列输出即为喷泉编码数据包(A0，A1，…，AN-1)，(B0，B1，…，BN-1)，…，(F0，F1，…，FN-1)，…；将前K个喷泉编码数据包输出；
步骤三、喷泉编码数据包调制输出
将步骤二中输出的K个喷泉编码数据包(A0，A1，…，AN-1)，(B0，B1，…，BN-1)，…，(F0，F1，…，FN-1)进行多电平正交幅度调制(Multilevel Quadrature AmplitudeModulation，M-QAM)后，经平坦的瑞利衰落信道分别到达合作者和终端；
步骤四、合作者部分协作
合作者将步骤三中接收到的调制数据包，经M-QAM解调和喷泉码译码后，获得正确的信源数据包(a0，a1，…，aN-1)，(b0，b1，…，bN-1)，…，(f0，f1，…，fN-1)。部分协作的具体实现为：
1).将信源数据包(a0，a1，…，aN-1)，(b0，b1，…，bN-1)，…，(f0，f1，…，fN-1)经喷泉编码后生成半无限的编码数据包(
Figure G2009100814140D00031
…，
Figure G2009100814140D00032
)，(
Figure G2009100814140D00033
…，
Figure G2009100814140D00034
)，…，(…，
Figure G2009100814140D00036
)，…；
2).由于喷泉编码数据包间的独立性，终端只要接收到同一个信源数据包生成的足够多的编码数据包就可以高概率恢复出信源数据包，而不管是否来自同一个发送设备；因此，在步骤三终端接收到部分正确喷泉编码数据包的基础上，合作者只要补充所需的喷泉编码数据包，就可以实现源站点到终端的成功传输；
设计部分协作参数为P＝K′/K；
其中，K为源站点发送的信源数据包，K′为合作者输出的喷泉编码数据包；在一定吞吐量性能下，P的取值根据实际参与传输的合作者的数目而定，并且随着合作者数目的增多，各个合作者输出的喷泉编码数据包数目K′减少，P变小，各个合作者的协助消耗减少；当合作者的数目为2时，P一般取5％到10％，即抽出5％到10％的数据传输协助源站点；
步骤五、协作喷泉编码包的调制输出
对输出的K′个喷泉编码数据包进行M-QAM调制，经平坦的瑞利衰落信道后，发送到终端；鉴于实际，选择参与传输的合作者与终端间的信道状态特性优于源站点与终端间的信道状态特性，因此，此步骤中选取的调制阶数应不低于步骤三中的调制阶数；
步骤六、终端译码判决
终端在已知信道衰落系数的情况下，将步骤三和五中获得的调制数据包，由最大似然检测(Maximum Likelihood Detection，MLD)译码后，获得喷泉编码数据包；依据喷泉码译码原理，当终端接收到正确编码数据包的数目略大于信源数据包时，可以恢复源站点发送的K个信源数据包，实现源站点到终端的成功传输。
有益效果
本发明在不需要反馈信道的情况下，统计复用了系统带宽资源，和传统的DF方法相比，能进一步提高数据吞吐能力；在相同的吞吐量下，随着合作者数目的增多，各个合作者协助源站点传输的消耗逐渐减少。
附图说明
图1-中继通信系统的一个下行传输示意图；
图2-协作通信系统示意图；
图3-基于喷泉编码的部分协作信息传输方法框图；
图4-基于数据包的喷泉编码示意图；
图5-基于喷泉编码的部分协作信息传输方法与DF方法的吞吐量性能比较；图(a)：基站和中继站调制方式为：QPSK、QPSK、16QAM；图(b)：基站和中继站调制方式为：QPSK、16QAM、16QAM。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例
依具体的一个基站(源站点)、两个中继站(合作者)和一个终端的中继通信系统为例，定义系统吞吐量为单位时间内传输的比特数，调制数据包中每个调制符号的传输时间为单位时间；且规定基站和中继站间实现无误传输，中继站抽出10％的数据传输能力协助传输。
采用基于喷泉编码的部分协作信息传输方法，参见图3。
1).构造待发送报文，设计包含K＝400个信源数据包(a0，a1，…，aN-1)，(b0，b1，…，bN-1)，…，(f0，f1，…，fN-1)，每个信源数据包包含1个二进制符号，即含有400比特信息。
2).基站对构造的发送报文进行喷泉编码，如图4将信源数据包(a0，a1，…，aN-1)，(b0，b1，…，bN-1)，…，(f0，f1，…，fN-1)重新排序成数据包(a0，b0，…，f0)，(a1，b1，…，f1)，…，(aN-1，bN-1，…，fN-1)后进行喷泉编码，如将排序后的第i个数据包(ai，bi，…，fi)经过喷泉编码后生成编码数据包(Ai，Bi，…，Fi，…)，i＝0，1，…，N-1；那么，喷泉编码数据包为(A0，A1，…，AN-1)，(B0，B1，…，BN-1)，…，(F0，F1，…，FN-1)，…。
实际所使用的喷泉编码可以是LT(Luby Transform)码，Raptor码，Reed-Solomon码，或者基于有限域GF(q)的多进制随机喷泉码等。本实施例喷泉编码采用LT码，并且鲁棒Soliton度分布参数c＝0.03，δ＝0.0001。取前400个喷泉编码数据包输出。
3).对输出的400个喷泉编码数据包，采用QPSK调制，经平坦的瑞利衰落信道后，到达终端和中继站。
4).中继站对接收到的基站发送的调制数据包，进行QPSK解调和喷泉码译码后，正确恢复出信源数据包(a0，a1，…，aN-1)，(b0，b1，…，bN-1)，…，(f0，f1，…，fN-1)后，重新进行喷泉编码，其编码过程参见图4。由于中继站抽出10％的数据传输协助源站点，协作参数为P＝10％，因此，输出40个喷泉编码数据包。
5).两个中继站分别对输出的40个喷泉编码数据包，采用QPSK、16QAM或者16QAM、16QAM调制，经平坦的瑞利衰落信道后，发送到终端。
6).由最大似然检测译码，终端得到喷泉编码数据包；由喷泉码译码原理，若正确接收到的编码数据包的数目略大于信源数据包，即可高概率成功译码。实际上，所需正确接收到的数据包数目为K(1+ε)，ε是译码开销，一般取值在0％-5％。如果使用Reed-Solomon码作为喷泉码，则只需接收到K个数据包即可，此时，ε＝0。因此，本发明设计在译码开销ε＝5％的情况下，系统成功译码，实现源站点到终端的成功传输。
当基站和中继站分别采用QPSK、QPSK和16QAM时，采用传统的DF方法和基于喷泉编码的部分协作信息传输方法得到的吞吐量性能如图5(a)所示。在平均信噪比SNR＝6dB时，本发明获得1.37的吞吐量；而在相同调制方式下的DF方法的吞吐量为0.33，取得了315％的增益；当平均信噪比SNR＝12dB时，相比于DF方法的0.78，本发明也获得1.739的吞吐量，增益达123％。
当基站和中继站分别采用QPSK、16QAM和16QAM时，吞吐量性能如图5(b)所示。在平均信噪比SNR＝10dB时，相比与传统的DF方法的0.82，本发明也获得了1.82的吞吐量，增益为122％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，由于合作者数目的任意性，源站点和合作者喷泉编码数据包调制方式的多样性，所以本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.基于喷泉编码的部分协作信息传输方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一、构造待发送报文
构造包含K个信源数据包的待发送报文，设计每个信源数据包包含N个二进制符号，规定(a0，a1，...，aN-1)，(b0，b1，...，bN-1)，...，(f0，f1，...，fN-1)构成一个待发送报文；
其中K，N均为正整数；
步骤二、将待发送报文进行喷泉编码
将步骤一中构造的待发送报文进行喷泉编码，生成半无限的喷泉编码数据包(A0，A1，...，AN-1)，(B0，B1，...，BN-1)，...，(F0，F1，...，FN-1)，...；将前K个喷泉编码数据包输出；
步骤三、喷泉编码数据包调制输出
将步骤二中输出的K个喷泉编码数据包(A0，A1，...，AN-1)，(B0，B1，...，BN-1)，...，(F0，F1，...，FN-1)进行多电平正交幅度调制后，经平坦的瑞利衰落信道分别到达合作者和终端；
步骤四、合作者部分协作
合作者将步骤三中接收到的调制数据包，经多电平正交幅度解调和喷泉码译码后，获得正确的信源数据包(a0，a1，...，aN-1)，(b0，b1，...，bN-1)，...，(f0，f1，...，fN-1)；部分协作的具体实现为：
1)、将信源数据包(a0，a1，...，aN-1)，(b0，b1，...，bN-1)，...，(f0，f1，...，fN-1)经喷泉编码后生成半无限的编码数据包
Figure FDA0000059042730000011
Figure FDA0000059042730000012
，...，
Figure FDA0000059042730000013
，...；
2)、依据喷泉译码原理，在步骤三终端正确接收到部分喷泉编码数据包的基础上，合作者补充所需的喷泉编码数据包，实现源站点到终端的成功传输；
设计部分协作参数为P＝K′/K；
其中，K为源站点发送的信源数据包，K′为合作者输出的喷泉编码数据包；在一定吞吐量性能下，P的取值根据实际参与传输的合作者的数目而定，并且随着合作者数目的增多，各个合作者输出的喷泉编码数据包数目K′减少，P变小；
步骤五、协作喷泉编码数据包的调制输出
对输出的K′个喷泉编码数据包进行多电平正交幅度调制，经平坦的瑞利衰落信道后，发送到终端；此步骤中，调制方式的阶数应不低于步骤三选用调制方式的阶数；
步骤六、终端译码判决
终端在已知信道衰落系数的情况下，将步骤三和五中获得的调制数据包，由最大似然检测译码后，获得喷泉编码数据包；当终端接收到正确编码数据包的数目略大于信源数据包时，实现源站点到终端的成功传输。
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