CN105141393B - 一种无线网络中细粒度的子载波编码系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线网络中细粒度的子载波编码系统及其方法，所述子载波编码系统包括：自适应编码分配模块，在频域对编码进行载波级别的自适应调节；与自适应编码分配模块相连接的载波独立编码模块，用于打破传统编码在频域的相关性，得到细粒度的子载波级别无比率编码；与载波独立频率编码模块相连接的发射机；与可预测解码模块相连的低代价反馈模块，用于给发射机提供实时的解码状态信息；与低代价反馈模块相连接的可预测解码模块；接收机。本发明基于正交频分复用技术将无比率码细粒度化到单个子载波，同时利用低代价反馈模块对载波的解码状态进行实时反馈和载波编码分配，即使在频域选择衰落信道下也能保证整体传输速率，增大网络整体吞吐量。

Description

一种无线网络中细粒度的子载波编码系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种子载波编码系统，尤其涉及一种无线网络中细粒度的子载波编码系统，并涉及采用了该无线网络中细粒度的子载波编码系统的子载波编码方法。

背景技术

随着无线移动终端的普及，人们对高速度高质量无线网络的需求与日俱增。然而，由于无线信道中的信号常常会面临衰减，噪声，干扰的影响，使得这个日益增长的需求仍面临巨大的挑战；此外，随着时间变化和在发送器和接收器之间的相对运动加剧这个难题。传统的方法是使用速率适配器使数据率适应信道状态的变化，以达到比固定比特率方案具有更高的平局吞吐量。还有一种替代方案就是使用无比率编码，无比率编码因为根据信道质量获得更高的数据率而被视为是一种理想的模型，也因此重新受到了强烈的重视。在无比率编码中，发送机以固定的比特率持续发送无比率符号块，接收机将会收集解码失败的符号并且用这些符号形成较低速率的编码。用这种方式，接收机可以根据信道的情况来解码块。然而，先进的无比特率编码有两个关键的缺点:一是忽视频率分集，二是不恰当的反馈。这两个缺点极大地限制无比率编码的效率并且降低了他们的性能。

目前802.11标准采用固定速率编码和调制方案，譬如卷积码和低密度奇偶校验码(LDPC)码，这些编码和调制方案可以被组合起来获得不同的传输数据率，这样组合的选择需要明确的和反应速率适配政策来满足信道条件和近似信道容量。发射机通过一定的指标决定传输速率，譬如包接收率或者信噪比，这些选择策略主要集中在时域用来对抗时空信道变化，并没有考虑频域选择性衰落信道的特性；另外，频率感知适应速率(FARA)和自适应正交频分复用(OFDM)调制尝试通过跨越不同频率调节编码和调制参数以达到较好的数据率，但这些以固定速率为基础的策略依赖于以发射机的感知来指导接收机的自适应为目地，随之而来会造成昂贵的反馈和不准确的推断。和以上方法不同的是，本例做的细粒度子载波编码是潜在的基于接收机的速率自适应，其中接收机决定传输数据率，通过频域载波质量的多样性和低代价的反馈，本例在多载波系统中达到了一种细粒度并且最合适的载波级别数据传输速率。

近年来，无比率编码呈现出一个理想的速率自适应模型，在无比率编码系统中，发射机将会从一个固定数量的信息符号中产生潜在没有限制数量的输出无比率符号，以至于让接收机能持续收集无比率符号直到所有的消息符号被成功解码。基于自动自适应速率和碰撞处理的方法用一种分层的方式来产生符号的线性组合，尽管这种方式以固定信噪比的方式达到了信道容量，它的分层结构使它扩展到其他结构变得很复杂。除此之外，脊柱码采用哈希函数和随机数产生序列产生无比率符号，连续的哈希函数提供丰富的结构并且与分层结构相比简化了设计，这些无比率编码仅在单载波通信系统中能很好的工作，并且不需要每一个块的反馈。然而在多载波系统中，来自于接收机的适当反馈能帮助发射机利用频域载波质量多样化达到更好的性能，这也是本例发明的重点，本例利用伪噪声序列作为轻量级反馈来减小开销，这样在接收端的自适应速率可以表现的更好，已达到更高效且更合适的无边率编码。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是需要提供一种可以利用频域选择性衰落信道的载波质量多样化特性，使得不同子载波的数据都可以达到最合适的传输速率的编码系统。

对此，本发明提供一种无线网络中细粒度的子载波编码系统，包括：

自适应编码分配模块，通过在频域对编码进行载波级别的自适应调节，以获得最大化的传输速率的编码；

载波独立编码模块，与自适应编码分配模块相连接，所述载波独立编码模块用于打破无比率码在子载波间的相关性，得到载波独立的无比率编码符号组；

发射机，与载波独立编码模块相连接，所述发射机将需要传输的信息编码进无比率符号组中得到传输信号，并将信号发送给接收机；

低代价反馈模块，所述低代价反馈模块用于给发射机提供实时和精确的解码状态信息；

可预测解码模块，与低代价反馈模块相连接，所述可预测解码模块可以帮助接收机实时预测解码时间；

以及，接收机，与发射机实现通信，所述接收机负责接收信号并送入解码器进行解码。

所述可预测解码模块与低代价反馈模块相连接，可以帮助接收机实时预测解码时间，以避免不必要的解码代价。

本发明的进一步改进在于，当某个载波上的传输信号被解码器成功解码后，接收机将会独立给这个子载波发送反馈至发射机，所述发射机将根据接收机的反馈信息实时动态地调整解码表，并进行该载波上的编码传输分配，以此达到载波级别的细粒度传输速率调节，以进行进一步的编码传输分配。

本发明的进一步改进在于，所述发射机将上层数据包分成若干数据块，并将每个数据块编码进无比率符号组中以得到编码块；在发送过程中，每个载波上的编码块用相同的速率进行高速并行传输。

本发明的进一步改进在于，当接收机接收到无比率符号组后，会对不同载波的编码块进行独立处理，并分别送入相应的解码器进行解码，如果若某个载波上的信息被成功解码，接收机将会利用低代价反馈模块，在该子载波向发射机发送解码成功的反馈信号。

本发明的进一步改进在于，发射机根据反馈信号，对尚未被解码的编码块进行重新分配，利用频域选择性衰落信道的特性，对不同传输能力的子载波分配不同的传输任务，从而最大的利用当前信道能力进行传输。

本发明还提供一种无线网络中细粒度的子载波编码方法，采用了如权利要求1至5任意一项所述的无线网络中细粒度的子载波编码系统，并包括以下步骤：

步骤S1，通过载波独立编码模块打破频域上载波之间的相关性，给每一个编码块分配一个唯一的子载波，然后在所有子载波上并行传输多个编码块，进而实现载波独立的无比率编码，然后通过发射机发射；

步骤S2，通过可预测解码模块进行线性解码复杂度的判断，从而根据当前的信道质量帮助接收机实时判定解码时间；

步骤S3，通过低代价反馈模块用最小的开销实时准确的传输解码状态信息，帮助发射机更新解码表并进行自适应的编码传输分配；

步骤S4，通过自适应编码分配模块，对不同信道质量的载波分配不同的传输任务，从而充分利用信道在频域的质量多样性特征，增大网络吞吐量。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S1中，所述编码和调制方式为无比率编和正交频分复用调制，发射机利用哈希函数和随机数发生器产生无比率编码组，并将每路32位无比率符号划分成4个子路，每一路8位无比率符号组成无比率符号组；所述正交频分复用的调制方式，可以将编码后的码组独立调制到不同的载波上，使得一个时刻可以同时传输多路无比率符号组。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S2中，所述可预测解码模块在解码前对信道质量进行估计，并以此判断解码时间，即传输的数据速率低于香农速率的那一轮传输中通知接收机开始解码。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S3中，在每一轮子载波传输结束后，发射机都会停下来等待接收机发来的反馈信息，得到当前每一个载波上的解码状态信息。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S4中，发射机和接收机将所有的子载波按升序从1到N编号做初始化，并将编号后的信息块按照从1到N的顺序分配给子载波，这个队列将会被同时写进发射机和接收机的解码表作记录，一旦在某一个子载波上接收到1，发射机就会知道在这个子载波上的信息块已经被接收机成功解码，进而将这个信息块从解码表中删除；然后，发射机清空这个子载波，并从解码表的表头取一个信息块分配给这个被清空了的子载波，最后更新解码表，这样就可以达到自适应的编码传输分配，最大的利用选择性衰落信道的特征进行传输。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：基于正交频分复用技术，旨在利用频域选择性衰落信道的载波质量多样化特性，选择最合适每个子载波的传输速率，从而最大化的利用信道进行传输；子载波独立编码能打破无比率码在频域中的相关性，可以达到更合适和细粒度的载波级别的速率自适应调节。利用低代价的反馈模块实时和精确的传递解码状态信息，可以减小控制信息的传输开销，充分利用宝贵的信道资源传递更多的有用的数据信息。

附图说明

图1是本发明一种实施例的系统结构示意图；

图2是本发明另一种实施例的载波独立编码模块的工作流程图；

图3是本发明另一种实施例的可预测解码模块的译码工作流程图；

图4是本发明另一种实施例的低代价反馈模块的工作流程图；

图5是本发明另一种实施例的自适应配置模块的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：

如图1所示，本例提供一种无线网络中细粒度的子载波编码系统，包括：

自适应编码分配模块，通过在频域对编码进行载波级别的自适应调节，以获得最大化的传输速率的编码；

载波独立编码模块，与自适应编码分配模块相连接，所述载波独立编码模块用于打破无比率码在子载波间的相关性，得到载波独立的无比率编码符号组；

发射机，与载波独立编码模块相连接，所述发射机将需要传输的信息编码进无比率符号组中得到传输信号，并将信号发送给接收机；

低代价反馈模块，与可预测解码模块相连接，所述低代价反馈模块用于给发射机提供实时和精确的解码状态信息；

可预测解码模块，与低代价反馈模块相连接，所述可预测解码模块可以帮助接收机实时预测解码时间，避免不必要的解码代价；

以及，接收机，与发射机实现通信，所述接收机负责接收信号并送入解码器进行解码。

本例当某个载波上的传输信号被解码器成功解码后，接收机将会独立给这个子载波发送反馈至发射机，所述发射机将根据接收机的反馈信息实时动态地调整解码表，以进行进一步的编码传输分配。本例所述发射机和接收机共享解码表，在无比率编码中可以引入伪噪声序列传达轻量级反馈，并实时更新解码表。

本例中所述发射机将上层数据包分成若干数据块，并将每个数据块编码进无比率符号组中以得到编码块；在发送过程中，每个载波上的编码块用相同的速率进行高速并行传输。

本例当接收机接收到无比率符号组后，接收机会对不同载波的编码块进行独立处理，并分别送入相应的解码器进行解码，如果若某个载波上的信息被成功解码，接收机将会利用低代价反馈模块，在该子载波向发射机发送解码成功的反馈信号。

本例当发射机根据反馈信号，对尚未被解码的编码块进行重新分配，利用频域选择性衰落信道的特性，对不同传输能力的子载波分配不同的传输任务，从而最大的利用当前信道能力进行传输。

本例提出了在频域中的细粒度子载波编码协议，利用频域选择性衰落信道特性使各个子载波达到最合适的传输速率；同时，依靠低代价的实时反馈，信道质量高的子载波可以被用来传输更多的符号，因此整个传输过程将会加速，整个吞吐率也会得到极大提高。

本例主要涉及无线网络中的编码和调制设计，目前802.11标准采用固定速率编码和调制方案，譬如卷积码和低密度奇偶校验码(LDPC)码，这些编码和调制方案可以被组合起来获得不同的传输数据率，这样组合的选择需要明确的和反应速率适配政策来满足信道条件和近似信道容量。发射机通过一定的指标决定传输速率，譬如包接收率或者信噪比，这些选择策略主要集中在时域用来对抗时空信道变化，并没有考虑频率分集；另外，频率感知适应速率(FARA)和自适应正交频分复用(OFDM)调制尝试通过跨越不同频率调节编码和调制参数以达到较好的数据率，但这些以固定速率为基础的策略依赖于以发射机的感知来指导接收机的自适应为目地，随之而来会造成昂贵的反馈和不准确的推断。和以上方法不同的是，本例做的细粒度子载波编码是潜在的基于接收机的速率自适应，其中接收机决定传输数据率，通过频率分集和轻量级反馈，本例在多载波系统中达到了一种细粒度并且更合适的数据率。

近年来，无比率编码呈现出一个理想的速率自适应模型，在无比率编码系统中，发射机将会从一个固定数量的信息符号中产生潜在没有限制数量的输出无比率符号，以至于让接收机能持续收集无比率符号直到所有的消息符号被成功解码。基于自动自适应速率和碰撞处理的方法用一种分层的方式来产生符号的线性组合，尽管这种方式以固定信噪比的方式达到了信道容量，它的分层结构使它扩展到其他结构变得很复杂。除此之外，脊柱码采用哈希函数和随机数产生序列产生无比率符号，连续的哈希函数提供丰富的结构并且与分层结构相比简化了设计，这些无比率编码仅在单载波通信系统中能很好的工作，并且不需要每一个块的反馈。然而在多载波系统中，来自于接收机的适当反馈能帮助发射机利用频率分集达到更好的性能，这也是本例发明的焦点，本例利用伪噪声序列作为轻量级反馈来减小开销，这样在接收端的自适应速率可以表现的更好，已达到更高且更合适的无边率编码。

本例能够用解码能力来直观的表述接收机可以正确恢复某一特定子载波上传过来的数据的能力，以此作为反馈信息，数字“1”表示接收机可以正确解码所有接收到的符号，数字“0”表示接收机不能解码任何东西；由于频率选择性衰减，不同的子载波有不同的解码能力，这就意味着高解码能力的子载波将可以轻易的解码符号，低解码能力的子载波将不能解码任何符号；所述发射机将根据接收机的反馈信息来动态调整解码表；本例是基于顶层正交频分复用平台而实现的系统，并采用了脊柱码编码和正交频分复用调制方式，通过利用解码能力的不同在各个子载波上达到更合适并且细粒度的数据率。

实施例2：

本例还提供一种无线网络中细粒度的子载波编码方法，采用了如实施例1所述的无线网络中细粒度的子载波编码系统，并包括以下步骤：

步骤S1，通过子载波独立频率编码模块打破频率中的相关性，给每一个信息块分配一个唯一的子载波，然后在所有子载波上并行传输多个信号块，进而实现独立的无比率编码，然后通过发射机发射；

步骤S2，通过可预测解码模块的线性的解码复杂度判断信道的可信信息率，进而帮助接收机判定从哪一轮开始解码；

步骤S3，通过轻量级相关反馈模块用最小的开销传达实时和精确的解码状态信息给发射机，帮助其更新解码表；

步骤S4，通过自适应配置模块利用频率分集技术获取近似信道容量的编码。

本例所述步骤S1中，所述信号块采用脊柱码编码并使用多载波的OFMD调制方式，所述脊柱码编码采用的是无比率脊柱编码的配置，发射机利用一次一个的方法实现哈希函数和随机数发生器，并将每路32位无比率符号划分成4个子路，每一路8位无比率符号组成无比率符号组；很重要的一点是，所述OFMD调制方式为正交频分复用的调制方式，因此，在一个时刻可以同时传输多路无比率符号组。

对于步骤S1中打破频率中的相关性和达到独立的无比率编码，其详细方法如下：为了依靠解码可能性的不同来解码某一个子载波上的无比率符号，本例先打破子载波之间的相关性以实现频率独立无比率编码，其中的一个方法是，给一个特定的消息块分配一个唯一的子载波，然后在所有子载波上并行传输多个消息块来取代一次传输一个块的方法，经过这样，子载波无比率符号之间的相关性被打破了，而且这种相关性仅存在在于单一的子载波上。其中，所述子载波独立频率编码模块所采用的子载波独立编码方法的工作流程图如图2所示。

如图3所示，本例所述步骤S2中，所述可预测解码模块在信号块到达的数据率低于香农速率的那一轮传输中通知接收机开始解码。

图3所示的是可预测解码模块的译码工作流程图，对于步骤S2中可预测解码模块的实现原理叙述如下：可预测解码模块被认为是次优解，当使用算法中的参数是常数时，可预测解码模块有一个线性的解码复杂度，然而，本例注意到传统解码器浪费了不必要的解码时间，这大大降低了它的性能，根据香农定理，信道的可信信息率由信道带宽和信噪比决定。因此，在开始的几轮传输中，接收机不可能即时正确解码任何一个消息块，所以接收机应该忽略不必要的解码。本例在到达的数据率低于香农速率的那一轮传输中开始解码，介于此，本例提出了一种通过可预测解码模块来帮助接收机预测从哪一轮开始解码的方法，提高其性能。

本例所述步骤S3中，在每一轮子载波传输结束后，发射机都会停下来等待接收机发来的反馈信息，将已发送的信号块的相关符号序列和即将到来的信号块样本进行关联，得到当前每一个信号块的解码状态信息。

图4所示的是低代价反馈模块的工作流程图，所述步骤S3中的低代价反馈模块是本例中一个必要的模块，它给发射机提供实时和精确的解码状态信息。对于任何应用于商业半双工电磁波中的无比率编码，反馈仍然是一个很大的焦点问题，并且至今仍没有被很好的设计出来。本例中的传输增益主要来源于细粒度的反馈并且允许发射机了解当前解码状态信息。

为了获取最近的解码信息，在每一轮子载波传输结束后，发射机都会停下来等待接收机发来的反馈信息。传统的反馈方式使用802.11ACK，因为巨大控制信息的开销会造成很高的成本。为了传递更多的控制信息而不造成过多的开销，本例利用相关符号序列设计了一种相关轻量级反馈，不用解码，将相关符号序列和即将到来的样本进行关联就可以很容易的将其检测出来，因而避免了控制开销，极大减小了帧周期，而且由于信号的探测比解码更可靠，所以即使在信噪比很低的情况下，符号相关序列仍然很可靠。

本例所述步骤S4中，发射机和接收机将所有的子载波按升序从1到N编号做初始化，编号后的信息块按照从1到N的顺序分配给子载波，这个队列将会被同时写进发射机和接收机的解码表作记录，一旦在某一个子载波上接收到1，发射机就会知道在这个子载波上的信息块已经被接收机成功解码，进而将这个信息块从解码表中删除；然后，发射机清空这个子载波，并从解码表的表头取一个信息块分配给这个被清空了的子载波，最后更新解码表，其中，N为大于2的自然数。

图5所示的是自适应编码分配的工作流程图，所述步骤S4中自适应编码分配模块的工作原理如下：首先，自适应配置模块不是返回信道的状态，而是反应当前每一个消息块的解码状态信息。本例通过这样的反馈，来避免冗余的传输，而且充分利用空闲的子载波作其他传输使用。

在此，本例引入一个简单的循环分配算法，该引入循环分配算法的工作流程流程图如图5所示，事先不需要对发射机的认知。发射机和接收机将所有的子载波按升序从1到N编号做初始化，消息块按照从1到N的顺序分配给子载波，这个队列将会被同时写进发射机接收机的解码表作记录，一旦在某一个子载波上接收到1，发射机就会知道在这个子载波上的消息块已经被成功解码，因此就会将这个消息块从解码表删除；然后，发射机会清空这个子载波并从解码表的表头取一个消息块分配给这个子载波，然后更新解码表；图5中，尚未被解码的信号块形成未完成集合unfinished，Mi和Mj均为消息块，Si和Sj均为子载波，i、j、M和N均为自然数。

本例这个分配策略将会循环直到所有的空闲子载波都被占用，由于发射机和接收机是信息对称的，即关于解码状态的信息是对称和共享的，所以很方便它们在传输队列上做协调。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无线网络中细粒度的子载波编码系统，其特征在于，包括：

自适应编码分配模块，通过在频域对编码进行载波级别的自适应调节，以获得最大化的传输速率的编码；

载波独立编码模块，与自适应编码分配模块相连接，所述载波独立编码模块用于打破无比率码在子载波间的相关性，得到载波独立的无比率编码符号组；

发射机，与载波独立编码模块相连接，所述发射机将需要传输的信息编码进无比率符号组中得到传输信号，并将信号发送给接收机；

低代价反馈模块，所述低代价反馈模块用于给发射机提供实时和精确的解码状态信息；

可预测解码模块，与低代价反馈模块相连接，所述可预测解码模块可以帮助接收机实时预测解码时间；

以及，接收机，与发射机实现通信，所述接收机负责接收信号并送入解码器进行解码。

2.根据权利要求1所述的无线网络中细粒度的子载波编码系统，其特征在于，当某个载波上的传输信号被接收机成功解码后，接收机将会独立给该子载波发送反馈至发射机，所述发射机将根据接收机的反馈信息实时动态地调整解码表以实现对解码状态的调整，并进行该载波上的编码传输分配，以此达到载波级别的细粒度传输速率调节。

3.根据权利要求1或2所述的无线网络中细粒度的子载波编码系统，其特征在于，所述发射机将上层数据包分成若干数据块，并将每个数据块编码进无比率符号组中以得到编码块；在发送过程中，每个载波上的编码块用相同的速率进行高速并行传输。

4.根据权利要求3所述的无线网络中细粒度的子载波编码系统，其特征在于，当接收机接收到无比率符号组后，会对不同载波的编码块进行独立处理，并分别送入相应的解码器进行解码，如果若某个载波上的信息被成功解码，接收机将会利用低代价反馈模块，在该子载波向发射机发送解码成功的反馈信号。

5.根据权利要求4所述的无线网络中细粒度的子载波编码系统，其特征在于，发射机根据反馈信号，对尚未被解码的编码块进行重新分配，利用频域选择性衰落信道的特性，对不同传输能力的子载波分配不同的传输任务。

6.一种无线网络中细粒度的子载波编码方法，其特征在于，采用了如权利要求1至5任意一项所述的无线网络中细粒度的子载波编码系统，并包括以下步骤：

步骤S1，通过载波独立编码模块打破频域上载波之间的相关性，给每一个编码块分配一个唯一的子载波，然后在所有子载波上并行传输多个编码块，进而实现载波独立的无比率编码，然后通过发射机发射；

步骤S2，通过可预测解码模块进行线性解码复杂度的判断，从而根据当前的信道质量帮助接收机实时判定解码时间；

步骤S3，通过低代价反馈模块用最小的开销实时准确的传输解码状态信息，帮助发射机更新解码表并进行自适应的编码传输分配；

步骤S4，通过自适应编码分配模块，对不同信道质量的载波分配不同的传输任务，从而充分利用信道在频域的质量多样性特征，增大网络吞吐量。

7.根据权利要求6所述的无线网络中细粒度的子载波编码方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述编码和调制方式为无比率编和正交频分复用调制，发射机利用哈希函数和随机数发生器产生无比率编码组，并将编码后的码组利用正交频分复用方式独立调制到不同的载波上。

8.根据权利要求6所述的无线网络中细粒度的子载波编码方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述可预测解码模块在解码前对信道质量进行估计，并以此判断解码时间，即传输的数据速率低于香农速率的那一轮传输中通知接收机开始解码。

9.根据权利要求6所述的无线网络中细粒度的子载波编码方法，其特征在于，所述步骤S3中，在每一轮子载波传输结束后，发射机都会停下来等待接收机发来的反馈信息，得到当前每一个载波上的解码状态信息。

10.根据权利要求6所述的无线网络中细粒度的子载波编码方法，其特征在于，所述步骤S4中，发射机和接收机将所有的子载波按升序从1到N编号做初始化，并将编号后的信息块按照从1到N的顺序分配给子载波，这个队列将会被同时写进发射机和接收机的解码表作记录，一旦在某一个子载波上接收到1，发射机就会知道在这个子载波上的信息块已经被接收机成功解码，进而将这个信息块从解码表中删除；然后，发射机清空这个子载波，并从解码表的表头取一个信息块分配给这个被清空了的子载波，最后更新解码表，这样就可以达到自适应的编码传输分配，最大的利用选择性衰落信道的特征进行传输。