CN109347603A - 4g和5g无线通信系统中数字喷泉码的参数的优选方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了4G和5G无线通信系统中数字喷泉码的参数的优选方法，包括如下步骤：步骤1，计算平均度函数：根据鲁棒孤波分布定义，计算鲁棒孤波分布的平均度函数，并近似处理；步骤2，分析平均度函数的单调性，得到平均度函数的最大值点；步骤3，计算数字喷泉码的度分布优化参数。

Description

4G和5G无线通信系统中数字喷泉码的参数的优选方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及4G和5G无线通信系统中数字喷泉码的参数的优选方法。

背景技术

在信息网络中，信息通常以分组(包、帧)为单位进行传输，主要的可靠传输方法一般分为两类：自动反馈重传(Automatic Repeat reQuest,ARQ)和数字喷泉(DigitalFountain,DF)。

端到端确认机制主要通过自动重传请求(Automatic Repeat ReQuest，ARQ)的方式实现，即接收端检测数据包是否成功接收，然后返回成功接收确认(Acknowledgement,ACK)或者接受失败确认(NACK)，然后发送端根据返回的确认字符对没有被成功接收的数据包进行重新发送直到所有数据包成功接收为止。根据差错处理方式的不同，ARQ又分为停等式(stop-and-wait)ARQ、回退n帧(go-back-n)ARQ，以及选择重传(selective repeat)ARQ。在空间网络中，由于传输时延长，丢包率高，通常采用选择重传ARQ(SR-ARQ)，即当发送方接收到接收方的状态报告指示报文出错，发送方只发送传送发生错误的报文。

数字喷泉(DF)的主要思想是：数据发送端对原始数据包进行编码，源源不断地产生编码数据包，并进行传输，当接收端接收到一定数量的编码数据包后即可成功恢复原始数据包。

ARQ核心思想是接收端检测数据包是否成功接收，然后返回成功接收确认(Acknowledgement,ACK)或者接收失败确认(Negative ACK,NACK)，根据返回的确认字符，发送端对没有被成功接收的数据包进行重新发送直到所有数据包被成功接收为止。然而，ARQ存在着难以克服的问题与不足：1)在通信距离远的应用中(例如卫星通信)，ACK/NACK的反馈时延很长(例如对地静止轨道卫星与地面间的通信，单程就需要270ms)，传输效率比较低；2)无线通信相比较光纤等有线通信，通信质量较差，丢包率较高，在数据广播等用户数量大的应用中，由于反馈的ACK/NACK信息过多，容易引起ACK/NACK风暴，带来网络拥塞，进一步影响传输效率；3)同样对于数据广播应用，信道的异构性，导致不同接收端需要重传的数据包也不同，发送中心重发的数据包只对某几个接收端有用，为保证全部的接收端能够正确接收所有数据包，发送中心重发的数据包数量大幅度上升，造成资源的浪费。

与ARQ不同，数字喷泉(DF)的主要思想是：数据发送端对原始数据包进行编码，源源不断地产生编码数据包，并进行传输，当接收端接收到一定数量的编码数据包后即可成功恢复原始数据包。在此期间，错误接收的编码数据包被直接丢弃，从而避免了请求重传的过程，只需要在成功恢复原始数据后进行一次反馈信息即可实现原始数据的成功传输，因而解决了ARQ带来的性能下降、大的传输时延以及资源浪费等问题。

综上所述，数字喷泉能够适应无线通信网络大尺度变化，链路丢包率大、易中断等特点。在实际应用中，Luby发明了一种较为实用的数字喷泉编码方式——LT码，并给出了能够适应实际应用环境的度分布——鲁棒孤波分布(Robust Soliton Distribution，RSD)。然而，RSD性能很大程度上与其所选择的参数紧密相关，且参数不同，码字性能往往变化差异比较大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了4G和5G无线通信系统中数字喷泉码的参数的优选方法，包括如下步骤：

步骤1，计算平均度函数：根据鲁棒孤波分布定义，计算鲁棒孤波分布的平均度函数，并近似处理；

步骤2，分析平均度函数的单调性，得到平均度函数的最大值点；

步骤3，计算数字喷泉码的度分布优化参数。

步骤1中所述鲁棒孤波分布的定义为：

对于常数c＞0，δ∈(0,1]，令首先定义ρ(d)、τ(d)如下：

其中，R为鲁棒孤波分布参数，k为原始数据包数目，δ为译码失败概率，d代表度，ρ(d)、τ(d)为d的函数。

则鲁棒孤波分布Ω_RSD(d)定义为：其中，为归一化系数。

步骤1中，通过如下公式计算鲁棒孤波分布的平均度函数ψ：

步骤1中，对鲁棒孤波分布的平均度函数ψ作如下近似处理：

其中ε为欧拉常数，约为0.5772。

步骤2包括：

令k+kε＝M，则：

令函数f(R)＝kln(kR/δ)-Rln(k/δ)，则：

对f(R)求一阶偏导得到函数f'(R)：

令f'(R)＝0，得：

当时，f'(R)＞0，f(R)为递增函数；当时，f'(R)＜0，f(R)为递减函数，即f(R)在处取得最大值。

步骤3包括：

对于平均度当时，f(R)为递减函数，Rln(k/δ)为递增函数，即：

对于均存在

对于降低RSD码字的译码冗余，需要保证

对于减小RSD的译码复杂度，需要保证且使其尽可能的大；

则数字喷泉码的度分布优化参数R_Inf为

有益效果：本发明方法避免了鲁棒孤波分布性能随参数的大尺度变化，降低了码字在置信传播算法下的译码开销。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是c＝0.05,δ＝0.05时鲁棒孤波分布图。

图2是c＝0.5,δ＝0.05时鲁棒孤波分布图。

图3是LT码的成功译码所需的译码冗余示意图。

图4是LT码的成功译码所需的归一化计算复杂度。

图5给出了译码冗余与不同RSD参数的关系仿真结果。

图6给出了译码复杂度与不同RSD参数的关系仿真结果。

图7是本发明流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本发明的目的在于提供4G和5G无线通信系统中数字喷泉码的参数的优选方法。该方法避免了鲁棒孤波分布性能随参数的大尺度变化，降低了码字在置信传播算法下的译码开销。

如图7所示，本发明包括如下步骤：

10)计算平均度函数：根据鲁棒孤波分布定义，计算鲁棒孤波分布的平均度函数，并近似处理；

20)分析平均度分布函数的单调性：对平均度函数进行化简、求导，最后得到平均度函数的最大值点；

30)数字喷泉码的度分布优化参数的计算：仿真分析数字喷泉码性能与平均度函数间的关系，给出鲁棒孤波分布参数的优化选取值。

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

所述步骤10)中，鲁棒孤波分布的定义为：

鲁棒孤波分布(Robust soliton distribution,RSD)：对于常数c＞0，δ∈(0,1]，令首先定义ρ(d)、τ(d)如下：

则鲁棒孤波分布RSD定义为：

其中，为归一化系数。

图1、图2分别给出了c＝0.05,δ＝0.05，以及c＝0.5,δ＝0.05两种参数下不同的鲁棒孤波分布图。

图3、图4则分别给出了不同RSD参数下LT码的BP译码性能。结果表明：译码冗余方面，RSD1(c＝0.05,δ＝0.05)性能明显优于RSD2(c＝0.5,δ＝0.05)；而译码复杂度方面，结果恰恰相反，RSD2性能明显优于RSD1。

根据RSD定义，可以得到平均度函数ψ的计算表达式为：

考虑到k/R-1与k/R间只相差1，对上式做近似处理，得：

步骤2中所述单调性计算方法为：

令k+kε＝M，则

令f(R)＝kln(kR/δ)-Rln(k/δ)，则

对f(R)求一阶偏导得：

令f'(R)＝0，得

当时，f'(R)＞0，f(R)为递增函数；当时，f'(R)＜0，f(R)为递减函数，即f(R)在处取得最大值。

对于平均度当时，f(R)为递减函数，Rln(k/δ)为递增函数，也就是说：

对于均存在

对于降低RSD码字的译码冗余，需要保证

对于减小RSD的译码复杂度，需要保证且使其尽可能的大。

方便起见，记优化后的参数为

图5给出了译码冗余与不同RSD参数的关系仿真结果。结果表明，译码冗余随着参数R的增大整体处于上升趋势，且在参数R增大到一定数量(R＝R_Inf+3k/20)后，译码冗余出现比较大的增量，性能急剧下降。当RSD参数R选用R_Inf时，对于不同原始数据数，其译码性能均为0.6左右，相比较整个仿真结果，译码冗余处于中部靠下的位置，性能较为稳定且没有出现大幅度的变化。

图6给出了译码复杂度与不同RSD参数的关系仿真结果。结果表明，译码复杂度随着参数R的增大整体处于下降的趋势，且在参数R增大到一定数量(R＝R_Inf+3k/20)后，译码复杂度不再明显下降。当RSD参数R选用R_Inf时，对于不同原始数据包数目，相比较整个仿真结果，译码复杂度处于中间的位置，性能较为稳定且没有出现大幅度的变化。

本发明提供了4G和5G无线通信系统中数字喷泉码的参数的优选方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.4G和5G无线通信系统中数字喷泉码的参数的优选方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，计算平均度函数：根据鲁棒孤波分布定义，计算鲁棒孤波分布的平均度函数，并近似处理；

步骤2，分析平均度函数的单调性，得到平均度函数的最大值点；

步骤3，计算数字喷泉码的度分布优化参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中所述鲁棒孤波分布RSD的定义为：

对于常数c＞0，δ∈(0,1]，令首先定义ρ(d)、τ(d)如下：

其中，R为鲁棒孤波分布参数，k为原始数据包数目，δ为译码失败概率，d代表度，ρ(d)、τ(d)为d的函数；

则鲁棒孤波分布Ω_RSD(d)定义为：

其中，为归一化系数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1中，通过如下公式计算鲁棒孤波分布的平均度函数ψ：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1中，对鲁棒孤波分布的平均度函数ψ作如下近似处理：

其中ε为欧拉常数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤2包括：

令k+kε＝M，则：

令函数f(R)＝kln(kR/δ)-Rln(k/δ)，则：

对f(R)求一阶偏导得到函数f'(R)：

令f'(R)＝0，得：

当时，f'(R)＞0，f(R)为递增函数；当时，f'(R)＜0，f(R)为递减函数，即f(R)在处取得最大值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤3包括：

对于平均度当时，f(R)为递减函数，Rln(k/δ)为递增函数，即：

对于均存在

对于降低RSD码字的译码冗余，需要保证

对于减小RSD的译码复杂度，需要保证且使其尽可能的大；

则数字喷泉码的度分布优化参数R_Inf为