CN101667904B - 基于喷泉码的多合一反馈重传方法 - Google Patents

Abstract

一种涉及无线电电子学与电信技术的信息技术领域，尤指一种在无线通信领域里的高速数据传输的无线增强技术的集合，主要应用于通用移动通信系统中的无线信道数据传输高速数据业务的基于喷泉码的多合一反馈重传方法；该方法利用喷泉码的无比率信道编码原理，改进无线链路中现有混合式误码反馈重传HARQ的方法及数据编码方式，主要解决如何利用独特的喷泉码系列，对每个数据块进行编码、解码的算法流程等有关技术问题；本发明的有益效果是：本发明的反馈重传方法及相关的喷泉码设计方案，能使无线链路数据吞吐率在现有的基础上最多提高110％，每个分组分割的数据块越多，或共享同一个重传分组的初始传输分组越多，本方法的效率就越高。

Description

基于喷泉码的多合一反馈重传方法

技术领域

本发明涉及一种无线电电子学与电信技术的信息技术领域，尤指一种在无线通信领域里的高速数据传输的无线增强技术的集合，主要应用于通用移动通信系统中的无线信道数据传输高速数据业务的基于喷泉码的多合一反馈重传技术，喷泉码通常被用作前向纠错码的一种，并用在非实时(或对时延具有高忍耐性)的应用/场合中。

背景技术

现有误码反馈重传技术的工作机制:当一条无线链路的接收端在对一个数据包解码后仍然检测到残存错误(或解码失败),它就会通知发送端以同样的编码重新传送这个数据包(HARQ ChasingCombining)或重新传送同一个编码的不同部分(IncrementalRedundancy)多次，直到这个数据包的成功解码或重传次数达到一个门限值，接收端会对收到的同一个数据包的不同拷贝(或同一个编码的不同部分)进行软合并(soft combining)，以期能够成功纠错并且解码得到正确的原始数据，传统的反馈重传技术(HARQ ChaseCombining)的工作机制如图1所示；

存在于现有的反馈重传技术(如HARQ Chase Combining和HARQ Incremental Redundancy)中的一个严重影响带宽利用率的问题是:每一个出错的数据包,在接收端反馈申请重传之后,不管错误比特的多少,都需要至少一个完整的数据包重传来帮助纠错，由于通信链路的动态性,很难给这个被重传的数据包设定一个精确的长度,重传的数据太多超出纠错的需要会导致带宽资源的浪费,重传的数据太少会增加重传的次数也会导致带宽资源的浪费,结果都是反馈重传导致了带宽利用率和数据吞吐率的下降，包括一个负作用是数据传输时延的增加。

在现有的混合式误码反馈重传HARQ（Hybrid Automatic RepeatreQuest）中,是一种结合前向纠错编码FEC（Feed-forward ErrorCorrection）与自动重传请求ARQ(Auto Repeat request)方法的技术，并透过ACK/NACK(Positive Acknowlegment/NegetiveAcknowlegment),来决定是否要重传。随着无线业务的发展，将来的无线业务多是上下性不对称，无线传输环境特别复杂，对传输数据的质量却有很高的要求，所以在现有的混合式误码反馈重传HARQ中，仍然存在着系统的吞吐率、传输延时、传输质量和带宽资源利用率等重要参数的优选问题。

发明内容

为了克服上述不足之处，本发明的主要目的旨在提供一种利用喷泉码(Fountain Code)的原理，来改进无线链路中现有混合式误码反馈重传(简称反馈重传)HARQ（Hybrid Automatic Retransmissionrequest)的方法及数据编码方式，从而得到显著提高的无线链路带宽利用率以及系统级(比如一个WiMAX接入网)的端到端数据传输延迟及吞吐率的基于喷泉码的多合一反馈重传技术。

本发明要解决的技术问题是：主要解决如何利用独特的喷泉码系列，对每个数据块进行编码、解码的算法流程问题；要解决影响无线通信数据吞吐率的诸多因素问题；要解决编解码的复杂度问题以及如何提高反馈重传机制的带宽利用率等有关技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在无线通信领域里的高速数据传输中，用误码反馈重传方法的工作机制为:当一条无线链路的接收端在对一个数据包解码后仍然检测到残存错误或解码失败,它就会通知发送端以同样的编码重新传送这个数据包或重新传送同一个编码的不同部分多次，直到这个数据包的成功解码或重传次数达到一个门限值，接收端会对收到的同一个数据包的不同拷贝或同一个编码的不同部分，进行软合并，来完成纠错并且解码得到正确的原始数据；用差错控制方法包括：自动重传请求ARQ(Auto Repeatrequest)方案和分组编码、卷积编码和Turbo码纯粹的前向纠错编码FEC（Feed-forward Error Correction）方案；用混合式误码反馈重传HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest）方法，将前向纠错编码FEC与自动重传请求ARQ方案相结合，在自动重传请求ARQ系统中引入前向纠错编码FEC，用来纠正传输过程中的数据差错，本发明利用喷泉码的无比率信道编码原理，改进无线链路中现有混合式误码反馈重传HARQ（Hybrid Automatic Retransmission request)的方法及数据编码方式,所述喷泉码由k个原始分组通过异或XOR生成2个以上数量的编码分组．只要收到其中任意k（1＋ε）个编码分组，就可以解码得到这些原始分组；通过发送端主动发出至少三组以上的编码分组让接收端进行解码,用多合一反馈重传机制来完成无线链路带宽利用率，以及系统级的端到端数据传输延迟及吞吐率，该反馈重传方法的具体算法流程的工作步骤是：

步骤1.分组分块

1）设定至少二个的参与多合一的分组数目N，为同一个数据流上的N个数据包；

2）输入N个分组信号，传递到分组分块模块，将每个分组分成M个数据块；

步骤2.初始分组喷泉码变换，加验证码CRC

1）执行完分组分块模块后，则进入初始分组喷泉码变换，加验证码CRC模块；

2）通过一个独特的喷泉码系列,对每个数据块进行编码.并将提供多合一的重传分组，为至少一个以上分组进行编码，该喷泉码系列包括N个向量，每个向量有M个元素，对应每个喷泉码向量的编码方法是将N个数据块中对应的元素为1的数据块互相异或XOR，产生N个新数据块；

3）每个向量由M个值为0或1的元素组成，M为每个分组的数据块个数；

4）俩俩向量之间必须线性不相关；

5）编码后同一个分组内的数据块所包含异或XOR的原始数据块的数目为递增数据；

6）为每个经过编码的数据块加验证码；

步骤3.重传分组喷泉码变换，加验证码CRC

1）执行完初始分组喷泉码变换，加验证码CRC模块后，则进入重传分组喷泉码变换，加验证码CRC模块；

2）对于准备用来做二合一的重传分组的编码,使用相同的编码方法，用不同的向量设计规则，完成重传分组；

3）用于反馈重转分组编码和用于原始分组编码向量之间必须俩俩线性不相关；

4）编码后同一个重传分组内的每一个数据块必须异或XOR来自所有N个原始分组的数据块，来自每个原始分组的数据块至少是一个以上；

5）重传分组的第一个数据块到最后一个数据块参与异或XOR的来自第一个原始分组的数据块递减,来自第二个原始分组的数据块递增，依此类推来自第三，第四一直到第N-1和第N个原始分组的数据块数的安排使用相同规则；

6）为每个经过编码的数据块加验证码；

步骤4.分组传输

1）执行完重传分组喷泉码变换，加验证码CRC模块后，则进入分组传输模块；

2）编码后的初始传输分组直接用于发送,；

3）编码后的重传分组在收到接收端重传请求后发送，在每个所传输的数据块后附上的验证码，可供接收端辨别哪个编码后的数据块含有误码；

步骤5.接收端解码

1）执行完分组传输模块后，则进入接收端解码模块；

2）接收端综合利用接收到的,来自于N个初始传输分组的数据块进行解码；

3）解码的方法是通过这些接收到数据块之间的异或将原始数据块一个一个地分离出来；

4）只要接收到的没有误码数据块的个数大于或等于初始传输分组的数据块总数(N×M),属于这些初始传输分组的全部数据块就能被成功解码；

步骤6.判断重传请求？

1）执行完接收端解码模块后，则进入判断重传请求模块；

2）如果接收到的无误码数据块不足于保证成功解码全部数据块，则接收端可以请求发送端发送下一个重传分组，这个新的重传分组需要反馈到上述步骤3的重传分组喷泉码变换，加验证码CRC模块；

3）执行上述步骤3的重传分组喷泉码变换，加验证码CRC模块，进行从新编码；

4）如果接收到的无误码数据块不足于保证成功解码全部数据块,则部分数据块还是可以被分离出来成功解码；

步骤7.N个分组正确接收

如果接收到的无误码数据块可以保证成功解码全部数据块，则进入N个分组正确接收模块。

进一步的，所述的基于喷泉码的多合一反馈重传方法的独特的喷泉码系列的编码规则为实现一个对应于两个初始传输分组的二合一的反馈重传,每一个分组被分成5个数据块,总共10个数据块S1..S10，这个喷泉码系列包括了N=10个向量K1…K10，每个向量有10个元素，对应每个喷泉码向量Ki的的编码方法是将S1..S10这10个数据块中对应的Ki元素为1的数据块互相异或XOR,以这样的方式,从10个向量可以产生10个的新数据块E1..E10，N个向量K1…KN的设计规则是:

a.每个向量由M个值为0或1的元素组成，为每个分组的数据块个数；

b.俩俩向量之间必须线性不相关；

c.编码后同一个分组内的数据块所包含异或XOR的原始数据块的数目为递增数据，在二合一的反馈重传中：E1=S1,E2=S1 XORS2,以次类推。

进一步的，所述的基于喷泉码的多合一反馈重传方法的反馈重传分组为5个数据块，相对应的需要5个向量K11…K15,这5个用于二合一重传分组的向量的设计规则是:

a.用于反馈重传分组编码和用于原始分组编码向量之间必须俩俩线性不相关；

b.编码后同一个重传的分组内的每一个数据块必须包含参与异或XOR的来自两个原始分组的数据块，来自每个原始分组的数据块至少是一个以上；

c.重传分组的第一个数据块到最后一个数据块所包含参与异或XOR的来自第一个原始分组的数据块为递减,来自第二个原始分组的数据块为递增。

进一步的，所述的基于喷泉码的多合一反馈重传方法的发送端的具体工作步骤是：

步骤1.发送数据流

发送数据流模块的输出来自上层待发送的数据流；

步骤2.信道编码器

1）执行完发送数据流模块后，则进入信道编码器模块；

2）信道编码器按照上述算法中步骤2的初始分组喷泉码变换，加验证码CRC模块的描述，对初始分组进行分块,并对这些数据块按上述算法步骤2的初始分组喷泉码变换，加验证码CRC模块的描述和步骤3的重传分组喷泉码变换，加验证码CRC模块描述的喷泉码编码规则进行编码；

步骤3.发送数据缓冲区

1）执行完信道编码器模块后，则进入发送数据缓冲区模块；

2）信道编码器的输出暂存在发送数据缓冲区模块中；

步骤4.反馈重传控制器

1）执行完发送数据缓冲区模块后，则进入反馈重传控制器模块；

2）反馈重传控制器从发送数据缓冲区中，挑选用来发送的初始或重传分组；

3）反馈重传控制器可以反馈请求信道编码器，制造更多的重传分组；

步骤5.调制

1）执行完反馈重传控制器模块后，则进入调制模块；

2）调制模块对数据分组进行发送前调制。

进一步的，所述的基于喷泉码的多合一反馈重传方法的接收端的具体工作步骤是：

步骤1.接收数据流

接收数据流模块最终由上层运用软件接收；

步骤2.信道解码器

1）执行完接收数据流模块后，则进入信道解码器模块；

2）信道解码器从接收数据缓冲区读取数据，并按上述算法步骤5的接收端解码模块的描述进行解码；

步骤3.接收数据缓冲区

1）执行完信道解码器模块后，则进入接收数据缓冲区模块；

2）信道解码器进行解码后,解码结果输出到接收数据缓冲区模块；

3）解调模块的输出暂存在接收数据缓冲区中；

步骤4.解调

1）执行完接收数据缓冲区模块后，则进入解调模块；

2）在接收端解调模块对接收到的信号进行解调；

3）从接收端到发送端的传输反馈信息在控制信道中完成。

进一步的，所述的基于喷泉码的多合一反馈重传方法的混合式误码反馈重传HARQ重传时的数据特征为自适应传输时，在每一次重传过程中，发送端可以根据实际的信道状态信息改变部分的传输参数，故在每次传输过程中包含传输参数的控制信令信息要一并发送，可改变的传输参数包括调制方式、参与多合一重传的分组个数，以及每个分组中分块的长度。

进一步的，所述的基于喷泉码的多合一反馈重传方法的混合式误码反馈重传HARQ重传时的数据特征为非自适应传输时，传输参数相对于接收端而言都是预先已知的，故在每次传输过程中包含传输参数的控制信令信息在非自适应系统中是不需要被传输的。

本发明的有益效果是：本发明解决了影响无线通信数据的带宽资源利用率和数据吞吐率等问题，一个重传分组能被用在同一个接收端或同一个数据流的多个初始传输分组上,大大提高了反馈重传机制的带宽利用率，在高误码率的无线通信环境上,此项发明使信道吞吐率显著提高；使用了特殊的喷泉码设计,编解码复杂度以异或操作为主，比其他基于高复杂度编码(比如网络编码NETWORK CODING)的类似技术要低得多；所使用的特殊的喷泉码设计规则让部分解码成为可能；新的反馈重传方法及相关的喷泉码设计方案，能使无线链路数据吞吐率在现有(由HARQ-Chase Combining达到的)的基础上最多提高110%，每个分组分割的数据块越多,或共享同一个重传分组的初始传输分组越多,本方法的效率就越高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图1是传统的反馈重传技术(HARQ Chase Combining)工作机制示意图；

附图2是本发明算法流程工作步骤方框图；

附图3是本发明以二合一重传为例的喷泉码设置及编码结构示意图；

附图4是本发明以二合一重传为例的反馈重传机制示意图；

附图5是本发明反馈重传方法的实施例之一示意图；

附图中标号说明：

1—分组分块；

2—初始分组喷泉码变换，加验证码CRC；

3—重传分组喷泉码变换，加验证码CRC；

4—分组传输；

5—接收端解码；

6—判断重传请求？

7-N个分组正确接收；

101—发送数据流；        201—接收数据流；

102—信道编码器；        202—信道解码器；

103—发送数据缓冲区；    203—接收数据缓冲区；

104—反馈重传控制器；    204—解调；

105—调制；

具体实施方式

请参阅附图1、2、3、4、5所示，本发明在无线通信领域里的高速数据传输中，用误码反馈重传方法的工作机制为:当一条无线链路的接收端在对一个数据包解码后仍然检测到残存错误或解码失败,它就会通知发送端以同样的编码重新传送这个数据包或重新传送同一个编码的不同部分多次，直到这个数据包的成功解码或重传次数达到一个门限值，接收端会对收到的同一个数据包的不同拷贝或同一个编码的不同部分，进行软合并，来完成纠错并且解码得到正确的原始数据；用差错控制方法包括：自动重传请求ARQ方案和分组编码、卷积编码和Turbo码纯粹的前向纠错编码FEC方案；用混合式误码反馈重传HARQ方法，将前向纠错编码FEC与自动重传请求ARQ方案相结合，在自动重传请求ARQ系统中引入前向纠错编码FEC，用来纠正传输过程中的数据差错，其特征在于：利用喷泉码的无比率信道编码原理，改进无线链路中现有混合式误码反馈重传HARQ的方法及数据编码方式,所述喷泉码由k个原始分组通过异或XOR生成2个以上数量的编码分组．只要收到其中任意k（1＋ε）个编码分组，就可以解码得到这些原始分组；通过发送端主动发出一定数量的编码分组让接收端进行解码,用多合一反馈重传机制来完成无线链路带宽利用率，以及系统级的端到端数据传输延迟及吞吐率，该反馈重传方法的具体算法流程的工作步骤是：

步骤1.分组分块1

1）设定至少二个的参与多合一的分组数目N，为同一个数据流上的N个数据包；

2）输入N个分组信号，传递到分组分块1模块，将每个分组分成M个数据块；

步骤2.初始分组喷泉码变换，加验证码CRC2

1）执行完分组分块1模块后，则进入初始分组喷泉码变换，加验证码CRC2模块；

2）通过一个独特的喷泉码系列,对每个数据块进行编码.并将提供多合一的重传分组，为至少一个以上分组进行编码，该喷泉码系列包括N个向量，每个向量有M个元素，对应每个喷泉码向量的编码方法是将N个数据块中对应的元素为1的数据块互相异或XOR，产生N个新数据块；

3）每个向量由M个值为0或1的元素组成，M为每个分组的数据块个数；

4）俩俩向量之间必须线性不相关；

5）编码后同一个分组内的数据块所包含异或XOR的原始数据块的数目为递增数据；

6）为每个经过编码的数据块加验证码；

步骤3.重传分组喷泉码变换，加验证码CRC3

1）执行完初始分组喷泉码变换，加验证码CRC2模块后，则进入重传分组喷泉码变换，加验证码CRC3模块；

2）对于准备用来做二合一的重传分组的编码,使用相同的编码方法，用不同的向量设计规则，完成重传分组；

3）用于反馈重转分组编码和用于原始分组编码向量之间必须俩俩线性不相关；

4）编码后同一个重传分组内的每一个数据块必须异或XOR来自所有N个原始分组的数据块，来自每个原始分组的数据块至少是一个以上；

5）重传分组的第一个数据块到最后一个数据块参与异或XOR的来自第一个原始分组的数据块递减,来自第二个原始分组的数据块递增，依此类推来自第三，第四一直到第N-1和第N个原始分组的数据块数的安排使用相同规则；

6）为每个经过编码的数据块加验证码；

步骤4.分组传输4

1）执行完重传分组喷泉码变换，加验证码CRC3模块后，则进入分组传输4模块；

2）编码后的初始传输分组直接用于发送,；

3）编码后的重传分组在收到接收端重传请求后发送，在每个所传输的数据块后附上的验证码，可供接收端辨别哪个编码后的数据块含有误码；

步骤5.接收端解码5

1）执行完分组传输4模块后，则进入接收端解码5模块；

2）接收端综合利用接收到的,来自于N个初始传输分组的数据块进行解码；

3）解码的方法是通过这些接收到数据块之间的异或将原始数据块一个一个地分离出来；

4）只要接收到的没有误码数据块的个数大于或等于初始传输分组的数据块总数(N×M),属于这些初始传输分组的全部数据块就能被成功解码；

步骤6.判断重传请求？6

1）执行完接收端解码5模块后，则进入判断重传请求6模块；

2）如果接收到的无误码数据块不足于保证成功解码全部数据块，则接收端可以请求发送端发送下一个重传分组，这个新的重传分组需要反馈到上述步骤3的重传分组喷泉码变换，加验证码CRC3模块；

3）执行上述步骤3的重传分组喷泉码变换，加验证码CRC3模块，进行从新编码；

4）如果接收到的无误码数据块不足于保证成功解码全部数据块,则部分数据块还是可以被分离出来成功解码；

步骤7.N个分组正确接收7

如果接收到的无误码数据块可以保证成功解码全部数据块，则进入N个分组正确接收7模块。

进一步的，所述的基于喷泉码的多合一反馈重传方法的独特的喷泉码系列的编码规则为实现一个对应于两个初始传输分组的二合一的反馈重传,每一个分组被分成5个数据块,总共10个数据块S1..S10，这个喷泉码系列包括了N=10个向量K1…K10，每个向量有10个元素，对应每个喷泉码向量Ki的的编码方法是将S1..S10这10个数据块中对应的Ki元素为1的数据块互相异或XOR,以这样的方式,从10个向量可以产生10个的新数据块E1..E10，N个向量K1…KN的设计规则是:

a.每个向量由M个值为0或1的元素组成，为每个分组的数据块个数；

b.俩俩向量之间必须线性不相关；

c.编码后同一个分组内的数据块所包含异或XOR的原始数据块的数目为递增数据，在二合一的反馈重传中：E1=S1,E2=S1 XORS2,以次类推。

进一步的，所述的基于喷泉码的多合一反馈重传方法的反馈重传分组为5个数据块，相对应的需要5个向量K11…K15,这5个用于二合一重传分组的向量的设计规则是:

a.用于反馈重传分组编码和用于原始分组编码向量之间必须俩俩线性不相关；

b.编码后同一个重传的分组内的每一个数据块必须包含参与异或XOR的来自两个原始分组的数据块，来自每个原始分组的数据块至少是一个以上；

c.重传分组的第一个数据块到最后一个数据块所包含参与异或XOR的来自第一个原始分组的数据块为递减,来自第二个原始分组的数据块为递增。

请参阅附图5所示，进一步的，所述的基于喷泉码的多合一反馈重传方法的发送端的具体工作步骤是：

步骤1.发送数据流101

发送数据101模块的输出来自上层待发送的数据流；

步骤2.信道编码器102

1）执行完发送数据流101模块后，则进入信道编码器102模块；

2）信道编码器按照上述算法中步骤2的初始分组喷泉码变换，加验证码CRC2模块的描述，对初始分组进行分块,并对这些数据块按上述算法步骤2的初始分组喷泉码变换，加验证码CRC2模块的描述和步骤3的重传分组喷泉码变换，加验证码CRC3模块描述的喷泉码编码规则进行编码；

步骤3.发送数据缓冲区103

1）执行完信道编码器102模块后，则进入发送数据缓冲区103模块；

2）信道编码器102的输出暂存在发送数据缓冲区103模块中；

步骤4.反馈重传控制器104

1）执行完发送数据缓冲区103模块后，则进入反馈重传控制器104模块；

2）反馈重传控制器104从发送数据缓冲区103中，挑选用来发送的初始或重传分组；

3）反馈重传控制器104可以反馈请求信道编码器102，制造更多的重传分组；

步骤5.调制105

1）执行完反馈重传控制器104模块后，则进入调制105模块；

2）调制105模块对数据分组进行发送前调制。

进一步的，所述的基于喷泉码的多合一反馈重传方法的接收端的具体工作步骤是：

步骤1.接收数据流201

接收数据流201模块最终由上层运用软件接收；

步骤2.信道解码器202

1）执行完接收数据流201模块后，则进入信道解码202模块；

2）信道解码器202从接收数据缓冲区203读取数据，并按上述算法步骤5的接收端解码5模块的描述进行解码；

步骤3.接收数据缓冲区203

1）执行完信道解码器202模块后，则进入接收数据缓冲区203模块；

2）信道解码器202进行解码后,解码结果输出到接收数据缓冲区203模块；

3）解调204模块的输出暂存在接收数据缓冲区203中；

步骤4.解调204

1）执行完接收数据缓冲区203模块后，则进入解调204模块；

2）在接收端解调204模块对接收到的信号进行解调；

3）从接收端到发送端的传输反馈信息在控制信道中完成。

进一步的，所述的基于喷泉码的多合一反馈重传方法的混合式误码反馈重传HARQ重传时的数据特征为自适应传输时，在每一次重传过程中，发送端可以根据实际的信道状态信息改变部分的传输参数，故在每次传输过程中包含传输参数的控制信令信息要一并发送，可改变的传输参数包括调制方式、参与多合一重传的分组个数，以及每个分组中分块的长度。

进一步的，所述的基于喷泉码的多合一反馈重传方法的混合式误码反馈重传HARQ重传时的数据特征为非自适应传输时，传输参数相对于接收端而言都是预先已知的，故在每次传输过程中包含传输参数的控制信令信息在非自适应系统中是不需要被传输的。

本发明的方法步骤具体描述：

图2展示了基于此项发明的算法流程图.如图2所示,给定任意的参与多合一的分组数目N(比如同一个数据流上的N个数据包),此项发明中提出基于喷泉码的多合一反馈重传方法的步骤如下:

1）.将每个分组分成M个数据块；

2）.通过一个独特的喷泉码系列,对每个数据块进行编码.并将提供多(N)合一的重传分组(一个或多个)进行编码.图3展示了本发明所使用的独特的喷泉码系列.如图3所示,如果要实现一个对应于两个初始传输分组的二合一的反馈重传,每一个分组被分成5个数据块,总共10个数据块(S1..S10).这个喷泉码系列包括了N(N=10)个向量K1…K10.每个向量有10个元素(element).对应每个喷泉码向量Ki的的编码方法是将S1..S10这10个数据块中对应的Ki元素为1的数据块互相异或(XOR),以这样的方式,从10个向量可以产生10个的新数据块E1..E10.N个向量K1…KN的设计规则是:

a.每个向量由M(每个分组的数据块个数)个值为0或1的元素组成；

b.俩俩向量之间必须线性不相关；

c.编码后同一个分组内的数据块所包含(XOR)的原始数据块的数目递增,如E1=S1,E2=S1 XOR S2,以次类推；

3）.另外,对于准备用来做二合一的重传分组的编码,使用相同的编码方法,用不同的向量设计规则；

如图3所示,如果需要一个用来做反馈重传的分组(5个数据块),相对应的需要5个向量K11…K15.,这5个用于重传分组的向量的设计规则(以二合一重传为例)是:

a.用于反馈重转分组编码和用于原始分组编码向量之间必须俩俩线性不相关；

b.编码后同一个重传的分组内的每一个数据块必须包含(参与XOR的)来自两个原始分组的数据块.来自每个原始分组的数据块至少是一个可以是多个；

c.重传分组的第一个数据块到最后一个数据块所包含(参与XOR的)来自第一个原始分组的数据块递减,来自第二个原始分组的数据块递增；

4）.编码后的初始传输分组直接用于发送,编码后的重传分组在收到接收端重传请求后发送(见图4)；

为了便于接收端辨别哪个编码后的数据块含有误码,可在每个所传输的数据块后付上验证码Cyclic Redundancy Check(CRC)；

5）.接收端综合利用接收到的,来自于两个初始传输分组和第一个重传分组的数据块尝试进行解码；

解码的方法是通过这些接收到数据块之间的异或将原始数据块一个一个地分离出来(见图4).

由于这些喷泉码向量的特殊设计规则,只要接收到的没有误码数据块的个数大于或等于初始传输分组的数据块总数(N×M),属于这些初始传输分组的全部数据块就能被成功解码(或分离).如果接受到的无误码数据块不足于保证成功解码全部数据块.接收端可以请求发送端发送下一个重传分组.这个新的重传分组需要按步骤3进行从新编码.如果接收到的无误码数据块不足于保证成功解码全部数据块,部分数据块还是可以被分离出来成功解码,比如图四中从E1,E2,和E3就可以直接分离出S1,S2,和S3。

实验证明这个新的反馈重传方法及相关的喷泉码设计方案能使无线链路数据吞吐率在现有(由HARQ-Chase Combining达到的)的基础上最多提高110%.每个分组分割的数据块越多,或共享同一个重传分组的初始传输分组越多,这个方法的效率就越高.在信号质量越差的情况下提高效果越明显。

本发明的优点综述：

1）一个重传分组能被用在同一个接收端或同一个数据流的多个初始传输分组上,大大提高了反馈重传机制的带宽利用率.在高误码率的无线通信环境上,此项发明使信道吞吐率显著提高.

2）使用了特殊的喷泉码设计,编解码复杂度O(Kln(K))(异或操作为主)比其他基于高复杂度编码(比如网络编码NETWORKCODING)的类似技术要低得多.

3）所使用的特殊的喷泉码设计规则让部分解码成为可能.这意味着一个分组内包含多个原始数据块的数据块出错的情况下,同一分组的其他包含少量原始数据块的数据块仍可以自行解码(参见图3中S1,S2,S3的解码过程).实际运用中可以把一个分组的数据块按重要性排列.这样保证了重要数据的解码可以先行进行(无需等到接收端收到足够的数据块(N×M个).

本发明实施例之一：

图5描述了此项发明的一个实施例,包括在一个无线发送端和接收端的主要功能模块.这些模块的说明如下:

101发送数据流输出来自上层待发送的数据流；

102信道编码器按照上述算法步骤2的描述对初始分组进行分块,并对这些数据块按商述算法步骤2和3描述的喷泉码编码规则进行编码；102信道编码器的输出暂存在103发送数据缓冲区；

104反馈重传控制器从发送数据缓冲区中挑选用来发送的初始或重传分组.它还可以请求102信道编码器制造更多的重传分组；

105调制模块对数据分组进行发送前调制。

在接收端204解调模块对接收到的信号进行解调.204解调模块的输出暂存在203接收数据缓冲区；

202信道解码器从203接收数据缓冲区读取数据并按上述算法步骤5的描述尝试进行解码,解码结果输出到201接收数据流最终由上层运用软件接收；

注:从接收端到发送端的传输反馈信息的控制信道在图5中省略.

本发明能被运用的产品范围：

本发明在无线通信中具有广泛的用途.作为一个新的高效率低复杂度的反馈重传技术,它可以被用在无线点对点网络(wirelesspeer-to-peer networks)或无线中继上(wireless relay)提供中继间的链路层纠错功能.它还可以被用在3G(如UMTS,HSPA)和4G(如WiMAX,LTE)移动通信系统的基站和终端中作为下行和上行链路的误码反馈重传机制.

现有的(或类似的)技术简介：

喷泉码(Fountain code)是一种新颖的无比率(rateless)信道编码技术，喷泉码可以由k个原始分组通过异或生成任意数量的编码分组．而只要收到其中任意k（1＋ε）个编码分组就可以解码得到这些原始分组.喷泉码通常被用作前向纠错码的一种并用在非实时(或对时延具有高忍耐性)的应用/场合中,通过发送端主动发出大量的编码分组让接收端提高解码概率,具有取代反馈重传的作用.但在单用户(或单个接收端的情况下),这样的运用导致了大量冗余分组的传输,并没有带来带宽利用率的提高。

类似的方法也可以用网络编码(Network Coding)来实现,与喷泉码相似,网络编码也可以用来对不同分组进行线性叠加.网络编码比喷泉码具有更大的系数空间从而具有更高的解码效率,但相应的网络编解码的复杂度O(k)比喷泉码的编解码复杂度O(Kln(K))高得多(K是参与编解码得数据分组或数据块的个数)。

Claims (7)

1.一种基于喷泉码的多合一反馈重传方法，在无线通信领域里的高速数据传输中，用误码反馈重传方法的工作机制为:当一条无线链路的接收端在对一个数据包解码后仍然检测到残存错误或解码失败,它就会通知发送端以同样的编码重新传送这个数据包或重新传送同一个编码的不同部分多次，直到这个数据包的成功解码或重传次数达到一个门限值，接收端会对收到的同一个数据包的不同拷贝或同一个编码的不同部分，进行软合并，来完成纠错并且解码得到正确的原始数据，其特征在于：利用喷泉码的无比率信道编码原理，改进无线链路中现有混合式误码反馈重传HARQ的方法及数据编码方式,所述喷泉码由k个原始分组通过异或XOR生成2个以上数量的编码分组．只要收到其中任意k（1＋ε）个编码分组，就可以解码得到这些原始分组；通过发送端主动发出至少三组以上的编码分组让接收端进行解码,用多合一反馈重传机制来完成无线链路带宽利用率，以及系统级的端到端数据传输延迟及吞吐率，该反馈重传方法的具体算法流程的工作步骤是：

步骤1.分组分块（1）

1）设定至少二个的参与多合一的分组数目N，为同一个数据流上的N个数据包；

2）输入N个分组信号，传递到分组分块（1）模块，将每个分组分成M个数据块；

步骤2.初始分组喷泉码变换，加验证码CRC（2）

1）执行完分组分块（1）模块后，则进入初始分组喷泉码变换，加验证码CRC（2）模块；

2）通过一个独特的喷泉码系列,对每个数据块进行编码.并将提供多合一的重传分组，为至少一个以上分组进行编码，该喷泉码系列包括N个向量，每个向量有M个元素，对应每个喷泉码向量的编码方法是将N个数据块中对应的元素为1的数据块互相异或XOR，产生N个新数据块；

3）每个向量由M个值为0或1的元素组成，M为每个分组的数据块个数；

4）俩俩向量之间必须线性不相关；

5）编码后同一个分组内的数据块所包含异或XOR的原始数据块的数目为递增数据；

6）为每个经过编码的数据块加验证码；

步骤3.重传分组喷泉码变换，加验证码CRC（3）

1）执行完初始分组喷泉码变换，加验证码CRC（2）模块后，则进入重传分组喷泉码变换，加验证码CRC（3）模块；

2）对于准备用来做二合一的重传分组的编码,使用相同的编码方法，用不同的向量设计规则，完成重传分组；

3）用于反馈重转分组编码和用于原始分组编码向量之间必须俩俩线性不相关；

4）编码后同一个重传分组内的每一个数据块必须异或XOR来自所有N个原始分组的数据块，来自每个原始分组的数据块至少是一个以上；

5）重传分组的第一个数据块到最后一个数据块参与异或XOR的来自第一个原始分组的数据块递减,来自第二个原始分组的数据块递增，依此类推来自第三，第四一直到第N-1和第N个原始分组的数据块数的安排使用相同规则；

6）为每个经过编码的数据块加验证码；

步骤4.分组传输（4）

1）执行完重传分组喷泉码变换，加验证码CRC（3）模块后，则进入分组传输（4）模块；

2）编码后的初始传输分组直接用于发送；

3）编码后的重传分组在收到接收端重传请求后发送，在每个所传输的数据块后附上的验证码，可供接收端辨别哪个编码后的数据块含有误码；

步骤5.接收端解码（5）

1）执行完分组传输（4）模块后，则进入接收端解码（5）模块；

2）接收端综合利用接收到的,来自于N个初始传输分组的数据块进行解码；

3）解码的方法是通过这些接收到数据块之间的异或将原始数据块一个一个地分离出来；

4）只要接收到的没有误码数据块的个数大于或等于初始传输分组的数据块总数(N×M),属于这些初始传输分组的全部数据块就能被成功解码；

步骤6.判断重传请求（6）

1）执行完接收端解码（5）模块后，则进入判断重传请求（6）模块；

2）如果接收到的无误码数据块不足于保证成功解码全部数据块，则接收端请求发送端发送下一个重传分组，这个新的重传分组需要反馈到上述步骤3的重传分组喷泉码变换，加验证码CRC（3）模块；

3）执行上述步骤3的重传分组喷泉码变换，加验证码CRC（3）模块，进行从新编码；

4）如果接收到的无误码数据块不足于保证成功解码全部数据块,则部分数据块还是可以被分离出来成功解码；

步骤7.N个分组正确接收（7）

如果接收到的无误码数据块可以保证成功解码全部数据块，则进入N个分组正确接收（7）模块。

2.根据权利要求1所述的基于喷泉码的多合一反馈重传方法，其特征在于：所述的独特的喷泉码系列的编码规则为实现一个对应于两个初始传输分组的二合一的反馈重传,每一个分组被分成5个数据块,总共10个数据块S1..S10，这个喷泉码系列包括了N=10个向量K1…K10，每个向量有10个元素，对应每个喷泉码向量Ki的的编码方法是将S1..S10这10个数据块中对应的Ki元素为1的数据块互相异或XOR,以这样的方式,从10个向量可以产生10个的新数据块E1..E10，N个向量K1…KN的设计规则是:

a.每个向量由M个值为0或1的元素组成，为每个分组的数据块个数；

b.俩俩向量之间必须线性不相关；

c.编码后同一个分组内的数据块所包含异或XOR的原始数据块的数目为递增数据，在二合一的反馈重传中：E1=S1,E2=S1 XORS2,以次类推。

3.根据权利要求1所述的基于喷泉码的多合一反馈重传方法，其特征在于：所述的反馈重传分组为5个数据块，相对应的需要5个向量K11…K15,这5个用于二合一重传分组的向量的设计规则是:

a.用于反馈重传分组编码和用于原始分组编码向量之间必须俩俩线性不相关；

b.编码后同一个重传的分组内的每一个数据块必须包含参与异或XOR的来自两个原始分组的数据块，来自每个原始分组的数据块至少是一个以上；

c.重传分组的第一个数据块到最后一个数据块所包含参与异或XOR的来自第一个原始分组的数据块为递减,来自第二个原始分组的数据块为递增。

4.根据权利要求1所述的基于喷泉码的多合一反馈重传方法，其特征在于：所述的发送端的具体工作步骤是：

步骤1.发送数据流（101）

发送数据流（101）模块的输出来自上层待发送的数据流；

步骤2.信道编码器（102）

1）执行完发送数据流（101）模块后，则进入信道编码器（102）模块；

2）信道编码器按照上述算法中步骤2的初始分组喷泉码变换，加验证码CRC（2）模块的描述，对初始分组进行分块,并对这些数据块按上述算法步骤2的初始分组喷泉码变换，加验证码CRC（2）模块的描述和步骤3的重传分组喷泉码变换，加验证码CRC（3）模块描述的喷泉码编码规则进行编码；

步骤3.发送数据缓冲区（103）

1）执行完信道编码器（102）模块后，则进入发送数据缓冲区（103）模块；

2）信道编码器（102）的输出暂存在发送数据缓冲区（103）模块中；

步骤4.反馈重传控制器（104）

1）执行完发送数据缓冲区（103）模块后，则进入反馈重传控制器（104）模块；

2）反馈重传控制器（104）从发送数据缓冲区（103）中，挑选用来发送的初始或重传分组；

3）反馈重传控制器（104）反馈请求信道编码器（102），制造更多的重传分组；

步骤5.调制（105）

1）执行完反馈重传控制器（104）模块后，则进入调制（105）模块；

2）调制（105）模块对数据分组进行发送前调制。

5.根据权利要求1所述的基于喷泉码的多合一反馈重传方法，其特征在于：所述的接收端的具体工作步骤是：

步骤1.接收数据流（201）

接收数据流（201）模块最终由上层运用软件接收；

步骤2.信道解码器（202）

1）执行完接收数据流（201）模块后，则进入信道解码器（202）模块；

2）信道解码器（202）从接收数据缓冲区（203）读取数据，并按上述算法步骤5的接收端解码（5）模块的描述进行解码；

步骤3.接收数据缓冲区（203）

1）执行完信道解码器（202）模块后，则进入接收数据缓冲区（203）模块；

2）信道解码器（202）进行解码后,解码结果输出到接收数据缓冲区（203）模块；

3）解调（204）模块的输出暂存在接收数据缓冲区（203）中；

步骤4.解调（204）

1）执行完接收数据缓冲区（203）模块后，则进入解调（204）模块；

2）在接收端解调（204）模块对接收到的信号进行解调；

3）从接收端到发送端的传输反馈信息在控制信道中完成。

6.根据权利要求1所述的基于喷泉码的多合一反馈重传方法，其特征在于：所述的混合式误码反馈重传HARQ重传时的数据特征为自适应传输时，在每一次重传过程中，发送端根据实际的信道状态信息改变部分的传输参数，故在每次传输过程中包含传输参数的控制信令信息要一并发送，可改变的传输参数包括调制方式、参与多合一重传的分组个数，以及每个分组中分块的长度。

7.根据权利要求1所述的基于喷泉码的多合一反馈重传方法，其特征在于：所述的混合式误码反馈重传HARQ重传时的数据特征为非自适应传输时，传输参数相对于接收端而言都是预先已知的，故在每次传输过程中包含传输参数的控制信令信息在非自适应系统中是不需要被传输的。

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