CN105162554A - 一种编码时隙aloha系统中的实时译码方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种编码时隙ALOHA系统中的实时译码方法及装置，属于多址接入技术领域。本发明装置包括存储模块、编码包y_i及向量c_i接收模块、c_i操作模块和译码结果输出模块；存储模块和编码包y_i及向量c_i接收模块均分别与c_i操作模块和译码结果输出模块相连；存储模块用于存储矩阵及其各行向量对应的编码包；编码包y_i及向量c_i接收模块用于接收依次到来的编码包及其向量，并在每接收到一个时输出给c_i操作模块，最后一个得到c_i操作模块反馈后通知译码结果输出模块输出；c_i操作模块用于对输入的c_i及y_i根据预设的规则对其以及矩阵及其各行向量对应的编码包进行操作；译码结果输出模块用于将矩阵及其各行向量对应的编码包输出。对比现有技术，本发明具有实时译码、吞吐量高、复杂度低优势。

Description

一种编码时隙ALOHA系统中的实时译码方法及装置

技术领域

本发明涉及一种译码方法及装置，特别涉及一种编码时隙ALOHA系统中的实时译码方法及装置，属于多址接入技术领域。

背景技术

作为下一代移动通信技术，5G旨在满足更高端更复杂的性能需求，其目标之一就是提供无限的信息。作为5G的重要组成部分，接入机器类通信(MTC,Machine-Type-Communication)拥有广泛的潜在应用场景。MTC具有应用范围广，业务模式多样，终端数量巨大，小数据包，上行利用度高，受时间控制等典型特征。预计2020年联网移动终端用户数将增至约500亿，而很大一部分增加是由于大量MTC设备的引入。机器类通信业务的巨量用户特性给LTE无线接入网带来了不小的挑战。大量MTC设备的同时接入会导致网络的拥塞，因此找到有效的接入过载控制算法，以减轻或消除大量MTC设备在接入过程中的拥塞问题是无线通信领域的重点关注问题。

传统的ALOHA协议的思想是只要用户有数据要发送，就让他们发送。这样会产生冲突从而造成帧的破坏。但是，由于广播信道具有反馈性，因此发送方可以在发送数据的过程中进行冲突检测，如果发送方知道数据帧遭到破坏(即检测到冲突)，那么它可以等待一段随机长的时间后重发该帧。然而传统ALOHA极容易冲突，造成了信息利用率不高的问题。

最近，针对机器类通信这种要求高吞吐量而传统协同技术不能够使用的场景，E.Paolini等人提出了一种可以实现高吞吐量的随机接入技术——编码时隙ALOHA(CSA)。

CSA系统模型如附图1所示，将一段时间T_frame分成N个时隙T_slot(N＝T_frame/T_slot)，现在有M个用户(User)，每一个用户尝试在几个时隙里(Slot)传送信息，我们定义信道的传输负载为L＝M/N。用户i会产生r_i个重复的包(i＝1,2,...,M)，然后将这r_i个重复的包随机的放到N个T_slot中的r_i个里传播。

CSA可以用二分图来表示CSA系统，如附图二所示，其中○代表每一个传送的包，我们叫它用户节点；□代表接收器接收到的包，我们叫它时隙节点。我们将接收到的包y_i的相关向量记作c_i，c_i代表第i个时间段接收到的包的叠加，其中“1”的位置代表该时间段发送包的用户，即包y_i是按照c_i中“1”的位置选择用户发送包的叠加结果。在这个二分图中，每一个边都有一定的丢失率ε，也就是说ε表示了包传送过程中丢失的概率。所以这个二分图的表示形式显示了低密度生成矩阵码解码和擦除信道的相似性。

虽然CSA中使用了串行干扰消除(SIC)译码算法并且实现了高吞吐量，但是它仍然存在着两点缺点：一是SIC译码算法只有在传输结束的时候才能开始进行操作。所以，接收器必须要为接收足够的包而等待很长时间，这期间它不会进行任何译码操作，然后接收器必须尽可能快的对所有接收的包进行译码。这会造成很大的延迟和接收器计算能力的浪费。另一个缺点是SIC译码过程只能从没有冲突的包开始进行，这也就造成了即使接收器已经接收到了k个相互独立的向量(包)时译码仍然可能会失败。

发明内容

本发明的目的是为解决上述SIC译码算法存在的问题，提供一种编码时隙ALOHA系统中的实时译码方法，该方法译码延迟低，吞吐量高，并且复杂度低。

本发明的实质是CSA系统中的一种类似于高斯消元(GE)算法的实时译码(RTD)算法，其核心是通过使用交换和异或的方式产生一个稀疏矩阵G，以降低对于每一个接收到的包的译码操作数量。本发明方法适用于机器对机器及卫星网络等要求高吞吐量的通信环境。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种编码时隙ALOHA系统中的实时译码方法，包括如下步骤：

步骤一、初始化，即建立一个M×M的矩阵G，其中每一个元素均为0；

步骤二、接收编码包y_i以及与其相对应的向量c_i，其中i＝1,2,...,n，n表示slot的个数，找到c_i当中最左边的“1”的位置，并将其记作p_i；

步骤三、如果G[p_i]是空的，即G[p_i]为全零向量，则用c_i替换G[p_i]，转到步骤五进行异或判断和操作；否则称G[p_i]是已填充的，转到步骤四；其中G[p_i]表示矩阵G的第p_i行；

步骤四、根据如下条件判断并对G[p_i]和c_i进行操作：

如果c_i的度小于G[p_i]的度(即c_i中“1”的个数比G[p_i]中“1”的个数少)，则交换G[p_i]和c_i，相对应的码包y_i与y_pi也随之交换；然后将新的c_i与G[p_i]异或，同时将y_i与y_pi异或，得到新的c'_i和y'_i；对新的G[p_i]转到步骤五判断并操作，对c'_i和y'_i将其作为c_i和y_i并得到对应的p_i后转到步骤三；

否则(即c_i的度不小于G[p_i]的度)，直接将c_i与G[p_i]异或，同时将y_i与y_pi异或，得到新的c'_i和y'_i，如果c'_i为全零向量，则丢弃c'_i，否则(即c'_i不是全零向量)，将c'_i和y'_i作为c_i和y_i并得到对应的p_i后转到步骤三；

步骤五、根据如下条件判断并对G[p_i]和c_i进行异或操作(即回代)：

(1)检查矩阵G中的第p_i行，找到其中“1”所在的列k，如果k≠p_i并且G中第k行是已填充的，则将第p_i行与第k行异或，用异或的结果替换第p_i行；这个过程不断迭代直到第p_i行中没有满足上述条件的“1”；

(2)与(1)类似，检查矩阵G中的第p_i列，找到其中“1”所在的行k，如果k≠p_i，则将第p_i行与第k行异或，用异或的结果代替原来的第k行；这个过程不断迭代直到第p_i列中没有满足上述条件的“1”；

步骤六、对下一个接收的编码包转到步骤二，直到接收完所有的编码包，此时，G中的每一个行向量对应的新的y_i即为译码结果。

一种编码时隙ALOHA系统中的实时译码装置，包括矩阵以及编码包存储模块、编码包y_i以及与其相对应的向量c_i接收模块、c_i操作模块以及译码结果输出模块；编码包存储模块分别与c_i操作模块以及译码结果输出模块相连，编码包y_i以及与其相对应的向量c_i接收模块分别与c_i操作模块以及译码结果输出模块相连；

所述矩阵以及编码包存储模块用于存储矩阵G以及矩阵G各行向量对应的编码包；

所述编码包y_i以及与其相对应的向量c_i接收模块用于接收依次到来的编码包y_i以及与其相对应的向量c_i，并在每接收到一个时将其输出给所述c_i操作模块，以及在最后一个包输出给所述c_i操作模块并反馈后通知所述译码结果输出模块可以进行输出；

所述c_i操作模块用于对输入的c_i以及y_i根据预设的规则对其以及矩阵以及所述编码包存储模块存储的矩阵G和矩阵G各行向量对应的编码包进行操作；

所述译码结果输出模块用于在接收到所述编码包y_i以及与其相对应的向量c_i接收模块发来的输出通知后，等待c_i操作模块操作结束，将所述矩阵以及编码包存储模块存储的矩阵G以及矩阵G各行向量对应的编码包输出。

作为优选，所述预设的规则为上述步骤三、步骤四和步骤五所述的规则。

有益效果

本发明提出的编码时隙ALOHA系统中的实时译码方法与现有技术相比较具有如下优点：

1)由于本发明方法可以将译码操作分布在所有的接收包的时间中进行，不需要等到所有的包全部接收后再开始译码，所以降低了译码的延迟；

2)实时译码方法相对于传统的SIC译码提高了吞吐量，其吞吐量接近于GE算法；

3)由于本发明方法使用了交换和异或的操作，不像传统的GE算法需要在三角阵构建结束之后再进行回代，这种方法可以从第一个接收到的符号开始进行操作，通过这样的方法就能够保证生成的矩阵G为稀疏矩阵，从而使得本发明方法在译码计算复杂度上明显低于GE算法。

附图说明

图1为CSA系统模型框图。

图2为CSA系统模型的二分图表示形式。

图3为本发明实施例一种编码时隙ALOHA系统中的实时译码方法流程示意图。

图4为本发明实施例一种编码时隙ALOHA系统中的实时译码装置结构组成示意图。

图5为各译码方法吞吐量对比仿真结果示意图。

图6为本发明方法与GE算法复杂度对比仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施过程对本发明作进一步详细说明。

下面以采用本发明提出的CSA系统中的实时译码方法，对一个用户数M＝5，时隙数N＝6，每一个用户的包重复数为2的CSA系统进行译码为例进行说明，c₁,c₂,c₃,...,c₆分别为[00100][11000][00011][00010][01100][10001]，如图3所示为本发明方法的流程示意图，其具体操作步骤如下：

步骤一、初始化，即建立一个5*5的矩阵G，其中每一个元素均为0；

步骤二、对于一个接收到的编码包y₁以及与其相对应的方程c₁，我们找到c₁当中最左边的“1”的位置为3，并将其记作p₁＝3，同样地，在接收到第二个包时得到p₂＝1，接收到第三个包时得到p₃＝4，依次得到p₄＝4，p₅＝2，p₆＝1；

步骤三、在步骤二操作基础上，我们用G[p₁]代表矩阵G的第p₁行，之后判断，如果G[p₁]是空的，也就是说G[p₁]为全零向量，那我们用c₁代替G[_p1]，并根据步骤五判断没有符合异或操作条件的“1”。相似地，接收到第二个包之后，将c₂插入到G的第一行，同理接收到第三个包后将c₃插入到G的第四行。此时G矩阵如下：

$\begin{array}{ccccc}1& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0\end{array}$

接收到第四个包时c₄最左边的“1”的位置为4，即p₄＝4，而G[4]是已填充的，比较c₄和G[4]，c₄中“1”的个数更少，所以将c₄与G[4]交换，而新的G[4]没有符合异或操作条件的“1”，然后将c₄与G[4]异或产生新的c₄记作c'₄为[00001]，其最左边的“1”的位置为5，即p'₄＝5，G[5]是空的，所以将c'₄插入到G[5]中，此时G矩阵如下：

$\begin{array}{ccccc}1& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1\end{array}$

接收到第五个包时，将c₅插入到G[2]的位置，并根据步骤五判断G[2]中有两个“1”，其中一个在第二列，即k＝i,所以不关心这个“1”，而另一个在第三列，即k＝3，k≠i，且G[3]非零，所以将G[2]与G[3]异或，得到[01000]代回G[2]中，然后我们再检查第二列，第二列中有一个“1”在第一行，所以将G[2]与G[1]异或，得到[10000]代回G[1]中；此时G矩阵如下：

$\begin{array}{ccccc}1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1\end{array}$

接收第六个包时，根据步骤四，对c₆进行了两次异或操作之后为零向量，所以丢弃c₆。这样我们最终得到的G为如下稀疏矩阵：

$\begin{array}{ccccc}1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1\end{array}$

经过上述步骤，产生了一个稀疏矩阵G及其各行对应的编码包y，这可以明显降低每个接收包的译码操作数量，在上述操作过程中y_i会伴随与其对应的c_i同步进行相同的操作，结束之后G中的每一个行向量对应的新的y_i即为译码结果。

如图4所示为本发明一种编码时隙ALOHA系统中的实时译码装置结构组成示意图，从图中可以看出，本发明装置包括矩阵以及编码包存储模块、编码包y_i以及与其相对应的向量c_i接收模块、c_i操作模块以及译码结果输出模块；编码包存储模块分别与c_i操作模块以及译码结果输出模块相连，编码包y_i以及与其相对应的向量c_i接收模块分别与c_i操作模块以及译码结果输出模块相连；

所述矩阵以及编码包存储模块用于存储矩阵G以及矩阵G各行向量对应的编码包；

所述编码包y_i以及与其相对应的向量c_i接收模块用于接收依次到来的编码包y_i以及与其相对应的向量c_i，并在每接收到一个时将其输出给所述c_i操作模块，以及在最后一个包输出给所述c_i操作模块并反馈后通知所述译码结果输出模块进行输出；

所述c_i操作模块用于对输入的c_i以及y_i根据预设的规则对其以及矩阵以及所述编码包存储模块存储的矩阵G和矩阵G各行向量对应的编码包进行操作；

所述译码结果输出模块用于在接收到所述编码包y_i以及与其相对应的向量c_i接收模块发来的输出通知时将所述矩阵以及编码包存储模块存储的矩阵G以及矩阵G各行向量对应的编码包输出。

作为优选，所述预设的规则为本发明方法步骤三、步骤四和步骤五所述的规则。

实验结果

如附图4所示为不同算法吞吐量的仿真结果对比示意图，其中SIC为串行干扰消除算法，GE为高斯算法，RTD为本发明实时译码方法，仿真条件为N＝100，假设每个用户的包重复数都是相同的，重复数为5，丢包率ε分别为0.05和0.15。从仿真结果可以看出，本发明的译码方法在两种丢包率情况下吞吐量性能在低于M/N＝0.88和M/N＝0.77时均接近GE算法，并且明显优于传统的SIC算法。如附图5所示为本发明方法与GE算法复杂度对比仿真结果示意图，从附图4可以看出在译码操作数量上，随着用户数目的增长，GE算法的增长速度远远高于本发明方法，因此本发明方法优于GE算法，即本发明方法的译码复杂度更低。

综上所述，本发明方法相对于传统的SIC译码方法提高了吞吐量，其吞吐量接近于GE算法；而本发明方法的译码复杂度却低于GE算法。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种编码时隙ALOHA系统中的实时译码方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、初始化，即建立一个M×M的矩阵G，其中每一个元素均为0；

步骤二、接收编码包y_i以及与其相对应的向量c_i，其中i＝1,2,...,n，n表示slot的个数，找到c_i当中最左边的“1”的位置，并将其记作p_i；

步骤三、如果G[p_i]是空的，即G[p_i]为全零向量，则用c_i替换G[p_i]，转到步骤五进行异或判断和操作；否则称G[p_i]是已填充的，转到步骤四；其中G[p_i]表示矩阵G的第p_i行；

步骤四、根据如下条件判断并对G[p_i]和c_i进行操作：

如果c_i的度小于G[p_i]的度，则交换G[p_i]和c_i，相对应的码包y_i与也随之交换；然后将新的c_i与G[p_i]异或，同时将y_i与异或，得到新的c′_i和y′_i；对新的G[p_i]转到步骤五判断并操作，对c′_i和y′_i将其作为c_i和y_i并得到对应的p_i后转到步骤三；

否则，直接将c_i与G[p_i]异或，同时将y_i与异或，得到新的c′_i和y′_i，如果c′_i为全零向量，则丢弃c′_i，否则，将c′_i和y′_i作为c_i和y_i并得到对应的p_i后转到步骤三；

步骤五、根据如下条件判断并对G[p_i]和c_i进行异或操作：

(1)检查矩阵G中的第p_i行，找到其中“1”所在的列k，如果k≠p_i并且G中第k行是已填充的，则将第p_i行与第k行异或，用异或的结果替换第p_i行；这个过程不断迭代直到第p_i行中没有满足上述条件的“1”；

(2)与(1)类似，检查矩阵G中的第p_i列，找到其中“1”所在的行k，如果k≠p_i，则将第p_i行与第k行异或，用异或的结果代替原来的第k行；这个过程不断迭代直到第p_i列中没有满足上述条件的“1”；

步骤六、对下一个接收的编码包转到步骤二，直到接收完所有的编码包，此时，G中的每一个行向量对应的新的y_i即为译码结果。

2.一种编码时隙ALOHA系统中的实时译码装置，其特征在于：包括矩阵以及编码包存储模块、编码包y_i以及与其相对应的向量c_i接收模块、c_i操作模块以及译码结果输出模块；编码包存储模块分别与c_i操作模块以及译码结果输出模块相连，编码包y_i以及与其相对应的向量c_i接收模块分别与c_i操作模块以及译码结果输出模块相连；

所述矩阵以及编码包存储模块用于存储矩阵G以及矩阵G各行向量对应的编码包；

所述编码包y_i以及与其相对应的向量c_i接收模块用于接收依次到来的编码包y_i以及与其相对应的向量c_i，并在每接收到一个时将其输出给所述c_i操作模块，以及在最后一个包输出给所述c_i操作模块并反馈后通知所述译码结果输出模块可以进行输出；

所述c_i操作模块用于对输入的c_i以及y_i根据预设的规则对其以及矩阵以及所述编码包存储模块存储的矩阵G和矩阵G各行向量对应的编码包进行操作；

所述译码结果输出模块用于在接收到所述编码包y_i以及与其相对应的向量c_i接收模块发来的输出通知后，等待c_i操作模块操作结束，将所述矩阵以及编码包存储模块存储的矩阵G以及矩阵G各行向量对应的编码包输出。

3.根据权利要求2所述的一种编码时隙ALOHA系统中的实时译码装置，其特征在于：所述预设的规则为权利要求1步骤三、步骤四和步骤五所述规则。