CN1256830C - 传输和接收多播数据的设备和方法 - Google Patents

Abstract

有效传输和接收多播数据的设备和方法。该设备包括：数据流生成器，将具有可扩展数据结构的多播数据分为对应于多个外部接收设备可用来接收数据的预定数据速率的多个多播数据流；编码处理器，分别将多个多播数据编码；报头处理器，生成对应于每一编码的多播数据流的报头，并且以预定速率调制报头；数据流调制器，以预定数据速率调制每一编码的多播数据流；帧生成器，生成至少一个传输帧。因此，由全部接收设备接收的附加信息量增加，全部接收设备可以接收基本信息，从而可以最大化由全部接收设备接收的数据量。另外，可以最大化能接收由基本信息和附加信息构成的高质量信息的接收设备数。

Description

传输和接收多播数据的设备和方法

技术领域

本发明涉及无线传输和接收多播(multicast)数据的设备，尤其涉及有效地并且无线地传输和接收具有可扩展数据结构的多播数据的设备及其方法，以及包括传输设备和接收设备的无线通信系统。

背景技术

多播装置通过一次传输将相同的信息发送给多个接收者(在下文中，称作接收设备)。多播技术的优点是有效利用网络资源而避免浪费，并且因此用于超高速数据。

在通过多播传输数据(在下文中，称作多播数据)中，每一接收设备可以在每单元时间通过网络接收的数据量，即接收设备的数据速率，可以不同。在此，当传输设备以固定数据速率传输数据时，传输设备必须以接收设备的数据速率中的最低数据速率传输数据，以便全部接收设备可以接收数据。如果传输数据速率增加，则具有比传输数据速率低的数据速率的传输设备不能接收从传输设备传输的数据。

为了克服该问题，已经提出一种方法，将多播数据划分为几个数据流，仅将数据流中的一些传输到具有比传输数据速率低的数据速率的传输设备，并且将全部数据流传输到具有比传输数据速率高的数据速率的传输设备。为了有效执行此方法，类似于视频或音频数据的部分数据(即，基本数据)需要包括可以提供低质量原始数据的基本信息，并且需要将包括更详细信息的数据(即，附加数据)的剩余部分添加到基本数据中，以便可以提供高质量原始数据。将这种数据结构定义为可扩展的。运动图像专家组4(MPEG4)是使用这种可扩展性的典型编码方法。

不平衡调制是在传输系统中传输具有可扩展数据结构的多播数据的方案。典型的不平衡调制方案包括不平衡正交相移键控(UQPSK)和不平衡正交幅度调制(UQAM)。当单信号元素具有两比特时，这些方案相同，并且因此在下面仅参照附图描述UQPSK。

图1A是使用UQPSK的通信系统的方框图。参照图1A，使用UQPSK的通信系统包括传输设备100和接收设备110。为了清楚描述，图1中表示通信信道120。

传输设备100利用相同频率的正弦波3，D₁*sin(ω_ct)，和余弦波4，D₂*cos(ω_ct)，来调制基本数据信号1和附加数据信号2，以生成基本调制信号5和附加调制信号6，并且将基本调制信号5和附加调制信号6相加以生成传输信号7。

将传输信号7通过通信信道120传输到接收设备。在传输期间，将噪声添加到产生有噪声传输信号17的传输信号7中。

接收设备110利用与传输设备100的正弦波3同步的正弦波13，sin(ω_ct)，和与传输设备100的余弦波4同步的余弦波14，cos(ω_ct)，解调有噪声的传输信号17，以产生具有噪声的基本数据信号11和具有噪声的数据信号12。

图1B是关于UQPSK调制方案的传输信号的星座(xonstellation)I/Q曲线图。参照图1B，基本调制信号5和附加调制信号6分别是传输信号7的同相(I)分量和正交(Q)分量。在此，I分量的大小与正弦波3的幅度D₁相同，并且Q分量的大小与余弦波4的幅度D₂相同。当D₂＝λ×D₁时，在UQPSK调制方案中，λ具有0和1之间的值。当λ是0时，执行二进制PSK(BPSK)。当λ是1时，执行不平衡QPSK。

参照图1B，当将D₁和D₂固定在传输设备100中，接收设备110可以根据加到接收信号中的噪声的大小有选择地接收Q分量。换句话说，当信噪比(SNR)高并且噪声大小小于Q分量的幅度D₂时，接收设备110接收I和Q分量二者，并且将它们结合从而获得其中将附加信息加到基本信息的原始数据。然而，当SNR低并且噪声大小大于Q分量的幅度D₂时，接收设备110仅接收I分量并且仅获得基本数据。

参照图1B，传输信号7是四个信号点21、22、23、和24中的一个。然而，接收设备110接收有噪声的传输信号17。例如，当接收设备110接收对应于信号点25的信号时，为了接收Q分量，需要确定传输信号7是否对应于信号点21或22。在其中传输数据7对应于信号点22并且加到Q分量中的噪声的大小是n₂的情况下，如果接收设备110确定传输信号7对应于信号点21并且加到Q分量中的噪声的大小是n₁，就会发生错误。因此，当Q分量的幅度D₂增加时，由于噪声而发生错误的可能性降低，并且因此更多接收设备可以接收附加数据。

然而，由于发射功率在UQPSK调制方案中必须恒定，所以当Q分量增加时I分量必须降低。参照图1B，信号点必须位于单位圆26以保持恒定的发射功率。在这种曲线图中，当D₂增加时，D₁降低。因此，当Q分量的大小对于具有高SNR的接收设备增加时，因为噪声的大小大于幅度D₁，所以具有低SNR的接收设备不能接收I分量。将这种其中具有低SNR的接收设备不能接收从传输设备传输的基本数据的状态称作中断(outage)。

换句话说，在利用不平衡调制方案传输具有可扩展数据结构的多播数据的方法中，利用单独的方法传输基本数据和附加数据，并且接收设备根据其物理状态确定是否接收附加数据。因此，当全部接收设备提高数据速率以增加接收数据量时，发生中断，并且因此不能再提高数据速率。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的第一目的是提供有效地并且无线地传输和接收具有可扩展数据结构的多播数据的设备和方法，其中为了增加由全部接收设备接收的附加信息量和不使任何接收设备不接收基本信息，预先设置用于每一将被传输的数据流的数据速率和接收设备组，因此，最大化由全部接收设备接收的数据量，并且最大化可以接收包括基本信息和附加信息的高质量信息的接收设备数。

本发明的第二目的是提供包括以上用于无线发收多播数据的传输设备和多个接收设备的系统。

为了达到本发明的第一目的，提供用于无线传输多播数据的传输设备。该传输设备包括：数据流生成器，用于将具有可扩展数据结构的多播数据分为对应于预定数据速率的多个多播数据流，其中多个外部接收设备可以以该速率接收数据；编码处理器，分别将多个多播数据编码；报头(header)处理器，用于生成对应于每一编码的多播数据流的报头，并且以预定速率调制报头；数据流调制器，用于以对应于各个编码的多播数据流的预定数据速率调制每一编码的多播数据流；以及帧生成器，用于将调制的报头添加到调制的多播数据流以生成至少一个传输帧。

还提供一种无线传输多播数据的方法，该方法包括：将具有可扩展数据结构的多播数据分为对应于预定数据速率的多个多播数据流，其中多个外部接收设备可以以该速率接收数据；分别将多个多播数据编码；生成对应于每一编码的多播数据流的报头，并且以预定速率调制报头；以预定数据速率调制每一编码的多播数据流；以及将调制的报头添加到调制的多播数据流以生成至少一个传输帧。

还提供一种无线接收多播数据的接收设备。该设备包括：报头解调器，用于解调从外部传输设备传输的至少一个传输帧的报头部分，以便生成报头信息信号；数据流解调器，响应于报头信息信号，从传输帧中解调将被接收的数据流部分，以便生成一个或多个编码的数据流；解码器，用于将所述一个或多个编码的数据流解码；以及数据混合器，将所述一个或多个解码的数据流混合，并且输出具有可扩展数据结构的数据。

还提供一种无线接收多播数据的方法，该方法包括：解调从外部传输设备传输的至少一个传输帧的报头部分，并且从传输帧确定要接收的数据流部分；解调数据流部分，以便生成一个或多个编码的数据流；将所述一个或多个编码的数据流解码；以及将所述一个或多个解码的数据流混合，并且输出具有可扩展数据结构的数据。

为了达到本发明的第二目的，提供一种包括一个传输设备和多个接收设备的无线通信系统。传输设备包括：数据流生成器，用于将具有可扩展数据结构的多播数据分为对应于预定数据速率的多个多播数据流，其中多个外部接收设备可以以该速率接收数据；编码处理器，分别将多个多播数据编码；报头(header)处理器，用于生成对应于每一编码的多播数据流的报头，并且以预定速率调制报头；数据流调制器，用于以预定数据速率调制每一编码的多播数据流；以及帧生成器，用于将调制的报头添加到调制的多播数据流以生成至少一个传输帧。多个接收设备的每一个包括：报头解调器，用于解调从传输设备传输的至少一个传输帧的报头部分，以便生成报头信息信号；数据流解调器，响应于报头信息信号，从传输帧中解调将被接收的数据流部分，以便生成一个或多个编码的数据流；解码器，用于将所述一个或多个编码的数据流解码；以及数据混合器，将所述一个或多个解码的数据流混合，并且输出具有可扩展数据结构的数据。

附图说明

通过参照附图详细说明优选实施例，本发明的以上目的和优点将变得更加清楚，其中：

图1A是使用不平衡正交相移键控(UQPSK)的通信系统的方框图；

图1B是关于UQPSK调制方案中的传输信号的星座同相/正交(I/Q)曲线图；

图2是根据本发明实施例的用于多播数据的传输设备的方框图；

图3A和3B示出根据本发明实施例的用于传输多播数据的传输设备中的报头的结构；

图4A到4C示出根据本发明实施例的用于传输多播数据的传输设备中的传输帧的结构；

图5是根据本发明实施例的用于接收多播数据的接收设备的方框图；

图6是关于由电气与电子工程师协会(IEEE)802.11a支持的每一调制方案的参数表；

图7是模拟比较根据本发明的通信系统与利用图1A中所示的UQPSK调制方案的通信系统时的接收设备的数据速率分布；

图8A到图8C是示出有关利用UQPSK调制方案的通信系统中，在图7中所示的每一范围中的接收设备的数据速率和中断的数量的表格；以及

图9A到9F是示出在模拟比较根据本发明的通信系统与利用图1A中所示的UQPSK调制方案的通信系统中，关于路径损耗指数、接收设备的平均数、以及对数正态衰落的标准偏差的变化的数据速率之和及中断概率的图。

具体实施方式

下面将参照附图详细说明根据本发明的传输和接收多播数据的设备和方法。

为了实现本发明，必须通知传输设备接收设备的总数、每一接收设备的接收性能、以及对每一接收设备的接收信道的状态。由于可以从在先通信的内容中导出以上信息，普通通信系统满足此条件。

为了最大化全部接收设备接收的数据量而不使任何接收设备不接收基本信息，传输基本数据的方法需要独立于传输附加数据的方法。在不平衡调制方案中，当以相同方法传输两类数据时，它们彼此影响。因此，如果为接收设备增加包括附加数据的正交(Q)分量的功率，该接收设备具有高信噪比(SNR)并且因此可以以高数据速率接收数据，则减少包括基本数据的同相分量(I)的功率，这对具有低SNR的接收设备引起中断。

为了克服该问题，根据全部接收设备数、每一接收设备的性能、以及到每一接收设备的传输信道的状态，根据本发明的用于传输多播数据的传输设备设置数据速率，其中各个接收设备可以以该速率接收数据。传输设备还根据设置的数据速率将接收设备分类为对应于不同数据速率的组，并且确定基本信息和附加信息以什么程度将被传输到每一组。因此，传输设备将多播数据分为多个多播数据流，并且将每一多播数据流与接收设备组以及其中可以以对应于接收设备组的数据速率传输数据的调制方案匹配。将每一多播数据流匹配到接收设备组，以便最大化由所有接收设备接收的数据量。在此，将包括基本信息的多播数据流匹配到包括全部接收设备的接收设备组，从而全部接收设备可以接收基本信息。将包括附加信息的多播数据流与包括可以以高速接收数据的接收设备的接收设备组匹配，从而最大化由全部接收设备接收的数据量，并且最大化可以接收基本信息和附加信息二者、因此可以获得比仅能接收基本信息的接收设备更高质量的信息的接收设备的数量。

图2是根据本发明实施例的用于多播数据的传输设备的方框图。参照图2，根据本发明实施例用于传输多播数据的传输设备包括数据流生成器200、编码处理器210、报头处理器220、数据流调制器230、以及帧生成器240。

参照图2，数据流生成器200将多播数据31分为对应于预定数据速率的多个多播数据流32，从而可以最大化由全部接收设备接收的多播数据量，并且全部接收设备可以接收基本信息，其中多播数据31根据多个外部接收设备可以用来接收数据的数据速率具有可扩展数据结构。

将根据公式说明最佳传输条件。将数据传输中的单元信号元素称作脉冲串(burst)。在调制中，数据速率表示每一脉冲串的数据比特数。因此，当将具有r*n大小的多播数据流以数据速率“r”调制时，产生“n”个脉冲串。

例如，由数据流生成器200生成的N个多播数据流从1到N以对应于每一多播数据流的数据速率的升序来编号。用r₁、r₂、...、r_N表示对应于多播数据流的数据速率。用u₁、u₂、...、u_N表示包括在对应于单独的多播数据流的单独的接收设备组中的接收设备的号码。用n₁、n₂、...、n_N表示在调制单独的多播数据流之后生成的脉冲串号码。在此，通过最大化公式(1)满足最大化由全部接收设备接收的多播数据量的条件。

$\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_k\left(r_k{n}_k\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(r_k{u}_k\right)n_k---\left(1\right)$

为了允许全部接收设备接收基本信息，对应于全部接收设备可以用来接收数据的最低数据速率的多播数据需要足够大，以便包括全部基本信息。可以将此表示为公式(2)。

n₁r₁≥r_min                                    ...(2)

在此，r_min以比特为单位表示基本数据的大小。

根据接收设备可以用来接收数据的数据速率和可以通过传输设备执行的调制方案，确定数据速率r₁到r_N和包括在每一接收设备组中的接收设备号n₁到n_N。因此，通过脉冲串生成器200仅可以确定脉冲串n₁到n_N的号码。然而，因为限制可以通过传输设备传输的脉冲串数量，所以确定脉冲串数量牵涉到限制的最优化。

当脉冲串总数为M时，为了满足公式(2)，必须将大于r_min/r₁的最小整数L赋给n₁，并且必须将M-L赋给n_k(k＝1，...，N)个脉冲串中的具有最大因数r_ku_k的n_k。

换句话说，生成多播数据流32，从而基本数据包括在对应于最低数据速率的多播数据流中，并且剩余附加数据包括在对应于数据速率的多播数据流中，其中以该数据速率最大化数据速率和可以以该数据速率接收数据的接收设备的数量的乘积。

编码处理器210单独编码每一多播数据流32。为了达到此目的，编码处理器210优选地包括：第一处理器211，用于对每一多播数据流32执行前向纠错(FEC)编码；第二处理器212，用于交织(interleave)每一FEC编码的多播数据流33；以及第三处理器213，用于对每一FEC编码和交织的多播数据流34执行信号星座映射。

由编码处理器210执行的编码处理表示信道编码。信道编码具有纠错功能。用在无线通信系统中的FEC编码使用循环冗余检验(CRC)码、卷积码、或turbo码。

当FEC编码不满足于如在脉冲串误差情况下的纠错时，使用交织。交织是在信号中独立地分散比特以将脉冲串误差转换为随机误差，从而可以执行纠错的方法。

信号星座映射意味着以诸如QPSK或正交幅度调制(QAM)的调制方案调节每一信号点的相位和幅度。例如，为了改变D₁和D₂的大小，执行图1B中示出的信号星座中的信号星座映射以调节λ的值。

参照图2，第一到第三处理器211到213分别执行FEC编码，交织，和信号星座映射。然而，这只是一个例子，并且这些处理器211到213的配置或编码方法可以根据信道状态和每一接收设备的状态改变。

报头处理器220生成对应于独立编码的多播数据流35的报头，并且以预定数据速率调制它们。为每一多播数据流生成报头，并且报头包括对接收设备接收多播数据流必需的信息。

图3A到3B示出根据本发明实施例的用于传输多播数据的传输设备中的报头的结构。参照图3A，根据本发明实施例的传输设备中的报头包括多播数据流对应的接收设备组的媒体存取控制(MAC)地址HA、施加于多播数据流的编码信息HC、多播数据流的大小HS、以及其它信息HE。

在局域网(LAN)中提供多播的方法包括使用用于单点传送的多个MAC地址的方法、和使用多个用于多播的MAC地址的方法。在使用用于多播的多个MAC地址的方法中，将相同信息传输到多个接收设备中的每一个，并且信道使用率与单点传送相同。为了利用用于有效使用传输信道的多播的优点，需要使用用于多播的MAC地址。在HiperLAN 2的情况下，为了多播，指定256个MAC地址中的32个地址。为了使用多播MAC地址，需要定义接收设备组以接收多播，并且将MAC地址分配给每一组。

施加于每一多播数据流的编码信息HC包括FEC编码方法、编码速率、穿孔(puncturing)方法、交织方法、信号星座方法、以及调制数据速率等。

参照图3B，报头还包括指示对应于更高数据速率的多播数据流的存在或不存在的比特HN。当HN比特为1时，对应于更高数据速率的多播数据流存在。当HN比特为0时，相关多播数据流对应于最高数据速率。

通过具有预定数据速率的调制方案调制诸如上述一个的报头。为了减少报头传输中的错误，优选地以低数据速率调制报头。然而，因为不必由接收设备接收对应于不由接收设备接收的多播数据流的报头，可以以与相应的多播数据速率相同的数据速率调制每一报头。

数据流调制器230以相应的数据速率调制每一编码的多播数据流35。

帧生成器240将调制的报头41加到各个多播数据流36以生成至少一个传输帧50。

图4A到4C示出根据本发明实施例的用于传输多播数据的传输设备中的传输帧的结构。

图4A示出在将N个调制的报头H₁到H_N分别添加到N个调制的多播数据流D₁到D_N，以便生成N个传输帧F₁到F_N的情况下传输帧的结构。参照图4A，每一帧F_k(k＝1，2，...，N)由报头H_k和数据流D_k构成。

图4B示出在首先排列N个调制的报头H₁到H_N，并且其后排列N个调制的多播数据流D₁到D_N，以便生成单独的传输帧的情况下传输帧的结构。参照图4B，以数据速率的升序排列报头H₁到H_N和数据流D₁到D_N。

当接收具有图4A或4B示出的结构的传输帧时，接收设备通过参照报头中的MAC地址HA确定是否接收它。换句话说，仅当接收设备包括在对应于MAC地址的接收设备组中时，接收设备接收相关数据流。

图4C示出在N个报头构成单独的大报头CH的情况下传输帧的结构。在此，每一报头优选地具有图3B中示出的结构。报头CH包括用于N个数据流的编码信息HC₁到HC_N、数据流大小HS₁到HS_N、其它信息HE₁到HE_N、以及指示对应于更高数据速率的多播数据流的存在或不存在的比特HN₁到HN_N。报头CH可以仅包括接收设备组的MAC地址HA而不包括N个MAC地址。

当接收具有图4C中示出的结构的传输帧时，接收设备根据编码信息HC₁到HC_N、和指示对应于更高数据速率的多播数据流的存在或不存在的比特HN₁到HN_N而不是MAC地址HA，确定将被接收的数据流的部分。

图5是根据本发明实施例的用于接收多播数据的接收设备的方框图。参照图5，接收设备包括报头解调器300、数据流解调器310，数据流解码器320、以及数据混合器330。

报头解调器300解调至少一个从外部传输设备传输的传输帧51的报头，以生成报头信息信号52。

在图5中示出的实施例中，解调的报头具有图3A或3B中示出的结构。确定将被接收的数据流的部分的方法随传输帧结构变化。

当传输帧具有图4A或4B中示出的结构时，接收设备确定它是否包括在由每一报头中的MAC地址HA指定的接收设备组中。如果确定接收设备包括在接收设备组中，那么接收设备接收对应于报头的数据流部分。否则，接收设备不接收数据流部分。

当传输帧具有图4C中示出的结构时，报头中的MAC地址HA指示包括作为多播的目的地的全部接收设备的接收设备组。在此，如果确定接收设备不包括在接收设备组中，则接收设备不从传输帧接收任何数据。如果确定接收设备包括在接收设备组中，则接收设备根据包括在报头中的编码信息HC₁到HC_N和比特HN₁到HN_N确定将被接收的数据流部分，所述比特表示对应于更高数据速率的多播数据流存在或不存在。

数据流解调器310响应于报头信息信号52，解调将被接收的传输帧51的数据流部分，以生成至少一个编码数据流55。

数据流解码器320将至少一个编码数据流55解码。为此，数据流解码器320优选地包括：第一解码器321，用于对编码的数据流55执行信号星座去映射(de-mapping)；第二解码器322，用于对星座去映射的数据流56执行去交织(de-interleave)；以及第三解码器323，用于对星座去映射和去交织的数据流57执行FEC解码。

数据流混合器330混合一个或多个解码数据流58，并且输出具有可扩展数据结构的数据60。如果仅有一个可以由接收设备接收的数据流，那么数据流本身是包括基本信息的数据。如果接收多个数据流，那么可以将包括附加信息的数据流加到包括基本信息的数据流中，以便获得具有高质量信息的数据。

为了比较根据本发明的通信系统和图1A中示出的使用UQPSK调制方案的通信系统，在无线局域网(LAN)中利用作为无线局域网标准的电气与电子工程师协会(IEEE)802.11a标准执行模拟。

图6是与IEEE 802.11a标准支持的每一调制方案相关的参数表。参照图6，IEEE 802.11a标准支持从6Mbps到54Mbps的8类数据速率61。为了支持8类数据速率61，将二进制相移键控(BPSK)、正交相移键控(QPSK)、16QAM、以及64QAM用作调制方案62。编码率63是编码后数据比特的数量与编码前数据比特数量的比值。

在IEEE 802.11a标准中，使用正交频分多路复用(OFDM)。根据OFDM，将48路正交载波用于传输。将每一正交载波称作副载波，并且将利用48路副载波传输的单元信号脉冲串称作OFDM符号。根据调制方案，确定每一副载波的编码比特数64。每一副载波的编码比特数64对于BPSK是1，对于QPSK是2，对于16QAM是4，并且对于64QAM是6。

因为利用48路副载波传输单个OFDM符号，每一OFDM符号的编码比特数65是48与每一副载波的编码比特数64的乘积。

因为全部接收设备必须能够在多播接收中接收信号，所以仅使用强制模式。强制模式指的是系统中必须支持的调制方案。当利用IEEE 802.11a时，其中数据速率分别是6、12、以及24Mbps的方案71、72、以及73是强制模式。

假定接收设备的总数是A，并且三个接收设备组中的每一个的接收设备数分别是u₁、u₂、和u₃，其中三个接收设备组中的每一组以三个数据速率中的一个接收数据。为了清楚说明，当假定每一接收设备组中除可以以比强制模式的数据速率中接收设备组对应的数据速率高的数据速率接收数据的接收设备外的接收设备数分别是a₁、a₂、和a₃时，那么a₁＝u₁-u₂，a₂＝u₂-u₃，a₃＝u₃，并且a₁+a₂+a₃＝A。因此，u₁＝A，u₂＝A-a₁，并且u₃＝A-a₁-a₂。如果假定可以在每一OFDM符号中传输的数据比特数分别是r₁、r₂、和r₃，那么r₁＝24，r₂＝48，并且r₃＝96。

当假定将利用BPSK、QPSK、以及16QAM传输的OFDM符号码分别是n₁、n₂、和n₃，并且可以用于传输的脉冲串总数是M时，可以根据公式(3)中示出的a₁、a₂、和a₃重写公式(1)。

$\underset{k=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\left(r_k{u}_k\right)n_k=r_1{u}_1{n}_1+r_2{u}_2{n}_2+r_3{u}_3{n}_3=r_1{\mathrm{An}}_1+r_2(A-a_1)n_2+r_3(A-a_1-a_2)n_3---\left(3\right)$

当基本数据的大小r_min是256比特时，因为r_min/r₁＝256/24＝10.67，所以为了允许全部A个接收设备接收基本数据，n₁必须超过11。

在上述条件下，根据a₁、a₂、和a₃的分布确定满足公式(3)的n₁、n₂、和n₃的值。图7是具有不同数据速率的接收设备分布的图。

参照图7，当a₁＞＝A/2，并且a₁+a₂＞＝3/4*A时，即，对于范围(a)中的接收设备，当r_ku_k的值最大时“k”值是1。因此，利用BPSK以6Mbps数据速率调制全部M个脉冲串，用于传输。

当a₁＜＝A/2，并且a₁+2a₂＞＝A时，即，对于范围(b)中的接收设备，当r_ku_k的值最大时“k”值是2。因此，利用BPSK调制M个脉冲串中的11个脉冲串，并且利用QPSK以12Mbps的数据速率调制剩余的M-11脉冲串，用于传输。

当a₁+a₂＜3/4*A，并且a₁+2a₂＜A时，即，对于范围(c)中的接收设备，当r_ku_k的值最大时“k”值是3。因此，利用BPSK调制M个脉冲串中的11个脉冲串，并且利用16QAM以24Mbps的数据速率调制剩余的M-11脉冲串，用于传输。

下面的描述涉及图7中示出的每一范围(a)、(b)、(c)中的接收设备的平均接收数据速率和中断概率。假定脉冲串总数M是50，并且接收设备的总数A是20。在范围(a)中，考虑a₁＝10，a₂＝7，以及a₃＝3的情况。在范围(b)中，考虑a₁＝7，a₂＝8，以及a₃＝5的情况。在范围(c)中，考虑a₁＝7，a₂＝3，以及a₃＝10的情况。在此，假定接收设备的SNRs具有按0.5dB增加的均匀分布。例如，当a₃＝3时，三个接收设备的SNR分别比可以用来接收16QAM数据的最小SNR高0dB、0.5dB以及1dB的SNR。用于接收QPSK数据的SNR需要比用于接收BPSK数据的SNR高3dB，并且用于接收16QAM数据的SNR需要比用于接收QPSK数据的SNR高7dB。

在图1A中示出的使用UQPSK调制方案的通信系统中，根据λ值确定所需SNR。假定关于接收设备通过通信信道接收的整个信号的SNR是γ_UQPSK，关于I分量的SNR是γI，并且关于Q分量的SNR是γ_Q。那么，γ_Q＝λ²*γ_I并且γ_UQPSK＝γ_I+γ_Q，从而γ_Q＝λ²γ_UQPSK/(1+λ²)。因此，将关于各个I和Q分量的误码率(BER)表示为公式(4)。

${\mathrm{BER}}_I=\frac{1}{2}\mathrm{erfc}\left(\sqrt{\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{UQPSK}}}{(1+{\mathrm{\λ}}^2)}}\right)$

${\mathrm{BER}}_Q=\frac{1}{2}\mathrm{erfc}\left(\sqrt{\frac{{{\mathrm{\λ}}^2\mathrm{\γ}}_{\mathrm{UQPSK}}}{(1+{\mathrm{\λ}}^2)}}\right)---\left(4\right)$

当关于BPSK和QPSK调制方案中的接收信号的SNRs分别是γ_BPSK和γ_QPSK时，将各个BPSK和QPSK调制方案中的BERs表示为公式(5)。因此，为了允许通过图1A中示出的系统中的I分量传输的基本数据具有与利用BPSK调制方案传输的基本数据相同的BER，γ_UQPSK必须比γ_BPSK大10log₁₀(1+λ²)/2λ²dB。为了允许通过图1A中示出的系统中的Q分量传输的附加数据具有与利用QPSK调制方案传输的附加数据相同的BER，γ_UQPSK必须比γ_QPSK大10log₁₀(1+λ²)/2λ²dB。

${\mathrm{BER}}_{\mathrm{BPSK}}=\frac{1}{2}\mathrm{erfc}\left(\sqrt{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{BPSK}}}\right)$

${\mathrm{BER}}_{\mathrm{QPSK}}=\frac{1}{2}\mathrm{erfc}\left(\sqrt{\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{QPSK}}}{2}}\right)---\left(5\right)$

图8A到图8C是示出当使用图1A中示出的UQPSK调制方案时，在BPSK和QPSK调制方案的每一个中接收数据的接收设备的数、平均数据速率、图7中所示的每一范围中的中断数的表格。参照图8A到8C，当λ值增加时，即使通过可用于QPSK的接收设备的数量增加，中断数也增加。

首先，当A＝20，a₁＝10，a₂＝7，并且M＝50时，即，用于范围(a)时，根据本发明的用于多播数据的传输设备利用BPSK以6Mbps的数据速率调制50个脉冲串。因此，全部20个接收设备救生以6Mbps接收50个脉冲串，并且平均数据速率是6Mbps。图8A示出利用图1A中示出的UQPSK调制方案执行的模拟的结果。参照图8A，用于大多数λ值的平均数据速率至少是6Mbps，但是，中断数随λ值增加而增加。

当A＝20，a₁＝7，a₂＝8，并且M＝50时，即，对于范围(b)，根据本发明的用于多播数据的传输设备利用BPSK以6Mbps的数据速率调制11个脉冲串，并且利用QPSK以12Mbps的数据速率调制39个脉冲串。因此，平均数据速率是7.404Mbps。参照图8B，当利用图1A中示出的UQPSK调制方案时，平均数据速率在从6Mbps到7.8Mbps的范围，但是中断数随λ值增加而增加。

当A＝20，a₁＝7，a₂＝3，并且M＝50时，即，用于范围(c)时，根据本发明的用于多播数据的传输设备利用BPSK以6Mbps的数据速率调制11个脉冲串，并且利用16QAM以24Mbps的数据速率调制39个脉冲串。因此，平均数据速率是10.68Mbps。参照图8C，当利用图1A中示出的UQPSK调制方案时，中断数随λ值增加而增加，并且数据速率的平均值的最大值仅为8.4Mbps。

在全部接收设备的数据速率低的情况下，当使用图1A中示出的UQPSK调制方案时，平均数据速率比本发明中的数据速率高一点。然而，具有低SNR的接收设备由于中断不能接收传输的数据。

反之，在全部接收设备的数据速率高的情况下，因为本发明使用16QAM，所以本发明中的平均数据速率比图1A中示出的情况中的数据速率高很多，不能在UQPSK调制方案中提供16QAM。

在根据本发明的多播数据的传输以及在利用图1A中示出的传输设备的多播数据的传输中，计算与随着预定参数中的变化改变的数据速率的总和及中断概率。

对于路径损耗模型，使用对数距离模型和对数正态衰落模型。由公式(6)给出路径损耗L。

$L=20\log \left(\frac{4\mathrm{\πf}}{c}\right)+10\mathrm{\α}\log d+X_{\mathrm{\σ}}\left[\mathrm{dB}\right]---\left(6\right)$

在此，“f”指的是载波频率，“c”指的是光速，“d”指的是以米为单位的传输设备和接收设备之间的距离，α指的是路径损耗指数，并且X_σ指的是随标准偏差σ正常分布的对数正态衰落。

可以通过公式(7)计算每一接收设备上的SNR。

SNR＝P_tx-L-N_AWGN

N_AWGN＝10logBW-kT+NF                           ...(7)

在此，P_tx是24dBm的发送器功率，BW是20MHz的带宽，“k”是1.38×10^-23焦耳/开式温度(Joule/Kelvin)的玻尔兹曼常数(Boltzman’sconstant)，T是293K的温度，并且NF是6dB的噪声系数。多播接收设备数U具有如公式(8)中所示的泊松分布(Poisson distribution)。

$P(U=u)=e^{-a}\frac{a^u}{u!}---\left(8\right)$

在此，“a”是接收设备的平均数。假定接收设备在一圈内均匀分布。当缺少对数正态衰落时确定圆的半径作为允许接收设备可靠地接收BPSK数据的最大距离。假定有加性白高斯噪声(AWGN)信道，那么从将BER设置为10¹⁶的公式中获得对BPSK和QPSK所需的SNR。通过将7dB添加到S对QPSK所需的SNR获得对16QAM所需的SNR。

图9A是随路径损耗指数α变化的数据速率的总和的图。参照图9A，当路径损耗指数超过1.5时，本发明中获得的数据速率的总和大于利用UQPSK获得的数据速率的总和。在此，接收设备的平均数“a”是30，并且对数正态衰落的标准偏差σ是4dB。

假定接收设备可以在距离d₁、d₂、和d₃分别接收BPSK数据、QPSK数据、以及16QAM数据。可以接收利用每一调制方案传输的数据的接收设备数与圈内面积成比例。从公式(6)中，可以接收QPSK数据的接收设备数u₂与可以接收16QAM数据的接收设备数u₃的平均比率，和可以接收BPSK数据的接收设备数u₁与可以接收16QAM数据的接收设备数u₃的平均比率如公式(9)中所给出。

$E\left[\frac{u_2}{u_3}\right]=\frac{{\mathrm{\πd}}_2^2-{\mathrm{\πd}}_3^2}{{\mathrm{\πd}}_3^2}=10^{\frac{7}{10\mathrm{\α}}}-1$

$E\left[\frac{u_1}{u_3}\right]=\frac{{\mathrm{\πd}}_1^2-{\mathrm{\πd}}_2^2}{{\mathrm{\πd}}_3^2}=10^{\frac{10}{10\mathrm{\α}}}-{10}^{\frac{7}{10\mathrm{\α}}}={10}^{\frac{1}{\mathrm{\α}}}-{10}^{\frac{7}{10\mathrm{\α}}}---\left(9\right)$

可以从公式(9)中看出，随着路径损耗指数α增加，更多的接收设备可以接收以更高数据速率调制的信号。

图9B是随路径损耗指数α变化的中断概率的图。从图9B中可以推断本发明中获得的中断概率总是小于利用图1A中示出的UQPSK获得的中断概率。这是因为UQPSK需要比接收BPSK调制信号所需的SNR更高的UQPSK，即使当接收设备仅接收I分量。

图9C是随接收设备的平均数“a”变化的数据速率的和的图。可以从图9C推断当接收设备的平均数“a”在从10到40的范围内时，本发明中获得的数据速率的和大于利用UQPSK获得的数据速率的和。

图9D是随接收设备的平均数“a”变化的中断概率的图。可以从图9D推断中断概率与接收设备的平均数“a”无关。

参照图9C到9D，当在UQPSK调制方案中λ＝1时，即，当在UQPSK调制方案中执行QPSK时，数据速率的和与本发明中相同，但是中断概率加倍。

图9E是随对数正态衰落的标准偏差σ变化的数据速率的和的图。图9F是随对数正态衰落的标准偏差σ变化的中断概率的图。在此，路径损耗指数α是3，并且接收设备的平均数“a”是30。

参照图9E，随着对数正态衰落的标准偏差增加，本发明中的数据速率的和增加，但是在UQPSK调制方案中减弱。

参照图9F，随着对数正态衰落的标准偏差增加，本发明和UQPSK调制方案二者中的中断概率增加。在本发明中，中断概率与在BPSK情况下获得的中断概率相同，并且总是低于UQPSK调制方案中当λ比0大时获得的中断概率。

可以将本发明实现为记录在计算机可读介质上的代码，并且可以由包括任何具有信息处理功能的设备的计算机读出。计算机可读介质可以是可以记录的可由计算机系统读取的数据的任何介质，例如，ROM、RAM、CD-ROM、磁带、软盘、以及光数据存储装置。

根据传输和接收具有可扩展数据结构的多播数据的设备和方法，在传输之前预先确定传输不同数据流的数据速率和接收设备组，以便可以增加由全部接收设备接收的附加信息量，并且全部接收设备可以接收基本信息。另外，可以最大化由全部接收设备接收的数据量，并且可以最大化能够接收由基本信息和附加信息二者构成的高质量信息的接收设备的数量。

尽管已经参照其优选实施例具体示出和描述了本发明，但是优选实施例仅用于描述。本领域技术人员将会理解可以在其中作出形式和细节的改变。因此，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (23)

1.一种传输设备，用于将具有可扩展数据结构的多播数据无线地传输到多个外部接收设备，该传输设备包括：

数据流生成器，用于将多播数据分为对应于预定数据速率的多个多播数据流，其中多个外部接收设备可以以该预定数据速率接收数据；

编码处理器，分别将多个多播数据编码；

报头处理器，用于生成对应于每一编码的多播数据流的报头，并且以预定速率调制报头；

数据流调制器，用于以对应于各个编码的多播数据流的预定数据速率调制每一编码的多播数据流；以及

帧生成器，用于将调制的报头添加到调制的多播数据流以生成至少一个传输帧。

2.如权利要求1所述的传输设备，其中，编码处理器包括：

第一处理器，用于对多个多播数据流执行前向纠错；

第二处理器，用于对FEC编码的多播数据流执行交织；以及

第三处理器，用于对FEC编码和交织的多播数据流执行信号星座映射。

3.如权利要求1所述的传输设备，其中，数据流生成器生成多个多播数据流，以便包括基本信息的多播数据流对应于最低数据速率，在该最低数据速率全部接收设备可以用来接收数据，并且包括附加信息的多播数据流对应于另一数据速率，该另一数据速率允许最大化由全部接收设备接收的多播数据量的和，其中附加信息被添加到基本信息中以生成高质量信息。

4.如权利要求1所述的传输设备，其中，数据流生成器生成多个多播数据流，以便包括基本信息的多播数据流对应于最低数据速率，在该最低数据速率全部接收设备可以用来接收数据，并且包括附加信息的每一多播数据流对应于另一数据速率，该另一数据速率允许最大化预定数据速率与可用在预定数据速率的接收设备的数量的乘积。

5.如权利要求1所述的传输设备，其中，报头处理器以与那些对应于报头的多播数据流的数据速率相同的数据速率调制报头。

6.如权利要求1所述的传输设备，其中，报头处理器以最低数据速率调制报头。

7.如权利要求1所述的传输设备，其中，每一报头包括其中包括接收设备的接收设备组的媒体存取控制地址、施加于多播数据流的编码信息、多播数据流的大小，其中所述接收设备具有可以用来接收对应于报头的多播数据流的数据速率。

8.如权利要求7所述的传输设备，其中，每一报头还包括指示另一多播数据流存在或不存在的信息，所述另一多播数据流对应于比对应于当前多播数据流的数据速率更高的数据速率。

9.如权利要求1所述的传输设备，其中，帧生成器将调制的报头加到相应的调制的多播数据流，以生成多个传输帧。

10.如权利要求1所述的传输设备，其中，帧生成器以数据速率的升序排列调制的多播数据流，并且将一组根据调制的多播数据流的顺序排列的调制的报头添加到排列好的一组调制的多播数据流的前面，以便生成单独的传输帧。

11.一种用于将具有可扩展数据结构的多播数据无线地传输到多个外部接收设备的方法，该方法包括以下步骤：

(a)将多播数据分为对应于预定数据速率的多个多播数据流，其中多个外部接收设备可以以该速率接收数据；

(b)分别将多个多播数据编码；

(c)生成对应于每一编码的多播数据流的报头，并且以预定速率调制报头；

(d)以预定数据速率调制每一编码的多播数据流；以及

(e)将调制的报头添加到调制的多播数据流以生成至少一个传输帧。

12.如权利要求111所述的方法，其中，步骤(b)包括以下步骤：

(b1)对多个多播数据流执行前向纠错；

(b2)对FEC编码的多播数据流执行交织；以及

(b3)对FEC编码和交织的多播数据流执行信号星座映射。

13.如权利要求11所述的方法，其中，步骤(a)包括：生成多个多播数据流，以便包括基本信息的多播数据流对应于最低数据速率，在该最低数据速率全部接收设备可以用来接收数据，并且包括附加信息的多播数据流对应于另一数据速率，该另一数据速率允许最大化由全部接收设备接收的多播数据量的和，其中附加信息被添加到基本信息中以生成高质量信息。

14.如权利要求11所述的传输设备，其中，步骤(a)包括：生成多个多播数据流，以便包括基本信息的多播数据流对应于最低数据速率，在该最低数据速率全部接收设备可以用来接收数据，并且包括附加信息的每一多播数据流对应于另一数据速率，该另一数据速率允许最大化预定数据速率与可用在预定数据速率的接收设备的数量的乘积。

15.如权利要求11所述的方法，其中，步骤(c)包括：以与那些对应于报头的多播数据流的数据速率相同的数据速率调制报头。

16.如权利要求11所述的方法，其中，步骤(c)包括：以最低数据速率调制报头。

17.如权利要求11所述的方法，其中，每一报头包括其中包括接收设备的接收设备组的媒体存取控制地址、施加于多播数据流的编码信息、多播数据流的大小，其中所述接收设备具有可以用来接收对应于报头的多播数据流的数据速率。

18.如权利要求17所述的方法，其中，每一报头还包括指示另一多播数据流存在或不存在的信息，所述另一多播数据流对应于比对应于当前多播数据流的数据速率更高的数据速率。

19.如权利要求11所述的方法，其中，步骤(e)包括：将调制的报头加到相应调制的多播数据流，以生成多个传输帧。

20.如权利要求11所述的方法，其中，步骤(e)包括：以数据速率的升序排列调制的多播数据流，并且将一组根据调制的多播数据流的顺序排列的调制的报头添加到排列好的一组调制的多播数据流的前面，以便生成单独的传输帧。

21.一种接收设备，用于从外部传输设备无线接收具有可扩展数据结构的多播数据流，接收设备包括：

报头解调器，用于解调至少一个从外部传输设备传输的传输帧的报头部分，以便生成报头信息信号；

数据流解调器，响应于报头信息信号，从传输帧解调将被接收的数据流部分，从而生成一个或多个编码数据流；

解码器，用于将所述一个或多个编码数据流解码；以及

数据混合器，用于混合所述的一个或多个解码数据流，并且输出具有可扩展数据结构的数据。

22.一种用于从外部传输设备无线接收具有可扩展数据结构的多播数据流的方法，该方法包括以下步骤：

(a)解调至少一个从外部传输设备传输的传输帧的报头部分，并且从传输帧确定将被接收的数据流部分；

(b)对数据流部分解调以生成一个或多个编码数据流；

(c)将所述一个或多个编码数据流解码；以及

(d)混合所述的一个或多个解码数据流，并且输出具有可扩展数据结构的数据。

23.一种无线通信系统，包括传输设备和多个接收设备、

传输设备包括：

数据流生成器，用于将具有可扩展数据结构的多播数据分为对应于预定数据速率的多个多播数据流，其中多个接收设备可以以该速率接收数据；

编码处理器，分别将多个多播数据编码；

报头处理器，用于生成对应于每一编码的多播数据流的报头，并且以预定速率调制报头；

数据流调制器，用于以预定数据速率调制每一编码的多播数据流；以及

帧生成器，用于将调制的报头添加到调制的多播数据流以生成至少一个传输帧；

多个接收设备的每一个包括：

报头解调器，用于解调从传输设备传输的至少一个传输帧的报头部分，以便生成报头信息信号；

数据流解调器，响应于报头信息信号，从传输帧解调将被接收的数据流部分，从而生成一个或多个编码数据流；

解码器，用于将所述一个或多个编码数据流解码；以及

数据混合器，用于混合所述的一个或多个解码数据流，并且输出具有可扩展数据结构的数据。

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