本發(fā)明屬于無線通信小數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)用戶接入與小包數(shù)據(jù)非正交傳輸方法設(shè)計領(lǐng)域，具體的說是一種基于RS碼的預(yù)編碼矩陣設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
：隨著智能終端比如智能手機(jī)、平板等的快速普及，小包業(yè)務(wù)的用戶量迅速增加。與此對應(yīng)，通信網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的小包數(shù)據(jù)也快速增長。典型的小包業(yè)務(wù)包括諸如騰訊QQ之類的即時通信服務(wù)，以及諸如Facebook之類的社交網(wǎng)絡(luò)平臺等。可以說智能終端產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的一個典型特征就是數(shù)據(jù)為小包。小包業(yè)務(wù)，顧名思義，是指業(yè)務(wù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包很短；基本來講，小數(shù)據(jù)包的長度短于通信設(shè)備的最小規(guī)格，即短于時頻資源塊長度。然而，即使包長度短，現(xiàn)存一幀數(shù)據(jù)中包含的諸如前導(dǎo)序列之類的開銷卻不能少，因此小包數(shù)據(jù)幀利用率很低；另一方面，小包業(yè)務(wù)龐大的用戶群體以及業(yè)務(wù)請求的不規(guī)律性導(dǎo)致移動終端與網(wǎng)絡(luò)端(如基站端)頻繁地斷開與重新連接。按照傳統(tǒng)的媒體接入控制(MAC，mediumaccesscontrol)協(xié)議，后者又帶來繁重的接入信令開銷。為了更有效地滿足小數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)的傳輸需求，一個非常重要的方面就是降低傳輸?shù)拈_銷。一種途徑就是接收端對用戶的行為進(jìn)行自動檢測，聯(lián)合完成連接檢測和符號解調(diào)。這樣就可以直接免去資源的動態(tài)分配，從而有效地降低接入信令開銷。為實現(xiàn)這個目標(biāo)，一個有效的方法就是采用基于壓縮感知(compressivesensing，CS)的多用戶檢測技術(shù)。在IEEETransactionsonCommunications的文章《ManyAccessforSmallPacketsBasedonPrecodingandSparsity-awareRecovery》中，作者提出了發(fā)送端預(yù)編碼擴(kuò)展小數(shù)據(jù)包再傳輸，接收端進(jìn)行稀疏恢復(fù)的小數(shù)據(jù)包非正交傳輸方法。小數(shù)據(jù)包的稀疏恢復(fù)中，作者提出了基于干擾消除的塊正交匹配追蹤(interferencecancellationbasedblockorthogonalmatchingpursuit，ICBOMP)算法。所提方法可以免去資源的動態(tài)調(diào)度，因此可以極大降低信令開銷。在上述文章中，預(yù)編碼擴(kuò)展小數(shù)據(jù)包起到了非常重要的作用。預(yù)編碼擴(kuò)展實際上是一種資源映射，數(shù)學(xué)上表示為矩陣運(yùn)算。首先，預(yù)編碼方案解決了小數(shù)據(jù)包長度小于系統(tǒng)傳輸資源粒度的問題，使得系統(tǒng)資源得以充分利用；其次，它還幫助我們建立了屬于塊稀疏的小包數(shù)據(jù)傳輸模型，并且使得即使在小包數(shù)據(jù)用戶數(shù)量多于基站天線數(shù)量的情況下小包數(shù)據(jù)的恢復(fù)成為可能。除此以外，預(yù)編碼矩陣還決定了用戶之間的干擾特性，這直接影響到用戶檢測和符號解調(diào)；同時，預(yù)編碼矩陣還直接決定了方法的系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)雜度，包括計算復(fù)雜度(發(fā)送端的預(yù)編碼計算復(fù)雜度和接收端稀疏恢復(fù)復(fù)雜度)、預(yù)編碼分配復(fù)雜度和系統(tǒng)存儲復(fù)雜度等。這么重要的預(yù)編碼矩陣在上述文獻(xiàn)中并沒有特別設(shè)計。相反，預(yù)編碼矩陣在文獻(xiàn)中是隨機(jī)產(chǎn)生的密集矩陣。這樣產(chǎn)生的預(yù)編碼矩陣存在如下問題：1)信號恢復(fù)性能不能達(dá)到很高，還有提升的空間；2)沒有考慮方法的實現(xiàn)復(fù)雜度：隨機(jī)產(chǎn)生的密集的預(yù)編碼矩陣首先讓發(fā)送端的預(yù)編碼計算復(fù)雜度很高；其次，在ICBOMP恢復(fù)算法下，隨機(jī)產(chǎn)生的預(yù)編碼矩陣恢復(fù)復(fù)雜度很高；接著，接收端在進(jìn)行預(yù)編碼矩陣分配時，開銷也很大，因為要把一個矩陣傳輸給每一個發(fā)送端；最后，存儲這些預(yù)編碼矩陣的開銷也很大。值得一提的是，不管預(yù)編碼矩陣如何設(shè)計，它應(yīng)該滿足：列滿秩和列能量歸一化。前者主要為了信號恢復(fù)的需要，而后者主要保證小數(shù)據(jù)預(yù)編碼前后的總能量保持一致。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明為解決上述現(xiàn)有預(yù)編碼設(shè)計技術(shù)中存在的不足之處，提出一種基于RS碼的預(yù)編碼矩陣設(shè)計方法，以期在提高小數(shù)據(jù)包恢復(fù)準(zhǔn)確性的同時降低方法的復(fù)雜度，從而使得提出的小數(shù)據(jù)包非正交傳輸方法從理論走向?qū)嶋H運(yùn)用。本發(fā)明為達(dá)到上述目的，所采用的技術(shù)方案是：本發(fā)明一種基于RS碼的預(yù)編碼矩陣設(shè)計方法的特點(diǎn)是，應(yīng)用于由N個發(fā)送端將所要傳輸?shù)拈L度為D個數(shù)據(jù)符號的小數(shù)據(jù)包利用預(yù)編碼矩陣進(jìn)行擴(kuò)展至T個數(shù)據(jù)符號后傳輸?shù)揭粋€接收端，并由所述接收端接收后進(jìn)行小數(shù)據(jù)包恢復(fù)的非正交傳輸過程中；D＜T；所述預(yù)編碼矩陣設(shè)計方法是按如下進(jìn)行：步驟1、所述接收端產(chǎn)生RS碼的N個不同初始相位；步驟2、所述接收端將N個所述不同初始相位分配給N個發(fā)送端；步驟3、所述第n個發(fā)送端根據(jù)所分配的初始相位，自行產(chǎn)生第n個RS碼字vn；步驟4、所述第n個發(fā)送端對所述第n個RS碼字vn進(jìn)行矩陣映射，得到第n個維度為T×D的矩陣Qn；步驟5、對所述第n個矩陣Qn的每一列進(jìn)行能量歸一化處理，得到第n個維度為T×D的預(yù)編碼矩陣Pn，從而使得所述第n個發(fā)送端能利用第n個預(yù)編碼矩陣Pn進(jìn)行小數(shù)據(jù)包的擴(kuò)展和傳輸。本發(fā)明所述的基于RS碼的預(yù)編碼矩陣設(shè)計方法的特點(diǎn)也在于，所述步驟1是按如下過程進(jìn)行：步驟1.1、所述接收端產(chǎn)生N0個的隨機(jī)初始相位，N0＞N；由所述N0個的隨機(jī)初始相位產(chǎn)生相應(yīng)的N0個初始RS碼字，記為步驟1.2、對所述N0個初始RS碼字進(jìn)行矩陣映射，得到N0個維度為T×D的初始矩陣，記為步驟1.3、對所述N0個初始矩陣的每一列進(jìn)行能量歸一化處理，得到N0個維度為T×D的初始預(yù)編碼矩陣，記為表示第n0個維度為T×D的初始預(yù)編碼矩陣；1≤n0≤N0；步驟1.4、利用式(1)獲得任意第n0個初始預(yù)編碼矩陣和第m0個初始預(yù)編碼矩陣之間的相關(guān)性系數(shù)w(n0,m0)，1≤m0≤N0，m0≠n0：w(n0,m0)=Σd=1Dσd2(Pn0TPm0)---(1)]]>式(1)中，表示第n0個初始預(yù)編碼矩陣的轉(zhuǎn)置和第m0個初始預(yù)編碼矩陣的乘積所得到的維度為D×D的矩陣的第d個奇異值的平方；步驟1.5、重復(fù)步驟1.4，從而獲得所述N0個初始預(yù)編碼矩陣中，任意兩個初始預(yù)編碼矩陣的相關(guān)性系數(shù)，構(gòu)成相關(guān)系數(shù)向量；步驟1.6、初始化i＝1；步驟1.7、從所述相關(guān)系數(shù)向量中第i次選取最大值，并將第i次最大值及其所對應(yīng)的兩個初始預(yù)編碼矩陣分別從所述相關(guān)系數(shù)向量和N0個初始預(yù)編碼矩陣中刪除，從而得到更新后的相關(guān)系數(shù)向量和更新后的N0-2i個初始預(yù)編碼矩陣；步驟1.8、將i+1的值賦值給i；并返回步驟1.7執(zhí)行，直到N≤N0-2i＜N+2為止，從而獲得N個或N+1個篩選后的預(yù)編碼矩陣；步驟1.9、若篩選后的預(yù)編碼矩陣有N+1個，則從所述N+1個篩選后的預(yù)編碼矩陣中隨機(jī)選取其中的N個作為非正交傳輸過程中所使用的預(yù)編碼矩陣；由所述N個預(yù)編碼矩陣與RS碼字的對應(yīng)關(guān)系，得到所述N個預(yù)編碼矩陣所對應(yīng)的RS碼字的N個不同初始相位；所述碼字到預(yù)編碼矩陣的映射是按如下過程進(jìn)行：步驟a、定義變量j；并初始j＝1；步驟b、利用式(2)獲得第n個矩陣Qn中第j行的非零元素的列位置k，則第n個矩陣Qn中第j行第k列的元素值為k=0Mod(vn(j),D)=0Mod(vn(j),D)else---(2)]]>式(2)中，vn(j)表示第n個RS碼vn的第j個元素；Mod(·)表示取模；步驟c、將j+1賦值給j，并返回步驟b執(zhí)行，直到j(luò)＝T為止。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以產(chǎn)生數(shù)量足夠的預(yù)編碼矩陣供小數(shù)據(jù)包非正交傳輸使用，且這些預(yù)編碼矩陣可以帶來恢復(fù)性能上的提升，同時降低方法的實現(xiàn)復(fù)雜度。具體的，本發(fā)明的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在：1、通過采用非二進(jìn)制的RS碼來產(chǎn)生預(yù)編碼矩陣，本發(fā)明可產(chǎn)生非常多的預(yù)編碼矩陣來服務(wù)大量的用戶，假設(shè)RS碼的初始相位為k0位，q進(jìn)制的RS碼可產(chǎn)生個可能可以產(chǎn)生預(yù)編碼矩陣的碼字；當(dāng)參數(shù)k0和q都合理選擇時，本發(fā)明可以產(chǎn)生足夠多的預(yù)編碼矩陣來滿足小數(shù)據(jù)包的海量傳輸需要。2、由于保證了每個預(yù)編碼矩陣列向量是正交的，本發(fā)明可獲得比隨機(jī)產(chǎn)生的預(yù)編碼矩陣更好的信號恢復(fù)準(zhǔn)確性；3、本發(fā)明可降低方法的實現(xiàn)復(fù)雜度：接收端只需要告知用戶用于產(chǎn)生RS碼的初始相位而不需要傳輸整個矩陣給用戶；發(fā)送端的預(yù)編碼計算最多需要進(jìn)行T次乘法運(yùn)算且不需要進(jìn)行加法運(yùn)算，或者不要進(jìn)行乘法運(yùn)算，發(fā)送符號時只要調(diào)整發(fā)送功率即可；非常稀疏的預(yù)編碼矩陣(每行只有一個非零元素)可以極大降低信號恢復(fù)復(fù)雜度，同時預(yù)編碼矩陣的稀疏存儲也有利于降低存儲開銷。附圖說明圖1為本發(fā)明產(chǎn)生RS碼的移位寄存器硬件電路圖；圖2a為本發(fā)明所設(shè)計的預(yù)編碼矩陣在提高小數(shù)據(jù)包恢復(fù)性能的第一個仿真例子；圖2b為本發(fā)明所設(shè)計的預(yù)編碼矩陣在提高小數(shù)據(jù)包恢復(fù)性能的第二個仿真例子；圖2c為本發(fā)明所設(shè)計的預(yù)編碼矩陣在提高小數(shù)據(jù)包恢復(fù)性能的第三個仿真例子。具體實施方式本實施例中，一種基于RS碼的預(yù)編碼矩陣設(shè)計方法，是應(yīng)用于由N個發(fā)送端將所要傳輸?shù)拈L度為D個數(shù)據(jù)符號的小數(shù)據(jù)包利用預(yù)編碼矩陣進(jìn)行擴(kuò)展至T個數(shù)據(jù)符號后傳輸?shù)揭粋€接收端，并由接收端接收后進(jìn)行小數(shù)據(jù)包恢復(fù)的非正交傳輸過程中；D＜T；利用RS碼設(shè)計所需的預(yù)編碼矩陣是按如下進(jìn)行：步驟1、接收端產(chǎn)生RS碼的N個不同初始相位；這個過程需要進(jìn)行相位的選擇和完成碼字到預(yù)編碼矩陣的映射。由于接收端一般具有強(qiáng)大的計算能力，而且接收端也需要產(chǎn)生預(yù)編碼矩陣用于信號恢復(fù)，因此相位選擇由接收端完成。其中，相位選擇按如下步驟進(jìn)行：步驟1.1、接收端產(chǎn)生N0個的隨機(jī)初始相位，N0＞N。隨機(jī)相位是產(chǎn)生RS碼的移位寄存器電路的初始狀態(tài)，也是RS碼字的一小段，剩余碼字片段由編碼電路產(chǎn)生。由所述N0個的隨機(jī)初始相位產(chǎn)生相應(yīng)的N0個初始RS碼字，記為碼字的產(chǎn)生可以由圖1所示的移位寄存器完成，這個已有很成熟的技術(shù)；步驟1.2、對N0個初始RS碼字進(jìn)行矩陣映射，得到N0個維度為T×D的初始矩陣，記為映射按如下方法進(jìn)行：步驟1.2.1、定義變量j；并初始j＝1；步驟1.2.2、利用式(2)獲得第n個矩陣Qn中第j行的非零元素的列位置k，則第n個矩陣Qn中第j行第k列的元素值為k=0Mod(vn(j),D)=0Mod(vn(j),D)else---(2)]]>式(2)中，vn(j)表示第n個RS碼vn的第j個元素；Mod(·)表示取模。值得一提的是，所有能用于產(chǎn)生預(yù)編碼矩陣的RS碼字都必須使得1到D能夠被式(2)k至少取值1次。這個主要是為了滿足對每個預(yù)編碼矩陣列滿秩的基本要求；同時，映射產(chǎn)生的矩陣可以滿足列與列之間的正交性，這對于提高信號的恢復(fù)準(zhǔn)確性是有幫助的；而且，根據(jù)ICBOMP算法，更高的準(zhǔn)確性還能使得更多的用戶信號在算法沒結(jié)束之前就被正確恢復(fù)，從而降低復(fù)雜度；再者，這樣產(chǎn)生的預(yù)編碼矩陣每行只有一個非零元素，可以說是非常稀疏，則稀疏存儲還可以降低方法中涉及到的存儲復(fù)雜度；當(dāng)然，稀疏的預(yù)編碼矩陣也使得發(fā)送端的預(yù)編碼計算復(fù)雜度大大降低。步驟1.2.3、將j+1賦值給j，并返回步驟1.2.2執(zhí)行，直到j(luò)＝T為止。步驟1.3、按照每列能量歸一化的基本要求，對N0個初始矩陣進(jìn)行每一列能量歸一化處理，得到N0個維度為T×D的初始預(yù)編碼矩陣，記為表示第n0個維度為T×D的初始預(yù)編碼矩陣；1≤n0≤N0；步驟1.4、利用式(1)獲得任意第n0個初始預(yù)編碼矩陣和第m0個初始預(yù)編碼矩陣之間的相關(guān)性系數(shù)w(n0,m0)，1≤m0≤N0，m0≠n0：w(n0,m0)=Σd=1Dσd2(Pn0TPm0)---(1)]]>式(1)中，表示第n0個初始預(yù)編碼矩陣的轉(zhuǎn)置和第m0個初始預(yù)編碼矩陣的乘積所得到的維度為D×D的矩陣的第d個奇異值的平方。式(1)的獲得主要是對小數(shù)據(jù)包擴(kuò)展后的信號進(jìn)行干擾評估得到的干擾度量表達(dá)式，具有合理性和完整性；步驟1.5、重復(fù)步驟1.4，從而獲得N0個初始預(yù)編碼矩陣中，任意兩個初始預(yù)編碼矩陣的相關(guān)性系數(shù)，構(gòu)成相關(guān)系數(shù)向量；步驟1.6、初始化i＝1；步驟1.7、從相關(guān)系數(shù)向量中第i次選取最大值，并將第i次最大值及其所對應(yīng)的兩個初始預(yù)編碼矩陣分別從相關(guān)系數(shù)向量和N0個初始預(yù)編碼矩陣中刪除，從而得到更新后的相關(guān)系數(shù)向量和更新后的N0-2i個初始預(yù)編碼矩陣；步驟1.8、將i+1的值賦值給i；并返回步驟1.7執(zhí)行，直到N≤N0-2i＜N+2為止，從而獲得N個或N+1個篩選后的預(yù)編碼矩陣。步驟1.6到步驟1.8是為了選擇出用戶相關(guān)性比較小的預(yù)編碼矩陣，這個對于用戶檢測和關(guān)鍵。用戶之間干擾越小，用戶檢測準(zhǔn)確性就越高。步驟1.9、若篩選后的預(yù)編碼矩陣有N+1個，則從所述N+1個篩選后的預(yù)編碼矩陣中隨機(jī)選取其中的N個作為非正交傳輸過程中所使用的預(yù)編碼矩陣；由N個預(yù)編碼矩陣與RS碼字的對應(yīng)關(guān)系，得到所述N個預(yù)編碼矩陣所對應(yīng)的RS碼字的N個不同初始相位；步驟2、接收端將N個不同初始相位分配給N個發(fā)送端。通過發(fā)送初始相位而不用發(fā)送整個碼字，方法中涉及到的預(yù)編碼分配復(fù)雜度同樣得到大大降低。步驟3、第n個發(fā)送端根據(jù)所分配的初始相位，可按照圖1所示的移位寄存器自行產(chǎn)生第n個RS碼字vn；步驟4、第n個發(fā)送端對第n個RS碼字vn進(jìn)行矩陣映射，得到第n個維度為T×D的矩陣Qn。映射按步驟1.2.2所述方法進(jìn)行。步驟5、對第n個矩陣Qn的每一列進(jìn)行能量歸一化處理，得到第n個維度為T×D的預(yù)編碼矩陣Pn，從而使得所述第n個發(fā)送端能利用第n個預(yù)編碼矩陣Pn進(jìn)行小數(shù)據(jù)包的擴(kuò)展和傳輸。由上述產(chǎn)生的預(yù)編碼矩陣代入方法使用的效果可以由仿真圖2a、圖2b、圖2c表現(xiàn)出來。圖2a、圖2b和圖2c所示的仿真結(jié)果圖中，pmRS表示由本發(fā)明給出的RS碼設(shè)計方法，pmRD表示隨機(jī)產(chǎn)生的密集的預(yù)編碼矩陣。圖2a、圖2b和圖2c分別表示不同傳輸用戶數(shù)(Na)條件下的戶檢測錯誤率(UDER,userdetectionerrorrate)、誤幀率(FER，frameerrorrate)和所設(shè)計的預(yù)編碼矩陣在降低ICBOMP信號恢復(fù)復(fù)雜度中的優(yōu)勢----(用ICBOMP的每一迭代步驟中需要更新的小包數(shù)作為衡量指標(biāo))。其它參數(shù)為(M,N,d,T,K)＝(8,1280,200,1000,30)；ICBOMP算法中的信道編碼采用(2,1,7)的卷積碼，碼率為1/2，約束長度為7，八進(jìn)制表示的生成多項式為[117155]，解碼采用16個量化精度的Viterbi軟譯碼；24比特CRC校驗。RS碼的參數(shù)為：信息比特長度k＝3，q＝210＝1024，t＝510，本原多項式的八進(jìn)制表示為[1102]。仿真結(jié)果表明，UDER性能上，當(dāng)信息比特噪聲功率比(Eb/N0)比較低時，隨機(jī)產(chǎn)生的預(yù)編碼矩陣稍微好一點(diǎn)，隨著Eb/N0的增加，發(fā)明設(shè)計的預(yù)編碼矩陣帶來更低的UDER；FER性能上，發(fā)明設(shè)計的預(yù)編碼矩陣比隨機(jī)產(chǎn)生的預(yù)編碼矩陣帶來差不多1dB左右的性能增益，當(dāng)Nα＝24時離單用戶的最大可能達(dá)到的性能界只有1.4dB左右；ICBOMP的每一迭代步驟需要更新的小包數(shù)會影響恢復(fù)的復(fù)雜度，結(jié)果表明，發(fā)明設(shè)計的預(yù)編碼矩陣可以讓每一迭代步驟需要更新的小包數(shù)更少，這就降低了ICBOMP的復(fù)雜度。當(dāng)前第1頁1 2 3