CN101553036B

CN101553036B - 一种基于喷泉编码的随机接入方法

Info

Publication number: CN101553036B
Application number: CN2009100844771A
Authority: CN
Inventors: 安建平; 杨静; 李祥明; 袁磊
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2009-05-19
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2029-05-19
Also published as: CN101553036A

Abstract

本发明涉及一种随机接入方法，特别涉及一种采用喷泉编码的随机接入方法，属于有线及无线通信技术领域。纯ALOHA协议、时隙ALOHA协议、CSMA协议和PRMA协议遇到碰撞冲突时采用等待或退避的方式，不但增加后面冲突的概率导致冲突更加频繁，而且造成信道带宽资源浪费。针对此缺陷问题，该方法采用构造待发送数据帧、将待发送数据帧进行喷泉编码、频谱检测、输出喷泉编码数据包、对碰撞冲突进行处理、检测接收、译码判决等步骤，得到了采用喷泉编码的随机接入方法。当发生碰撞冲突时，相比于ALOHA类协议等待或退避的策略，该方法不但不需要等待或退避，而且信号交叠技术的采用，能进一步提高系统的数据吞吐能力。

Description

一种基于喷泉编码的随机接入方法

技术领域

本发明涉及一种随机接入方法，特别涉及一种采用喷泉编码的随机接入方法，属于有线及无线通信技术领域。

背景技术

随机接入属于信道带宽资源共享技术，主要研究在保证服务质量的同时，如何使公共资源的利用率达到最佳，其特点是所有用户都可以根据意愿随机地发送信息。但当两个或多个用户同时发送信息时，就可能发生碰撞冲突，导致冲突用户的发送均失败。目前，随机接入方法主要包括纯ALOHA协议、时隙ALOHA协议、载波监听多路访问(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)协议和分组预约多址(Packet Reservation Multiple Access，PRMA)协议等。上述协议，具体实现如下：

1).纯ALOHA协议：每个用户均可以自由地发送数据帧，如果发送的数据帧之间有部分重叠时，则发生碰撞冲突，所有冲突的数据帧都需要重新发送；重发的策略是让各个发送端等待或退避一段随机时间后，再重新发送数据帧，直到重发成功或超时丢弃；系统吞吐量S和实际信道业务量G之间的关系为：S＝G*e^-2G；当G＝0.5时，最大吞吐量S_max＝1/2e＝0.184；此协议主要适用于用户数少、系统负荷不是很大的网络，如无线数据通信网；

2).时隙ALOHA协议：适用于具有固定长度的数据帧传输，并按照一帧数据包所占用的时间来划分时隙；为使各用户在时间上同步，待发送数据帧的用户只能在每个时隙开始时发送；若发送的数据帧之间有碰撞冲突时，其重发策略与纯ALOHA协议相同；系统吞吐量S和实际信道业务量G之间的关系为：S＝G*e^-G；当G＝1时，最大吞吐量S_max可达0.368；

3).CSMA协议：由ALOHA协议演变得到，其最大改进之处在于：每个用户都能在发送数据帧前监听信道上其他用户是否在发送信息，如在发送，则此用户暂不发送数据帧；由于减小了发送冲突的可能性，从而提高了系统的吞吐能力；

4).PRMA协议：与纯ALOHA协议、时隙ALOHA协议和CSMA协议相比，其独特之处在于考虑了业务流量特性，如将业务数据帧划分为周期性数据帧和随机性数据帧；用户以时隙ALOHA协议发送数据帧，如发生冲突，则通过设置不同的发送概率，使周期性数据帧具有较高的发送权利；

由以上协议可知，随机接入的主要问题是多用户随机竞争带来的碰撞冲突。一旦数据帧发生了冲突，ALOHA类协议使各用户随机等待或退避一段时间，再重新发送数据帧，直到发送成功或超时丢弃。这种使竞争接入在时间上向后分散的策略，对短时的冲突有效；如果负载长时间保持在一个较高的门限上，推迟的后果只会增加后面冲突的概率，导致冲突更加频繁，最终使系统吞吐量急剧下降；并且在用户的等待或退避的过程中，不可避免地造成信道带宽资源的浪费。

可见，上述随机接入方法在实际应用中还是有缺陷的，不能完全满足最大限度地利用信道带宽资源的要求。

发明内容

本发明的目的是针对纯ALOHA协议、时隙ALOHA协议、CSMA协议和PRMA协议遇到碰撞冲突时采用等待或退避的策略导致后面冲突更加频繁和浪费带宽资源的缺陷，提出了一种基于喷泉编码的随机接入方法。

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随机接入方法，其具体步骤如下：

步骤一、构造待发送数据帧

构造包含K个信源数据包的待发送数据帧，设计每个信源数据包包含N个二进制符号，规定(a₀，a₁，…，a_N-1)，(b₀，b₁，…，b_N-1)，…，(f₀，f₁，…，f_N-1)构成一个待发送的数据帧；

其中K和N均为正整数；

步骤二、将待发送数据帧进行喷泉编码

将包含K个信源数据包的待发送数据帧(a₀，a₁，…，a_N-1)，(b₀，b₁，…，b_N-1)，…，(f₀，f₁，…，f_N-1)重新排序成数据包(a₀，b₀，…，f₀)，(a₁，b₁，…，f₁)，…，(a_N-1，b_N-1，…，f_N-1)后进行喷泉编码，如将排序后的第i个数据包(a_i，b_i，…，f_i)经过喷泉编码后生成半无限编码数据包(A_i，B_i，…，F_i，…)，i＝0，1，…，N-1；按列输出即为喷泉编码数据包(A₀，A₁，…，A_N-1)，(B₀，B₁，…，B_N-1)，…，(F₀，F₁，…，F_N-1)，…；

步骤三、频谱检测、输出喷泉编码数据包

对信道进行频谱检测，若满足发送要求，如低于所设定的门限，发送端将步骤二中生成的喷泉编码数据包(A₀，A₁，…，A_N-1)，(B₀，B₁，…，B_N-1)，…，(F₀，F₁，…，F_N-1)，…经加入适量校验比特(根据用户要求)后输出到信道中；若不满足要求，则等待直到发送要求满足为止；

步骤四、对碰撞冲突进行处理

步骤三中，如果同时有多个发送端发送数据，则发生碰撞冲突，此时，发送端不必等待或退避，只需源源不断地输出喷泉编码数据包；

步骤五、检测接收、译码判决

对接收到的不同发送端输出的喷泉编码数据包进行检测和校验后，接收端将获得正确的喷泉编码数据包；依喷泉码译码原理，当接收端接收到正确喷泉编码数据包的数目等于或大于信源数据包K时，就可以恢复信源数据包，实现成功传输；接收端将正确译码的信息反馈给发送端后，发送端则停止输出。

步骤五中所检测接收的信号是指如果同时有多个发送端发送数据，接收端所收到的将是多个发送端经信道作用后的复合信号；接收端将传送给自己的数据作为信号，将其他部分(不是传给本接收端的信号)看成干扰，然后进行信号检测；当各个用户的信号干扰比相差比较明显时，接收端可以先检测出信号干扰比较大的信号，然后从复合信号中减去该信号，进一步检测出信号干扰比较小的信号；以此类推，即使接收信号因碰撞而重叠在一起，通过这种方法，接收端也可能检测出数据；这样，采用喷泉编码的随机接入方法，不但可以避免各发送端等待或退避造成的吞吐量损失，而且还由于信号交叠重用技术进一步提高系统的数据吞吐量。

本发明经过上述五个步骤后，即完成了基于喷泉编码的随机接入方法。

有益效果

本发明在数据帧发生碰撞冲突时，不但不需要发送端等待或退避，而且由于信号交叠重用技术的应用，统计复用了系统信道带宽资源，和目前的ALOHA类随机接入协议相比，进一步提高了系统数据吞吐能力。

附图说明

图1-基于喷泉编码的随机接入方法示意图；

图2-基于数据包的喷泉编码示意图。

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

实施例1

以用户A和用户B分别发送包含K₁和K₂个信源数据包的数据帧到接收端C和接收端D为例。

采用基于喷泉编码的随机接入方法，参见图1。

1).构造待发送数据帧，设计分别包含K₁和K₂个信源数据包的待发送数据帧

(a_{0}, a_{1}, \cdot \cdot \cdot, a_{N_{1} - 1}), (b_{0}, b_{1}, \cdot \cdot \cdot, b_{N_{1} - 1}), \cdot \cdot \cdot, (f_{0}, f_{1}, \cdot \cdot \cdot, f_{N_{1} - 1})

和

({\tilde{a}}_{0}, {\tilde{a}}_{1}, \cdot \cdot \cdot, {\tilde{a}}_{N_{2} - 1}),

({\tilde{b}}_{0}, {\tilde{b}}_{1}, \cdot \cdot \cdot, {\tilde{b}}_{N_{2} - 1}), \cdot \cdot \cdot, ({\tilde{f}}_{0}, {\tilde{f}}_{1}, \cdot \cdot \cdot, {\tilde{f}}_{N_{2} - 1}) .

2).将待发送数据帧进行喷泉编码，如图2用户A将信源数据包

(a_{0}, a_{1}, \cdot \cdot \cdot, a_{N_{1} - 1}), (b_{0}, b_{1}, \cdot \cdot \cdot, b_{N_{1} - 1}), \cdot \cdot \cdot, (f_{0}, f_{1}, \cdot \cdot \cdot, f_{N_{1} - 1})

重新排序成数据包(a₀，b₀，…，f₀)，(a₁，b₁，…，f₁)，…，后进行喷泉编码，如将排序后的第i个数据包(a_i，b_i，…，f_i)经过喷泉编码后生成编码数据包(A_i，B_i，…，F_i，…)，i＝0，1，…，N₁-1；按列输出即为喷泉编码数据包

(A_{0}, A_{1}, \cdot \cdot \cdot, A_{N_{1} - 1}), (B_{0}, B_{1}, \cdot \cdot \cdot, B_{N_{1} - 1}),

\cdot \cdot \cdot, (F_{0}, F_{1}, \cdot \cdot \cdot, F_{N_{1} - 1}), \cdot \cdot \cdot;

同理，用户B将信源数据包

({\tilde{a}}_{0}, {\tilde{a}}_{1}, \cdot \cdot \cdot, {\tilde{a}}_{N_{2} - 1}),

({\tilde{b}}_{0}, {\tilde{b}}_{1}, \cdot \cdot \cdot, {\tilde{b}}_{N_{2} - 1}), \cdot \cdot \cdot, ({\tilde{f}}_{0}, {\tilde{f}}_{1}, \cdot \cdot \cdot, {\tilde{f}}_{N_{2} - 1})

经喷泉编码后，生成喷泉编码数据包

({\tilde{A}}_{0}, {\tilde{A}}_{1}, \cdot \cdot \cdot, {\tilde{A}}_{N_{2} - 1}), ({\tilde{B}}_{0}, {\tilde{B}}_{1}, \cdot \cdot \cdot, {\tilde{B}}_{N_{2} - 1}), \cdot \cdot \cdot, ({\tilde{F}}_{0}, {\tilde{F}}_{1}, \cdot \cdot \cdot, {\tilde{F}}_{N_{2} - 1}), \cdot \cdot \cdot .

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。

3).信道频谱检测的目的就是查找目前的信道是否适合通信。本实施假定当检测结果低于一定的门限时，满足通信要求。此时，将生成的喷泉编码数据包

(A_{0}, A_{1}, \cdot \cdot \cdot {, A}_{N_{1} - 1}), (B_{0} {, B}_{1}, B_{N_{1} - 1}), \cdot \cdot \cdot, (F_{0}, F_{1}, \cdot \cdot \cdot, F_{N_{1} - 1}), \cdot \cdot \cdot

及

({\tilde{A}}_{0}, {\tilde{A}}_{1}, \cdot \cdot \cdot, {\tilde{A}}_{N_{2} - 1}),

({\tilde{B}}_{0}, {\tilde{B}}_{1}, \cdot \cdot \cdot, {\tilde{B}}_{N_{2} - 1}), \cdot \cdot \cdot, ({\tilde{F}}_{0}, {\tilde{F}}_{1}, \cdot \cdot \cdot, {\tilde{F}}_{N_{2} - 1}), \cdot \cdot \cdot

经CRC校验后分别发送到信道中。

4).在用户A和用户B发送喷泉编码数据包的过程中，若发生了碰撞冲突，无需等待或退避，只要源源不断地发送喷泉编码数据包。

5).由于用户A和用户B同时发送数据，接收端所收到的将是两个发送端经信道作用后的复合信号。以传送给自己的数据作为信号，而将其他部分(不是传给本接收端的信号)看成干扰，在接收端进行信号检测。当各个发送端的信号干扰比相差比较明显时，接收端可以检测出信号干扰比较大的信号。在此基础上，从复合信号中减去该信号，可以进一步获得信号干扰比较小的信号。通过这种方法，即使发送信号因碰撞而重叠在一起，接收端也可以检测出数据包。这样，采用喷泉编码的随机接入方法，不但可以避免各发送端等待或退避造成的吞吐量损失，而且还由于信号交叠重用技术进一步提高系统的数据吞吐量。

对于检测接收的喷泉编码数据包，经CRC校验后，接收端C和接收端D分别获得用户A和用户B发送的正确的喷泉编码数据包；由喷泉码译码原理，若正确接收到的编码数据包的数目等于或大于信源数据包，即可高概率成功译码。实际上，所需正确接收到数据包的数目为K(1+ε)，其中，K为信源编码数据包，ε是译码开销，一般ε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。

实施例2

以认知无线电，非授权用户A利用频谱空洞发送包含K个信源数据包的数据帧到接收端C为例。

采用基于喷泉编码的随机接入方法，参见图1。

1).构造待发送数据帧，设计包含K个信源数据包的待发送数据帧(a₀，a₁，…，a_N-1)，(b₀，b₁，…，b_N-1)，…，(f₀，f₁，…，f_N-1)。

2).将待发送数据帧进行喷泉编码，如图2非授权用户A将信源数据包(a₀，a₁，…，a_N-1)，(b₀，b₁，…，b_N-1)，…，(f₀，f₁，…，f_N-1)重新排序成数据包(a₀，b₀，…，f₀)，(a₁，b₁，…，f₁)，…，(a_N-1，b_N-1，…，f_N-1)后进行喷泉编码，如将排序后的第i个数据包(a_i，b_i，…，f_i)经过喷泉编码后生成编码数据包(A_i，B_i，…，F_i，…)，i＝0，1，…，N-1；按列输出即为喷泉编码数据包(A₀，A₁，…，A_N-1)，(B₀，B₁，…，B_N-1)，…，(F₀，F₁，…，F_N-1)，…。

3).通过频谱检测验证目前信道资源是否被授权用户使用。若未被使用，或者被使用但是当前时刻功率很低时，未授权用户可利用此频谱空洞进行通信。本实施例假定当频谱检测结果低于一定的门限时，未授权用户即可通信。此时，将生成的喷泉编码数据包(A₀，A₁，…，A_N-1)，(B₀，B₁，…，B_N-1)，…，(F₀，F₁，…，F_N-1)，…经CRC校验后输出。

4).非授权用户A在发送喷泉编码数据包的过程中，若遇到授权用户使用该信道，则等待或退避直到频谱检测结果满足通信要求为止；若与其他非授权用户发生碰撞冲突时，则不必等待或退避，只需继续发送喷泉编码包。

5).若喷泉编码数据包在传输过程中发生碰撞冲突，接收端C收到的将是多个发送端经信道作用后的复合信号。接收端将传送给自己的数据作为信号，而将其他部分(不是传给本接收端的信号)看成干扰，进行信号检测。当各个发送端的信号干扰比相差比较明显时，接收端可以检测出信号干扰比较大的信号。在此基础上，从复合信号中减去该信号，可以进一步获得信号干扰比较小的信号。以此类推，通过这种方法，即使发送信号因碰撞而重叠在一起，接收端也可以检测出数据包。这样，采用喷泉编码的随机接入方法，不但可以避免各发送端等待或退避造成的吞吐量损失，而且还由于信号交叠重用技术进一步提高系统的数据吞吐量。

对于检测接收的喷泉编码数据包，经CRC校验后，接收端C获得正确的喷泉编码数据包；由喷泉码译码原理，若正确接收到的编码数据包的数目等于或大于信源数据包，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)，其中，K为信源编码数据包，ε是译码开销，一般ε取值在0％-5％。

由于随机接入时间的任意性，多个用户可能在发送数据帧的过程中发生碰撞冲突。采用等待或退避方法，不但会增大以后碰撞冲突的概率，还会在等待或退避的过程中，造成信道带宽资源的浪费。由喷泉码的译码原理，终端只要接收一定数量的喷泉编码数据包，而不论接收喷泉编码数据包的次序，就可实现高概率成功译码，因此在发生碰撞冲突时，本发明不必等待或退避，只需源源不断地发送喷泉编码数据包，从而统计复用了信道带宽资源，提高了数据吞吐能力。在此基础上，如果各个发送端的信号干扰比相差比较明显时，通过信号交叠技术可以进一步提高系统的数据吞吐量。

Claims

1.一种基于喷泉编码的随机接入方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一、构造待发送数据帧

构造包含K个信源数据包的待发送数据帧，设计每个信源数据包包含N个二进制符号，规定(a₀，a₁，...，a_N-1)，(b₀，b₁，...，b_N-1)，...，(f₀，f₁，...，f_N-1)构成一个待发送的数据帧；

其中K和N均为正整数；

步骤二、将待发送数据帧进行喷泉编码

将步骤一中构造的待发送数据帧进行喷泉编码，生成半无限的喷泉编码数据包(A₀，A₁，...，A_N-1)，(B₀，B₁，...，B_N-1)，...，(F₀，F₁，...，F_N-1)，...；

步骤三、频谱监测、输出喷泉编码数据包

对信道进行频谱监测，若满足发送要求，即当检测结果低于所设定的门限时，发送端将步骤二中生成的喷泉编码数据包(A₀，A₁，...，A_N-1)，(B₀，B₁，...，B_N-1)，...，(F₀，F₁，...，F_N-1)，...经加入适量校验比特后输出到信道中；若不满足要求，则等待直到发送要求满足为止；

步骤四、对碰撞冲突进行处理

步骤三中，若果同时有多个发送端发送数据，则发生碰撞冲突，此时，发送端不必等待或退避，只需源源不断地输出喷泉编码数据包；

步骤五、检测接受、译码判决

对接收到的不同发送端输出的喷泉编码数据包进行检测和校验后，接收端将获得正确的喷泉编码数据包；依喷泉码译码原理，当接收端接收到正确喷泉编码数据包的数目等于或大于信源数据包K时，就可以恢复信源数据包，实现成功传输；接收端将正确译码的信息反馈给发送端后，发送端则停止输出；

经过上述五个步骤后，即完成了基于喷泉编码的随机接入方法。