專利名稱：一種基于噴泉編碼的頻譜聚合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種頻譜聚合方法，特別涉及一種采用噴泉編碼的頻譜聚合方法，屬于有線及無線通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
頻譜聚合屬于信道帶寬資源共享技術(shù)，主要研究在保證服務(wù)質(zhì)量的同時，如何使公共資源的利用率達到最佳，其特點是聚合多個離散(連續(xù))頻域，使總帶寬增大，以支持?jǐn)?shù)據(jù)速率更高的業(yè)務(wù)。從長期演進(Long Term Evolution,LTE)到LTE的后續(xù)演進(Long Term Evolution-Advanced, LTE-A)過程中，更寬頻譜需求將成為演進的最重要因素之一。 從現(xiàn)有的頻譜分配方式和規(guī)劃考慮，很難找到足夠的承載LTE-A系統(tǒng)100MHz帶寬的整段頻帶。為此，眾多研究機構(gòu)對頻譜聚合方法開展了研究工作，如DoCoMo、Ericsson, Huawei 等。但傳統(tǒng)的固定編碼速率的信道編碼方法，不能自適應(yīng)于系統(tǒng)的動態(tài)變化，并且只有在編碼速率很低時，才能維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前，傳統(tǒng)的信道編碼方法主要包括分組碼、卷積碼、級聯(lián)碼等。上述編碼方法，具體實現(xiàn)如下1).分組碼是一類重要的糾錯碼，可以表示為(n，k)。其中，k為信源信息長度， η為編碼碼字長度。編碼速率R為k/n，是固定值；如果發(fā)送的數(shù)據(jù)利用多個離散(連續(xù)) 信道進行傳輸，當(dāng)每個信道狀態(tài)不同時，為保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，編碼速率R取決于狀態(tài)較差的信道，將造成頻譜資源的浪費；此編碼方法適用于信道數(shù)量較少，并且每個信道狀態(tài)相近的系統(tǒng)；2).卷積碼是一種前向糾錯碼，因結(jié)構(gòu)簡單、具有較強的糾錯能力等獲得了廣泛應(yīng)用。相比于分組碼，卷積碼具有記憶效應(yīng)，并且信源信息長度k和編碼碼字長度η較小，適合以串行形式進行傳輸，時延要求較高的系統(tǒng)。但編碼速率R是固定值，多個離散(連續(xù)) 信道聚合傳輸數(shù)據(jù)時，不能適應(yīng)每條信道的狀態(tài)；為維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，編碼速率R取值較小，將造成頻譜資源的浪費；3).級聯(lián)碼將多個編碼以串聯(lián)或并聯(lián)的方式結(jié)合在一起，具有較強的糾突發(fā)和糾隨機錯誤的能力；然而，與分組碼、卷積碼類似，級聯(lián)碼的編碼速率R也是固定值，如果聚合多條信道傳輸數(shù)據(jù)時，不能依據(jù)每條信道的狀態(tài)確定不同的編碼速率R ；由以上方法可知，頻譜聚合的主要問題是多個離散(連續(xù))信道帶來的多個編碼速率取值。一旦聚合多個離散(連續(xù))信道，獲得大帶寬傳輸數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的信道編碼方法， 如分組碼、卷積碼、級聯(lián)碼等，其編碼速率是固定值。這種編碼方法，對狀態(tài)相近的多個信道有效；如果多個信道的狀態(tài)相差較大，為保證每個信道的傳輸質(zhì)量，編碼速率取決于較差的信道；較低的編碼速率，對于其它較好狀態(tài)的信道而言，不可避免地造成信道帶寬資源的浪費。可見，上述信道編碼方法在實際應(yīng)用中還是有缺陷的，不能完全滿足最大限度地利用信道帶寬資源的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服傳統(tǒng)的信道編碼，如分組碼、卷積碼、級聯(lián)碼等，遇到多條離散(連續(xù))信道聚合時不能自適應(yīng)于每條信道狀態(tài)的缺陷，提出了一種基于噴泉編碼的頻譜聚合方法。本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。本發(fā)明的一種基于噴泉編碼的頻譜聚合方法，其具體步驟如下步驟一、發(fā)送端構(gòu)造待發(fā)送數(shù)據(jù)幀，為構(gòu)造包含K個信源數(shù)據(jù)包的待發(fā)送數(shù)據(jù)幀，設(shè)計每個信源數(shù)據(jù)包中包含N組二進制符號(a0, a1; ···, aN_!), (b0, hl, ...,H ...,(Ji^f1, D ,規(guī)定(a0, a” ···, a^^ , Ovb1,…，V1), (f0, f1 …，fN_i)構(gòu)成一個待發(fā)送的數(shù)據(jù)幀；其中K和N均為正整數(shù)；步驟二、發(fā)送端將待發(fā)送數(shù)據(jù)幀進行噴泉編碼，為將步驟一中構(gòu)造的待發(fā)送數(shù)據(jù)幀進行噴泉編碼，生成半無限的噴泉編碼數(shù)據(jù)包
(A0，A1 j " ，AN—工)，(BqJ B1 J " ，BN—工)，" ，(FQJ F” " ，F(xiàn)^1)， “；步驟三、發(fā)送端對信道進行頻譜檢測，當(dāng)檢測結(jié)果滿足發(fā)送要求后輸出噴泉編碼數(shù)據(jù)包，為發(fā)送端對多個離散或者多個連續(xù)信道進行頻譜檢測，若檢測結(jié)果不滿足發(fā)送要求，則等待直到滿足發(fā)送要求為止；若檢測結(jié)果滿足發(fā)送要求，如低于所設(shè)定的門限，發(fā)送端將步驟二中生成的噴泉編碼數(shù)據(jù)包(A0, A1, -,AnJ, (BojB1,…，Bim), ···, (FojF1,…， Fn^1),…經(jīng)加入適量校驗比特后輸出到相應(yīng)信道中；步驟四、利用頻譜聚合實現(xiàn)大帶寬數(shù)據(jù)傳輸，具體為如果步驟三中同時有多個離散或者多個連續(xù)信道傳輸數(shù)據(jù)，則采用頻譜聚合實現(xiàn)大帶寬的數(shù)據(jù)傳輸，否則利用單個信道進行數(shù)據(jù)傳輸；此時，由于噴泉編碼的碼字隨機生成，接收數(shù)據(jù)包不受信道類型的限制，發(fā)送端只需源源不斷地發(fā)送噴泉編碼數(shù)據(jù)包；步驟五、接收端檢測、接收數(shù)據(jù)并進行譯碼判決，為5. 1對接收到的不同離散或者不同連續(xù)信道傳輸?shù)膰娙幋a數(shù)據(jù)包進行檢測和校驗后，接收端獲得正確的噴泉編碼數(shù)據(jù)包；5. 2接收端接收到正確噴泉編碼數(shù)據(jù)包的數(shù)目等于或大于信源數(shù)據(jù)包K時，就恢復(fù)信源數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)成功傳輸；5. 3接收端將正確譯碼的信息反饋給發(fā)送端后，發(fā)送端則停止輸出；步驟五中所檢測、接收的數(shù)據(jù)報是指如果同時有多個離散或者多個連續(xù)信道傳輸數(shù)據(jù)，接收端所收到的將是多個信道傳輸后的復(fù)合信號；若與其他用戶發(fā)送的信號發(fā)生碰撞時，接收端將傳送給自己的數(shù)據(jù)作為信號，將其他不是傳給本接收端的信號視為干擾，然后進行信號檢測，當(dāng)各個用戶的信號干擾比相差比較明顯時，接收端先檢測出信號干擾比較大的信號，然后進一步檢測出信號干擾比較小的信號；以此類推，即使多個發(fā)送端因碰撞而重疊在一起，通過這種方法，接收端也可能檢測出數(shù)據(jù)；這樣，采用基于噴泉編碼的頻譜聚合方法，不但可以通過聚合多個離散(連續(xù))信道，獲得大帶寬的數(shù)據(jù)傳輸，而且還由于信號交疊重用技術(shù)進一步提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量；本發(fā)明經(jīng)過上述五個步驟后，即完成了基于噴泉編碼的頻譜聚合方法。
有益效果本發(fā)明通過聚合多個離散或者多個連續(xù)信道以獲得大帶寬的數(shù)據(jù)傳輸，在數(shù)據(jù)幀發(fā)生碰撞沖突時，不但不需要各個發(fā)送端等待或退避，而且由于信號交疊重用技術(shù)的應(yīng)用， 統(tǒng)計復(fù)用了系統(tǒng)信道帶寬資源，進一步提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐能力。


圖1為本發(fā)明基于噴泉編碼的頻譜聚合方法系統(tǒng)示意圖；圖2為本發(fā)明基于數(shù)據(jù)包的噴泉編碼示意圖。圖3為本發(fā)明基于離散信道的頻譜聚合方法示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。實施例1如圖1所示，以發(fā)送端用戶A發(fā)送包含K個信源數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)幀到接收端B為例， 采用本發(fā)明的基于噴泉編碼的頻譜聚合方法，具體步驟為1).構(gòu)造待發(fā)送數(shù)據(jù)幀，設(shè)計包含K個信源數(shù)據(jù)包的待發(fā)送數(shù)據(jù)幀( , B1,…，
ι)，(b〇，b1 J " ，bN—工)，" ，(fο fιj ”，fjs[-i)；2).將待發(fā)送數(shù)據(jù)幀進行噴泉編碼，如圖2所示，用戶A將信源數(shù)據(jù)包( ，…， a^), (b0,bi; ---,b^), ···, (f0 fi ...,f^)重新排序成數(shù)據(jù)包(a0,b0, ..., f0), (a^b” ...， f\)，…，( +!^，…，fN_i)后進行噴泉編碼，如將排序后的第i個數(shù)據(jù)包(ai，bi，···，&) 經(jīng)過噴泉編碼后生成編碼數(shù)據(jù)包(AyBi, -,Fi,=0,1,…，N-I ；按列輸出即為噴泉編碼數(shù)據(jù)包(Ac^A1, -,Am), (BojB1,…，Bh)，···, (F0, F1, ···, FnJ,…；實際所使用的噴泉編碼可以是LT (Luby Transform)碼，Raptor碼，Reed-Solomon 碼，或者基于有限域GF (q)的多進制隨機噴泉碼等；3).信道頻譜檢測的目的就是查找目前適合通信的信道。本實施例假定當(dāng)檢測結(jié)果低于一定的門限時，滿足通信要求。此時，將生成的噴泉編碼數(shù)據(jù)包(Atl, A1,…，Aim), (B0, B1, -,Bn^1), ···, (FojF1,…，F(xiàn)im),…經(jīng)CRC校驗后分別發(fā)送到信道中；4).在用戶A發(fā)送噴泉編碼數(shù)據(jù)包的過程中，若采用多個離散信道傳輸數(shù)據(jù)，如圖 3所示采用頻譜聚合實現(xiàn)大帶寬的數(shù)據(jù)傳輸，無需經(jīng)過其他處理方式，只要源源不斷地發(fā)送噴泉編碼數(shù)據(jù)包；5).由于用戶A利用多個離散(連續(xù))信道同時發(fā)送數(shù)據(jù)，接收端所接收到的將是多個信道傳輸后的復(fù)合信號。若與其他用戶發(fā)送的信號發(fā)生碰撞時，用戶B以傳送給自己的數(shù)據(jù)作為信號，而將其他部分(不是傳給本接收端的信號)看成干擾，在用戶B進行信號檢測。當(dāng)各個發(fā)送端的信號干擾比相差比較明顯時，接收端可以先檢測出信號干擾比較大的信號。在此基礎(chǔ)上，進一步檢測出信號干擾比較小的信號。通過這種方法，即使多個發(fā)送端傳輸?shù)男盘栆蚺鲎捕丿B在一起，用戶B也可以檢測出數(shù)據(jù)包。這樣，采用基于噴泉編碼的頻譜聚合方法，不但可以聚合多個離散(連續(xù))信道，獲得大帶寬的數(shù)據(jù)傳輸，而且還由于信號交疊重用技術(shù)提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。并且，信道狀態(tài)較好的信道可以傳送較多的噴泉編碼數(shù)據(jù)包，以協(xié)助信道狀態(tài)較差的信道，進一步提高系統(tǒng)的頻帶利用率。
對于檢測接收的噴泉編碼數(shù)據(jù)包，經(jīng)CRC校驗后，接收端B獲得用戶A發(fā)送的正確的噴泉編碼數(shù)據(jù)包；由噴泉碼譯碼原理，若正確接收到的編碼數(shù)據(jù)包的數(shù)目等于或大于信源數(shù)據(jù)包，即可高概率成功譯碼。實際上，所需正確接收到數(shù)據(jù)包的數(shù)目為K(1+O，其中， K為信源編碼數(shù)據(jù)包，ε是譯碼開銷，一般ε取值在0^-5%。如果使用Reed-Solomon碼作為噴泉碼，則只需接收到K個數(shù)據(jù)包即可，此時，ε =O0實施例2仍如圖1所示，以認知無線電，非授權(quán)用戶A利用頻譜空洞發(fā)送包含K個信源數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)幀到接收端B為例，采用本發(fā)明的基于噴泉編碼的頻譜聚合方法，具體步驟為1).構(gòu)造待發(fā)送數(shù)據(jù)幀，設(shè)計包含K個信源數(shù)據(jù)包的待發(fā)送數(shù)據(jù)幀( , B1,…，
ι)，(b〇，b1 J " ，bN—工)，" ，(fο fιj ”，fjs[-i)；2).將待發(fā)送數(shù)據(jù)幀進行噴泉編碼，如圖2非授權(quán)用戶A將信源數(shù)據(jù)包( , ，…， a^), (b0,bi; ---,b^), ···, (f0 fi ...,f^)重新排序成數(shù)據(jù)包(a0,b0, ..., f0), (a^b” ...， f\)，…，( +!^，…，fN_i)后進行噴泉編碼，如將排序后的第i個數(shù)據(jù)包(ai，bi，···，&) 經(jīng)過噴泉編碼后生成編碼數(shù)據(jù)包(AyBi, -,Fi,=0,1,…，N-I ；按列輸出即為噴泉編碼數(shù)據(jù)包(Ac^A1, -,Am), (BojB1,…，Bh)，···, (F0, F1, ···, FnJ,…；實際所使用的噴泉編碼可以是LT (Luby Transform)碼，Raptor碼，Reed-Solomon 碼，或者基于有限域GF (q)的多進制隨機噴泉碼等；3).通過頻譜檢測驗證目前多個信道資源是否被授權(quán)用戶使用。若未被使用，或者被使用但是當(dāng)前時刻功率很低時，未授權(quán)用戶可利用此頻譜空洞進行通信。本實施例假定當(dāng)頻譜檢測結(jié)果低于一定的門限時，未授權(quán)用戶即可通信。此時，將生成的噴泉編碼數(shù)據(jù)包 (A0, A1,…，Ah)，(Bc^B1,…，BH)，…，(FcpF1,…，F(xiàn)m),…經(jīng) CRC 校驗后輸出；4).非授權(quán)用戶A在發(fā)送噴泉編碼數(shù)據(jù)包的過程中，若遇到授權(quán)用戶使用該信道， 則等待或退避直到頻譜檢測結(jié)果滿足通信要求為止；若與其他非授權(quán)用戶發(fā)生碰撞沖突時，則不必等待或退避，若采用多個離散信道傳輸數(shù)據(jù)，如圖3所示，采用頻譜聚合實現(xiàn)大帶寬的數(shù)據(jù)傳輸，無需經(jīng)過其他處理方式，只需源源不斷地發(fā)送噴泉編碼數(shù)據(jù)包；5).若非授權(quán)用戶A在發(fā)送噴泉編碼數(shù)據(jù)包的過程中，與其他非授權(quán)用戶發(fā)生碰撞沖突，接收端B將傳送給自己的數(shù)據(jù)作為信號，而將其他部分(不是傳給本接收端的信號)看成干擾，進行信號檢測。例如，當(dāng)各個發(fā)送端的信號干擾比相差比較明顯時，接收端B 可以檢測出信號干擾比較大的信號。在此基礎(chǔ)上，進一步獲得信號干擾比較小的信號。以此類推，通過這種方法，即使多個發(fā)送端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)因碰撞而重疊在一起，接收端B也可以檢測出數(shù)據(jù)包。這樣，采用基于噴泉編碼的頻譜聚合方法，不但可以通過聚合多個離散(連續(xù))信道，獲得大帶寬的數(shù)據(jù)傳輸，而且還可以采用信號交疊重用技術(shù)進一步提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。對于檢測接收的噴泉編碼數(shù)據(jù)包，經(jīng)CRC校驗后，接收端B獲得正確的噴泉編碼數(shù)據(jù)包；由噴泉碼譯碼原理，若正確接收到的編碼數(shù)據(jù)包的數(shù)目等于或大于信源數(shù)據(jù)包，即可高概率成功譯碼。實際上，所需正確接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)目為κα+Ο，其中，κ為信源編碼數(shù)據(jù)包，ε是譯碼開銷，一般ε取值在0%-5%。由于頻譜聚合時間的任意性，用戶在發(fā)送數(shù)據(jù)幀的過程中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化。傳統(tǒng)的信道編碼方法，如分組碼、卷積碼、級聯(lián)碼等，編碼速率是固定的，只有在編碼速率很低時，才能維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，造成帶寬資源的浪費。由噴泉編碼的譯碼原理，終端只要接收一定數(shù)量的噴泉編碼數(shù)據(jù)包，而不論接收噴泉編碼數(shù)據(jù)包的次序，就可以實現(xiàn)高概率成功譯碼，因此，噴泉編碼可以依據(jù)每條信道的實際情況，自適應(yīng)的調(diào)整編碼速率，逼近信道容量。信道狀態(tài)較好的信道可以傳送較多的噴泉編碼數(shù)據(jù)包，以協(xié)助信道狀態(tài)較差的信道，進一步提高系統(tǒng)的頻帶利用率。當(dāng)多個用戶在發(fā)送數(shù)據(jù)幀的過程中發(fā)生碰撞沖突時， 各個發(fā)送端不必等待或退避，只需源源不斷地發(fā)送噴泉編碼數(shù)據(jù)包，從而統(tǒng)計復(fù)用了信道帶寬資源，提高了數(shù)據(jù)吞吐能力。在此基礎(chǔ)上，如果各個發(fā)送端的信號干擾比相差比較明顯時，通過信號交疊技術(shù)可以進一步提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。 本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本實用發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等效的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，其專利保護范圍是由本申請權(quán)利要求書所限定的。
權(quán)利要求
1. 一種基于噴泉編碼的頻譜聚合方法，其特征在于，具體步驟如下 步驟一、發(fā)送端構(gòu)造待發(fā)送數(shù)據(jù)幀，具體為構(gòu)造包含K個信源數(shù)據(jù)包的待發(fā)送數(shù)據(jù)幀，設(shè)計每個信源數(shù)據(jù)包中包含N組二進制符號(a0, a1; ···, a^), (b0, hl, ···, b^), (f0,JV1),規(guī)定(a0, a” ···, a^^ , (b0,b1 …，f^)，···，(&，。…，fN-i)構(gòu)成一個待發(fā)送的數(shù)據(jù)幀； 其中K和N均為正整數(shù)；步驟二、發(fā)送端將待發(fā)送數(shù)據(jù)幀進行噴泉編碼，具體為將步驟一中構(gòu)造的待發(fā)送數(shù)據(jù)幀進行噴泉編碼，生成半無限的噴泉編碼數(shù)據(jù)包(Atl,A1 J “，AN—工)，(Bqj B1 J " ，BN—工)，" ，(Fq J F” " ，F(xiàn)^1)， “；步驟三、發(fā)送端對信道進行頻譜檢測，當(dāng)檢測結(jié)果滿足發(fā)送要求后輸出噴泉編碼數(shù)據(jù)包，具體為發(fā)送端對多個離散或者多個連續(xù)信道進行頻譜檢測，若檢測結(jié)果不滿足發(fā)送要求，則等待直到滿足發(fā)送要求為止；若檢測結(jié)果滿足發(fā)送要求，如低于所設(shè)定的門限，發(fā)送端將步驟二中生成的噴泉編碼數(shù)據(jù)包H…，Aim), (Bc^B1，…，Bh)，…，(FcpF1,…，F(xiàn)im),… 經(jīng)加入適量校驗比特后輸出到相應(yīng)信道中；步驟四、利用頻譜聚合實現(xiàn)大帶寬數(shù)據(jù)傳輸具體為如果步驟三中同時有多個離散或者多個連續(xù)信道傳輸數(shù)據(jù)，則采用頻譜聚合實現(xiàn)大帶寬的數(shù)據(jù)傳輸，此時發(fā)送端只需源源不斷地發(fā)送噴泉編碼數(shù)據(jù)包，否則利用單個信道進行數(shù)據(jù)傳輸；步驟五、接收端檢測、接收數(shù)據(jù)并進行譯碼判決，具體為、5. 1對接收到的不同離散或者不同連續(xù)信道傳輸?shù)膰娙幋a數(shù)據(jù)包進行檢測和校驗后，接收端獲得正確的噴泉編碼數(shù)據(jù)包；、5. 2接收端接收到正確噴泉編碼數(shù)據(jù)包的數(shù)目等于或大于信源數(shù)據(jù)包K時，就恢復(fù)信源數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)成功傳輸；、5. 3接收端將正確譯碼的信息反饋給發(fā)送端后，發(fā)送端則停止輸出； 經(jīng)過上述五個步驟后，即完成了基于噴泉編碼的頻譜聚合方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種頻譜聚合方法，特別涉及一種采用噴泉編碼的頻譜聚合方法，屬于有線及無線通信技術(shù)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的固定編碼速率的信道編碼方法，只有在編碼速率很低時，才能維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，造成信道帶寬資源浪費，針對此缺陷，該方法采用構(gòu)造待發(fā)送數(shù)據(jù)幀、將待發(fā)送數(shù)據(jù)幀進行噴泉編碼、頻譜檢測、輸出噴泉編碼數(shù)據(jù)包、頻譜聚合實現(xiàn)大帶寬數(shù)據(jù)傳輸、檢測接收、譯碼判決等步驟，得到了采用噴泉編碼的頻譜聚合方法。相比于固定編碼速率的信道編碼方法，該方法可以自適應(yīng)于系統(tǒng)的動態(tài)變化，在發(fā)送端未知信道狀態(tài)信息的情況下，逼近信道容量。
文檔編號H04L5/00GK102546115SQ20121003099
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月13日
發(fā)明者朱春華, 楊靜, 王珂 申請人:河南工業(yè)大學(xué)