CN110380820A - 一种码域兼容码的获取方法、自适应传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种码域兼容码的获取方法、自适应传输方法及系统，基于模运算实现校验矩阵之间的嵌套结构，使得校验矩阵之间具有良好的兼容性，然后通过校验矩阵表征码域，从而构造出高性能、高兼容性，且码率码长相同、码域不同的码域兼容码；当无线信道传输条件满足设定要求，即传输条件较好的时候，使用码域兼容码中的小码域码进行传输，传输条件不满足设定要求，即传输条件较差的时候，使用码域兼容码中的大码域的码进行传输，该方式在保障传输可靠度的同时能够维持恒定的瞬时传输效率，进而解决了现有码率自适应所面临的传输质量不稳定问题，可以用于无线通信系统中的卫星通信系统，地面移动通信系统(5G)，空天地一体化信息系统，B5G/6G系统等。

Description

一种码域兼容码的获取方法、自适应传输方法及系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种码域兼容码的获取方法、自适应传输方法及系统。

背景技术

自适应传输是无线通信系统中的物理层关键技术之一，当前的自适应传输主要方式为码率自适应，即当信道条件好的时候，使用高码率码进行传输；信道条件差的时候，使用低码率码进行传输，该方式虽然能够提升平均传输效率，但码率的变化将导致瞬时传输效率的抖动，进而引起传输质量的不稳定，例如视频播放过程中，清晰度会随着无线信道质量变化而发生改变。

由于自适应编码技术需要一组具有差异化差错控制能力的信道编码来适应无线信道的动态变化特征，而码率自适应是通过码率变化实现差异化差错控制的，因此码率变化将会导致传输效率抖动；由此可见，现有的码率自适应技术中存在着瞬时传输效率抖动、传输质量不稳定的缺陷。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种码域兼容码的获取方法、自适应传输方法及系统，在保障传输可靠度的同时能够维持恒定的瞬时传输效率，进而解决了现有码率自适应所面临的传输质量不稳定问题。

一种码域兼容码的获取方法，设码域兼容码中包含p个码域，各码域分别记为GF(2^t)，其中，t为码域的幂次，t∈{1,2,...,p}，且各码域的码率R和码长N均相同，同时，各码域采用各自对应的校验矩阵H_t表征；

其中，校验矩阵H_t的获取方法包括以下步骤：

S1：获取各码域GF(2^t)的基矩阵B_t，其中，基矩阵B₁满足如下条件：

基矩阵B₁中各元素的取值范围为{-1,0,1,2,...,Z₁-1}，其中，Z₁为基矩阵B₁的扩展因子，且各个码域GF(2^t)对应的扩展因子Z_t满足：扩展因子Z_t乘以基矩阵B_t的大小等于校验矩阵H_t的大小，而校验矩阵H_t的大小与其对应的码域的幂次的乘积为恒定值，其中，所述恒定值的设定公式为：(N-NR)×N；

基矩阵B₁中任意两行和两列相交的四个元素满足其中，为基矩阵B₁第i₁行第j₁列的元素，为基矩阵B₁第i₂行第j₂列的元素，为基矩阵B₁第i₂行第j₁列的元素，为基矩阵B₁第i₁行第j₂列的元素，mod为求余函数；

剩余码域对应的基矩阵的获取方法包括以下步骤：

对于基矩阵B_t，将基矩阵B₁中的非负元素模Z_t，得到中间矩阵

判断中间矩阵中任意两行和两列相交的四个元素是否满足如果不满足，则将四个元素中的任意一个置为-1，得到基矩阵B_t；否则四个元素保持不变，得到基矩阵B_t；

S2：根据各码域GF(2^t)的基矩阵B_t，获取各码域GF(2^t)的校验矩阵H_t，具体包括以下步骤：

S21：将基矩阵B_t扩展为大小与校验矩阵H_t相同的二元矩阵

S22：将二元矩阵中的0元素和1元素随机替换为码域GF(2^t)中的零元素和非零元素，得到校验矩阵H_t。

进一步地，所述将基矩阵B_t扩展为大小与校验矩阵H_t相同的二元矩阵具体为：

将基矩阵B_t中的零元素分别替换为一个Z_t×Z_t的全零矩阵，将基矩阵B_t中的非零元素分别替换为一个Z_t×Z_t的循环置换矩阵，其中，所述循环置换矩阵的移位系数等于其替换的非零元素的幂指数。

一种基于码域兼容码的自适应传输方法，当无线信道的传输条件满足设定要求时，选取码域兼容码中幂次低于设定值的码域进行自适应传输，当无线信道的传输条件不满足设定要求时，选取码域兼容码中幂次不低于设定值的码域进行自适应传输；

其中，设所述码域兼容码中包含p个码域，各码域分别记为GF(2^t)，其中，t为码域的幂次，t∈{1,2,...,p}，且各码域的码率R和码长N均相同，同时，各码域采用各自对应的校验矩阵H_t表征；

其中，校验矩阵H_t的获取方法包括以下步骤：

S1：获取各码域GF(2^t)的基矩阵B_t，其中，基矩阵B₁满足如下条件：

基矩阵B₁中各元素的取值范围为{-1,0,1,2,...,Z₁-1}，其中，Z₁为基矩阵B₁的扩展因子，且各个码域GF(2^t)对应的扩展因子Z_t满足：扩展因子Z_t乘以基矩阵B_t的大小等于校验矩阵H_t的大小，而校验矩阵H_t的大小与其对应的码域的幂次的乘积为恒定值，其中，所述恒定值的设定公式为：(N-NR)×N；

基矩阵B₁中任意两行和两列相交的四个元素满足其中，为基矩阵B₁第i₁行第j₁列的元素，为基矩阵B₁第i₂行第j₂列的元素，为基矩阵B₁第i₂行第j₁列的元素，为基矩阵B₁第i₁行第j₂列的元素，mod为求余函数；

剩余码域对应的基矩阵的获取方法包括以下步骤：

对于基矩阵B_t，将基矩阵B₁中的非负元素模Z_t，得到中间矩阵

判断中间矩阵中任意两行和两列相交的四个元素是否满足如果不满足，则将四个元素中的任意一个置为-1，得到基矩阵B_t；否则四个元素保持不变，得到基矩阵B_t；

S2：根据各码域GF(2^t)的基矩阵B_t，获取各码域GF(2^t)的校验矩阵H_t，具体包括以下步骤：

S21：将基矩阵B_t扩展为大小与校验矩阵H_t相同的二元矩阵

S22：将二元矩阵中的0元素和1元素随机替换为码域GF(2^t)中的零元素和非零元素，得到校验矩阵H_t。

进一步地，所述设定要求包括无线信道中无多普勒频移、无多径或无线信道连接的发送端和接收端之间的距离小于设定值。

一种基于码域兼容码的自适应传输系统，包括发送端、无线信道以及接收端，其中，发送端包括编码器与调制器，接收端包括解调器、译码器以及信道估计模块；

所述信道估计模块用于采集无线信道的状态信息；

所述编码器用于根据无线信道的状态信息判断无线信道的传输条件的好坏，然后根据传输条件的好坏选取码域兼容码中码域，最后基于所选取的码域，将待传输的信息比特编码为码字，其中，传输条件越好，选取的码域的幂次越低；

所述调制器用于将所述码字的频率调制到无线信道的传输频率；

所述无线信道用于传输调制后的码字；

所述解调器用于接收无线信道传输的码字并对其进行解调，得到原始的码字；

所述译码器用于基于所选取的码域，对解调器输出的码字进行解码，得到信息比特，其中，译码器所选取的码域与编码器所选取的码域相同。

有益效果：

1、本发明提供一种码域兼容码的获取方法，基于模运算实现校验矩阵之间的嵌套结构，使得校验矩阵之间具有良好的兼容性，然后通过校验矩阵表征码域，从而构造出高性能、高兼容性，且码率码长相同、码域不同的码域兼容码；采用本发明提供的码域兼容码进行自适应传输，能够保障码域自适应传输技术的高效实现，克服现有码率自适应传输技术传输质量不稳定的缺陷。

2、本发明提供一种基于码域兼容码的自适应传输方法，当无线信道传输条件满足设定要求，即传输条件较好的时候，使用码域兼容码中的小码域码进行传输，传输条件不满足设定要求，即传输条件较差的时候，使用码域兼容码中的大码域的码进行传输，该方式在保障传输可靠度的同时能够维持恒定的瞬时传输效率，进而解决了现有码率自适应所面临的传输质量不稳定问题，可以用于无线通信系统中的卫星通信系统，地面移动通信系统(5G)，空天地一体化信息系统，B5G/6G系统等。

3、本发明提供一种基于码域兼容码的自适应传输系统，当无线信道传输条件好的时候，使用码域兼容码中的小码域码进行传输，传输条件差的时候，使用码域兼容码中的大码域的码进行传输，该方式在保障传输可靠度的同时能够维持恒定的瞬时传输效率，进而解决了现有码率自适应所面临的传输质量不稳定问题，可以用于无线通信系统中的卫星通信系统，地面移动通信系统(5G)，空天地一体化信息系统，B5G/6G系统等。

附图说明

图1为本发明提供的一种码域兼容码的获取方法的流程图；

图2为本发明提供的一种基于码域兼容码的自适应传输系统的原理框图；

图3为本发明提供的根据基矩阵得到校验矩阵的流程图；

图4为本发明提供的校验矩阵H₁,H₂,H₃,H₄表征的码域的仿真性能示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例一

参见图1，该图为本实施例提供的一种码域兼容码的获取方法的流程图。一种码域兼容码的获取方法，设码域兼容码中包含p个码域，各码域分别记为GF(2^t)，其中，t为码域的幂次，t∈{1,2,...,p}，且各码域的码率R和码长N均相同，同时，各码域采用各自对应的校验矩阵H_t表征；

其中，校验矩阵H_t的获取方法包括以下步骤：

S1：获取各码域GF(2^t)的基矩阵B_t，其中，码域GF(2¹)的基矩阵B₁满足如下条件：

基矩阵B₁中各元素的取值范围为{-1,0,1,2,...,Z₁-1}，其中，Z₁为基矩阵B₁的扩展因子，且各个码域GF(2^t)对应的扩展因子Z_t满足：扩展因子Z_t乘以基矩阵B_t的大小等于校验矩阵H_t的大小，而校验矩阵H_t的大小与其对应的码域的幂次的乘积为恒定值，其中，所述恒定值的设定公式为：(N-NR)×N；

基矩阵B₁中任意两行和两列相交的四个元素满足其中，为基矩阵B₁第i₁行第j₁列的元素，为基矩阵B₁第i₂行第j₂列的元素，为基矩阵B₁第i₂行第j₁列的元素，为基矩阵B₁第i₁行第j₂列的元素，mod为求余函数；

剩余p-1个码域对应的基矩阵的获取方法包括以下步骤：

对于基矩阵B_t，将基矩阵B₁中的非负元素模Z_t，得到中间矩阵其中，Z_t为基矩阵B_t的扩展因子，此时t＝2,3,..,p；

判断中间矩阵中任意两行和两列相交的四个元素是否满足如果不满足，则将四个元素中的任意一个置为-1，得到基矩阵B_t；否则四个元素保持不变，得到基矩阵B_t；其中，为基矩阵B_t第i₁行第j₁列的元素，为基矩阵B_t第i₂行第j₂列的元素，为基矩阵B_t第i₂行第j₁列的元素，为基矩阵B_t第i₁行第j₂列的元素；

S2：根据各码域GF(2^t)的基矩阵B_t，获取各码域GF(2^t)的校验矩阵H_t，具体包括以下步骤：

S21：将基矩阵B_t扩展为大小与校验矩阵H_t相同的二元矩阵具体为：

将基矩阵B_t中的零元素分别替换为一个Z_t×Z_t的全零矩阵，将基矩阵B_t中的非零元素分别替换为一个Z_t×Z_t的循环置换矩阵，其中，所述循环置换矩阵的移位系数等于其替换的非零元素的幂指数；

其中，假设基矩阵B_t的大小为m_t×n_t，扩展完成后，二元矩阵的大小为M_t×N_t，且m_t×Z_t＝M_t，n_t×Z_t＝N_t；其中，二元矩阵的元素只有0和1，循环置换矩阵为一个方形二进制矩阵，在每行和每列中只有一个元素1，而在其他地方的元素则为0；

S22：将二元矩阵中的0元素和1元素随机替换为码域GF(2^t)中的零元素和非零元素，得到校验矩阵H_t。

其中，校验矩阵的大小为M_t×N_t，同时， 对于码域GF(2^t)，其对应的元素集合通常表示为{α^-1,α⁰,α¹,...,α^t-2}，其中，α^-1为零元素，α⁰,α¹,...,α^t-2为非零元素。

实施例二

基于以上实施例，本实施例提供一种基于码域兼容码的自适应传输方法，当无线信道的传输条件满足设定要求时，选取码域兼容码中幂次低于设定值，如幂次低于3的码域进行自适应传输，当无线信道的传输条件不满足设定要求时，选取码域兼容码中幂次不低于设定值的码域进行自适应传输；其中，所述设定要求包括无线信道中无多普勒频移、无多径或无线信道连接的发送端和接收端之间的距离小于设定值。

需要说明的是，本实施例用到的码域兼容码的获取方法与实施例一相同，则本实施例对此不作赘述。

实施例三

参见图2，该图为本实施例提供的一种基于码域兼容码的自适应传输系统的原理框图。一种码域兼容码的自适应传输系统，包括发送端、无线信道以及接收端，其中，发送端包括编码器与调制器，接收端包括解调器、译码器以及信道估计模块；

所述信道估计模块用于采集无线信道的状态信息；

所述编码器用于根据无线信道的状态信息判断无线信道的传输条件的好坏，然后根据传输条件的好坏选取码域兼容码中码域，最后基于所选取的码域，将待传输的信息比特，如01000101010编码为码字，其中，传输条件越好，选取的码域的幂次越低；其中，码域的幂次越低，码域越小；

所述调制器用于将所述码字的频率调制到无线信道的传输频率；

所述无线信道用于传输调制后的码字；

所述解调器用于接收无线信道传输的码字并对其进行解调，得到原始的码字；

所述译码器用于基于所选取的码域，对解调器输出的码字进行解码，得到信息比特，其中，译码器所选取的码域与编码器所选取的码域相同。

下面以码率R＝1/2，码长N＝256比特为例，对校验矩阵H_t的获取方法进行进一步说明。假设码率R＝1/2，码长N＝256比特的码域兼容码，总共包含4个码域GF(2),GF(4),GF(16),GF(256)，各个码域下校验矩阵的大小M_t×N_t、基矩阵的大小m_t×n_t，扩展因子Z_t的具体取值表1所示，其中，t＝1,2,3,4：

表1

码域	校验矩阵的大小	基矩阵的大小	扩展因子
				GF(2)	128×256	4×8	32
GF(4)	64×128	4×8	16
				GF(16)	32×64	4×8	8
GF(256)	16×32	4×8	4

各个码域上的基矩阵为：

B₁＝[2 31 4 14 -1 10 -1 5

15 21 7 28 28 -1 30 -1

25 -1 21 -1 31 29 5 7

-1 20 -1 22 20 22 3 8]

B₂＝[2 15 4 -1 -1 10 -1 5

15 5 -1 12 12 -1 14 -1

9 -1 5 -1 15 13 -1 7

-1 4 -1 6 4 6 3 -1]

B₃＝[2 7 4 -1 -1 2 -1 5

7 5 -1 4 4 -1 6 -1

1 -1 5 -1 7 -1 -1 7

-1 4 -1 6 -1 6 3 -1]

B₄＝[2 -1 0 -1 -1 2 -1 1

-1 1 -1 0 0 -1 2 -1

1 -1 1 -1 3 -1 -1 3

-1 0 -1 2 -1 2 3 -1]

参见图3，该图为本实施例提供的根据基矩阵得到校验矩阵的流程图。按照图3的流程，由基矩阵B₁,B₂,B₃,B₄得到各个码域对应的校验矩阵H₁,H₂,H₃,H₄。

由于基矩阵和校验矩阵是一一对应的，而码域又采用各自对应的校验矩阵H_t表征，则校验矩阵H₁,H₂,H₃,H₄表征的码域的仿真性能如图4所示，其中仿真条件为：高斯白噪声信道，BPSK调制，FFT-QSPA译码，最大迭代次数为50。由图4可知，本实施例所构造的码域兼容码在各个码域下都有较好的性能，并且在误分组率(Block error rate,BLER)为10^-4时都未观察到明显的错误平层。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种码域兼容码的获取方法，其特征在于，设码域兼容码中包含p个码域，各码域分别记为GF(2^t)，其中，t为码域的幂次，t∈{1,2,...,p}，且各码域的码率R和码长N均相同，同时，各码域采用各自对应的校验矩阵H_t表征；

其中，校验矩阵H_t的获取方法包括以下步骤：

S1：获取各码域GF(2^t)的基矩阵B_t，其中，基矩阵B₁满足如下条件：

基矩阵B₁中各元素的取值范围为{-1,0,1,2,...,Z₁-1}，其中，Z₁为基矩阵B₁的扩展因子，且各个码域GF(2^t)对应的扩展因子Z_t满足：扩展因子Z_t乘以基矩阵B_t的大小等于校验矩阵H_t的大小，而校验矩阵H_t的大小与其对应的码域的幂次的乘积为恒定值，其中，所述恒定值的设定公式为：(N-NR)×N；

基矩阵B₁中任意两行和两列相交的四个元素满足其中，为基矩阵B₁第i₁行第j₁列的元素，为基矩阵B₁第i₂行第j₂列的元素，为基矩阵B₁第i₂行第j₁列的元素，为基矩阵B₁第i₁行第j₂列的元素，mod为求余函数；

剩余码域对应的基矩阵的获取方法包括以下步骤：

对于基矩阵B_t，将基矩阵B₁中的非负元素模Z_t，得到中间矩阵

判断中间矩阵中任意两行和两列相交的四个元素是否满足如果不满足，则将四个元素中的任意一个置为-1，得到基矩阵B_t；否则四个元素保持不变，得到基矩阵B_t；

S2：根据各码域GF(2^t)的基矩阵B_t，获取各码域GF(2^t)的校验矩阵H_t，具体包括以下步骤：

S21：将基矩阵B_t扩展为大小与校验矩阵H_t相同的二元矩阵

S22：将二元矩阵中的0元素和1元素随机替换为码域GF(2^t)中的零元素和非零元素，得到校验矩阵H_t。

2.如权利要求1所述的一种码域兼容码的获取方法，其特征在于，所述将基矩阵B_t扩展为大小与校验矩阵H_t相同的二元矩阵具体为：

将基矩阵B_t中的零元素分别替换为一个Z_t×Z_t的全零矩阵，将基矩阵B_t中的非零元素分别替换为一个Z_t×Z_t的循环置换矩阵，其中，所述循环置换矩阵的移位系数等于其替换的非零元素的幂指数。

3.一种基于码域兼容码的自适应传输方法，其特征在于，当无线信道的传输条件满足设定要求时，选取码域兼容码中幂次低于设定值的码域进行自适应传输，当无线信道的传输条件不满足设定要求时，选取码域兼容码中幂次不低于设定值的码域进行自适应传输；

其中，设所述码域兼容码中包含p个码域，各码域分别记为GF(2^t)，其中，t为码域的幂次，t∈{1,2,...,p}，且各码域的码率R和码长N均相同，同时，各码域采用各自对应的校验矩阵H_t表征；

其中，校验矩阵H_t的获取方法包括以下步骤：

S1：获取各码域GF(2^t)的基矩阵B_t，其中，基矩阵B₁满足如下条件：

基矩阵B₁中各元素的取值范围为{-1,0,1,2,...,Z₁-1}，其中，Z₁为基矩阵B₁的扩展因子，且各个码域GF(2^t)对应的扩展因子Z_t满足：扩展因子Z_t乘以基矩阵B_t的大小等于校验矩阵H_t的大小，而校验矩阵H_t的大小与其对应的码域的幂次的乘积为恒定值，其中，所述恒定值的设定公式为：(N-NR)×N；

基矩阵B₁中任意两行和两列相交的四个元素满足其中，为基矩阵B₁第i₁行第j₁列的元素，为基矩阵B₁第i₂行第j₂列的元素，为基矩阵B₁第i₂行第j₁列的元素，为基矩阵B₁第i₁行第j₂列的元素，mod为求余函数；

剩余码域对应的基矩阵的获取方法包括以下步骤：

对于基矩阵B_t，将基矩阵B₁中的非负元素模Z_t，得到中间矩阵

判断中间矩阵中任意两行和两列相交的四个元素是否满足如果不满足，则将四个元素中的任意一个置为-1，得到基矩阵B_t；否则四个元素保持不变，得到基矩阵B_t；

S2：根据各码域GF(2^t)的基矩阵B_t，获取各码域GF(2^t)的校验矩阵H_t，具体包括以下步骤：

S21：将基矩阵B_t扩展为大小与校验矩阵H_t相同的二元矩阵

S22：将二元矩阵中的0元素和1元素随机替换为码域GF(2^t)中的零元素和非零元素，得到校验矩阵H_t。

4.如权利要求3所述的一种基于码域兼容码的自适应传输方法，其特征在于，所述设定要求包括无线信道中无多普勒频移、无多径或无线信道连接的发送端和接收端之间的距离小于设定值。

5.如权利要求3所述的一种基于码域兼容码的自适应传输方法，其特征在于，所述将基矩阵B_t扩展为大小与校验矩阵H_t相同的二元矩阵具体为：

将基矩阵B_t中的零元素分别替换为一个Z_t×Z_t的全零矩阵，将基矩阵B_t中的非零元素分别替换为一个Z_t×Z_t的循环置换矩阵，其中，所述循环置换矩阵的移位系数等于其替换的非零元素的幂指数。

6.一种基于权利要求1的码域兼容码的自适应传输系统，其特征在于，包括发送端、无线信道以及接收端，其中，发送端包括编码器与调制器，接收端包括解调器、译码器以及信道估计模块；

所述信道估计模块用于采集无线信道的状态信息；

所述编码器用于根据无线信道的状态信息判断无线信道的传输条件的好坏，然后根据传输条件的好坏选取码域兼容码中码域，最后基于所选取的码域，将待传输的信息比特编码为码字，其中，传输条件越好，选取的码域的幂次越低；

所述调制器用于将所述码字的频率调制到无线信道的传输频率；

所述无线信道用于传输调制后的码字；

所述解调器用于接收无线信道传输的码字并对其进行解调，得到原始的码字；

所述译码器用于基于所选取的码域，对解调器输出的码字进行解码，得到信息比特，其中，译码器所选取的码域与编码器所选取的码域相同。