CN110830163A - 一种基于互信息的rcm速率自适应控制方法 - Google Patents

一种基于互信息的rcm速率自适应控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于互信息的RCM速率自适应控制方法，接收端基于互信息衡量数据分组的解码不确定度，通过建立数据分组解码成功概率与互信息之间的函数关系，从而根据发送端发送的RCM符号块的信噪比和RCM解码之后的变量节点的置信信息自适应的选择合适的初始包和增量包数量，并将初始包和增量包数量以及信道解码结果反馈给发送端，发送端根据接收端反馈的RCM符号块的RCM解码和信道解码结果来确定是否进行下一个数据分组的传输，并且根据接收端反馈的初始包和增量包数量来确定发送到接收端的RCM符号块。另外本发明通过准确估计增量包数量，大大减少了增量补发的次数，传输效率较高。

Description

一种基于互信息的RCM速率自适应控制方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种基于互信息的RCM速率自适应控制方法。
背景技术
在无线信道下，由于信号在传播过程中受到阴影衰落、多径效应以及多普勒频移的影响，导致无线信道的状态是时变的。如何在时变的无线信道下最大限度地利用频谱资源，实现高效可靠的数据传输，是无线通信中的关键问题。
为了提高信道利用率，根据信道状态动态调整发送速率是有效的方法。自适应传输技术于20世纪60年代被J.F.Hays提出，通过根据实时获取的信道状态来调整传输参数，使系统的传输速率与信道状态动态匹配，从而提高信道利用率。自适应编码调制(AdaptiveModulation and Coding，AMC)技术是在当前无线通信系统中广泛使用的自适应传输技术。在AMC系统中，预先设计了多种调制编码方式，发送端根据信道条件选择不同的调制编码方式，控制发送速率，使得传输速率与信道状态匹配。AMC存在若干缺点，如：需要预先设计多种调制编码方式，系统实现复杂度高；其次，由于调制与编码的组合方式有限，只能实现粗粒度的速率调整，导致系统的频谱效率出现台阶式的变化，造成频谱效率的浪费；需要准确的信道估计并及时反馈给发送端，不适用于长时延的通信环境等。
近年来出现的无缝速率自适应技术是解决以上问题的有效方案。该技术基于无速率码进行调制符号映射，根据信道状态改变发送的调制符号数，能够在较大的信噪比范围内实现无缝速率自适应调整。
目前常见的无速率码包括Raptor、Strider、Spinal和RCM等。Raptor在删除信道下具有接近香农限的优良性能，在噪声信道应用时，其信噪比的自适应范围受限于系统所采用的调制方式，因此Raptor主要用于链路层编码。Spinal、Strider和RCM将编码符号直接映射成调制符号，能够工作在很宽的信噪比范围，适用于物理层编码。但是，Spinal、Strider的译码复杂度高，而RCM与Spinal、Strider相比具有更低的译码复杂度，因此应用更广泛。
现有的RCM速率自适应控制方法需要知道准确的信噪比信息，由于信噪比估计存在误差，而且发送端无法获得即时的信噪比信息，当信噪比估计误差较大，或者信道往返时延(Round Trip Time，RTT)较长时，直接采用估计的信噪比选择发送符号数难以获得较高的传输效率，传输效率较低。另外，无速率码的解码复杂度一般都比较高，且解码器的工作量会随着传输次数急剧增长，而现有算法在对算法性能进行验证时，仅仅考虑了传输时延和传输效率，没有考虑算法的解码复杂度，导致算法的解码复杂度偏高，在实际系统中难以应用。
综上所述，提出一种传输效率较高、传输时延低、复杂度低的RCM速率自适应控制方法是亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出了一种基于互信息的RCM速率自适应控制方法，旨在解决现有方法由于信噪比估计存在误差且发送端无法获得即时的信噪比信息而导致的传输效率较低问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于互信息的RCM速率自适应控制方法，包括以下步骤：
S1、接收端接收发送端发送的RCM符号块，并对其进行RCM解码和信道解码，根据其信噪比和RCM解码之后的变量节点的置信信息计算推荐的初始包数量和增量包数量；其中，接收端接收的RCM符号块为初始包或者增量包；
S2、接收端将推荐的初始包数量、增量包数量以及RCM解码和信道解码之后的结果作为反馈信息反馈至发送端；
S3、发送端接收反馈信息，若解码成功，则对下一组待发送的信息比特进行信道编码生成新的数据分组，然后对数据分组进行RCM编码，并根据推荐的初始包数量选择初始包发送到接收端；否则，根据推荐的增量包数量补发增量包到接收端。
进一步优选地，步骤S1中计算推荐的初始包数量和增量包数量的方法包括以下步骤：
S11、确定不同信噪比条件下以及不同RCM符号数下的数据分组接收的互信息的平均值随RCM符号数的变化率ΔMI；
S12、在实际的速率自适应传输过程中，接收端根据接收到的信号实时统计信噪比的概率分布，并基于该信噪比概率分布计算ΔMI的累计概率分布；
S13、确定不同信噪比条件下数据分组解码成功概率与数据分组接收的互信息之间的关系，并根据该关系确定使得数据分组的解码成功概率达到预设概率的互信息阈值；
S14、根据ΔMI的累计概率分布、互信息阈值MITH和RCM符号的最小发送粒度Δm为数据分组计算推荐的初始包数量和增量包数量，使得下一次解码时接收端接收到的互信息能够以预设概率pTH大于互信息阈值MITH。
进一步优选地，步骤S11中计算数据分组接收的互信息的平均值随RCM符号数的变化率ΔMI的方法包括以下步骤：
S111、在高斯信道下，设置不同的信噪比，采用不同的RCM符号数对数据分组进行解码，计算数据分组经过RCM解码之后数据分组接收的互信息；
S112、计算不同信噪比和不同RCM符号数下的数据分组接收的互信息的平均值
Figure BDA0002228563390000041
S113、对
Figure BDA0002228563390000042
随RCM解码符号数的变化率ΔMI进行分段拟合，得到不同信噪比条件下
Figure BDA0002228563390000043
随RCM符号数的变化率ΔMI。
进一步优选地，步骤S12中计算数据分组接收的互信息的平均值随RCM符号数的变化率ΔMI的累计概率分布的方法包括以下步骤：
S121、接收端接收RCM符号块，利用帧头的导频信息估计接收信号的信噪比；
S122、将信噪比的区间以一定的信噪比步长ΔSNR量化为L个区间{SNR1,SNR2,...,SNRL}，且SNR1＜SNR2＜...＜SNRL；
S123、每隔ΔT时间，对不同信噪比出现的次数进行统计，得到信噪比的概率分布函数PDF(SNR)，其中SNR1≤SNR≤SNRL；
S124、根据信噪比概率分布函数计算数据分组接收的互信息的平均值随RCM符号数的变化率ΔMI的概率分布PDF(ΔMI)，进而计算出ΔMI的累计分布函数
Figure BDA0002228563390000044
进一步优选地，确定互信息阈值的方法包括以下步骤：
S131、在高斯信道下，设置不同的信噪比，采用不同的RCM符号数对数据分组进行RCM解码；
S132、根据RCM解码后输出的变量节点的置信信息计算数据分组接收的互信息，并对数据分组进行信道解码；
S133、若解码得到的信息比特通过CRC校验，则判定数据分组解码成功，否则判定数据分组解码失败；
S134、得到不同信噪比条件下数据分组解码成功概率与数据分组接收的互信息之间的关系；
S135、根据所得数据分组解码成功概率与数据分组接收的互信息之间的关系，找出使得数据分组解码成功概率为预设概率的数据分组接收的互信息，将此值设置为互信息阈值。
进一步优选地，所求推荐的初始包数量为所求推荐的增量包数量为
Figure BDA0002228563390000052
其中，MITH为使得数据分组的解码成功概率达到预设概率的互信息阈值，ΔMI为数据分组接收的互信息的平均值随RCM符号数的变化率，Ik-1为数据分组经过前k-1次传输后，接收端接收到的互信息。
进一步优选地，当数据分组已接收的互信息Ik-1超过阈值MITH时，推荐的增量包数量mk(k≥2)为RCM符号的最小发送粒度。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提出了一种基于互信息的RCM速率自适应控制方法，根据RCM的解码特性，即在信道质量较好时，发送端只需要发送少量的编码符号，接收端就能解码成功，当信道质量较差时，需要发送较多的编码符号，接收端才能成功解码。在无线时变信道下，为了提高系统的传输效率，需要解决数据分组的传输调度问题，即确定每次发送的初始包、增量包的数量，使得系统为每个数据分组发送的符号数刚好能够使得数据分组解码成功。本发明基于互信息衡量数据分组的解码不确定度通过建立数据分组解码成功概率与互信息之间的函数关系，自适应的选择合适的初始包和增量包数量，使速率自适应传输系统具有较高的传输效率。
2、本发明所提出的一种基于互信息的RCM速率自适应控制方法通过自适应选择合适的初始包和增量包数量，可以大大减少数据分组所需要的传输次数，从而降低数据传输时延。同时，也大大减少了解码复杂度。
3、本发明所提供的基于互信息的RCM速率自适应控制方法能够根据单个数据分组的解码不确定度准确估计增量包大小，减少增量补发的次数，大大提高了传输效率。
附图说明
图1是本发明所提出的基于互信息的RCM速率自适应控制方法的系统框图；
图2是本发明实施例所提供的信道编码示意图；
图3是本发明实施例所提供的黑云信道示意图；
图4是本发明实施例所提供的不同信噪比条件下的数据分组接收的互信息的平均值
Figure BDA0002228563390000061
与RCM符号数的关系曲线；其中，图(a)为信噪比处于3dB-9dB的数据分组接收的互信息的平均值
Figure BDA0002228563390000062
与RCM符号数的关系曲线，图(b)为信噪比处于10dB-19dB的数据分组接收的互信息的平均值与RCM符号数的关系曲线；
图5是本发明实施例所提供的不同信噪比条件下数据分组解码成功概率与数据分组接收的互信息I(Y:R)之间的关系曲线；
图6是采用本发明实施例所提供的基于互信息的RCM速率自适应控制方法的传输效率、平均传输次数与理论值进行归一化后的比较结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了实现以上目的，本发明提出了一种基于互信息的RCM速率自适应控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、接收端接收发送端发送RCM符号块，并对其进行RCM解码和信道解码，根据其信噪比和RCM解码之后的变量节点的置信信息计算推荐的初始包数量和增量包数量；其中，接收端接收的RCM符号块包括初始包或增量包；
S2、接收端将推荐的初始包数量、增量包数量以及RCM解码和信道解码之后的结果ACK/NACK作为反馈信息反馈至发送端；
S3、发送端接收反馈信息，若接收到ACK，则表明前一个数据分组解码成功，对下一组待发送的信息比特进行信道编码生成新的数据分组，然后对数据分组进行RCM编码，并根据推荐的初始包数量mk(k＝1)选择初始包发送到接收端；否则，传输次数k加1，即k←k+1，发送端根据推荐的增量包数量mk(k≥2)补发增量包到接收端，重复步骤S1-S3直至数据分组解码成功。具体的，信道编码包括CRC校验和高码率的信道编码，可以为高码率的LDPC。
为了更进一步的说明本发明所提供的一种基于互信息的RCM速率自适应控制方法，下面结合具体实例进行详述：
采用本发明所述的方法进行无线通信在具体实施时，采用如图2所示的信道编码方式。一个数据分组包含3552比特的信息数据，16比特的CRC校验，144比特的BCH编码，384比特的LDPC编码，总共包含4096比特。其中信息比特为1的概率p＝0.5。RCM编码采用[-4,-4,-2,-1,+1,+2,+4,+4]的权重集，并建立黑云信道模型，如图3所示。
具体的，步骤S1中计算推荐的初始包数量和增量包数量的方法包括以下步骤：
S11、预先统计不同信噪比条件下以及不同RCM符号数下的数据分组接收的互信息的平均值随RCM符号数的变化率ΔMI；
具体的，包括以下步骤：
S111、在高斯信道下，设置不同的信噪比，采用不同的RCM符号数对数据分组进行解码，计算数据分组经过RCM解码之后数据分组接收的互信息I(Y:R)，其中，Y为经过信道编码后的数据分组，R为接收端接收到的RCM符号块；
S112、计算不同信噪比和不同RCM符号数下的互信息I(Y:R)的平均值
Figure BDA0002228563390000081
具体的，不同信噪比条件下的数据分组接收的互信息的平均值
Figure BDA0002228563390000082
与RCM符号数的关系如图4所示，其中图4中的(a)图为信噪比处于3dB-9dB的数据分组接收的互信息的平均值
Figure BDA0002228563390000083
与RCM符号数的关系曲线，图4中的(b)图为信噪比处于10dB-19dB的数据分组接收的互信息的平均值
Figure BDA0002228563390000084
与RCM符号数的关系曲线；
S113、对随RCM解码符号数的变化率ΔMI进行分段拟合，得到如表1所示的拟合结果，表1对图4中信噪比处于4dB-15dB的
Figure BDA0002228563390000086
与RCM符号数的关系曲线进行了两段拟合，一段设置
Figure BDA0002228563390000087
另一段设置从而得到不同信噪比条件下
Figure BDA0002228563390000089
随RCM符号数的变化率ΔMI。
表1
Figure BDA00022285633900000810
S12、在实际的速率自适应传输过程中，接收端根据接收到的信号实时统计信噪比的概率分布，并基于该信噪比概率分布计算所得数据分组接收的互信息的平均值随RCM符号数的变化率ΔMI的累计概率分布；
具体的，包括以下步骤：
S121、接收端接收RCM符号块，利用帧头的导频信息估计接收信号的信噪比；
S122、将信噪比的区间以一定的信噪比步长ΔSNR量化为L个区间{SNR1,SNR2,...,SNRL}，且SNR1＜SNR2＜...＜SNRL；具体的，在本实施例中，信噪比范围为3dB—19dB，ΔSNR＝0.1dB，L取值为170；
S123、每隔ΔT时间，对不同信噪比出现的次数进行统计，得到信噪比的概率分布函数PDF(SNR)，其中SNR1≤SNR≤SNRL；
具体的，可以采用指数加权滑动平均法对不同信噪比出现的次数进行统计，通信过程中，每间隔ΔT时间，对信噪比SNRl出现的次数进行更新，将信噪比出现的次数N(SNRl)更新为l∈{1,2,...L}，其中，λ为指数加权平滑因子，为上一次所得的SNRl出现的次数，ΔN(SNRl)为ΔT时间内信噪比SNRl出现的次数，本实施例中，ΔT＝20ms。然后得到SNRl出现的概率
Figure BDA0002228563390000093
其中，
Figure BDA0002228563390000094
根据不同信噪比出现的概率，得到信噪比的概率分布函数PDF(SNR)，其中，SNR1≤SNR≤SNRL。
S124、根据信噪比概率分布函数计算数据分组接收的互信息的平均值随RCM符号数的变化率ΔMI的概率分布PDF(ΔMI)，进而计算出ΔMI的累计分布函数
S13、统计得出不同信噪比条件下数据分组解码成功概率与数据分组接收的互信息I(Y:R)之间的关系，并根据该关系确定使得数据分组的解码成功概率达到预设概率的互信息阈值MITH；解码成功概率的预期值可以根据系统指标设置，本发明实施例中上述预设概率取值为99.9％；
具体的，包括以下步骤：
S131、在高斯信道下，设置不同的信噪比，采用不同的RCM符号数对数据分组进行RCM解码；
S132、根据RCM解码后输出的变量节点的置信信息计算数据分组接收的互信息，并对数据分组进行信道解码；
S133、若解码得到的信息比特通过CRC校验，则判定数据分组解码成功，否则判定数据分组解码失败；
S134、统计得出不同信噪比条件下数据分组解码成功概率与数据分组接收的互信息I(Y:R)之间的关系，如图5所示，其中横坐标表示数据分组接收的互信息I(Y:R)，纵坐标表示数据分组解码成功概率，不同曲线表示不同信噪比条件下两者之间的关系；
S135、根据所得数据分组解码成功概率与数据分组接收的互信息I(Y:R)之间的关系，找出使得数据分组解码成功概率为99.9％的数据分组接收的互信息，将此值设置为互信息阈值MITH。如图5所示，从图中可以看出，在不同的信噪比条件下，当I(Y:R)达到4020时，数据分组的解码成功概率能够达到99.9％，能够保证绝大部分数据分组解码成功，因此将MITH设置为4020。
S14、根据ΔMI的累计概率分布、互信息阈值MITH和RCM符号的最小发送粒度Δm为数据分组选择合适的初始包数量mk(k＝1)、增量包数量mk(k≥2)，使得下一次解码时接收端接收到的互信息能够以预设概率pTH大于互信息阈值MITH。
具体的，当数据分组经过前k-1(k为大于等于1的整数)次传输后，接收端接收到的互信息Ik-1，第k次发送端发送的RCM符号数为mk，接收端总共接收的互信息Ik大于MITH的概率
Figure BDA0002228563390000111
由于povth≥pTH，则
Figure BDA0002228563390000112
也可以表示为
Figure BDA0002228563390000113
由于MITH和Ik-1为已知量，mk的计算就取决于ΔMI。根据步骤S124所得的关于ΔMI的概率分布函数，获得满足且使mk最小的互信息变化率，记为ΔMI′，则ΔMI′应满足CDF(ΔMI′)＝1-pTH。故可以得到
Figure BDA0002228563390000115
进一步的，当k＝1时，Ik-1＝0，得到初始包的数量为
Figure BDA0002228563390000116
当k≥2时，得到增量包的数量为
Figure BDA0002228563390000117
特别地，当数据分组已接收的互信息Ik-1超过阈值MITH时，无法按照
Figure BDA0002228563390000118
计算mk(k≥2)，此时将mk(k≥2)设置为最小发送粒度Δm。在本实施例中，Δm＝128。
当预设概率pTH分别为0.8和0.9时，本发明所提供的基于互信息的RCM速率自适应控制方法的传输效率、平均传输次数与理论值进行归一化后的比较结果如图6所示。图中理论值是假设信道状态完全已知的条件下，系统在黑云信道下的传输效率和平均传输次数。平均传输次数决定了接收端的平均解码次数，即解码复杂度，并决定了数据分组的平均传输时延。
从图6可以看出，当pTH＝0.8时，算法的传输效率约为理论值的87％，平均传输次数约为理论值的1.1倍。当pTH＝0.9时，算法的传输效率约为理论值的90％，平均传输次数约为理论值的1.2倍。由上可知，本发明所提供的基于互信息的RCM速率自适应控制方法传输效率较高，基本接近理想值。
本发明提出了一种基于互信息的RCM速率自适应控制方法，采用互信息衡量数据分组的解码不确定度，通过建立数据分组解码成功概率与数据分组已接收的互信息之间的函数关系，从而自适应的选择合适的初始包和增量包数量，基于数据分组互信息的方法可以准确估计初始包和增量包的数量，减少增量补发的次数，使速率自适应传输系统具有较高的传输效率和较低的传输时延。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于互信息的RCM速率自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、接收端接收发送端发送的RCM符号块，并对其进行RCM解码和信道解码，根据其信噪比和RCM解码之后的变量节点的置信信息计算推荐的初始包数量和增量包数量；其中，接收端接收的RCM符号块为初始包或者增量包；
S2、接收端将推荐的初始包数量、增量包数量以及RCM解码和信道解码之后的结果作为反馈信息反馈至发送端；
S3、发送端接收反馈信息，若解码成功，则对下一组待发送的信息进行信道编码生成新的数据分组，然后对数据分组进行RCM编码，根据推荐的初始包数量选择初始包发送到接收端；否则，根据推荐的增量包数量补发增量包到接收端。
2.根据权利要求1所述的基于互信息的RCM速率自适应控制方法，其特征在于，步骤S1所述的方法包括：
S11、确定不同信噪比条件下以及不同RCM符号数下的数据分组接收的互信息的平均值随RCM符号数的变化率ΔMI；
S12、在实际的速率自适应传输过程中，接收端根据接收到的信号实时统计信噪比的概率分布，并基于该信噪比概率分布计算ΔMI的累计概率分布；
S13、确定不同信噪比条件下数据分组解码成功概率与数据分组接收的互信息之间的关系，并根据该关系确定使得数据分组的解码成功概率达到预设概率的互信息阈值；
S14、根据ΔMI的累计概率分布、互信息阈值MITH和RCM符号的最小发送粒度Δm为数据分组计算推荐的初始包数量和增量包数量，使得下一次解码时接收端接收到的互信息能够以预设概率pTH大于互信息阈值MITH。
3.根据权利要求2所述的基于互信息的RCM速率自适应控制方法，其特征在于，步骤S11所述的方法包括以下步骤：
S111、在高斯信道下，设置不同的信噪比，采用不同的RCM符号数对数据分组进行解码，计算数据分组经过RCM解码之后数据分组接收的互信息；
S112、计算不同信噪比和不同RCM符号数下的数据分组接收的互信息的平均值
Figure FDA0002228563380000021
S113、对
Figure FDA0002228563380000022
随RCM解码符号数的变化率ΔMI进行分段拟合，得到不同信噪比条件下
Figure FDA0002228563380000023
随RCM符号数的变化率ΔMI。
4.根据权利要求2所述的基于互信息的RCM速率自适应控制方法，其特征在于，步骤S12所述的方法包括以下步骤：
S121、接收端接收RCM符号块，利用帧头的导频信息估计接收信号的信噪比；
S122、将信噪比的区间以一定的信噪比步长ΔSNR量化为L个区间{SNR1,SNR2,...,SNRL}，且SNR1＜SNR2＜...＜SNRL；
S123、每隔ΔT时间，对不同信噪比出现的次数进行统计，得到信噪比的概率分布函数PDF(SNR)，其中SNR1≤SNR≤SNRL；
S124、根据信噪比概率分布函数计算数据分组接收的互信息的平均值随RCM符号数的变化率ΔMI的概率分布PDF(ΔMI)，进而计算出ΔMI的累计分布函数
5.根据权利要求2所述的基于互信息的RCM速率自适应控制方法，其特征在于，步骤S13所述的方法包括以下步骤：
S131、在高斯信道下，设置不同的信噪比，采用不同的RCM符号数对数据分组进行RCM解码；
S132、根据RCM解码后输出的变量节点的置信信息计算数据分组接收的互信息，并对数据分组进行信道解码；
S133、若解码得到的信息比特通过CRC校验，则判定数据分组解码成功，否则判定数据分组解码失败；
S134、得到不同信噪比条件下数据分组解码成功概率与数据分组接收的互信息之间的关系；
S135、根据所得数据分组解码成功概率与数据分组接收的互信息之间的关系，找出使得数据分组解码成功概率为预设概率的数据分组接收的互信息，将此值设置为互信息阈值。
6.根据权利要求2所述的基于互信息的RCM速率自适应控制方法，其特征在于，所述推荐的初始包数量为
Figure FDA0002228563380000031
所述推荐的增量包数量为其中，MITH为使得数据分组的解码成功概率达到预设概率的互信息阈值，ΔMI为数据分组接收的互信息的平均值随RCM符号数的变化率，Ik-1为数据分组经过前k-1次传输后，接收端接收到的互信息。
7.根据权利要求6所述的基于互信息的RCM速率自适应控制方法，其特征在于，当数据分组已接收的互信息Ik-1超过阈值MITH时，推荐的增量包数量mk(k≥2)为RCM符号的最小发送粒度。
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