一種無線網絡中的小包數(shù)據傳輸方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種無線網絡中的小包數(shù)據傳輸方法及系統(tǒng)，方法首先構造預編碼矩陣，然后通過對小包數(shù)據進行長度擴展，再送入信道進行傳輸，在接收端，采用歸一化的BOMP算法來恢復小包數(shù)據。本發(fā)明所構造的預編碼矩陣具有以下優(yōu)勢：可以針對多個用戶連接產生足夠多的預編碼矩陣；獲得比隨機產生的預編碼矩陣更好的信號恢復準確性；降低小包數(shù)據傳輸?shù)膹碗s度；使得預編碼后的符號獲得統(tǒng)計上良好的PAPR特性。
【專利說明】
-種無線網絡中的小包數(shù)據傳輸方法及系統(tǒng)
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信領域，尤其設及一種無線網絡中的小包數(shù)據傳輸方法及系 統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 隨著智能終端比如智能手機、平板等的快速普及，小包業(yè)務的用戶量迅速增加。與 此對應，通信網絡中產生的小包數(shù)據也快速增長。典型的小包業(yè)務包括諸如騰訊QQ之類的 即時通信服務，W及諸如化cebook之類的社交網絡平臺等?？蒞說智能終端產生的業(yè)務數(shù) 據的一個典型特征就是數(shù)據為小包。小包業(yè)務極大地改變了用戶(特別是青年用戶群體)的 生活、學習、工作等的方式。
[0003] 小包業(yè)務，顧名思義，是指業(yè)務產生的數(shù)據包很短;基本來講，小數(shù)據包的長度短 于通信設備的最小規(guī)格，即短于時頻資源塊長度。然而，即使包長度短，現(xiàn)存一帖數(shù)據中包 含的諸如前導序列之類的開銷卻不能少，因此小包數(shù)據帖利用率很低；另一方面，小包業(yè)務 龐大的用戶群體W及業(yè)務請求的不規(guī)律性導致移動終端與網絡端(如基站端)頻繁地斷開 與重新連接，運又帶來繁重的接入信令開銷。總的來說，小包業(yè)務給網絡帶來繁重的開銷負 擔。
[0004] 面對小包業(yè)務的新特點，傳統(tǒng)的媒體接入控制(MAC,medium access control)協(xié) 議由于效率很低而顯得力不從屯、。W上行為例，傳統(tǒng)MC協(xié)議都是分配給每一個接入用戶正 交的資源塊W避免相互之間的干擾，即正交接入。正交接入在需要服務的用戶數(shù)量不多的 時候可W取得非常好的效果;但是面對非常大的用戶數(shù)量，正交接入所需的資源數(shù)量并不 能得到滿足，其代價是資源調度會產生很大的服務延時從而降低服務質量(QoS, quality of service)。值得注意的是，5G通信系統(tǒng)的涵蓋的通信領域越來越大，包括蜂窩通信、機器 到機器通信（M2M，machine to machine)等，可W說5G通信體現(xiàn)了物聯(lián)網（IoT，inte;rnet Of thing)的概念。在5G通信中，突發(fā)業(yè)務將會占很大比重，而且運些業(yè)務的另一個典型特 點是數(shù)據包長度很短。5G通信需滿足諸如高頻譜效率，高接入量和低延時服務的要求。
[0005] 已有的正交接入技術不能滿足未來通信要求的問題目前得到學術界和產業(yè)界的 關注。5G上行鏈路中的熱口多址候選方案分為正交多址（o;rthogonal multiple access， OMA)方式和非正交多址(non-〇;rthogonal multiple access，N0MA)方式。正交的接入方式 主要指正交頻分多址（〇：rthogonal frequen巧 division multiple access,0FDMA)(上行 鏈路一般采用非正交的單載波頻分多址（single carrier frequen巧division multiple access，SC-FDMA)，因為OFDMA會帶來比較高的峰值平均功率比）。由于非正交多址方式可W 提高系統(tǒng)吞吐量和容納更多的用戶，它們得到廣泛關注并被認為非常有希望成為5G通信的 接入技術。目前已經被提出的非正交的接入方式包括功率域的N0MA[8]、稀疏碼分多址 (sparse code multiple access，SCMA)、多用戶共享接入(multi-user shared access， MUSA)等。總結來講，運些非正交技術都還不成熟，它們都有自身的問題目前需要克服。
[0006] 值得一提的是，5G并不是只支持一種接入方式。由于5G有初步物聯(lián)網（internet of thing,IoT)的概念，其涵蓋的通信場景很多，有些場景可能正交的多址方式就可W滿足 接入量需求，而有些場景則需要非正交的多址方式W容納更多的通信用戶。
[0007] 為了更有效地滿足小數(shù)據包數(shù)據的傳輸需求，一個非常重要的方面就是降低傳輸 的開銷。一種降低傳輸開銷的途徑就是降低小數(shù)據包發(fā)送前的資源分配信令。另一種途徑 就是接收端對用戶的行為進行自動檢測，聯(lián)合完成連接檢測和符號解調。第二種途徑在物 理層便可W完成按原來協(xié)議屬于高層的檢測任務。為實現(xiàn)第二種途徑中的目標，一個有效 的方法就是采用基于壓縮感知(compressive sensing ,CS)的多用戶檢測技術。
[0008] 自從關于壓縮感知的奠基性文章發(fā)表W來，過去幾年出現(xiàn)了對壓縮感知研究的極 大熱情。從通信角度去看，壓縮感知模型與多用戶的接入模型高度一致。而且，壓縮感知模 型代表的通常是非正交的多用戶接入模型。將壓縮感知技術運用于通信中，則可W在物理 層聯(lián)合完成連接檢測和符號解調，并且允許通信系統(tǒng)是欠定的線性系統(tǒng)。連接檢測在之前 的通信協(xié)議中由高層完成，而基于壓縮感知的多用戶檢測方法卻可W在物理層實現(xiàn)連接檢 測，運是一個很有意思的轉變;在物理層上實現(xiàn)符號的解調并不陌生，比如CDMA系統(tǒng)就是一 個典型的例子。
[0009] 事實上，將壓縮感知技術運用于多用戶接入檢測已經有相當多的工作了。運些工 作基本上源于運樣一個事實:稀疏是接入信道的一個自然屬性，即同時有數(shù)據發(fā)送的用戶 只占總用戶數(shù)的很小的一部分。運些研究工作表明，采用諸如正交匹配追蹤（0MP， orthogonal matching pursuit)的稀疏恢復算法可W獲得好于單用戶檢測的恢復性能。同 時，也有研究結果表明，基于壓縮感知的多址技術可W免去用戶的身份信息開銷，并且相對 于一些常用的接入技術，前者可W降低解碼時延（即表示用戶有數(shù)據發(fā)送請求到數(shù)據在接 收端成功解碼之間的時間跨度）。運兩個優(yōu)勢均來自于壓縮感知的恢復方法不需要知道哪 些用戶有發(fā)送信息，只要用戶發(fā)送行為具有稀疏性，解碼端就可W完成滿足一定精度的信 號恢復；同時，由于不需要進行資源的分配，用戶有數(shù)據就可W發(fā)送，解碼時延很大可能得 到降低。運同時也說明，基于壓縮感知的非正交多用戶接入方法并不需要信令參與傳輸資 源的分配和協(xié)調過程，如果約定接入信令特指用戶接入時協(xié)調資源分配的開銷，則該方法 可實現(xiàn)零信令的多址傳輸。

【發(fā)明內容】

[0010](-)要解決的技術問題
[0011]本發(fā)明的目的在于，提供一種無線網絡中的小包數(shù)據傳輸方法及系統(tǒng)，解決小包 數(shù)據的大量傳輸給無線通信網絡所帶來的繁重信令開銷問題。
[001^ (二很術方案
[0013] 本發(fā)明提供一種無線網絡中的小包數(shù)據傳輸方法，無線網絡中包括一接收端和多 個發(fā)送端，接收端和發(fā)送端通信連接，方法包括：
[0014] SO，構造預編碼矩陣；
[0015] SI,在發(fā)送端，利用所構造的預編碼矩陣對將要發(fā)送的小包數(shù)據進行長度擴展；
[0016] S2,將長度擴展后的小包數(shù)據從發(fā)送端發(fā)送至所述接收端；
[0017] S3,在接收端，對長度擴展后的小包數(shù)據進行恢復。
[001引進一步，步驟SO包括：
[0019] 步驟1，對化damard矩陣0插入數(shù)值"0"，w得到維度擴充的矩陣Q，其中，矩陣Q是滿 秩的正交矩陣；
[0020] 步驟2,對維度擴充后矩陣Q進行變換，得到矩陣Q:
[0021]
[0022] 其中，Ri和R2為每一行或每一列有且僅有一個非零元素的矩陣，隨機選擇Q的d列 元素，并對d列中的每一列進行能量歸一化產生可選用的預編碼矩陣，通過不同的Ri和R2，可 W產生多個的可選用的預編碼矩陣；
[0023] 步驟3,計算不同新矩陣之間的相關性，選擇其中相關性較小的N個作為預編碼矩 陣。
[0024] 進一步，步驟SO還包括：
[0025] 步驟4,對步驟3選擇的預編碼矩陣進行準確性能驗證，如果驗證不通過，則返回至 步驟2。
[0026] 進一步，步驟Sl中，針對第n個發(fā)送端發(fā)送的小包數(shù)據，采用相應的預編碼矩陣Pn， 對該小包數(shù)據中的符號向量Sn進行長度擴展，得到長度擴展后的小包數(shù)據，其信號Xn表示 為：
[0027]
[002引其中，P。G C'f/d. r > :成T表示每個時頻資源塊可W承載的消息符號的個數(shù)，d 表示長度擴展后的小包數(shù)據的長度。
[0029] 進一步，步驟S2中，長度擴展后的小包數(shù)據經由一信道發(fā)送至所述接收端，所述接 收端獲取到的小包數(shù)據的信號Y表示為：
[0030]
[0031] 其中，0〇是信道上行鏈路的信噪比，虹" € ^^'^^1為第〇個發(fā)送端對應的復數(shù)域 信道狀態(tài)向量，N表示發(fā)送端的總個數(shù)。Z是噪聲矩陣。
[0032] 本發(fā)明還提供一種無線網絡中的小包數(shù)據傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)包括：
[0033] 構造模塊，用于構造預編碼矩陣；
[0034] 擴展模塊，用于在所述發(fā)送端，對將要發(fā)送的小包數(shù)據進行長度擴展；
[0035] 發(fā)送模塊，用于將長度擴展后的小包數(shù)據從發(fā)送端發(fā)送至所述接收端；
[0036] 恢復模塊，用于在所述接收端，對長度擴展后的小包數(shù)據進行恢復。
[0037] 進一步，構造模塊包括：
[003引插入模塊，用于對化damard矩陣0插入數(shù)值"0"，W得到維度擴充的矩陣Q;
[0039] 變換模塊，用于對維度擴充后矩陣Q進行變換，得到矩陣Q:
[0040]
[0041 ] 其中，町和1?2為每一行或每一列有且僅有一個非零元素的矩陣，隨機選擇Q的d列 元素，并對d列中的每一列進行能量歸一化產生可選用的預編碼矩陣，通過不同的Ri和R2，可 W產生多個的可選用的預編碼矩陣；
[0042]選擇模塊，計算不同新矩陣之間的相關性，選擇其中相關性較小的N個作為預編碼 矩陣。
[0043] 進一步，構造模塊還包括：
[0044] 驗證模塊，用于對所述選擇模塊選擇的預編碼矩陣進行準確性能驗證，如果驗證 不通過，則返回至步驟2。
[0045] 進一步，針對第n個發(fā)送端發(fā)送的小包數(shù)據，所述擴展模塊采用相應的預編碼矩陣 Pn,對該小包數(shù)據中的符號向量Sn進行長度擴展，得到長度擴展后的小包數(shù)據，其信號Xn表 示為：
[0046]
[0047] 其中，P。€ >成了表示每個時頻資源塊可^承載的消息符號的個數(shù)，(1 表示長度擴展后的小包數(shù)據的長度。
[0048] 進一步，發(fā)送模塊將長度擴展后的小包數(shù)據經由一信道發(fā)送至所述接收端，所述 接收端獲取到的小包數(shù)據的信號Y表示為：
[0049]
[0化0]其中，Po是信道上行鏈路的信噪比，hw色為第n個發(fā)送端對應的復數(shù)域 信道狀態(tài)向量，N表示發(fā)送端的總個數(shù)。Z是噪聲矩陣。
[005。（立巧益效果
[0052] 本發(fā)明在構造預編碼矩陣時，采用一個化damard矩陣來產生列正交的非零元素稀 疏的預編碼矩陣簇，然后再從矩陣簇中選擇出一定數(shù)量的矩陣用于非正交接入進行小包數(shù) 據傳輸。本發(fā)明所構造的預編碼矩陣具有W下優(yōu)勢:可W針對多個用戶連接產生足夠多的 預編碼矩陣;獲得比隨機產生的預編碼矩陣更好的信號恢復準確性;降低小包數(shù)據傳輸?shù)?復雜度;使得預編碼后的符號獲得統(tǒng)計上良好的PAPR特性。
【附圖說明】
[0053] 圖1為本發(fā)明提供的無線網絡中的小包數(shù)據傳輸方法的流程圖。
[0054] 圖2為本發(fā)明在發(fā)送端的預編碼過程的示意圖。
[0化5]圖3為現(xiàn)有技術中BOMP算法的原理框圖。
[0056] 圖4為本發(fā)明提供的歸一化的BOMP算法的原理框圖。
[0057] 圖5A和圖5B是本發(fā)明所給出的小包數(shù)據傳輸?shù)男阅芊抡鎸嵗?br>[0058] 圖6為本發(fā)明構造預編碼矩陣的流程圖。
[0059] 圖7為本發(fā)明中不同預編碼矩陣用于小包數(shù)據傳輸?shù)男阅芊抡鎴D。
【具體實施方式】
[0060] 本發(fā)明提供了一種無線網絡中的小包數(shù)據傳輸方法及系統(tǒng)，方法首先構造預編碼 矩陣，然后通過對小包數(shù)據進行長度擴展，再送入信道進行傳輸，在接收端，采用歸一化的 BOMP算法來恢復小包數(shù)據。本發(fā)明所構造的預編碼矩陣具有W下優(yōu)勢:可W針對多個用戶 連接產生足夠多的預編碼矩陣;獲得比隨機產生的預編碼矩陣更好的信號恢復準確性；降 低小包數(shù)據傳輸?shù)膹碗s度;使得預編碼后的符號獲得統(tǒng)計上良好的PAPR特性。
[0061] 圖I為本發(fā)明提供的無線網絡中的小包數(shù)據傳輸方法的流程圖，如圖I所示，方法 包括：
[0062] SO，構造預編碼矩陣；
[0063] SI,在發(fā)送端，利用所構造的預編碼矩陣對將要發(fā)送的小包數(shù)據進行長度擴展；
[0064] S2,將長度擴展后的小包數(shù)據從發(fā)送端發(fā)送至接收端；
[0065] S3,在接收端，對長度擴展后的小包數(shù)據進行恢復。
[0066] 本發(fā)明先給出大量小數(shù)據包多址傳輸?shù)膱鼍埃杭俣o線網絡有一個基站（base station, BS)作為接收端，基站天線數(shù)為M。當一個單天線用戶(發(fā)送端)成功接入網絡后，即 和BS建立連接。假定在時刻t無線網絡中有N個用戶連接(總連接），其中Na個連接有數(shù)據傳 輸要求（活躍連接）。需要指出的是：（I)Na對于BS未知；（2)傳輸行為（接入信道)存在稀疏 性，即Na<<N(3)不特別約定Na《M。
[0067] -個消息的完整傳輸包含一系列符號的傳輸。假定每個時頻資源塊可W承載T個 消息符號(一個時頻資源塊有T個單元），所有符號均在信道相干時間內。假設所有用戶的信 道狀態(tài)信息在BS已知。
[0068] 假定每個數(shù)據包的有效信息比特數(shù)目為bn,i，CRC域比特數(shù)目^,。，^ =山,1+山,。，經 信道編碼即符號映射后數(shù)據包長度為d。假定第n個連接產生的原始的復數(shù)域數(shù)據符號向量 S,, E Cdx\sn,k(l《k《d)是Sn的第k個符號;符號映射由預編碼實現(xiàn)，再假設第n個連接的 預編碼矩陣為P,,,運C了'X氣r > d，Pn的第k列對應的列向量Pn,k是Sn,k的預編碼向量。連 接n
[0069] 對應發(fā)送信號夫
，如圖2所示。預編碼矩陣在用戶登記入網時 分配給定，在用戶離開無線網絡覆蓋區(qū)域之前一直有效，運里，假設基站知道所有連接對應 的預編碼矩陣，用戶僅知道自己的預編碼矩陣。
[0070] BS接收的信號可W表示為：
[0071]
[0072] 其中，PO是上行鏈路的信噪比，虹,I色CAjxl為連接n對應的信道狀態(tài)向量。Z是噪 聲矩陣。
[0073] 將接收端信號進行向量化，最終得到如下接收信號模型：
[0074]
[00巧]其中，y = vec(Y)是矩陣Y的向量表達形式
S=悼.每，…，瑪]T。其中B在稀疏檢測中被稱為字典，它由所有用戶的字典子矩陣組成。Z = Vec(Z)是噪聲向量。
[0076]考慮小包業(yè)務中各連接傳輸行為具有明顯的時域稀疏特性，即瑪'(1 77. < W) 很高概率為零向量，貝化呈現(xiàn)塊稀疏特性，同時考慮到B是胖矩陣的情況，公式(2)體現(xiàn)的是 典型的塊稀疏的壓縮感知模型。需要指出的是，形式上，公式(2)給出的模型可W看作是一 種CDMA多址傳輸，其特殊之處在于：
[0077] 1、對于連接n的第k個符號Sn,k，通過預編碼向量Pn,k的第k個向量擴展到時頻資源 塊的T個單元中；
[0078] 2、測量矩陣B決定系統(tǒng)的多址傳輸能力，該矩陣由信道矩陣hn(l《n《N)和預編碼 矩陣Pn(l《n《N)的kronecker積生成。該過程實現(xiàn)空域、時域和頻域的協(xié)同；
[0079] 3、該多址方式并不要求所有符號的預編碼向量為正交向量。事實上，由于我們關 屯、的場景也是MT<Nd，則公式(2)表示的是一個欠定的系統(tǒng)，不同連接之間是滿足不了正交 的。
[0080] 預編碼擴展長度方法的引入也是源于運樣一個事實：小數(shù)據包長度d短于網絡設 備的規(guī)格T，由此帶來比較嚴重的寶貴資源的浪費問題。通過預編碼擴展，可充分利用給定 的傳輸資源。基于預編碼擴展整個小數(shù)據包然后再傳輸?shù)乃枷虢⒌亩嘀穫鬏斈Ｐ?，相?于，目前已有的基于稀疏恢復的多用戶檢測模型有W下特點：
[0081] 1、實現(xiàn)了空域、時域和頻域多址傳輸相結合，拓展了多址空間的維度；
[0082] 2、同一連接的不同符號采用不同的預編碼向量，使得符號間的干擾具有不同的模 式。該操作將符號之間的干擾平均化，運對于提高符號解調的準確性是有利的。
[0083] 得益于上述建立的塊稀疏模型，已有的塊稀疏恢復算法可W直接用于信號恢復。 當各個參數(shù)(包括總連接數(shù)、活躍連接數(shù)、接收端天線數(shù)和噪聲水平等)滿足一定條件時，可 W實現(xiàn)活躍連接的正確檢測。根據前面的說明，我們提出的多址技術可W實現(xiàn)零信令多址 傳輸。零信令是指連接僅僅在建立和終止時需要信令參與，在連接存續(xù)期間不再需要信令 參與傳輸。運就完全避開了小數(shù)據包按照傳統(tǒng)接入協(xié)議傳輸帶來繁重的信令問題。
[0084] W上描述了本發(fā)明對小包數(shù)據進行長度擴展，并得到了塊壓縮感知的稀疏模型， W下描述本發(fā)明中小包數(shù)據的恢復問題。
[0085] CS算法中有很多已經很成熟的算法。其中，正交匹配追蹤(OMP)算法W其運算速度 快，便于實際運用而得到廣泛運用。將OMP算法運用到塊壓縮感知模型中來就產生了 BOMP算 法，BOMP算法與OMP算法原理一致。具體地，在每一次迭代中，它將在剩余的字典子陣中選擇 與剩余信號(residual signal)相關性最大的一個子陣(類似于CDMA中的碼字相關計算）， W擴充基函數(shù)，然后再用已選出的基函數(shù)通過最小二乘化S)算法對數(shù)據進行更新，直到迭 代結束。OMP(BOMP)算法體現(xiàn)了干擾消除（interference cancelIation)的思想，但它跟干 擾消除明顯的區(qū)別在于前面選擇出來的每一個可能非零位置的數(shù)據都會在后續(xù)的每一步 迭代中得到更新。圖5為現(xiàn)有技術中BOMP算法的原理框圖，如圖5所示，其計算過程如下：
[0086] 1:輸入矩陣B，信號向量y，參數(shù)PO，所有信道響應向量W及BOMP算法的迭代次數(shù)K， 通常地，
[0087] 2:初始化:迭代次數(shù)索引k = I,用戶集合Ao=(I)，殘余信號r〇 = y [008引 3:迭代步驟:當k《K
[0089] 1):計算ro和B中索引屬于用戶集合jE{l，…，N}\Ak-I的子塊之間的相關系數(shù)：
[0090]
[0091] 2):找出滿足條件的子塊：
[0092]
[00W] 3):更新用戶集：
[0094] Ak= Ak-I U {Ak}
[OOM] 4):用最小二乘化s)算法更新信號：
[0096]
[0097] 5):更新殘余信號和迭代索引：
[009引
[0099] k = k+l
[0100] 4:結束并輸出結果:block-sparse信號的遍近信號畏蔽。
[0101] 通過對BOMP運算中的相關系數(shù)進行計算分析，結果表明，當j代表活躍連接時，相 關系數(shù)Cj,k的期望值與的二階矩和一階矩相關；當j不是活躍連接時，相關系數(shù)Cj,k的 期望值與hfh;?的一階矩相關。因此，不同連接的信道增益使得相關系數(shù)大小的不確定性增 加。為了消除運個影響，本發(fā)明用hfhj對相關系數(shù)Cj,k進行歸一化，得到歸一化后的相關系 數(shù)
然后要求BOMP用歸一化后的相關系數(shù)去進行連接檢測。實驗 表明，相關系數(shù)歸一化后可W極大地提高連接檢測性能，從而也提高了信號解調性能。本發(fā) 明將運樣的恢復算法稱為歸一化的BOMP(normalized BOMP，NBOMP)算法，其原理框圖如圖6 所示，具體計算過程如下：
[0102] 1:輸入:矩陣B，信號向量y，參數(shù)PO，所有信道響應向量W及BOMP算法的迭代次數(shù) K，通常地，《=LM巧成
[0103] 2:初始化:迭代次數(shù)索引k = I,用戶集合Ao=(I),殘余信號r〇 = y
[0104] 3:迭代步驟:當t《K
[0105] 1):計算ro和B中索引屬于用戶集合jG{l，…，NUAk-I的子塊之間歸一化的系數(shù)：
[0106]
[0107] 2):找出滿足條件的子塊：
[0108；
[0109] 3):更新用戶集：
[0110] Ak=八 k-iU{Ak}
[0111] 4):用最小二乘化S)算法更新信號：
[0112]
[0113] 5):更新殘余信號和迭代索引：
[0114]
[0115] k = k+l
[0116] 4:結束并輸出結果:block-sparse信號的逼近信號各K。
[0117] 圖5A和圖5B是本發(fā)明所給出的小包數(shù)據傳輸?shù)男阅芊聦嵤├?，其中，圖5A是不同 傳輸用戶數(shù)條件下的用戶檢測成功率(UDSR，user detection success rate),圖5B是不同 傳輸用戶數(shù)條件下小包數(shù)據恢復誤符號率(SER，symbol error rate)性能，其中，橫坐標為 Es/No(地），Es為發(fā)送端發(fā)送的平均符號能量，No為噪聲功率譜密度，其它參數(shù)為(M，N，d，T， K) = (8，80，100，500，30)。需要說明的是，圖5A和5B仿真使用的預編碼矩陣是隨機產生的。 如圖5A和圖5B所示，不管在UDSR還是SER性能指標上，NBOMP算法都遠遠好于BOMP算法。同 時，仿真也表明，本發(fā)明所提出的小數(shù)據包傳輸方法可W明顯提高可同時服務的用戶數(shù)量， 在接收端天線為8根的時候，系統(tǒng)可支持的用戶數(shù)在高信噪比條件下可W達到30甚至更高， 運說明系統(tǒng)的吞吐量可達75%甚至更高（100%吞吐量對應的服務用戶數(shù)為MXT/d = 40)。
[0118] 需要說明的是，預編碼矩陣在小包數(shù)據傳輸中起了至關重要的作用。首先，預編 碼矩陣解決了小數(shù)據包長度小于系統(tǒng)傳輸資源粒度的問題，使得系統(tǒng)資源得W充分利用； 其次，本發(fā)明根據預編碼矩陣建立了屬于塊稀疏的小包數(shù)據傳輸模型，使得即使在用戶數(shù) 量多于基站天線數(shù)量的情況下小包數(shù)據的恢復成為可能;再次，相對于沒有結構可利用的 壓縮感知模型，具有塊結構的壓縮感知模型使得數(shù)據的恢復性能更好，同時也使得將通信 中常用的糾檢錯編碼代入數(shù)據恢復（即ICBOMP算法的提出）成為可能。除此W外，預編碼矩 陣還決定了用戶之間的干擾特性，運直接影響到用戶檢測和符號解調；同時，預編碼矩陣還 直接決定了本發(fā)明實現(xiàn)復雜度，包括計算復雜度(發(fā)送端的預編碼計算復雜度和接收端稀 疏恢復復雜度）、預編碼分配復雜度和系統(tǒng)存儲復雜度等。本發(fā)明采用的預編碼矩陣可W是 通過隨機產生矩陣然后再做能量歸一化而獲得的，運種預編碼矩足W說明本發(fā)明提出的小 數(shù)據包傳輸方法的有效性。但是另外一方面，隨機產生的預編碼矩陣所帶來的恢復性能其 實并不是最優(yōu)的，或者說還有很多預編碼矩陣可W帶來更好的稀疏恢復準確性;同時，由于 隨機產生的預編碼矩陣一般是密集的矩陣，運使得傳輸方法中發(fā)送端的預編碼復雜度、接 收端的信號恢復復雜度等都相對很大。
[0119] 因此，本發(fā)明為了使小包數(shù)據傳輸達到更好的效果，還提供一種預編碼矩陣，用于 用戶非正交接入無線網絡時進行小包數(shù)據傳輸，該預編碼矩陣的構造方法如圖6所示：
[0120] 步驟1，用維度較小的化damard矩陣插0擴充矩陣維度，保持擴充后矩陣的列正交 性。本步驟主要是為了構造列正交的、非零元素稀疏其非零元素幅值一致的矩陣，而且構造 的矩陣數(shù)量要非常的多。運些矩陣由化damard矩陣構造而來。具體過程如下：
[0121] 由化damard矩陣構造元素稀疏的矩陣，假設要構造T X T的預編碼矩陣，現(xiàn)有t X t 的化damard矩陣0,它在第i行第j列的元素為0lJ，Wt = 2，T = 4為例，下面的元素稀疏的矩 陣Q為一個滿足列稀疏度0=50%的列正交的矩陣，且非零元素幅值都為1。
[0122]
[0123] 事實上，當維度參數(shù)t和T更大時，列稀疏度更高的滿足要求的矩陣可W被構造出 來。
[0124] 步驟2,由上述元素稀疏的矩陣產生多個的預編碼矩陣簇。本步驟對上面的Q矩陣 進行隨機的行列交換，同時，每一行每一列的元素符號可W隨機改變。即對Q進行變換后的
庚中Ri和化的每一行每一列有且僅有一個非零元素（1或者-1)。隨機選擇 ，并對每一列進行能量歸一化產生可選用的預編碼矩陣，通過不同的Ri 和R2,可W產生非常多的預編碼矩陣簇。
[0125] 步驟3,計算不同新矩陣之間的相關性，選擇其中相關性較小的N個作為預編碼矩 陣。步驟2構造的預編碼矩陣可W很多，只要預編碼矩陣的產生足夠隨機，運些預編碼矩陣 之間的相關性(塊間相關)都不大。由于有足夠多的預編碼矩陣可供選擇，本步驟選擇相關 性較小的N個矩陣作為用于小包數(shù)據傳輸?shù)念A編碼矩陣。每個矩陣的塊間相關度量為
的第k個奇異值。本步驟算法相對簡 單，就是將產生的矩陣簇中所有矩陣之間的相關度量Wi, J從大到小排序，將最大的一些Wi,J 對應的矩陣舍棄，直到剩余N個矩陣作為非正交接入方法中的預編碼矩陣。列正交有利于信 號恢復，若不考慮信道的相關性，塊間相關小表示用戶之間的干擾小，運有利于用戶檢測和 符號解調。同時，非零元素稀疏且非零元素幅值一致的預編碼矩陣可W降低發(fā)送端的預編 碼復雜度，因為運樣的預編碼矩陣不要求發(fā)送端進行乘法運算;而且在進行相關檢查用戶 時，也可W免去很多的乘法運算。同樣地，也可W降低存儲復雜度。最后，可W從統(tǒng)計上證 明，運樣預編碼之后的符號可W獲得良好的PAPR特性。如果預編碼矩陣每行的非零元素個 數(shù)一致，則預編碼后的所有符號的PAPR都符合相同的統(tǒng)計規(guī)律。
[0126] 步驟4,對步驟3選擇的預編碼矩陣進行準確性能驗證。如果的預編碼矩陣性能不 夠理想，則返回步驟2重新進行構造。
[0127] 圖7為本發(fā)明中不同預編碼矩陣用于小包數(shù)據傳輸?shù)男阅芊抡鎴D，F(xiàn)ER(frame error rate)為誤帖率，參數(shù)選擇為:QPSK符號調制，24bits的CRC校驗，1/2的卷積碼，其它 參數(shù)為(M，N，d，T，K) = (8，1280,200，1040,30)。在仿真結果標注中/'隨機產生"對應的預編 碼矩陣是隨機矩陣進行歸一化產生的/'H-稀疏度51/52"表示由20 X 20的化damard矩陣按 照本發(fā)明的方法構造的預編碼矩陣，巧-稀疏度19/20"表示由52 X 52的化damard矩陣按照 本發(fā)明的方法構造的預編碼矩陣。從圖4可W看出，本發(fā)明采用上述方法所構造出來的預編 碼矩陣相對于隨機產生的預編碼矩陣在小包恢復的F邸性能上可W帶來1地的增益。
[01%]按照上述方法構造的預編碼矩陣可W帶來的優(yōu)勢如下：
[0129] 1、可產生非常多的預編碼矩陣來服務大量的用戶；
[0130] 2、可獲得比隨機產生的預編碼矩陣更好的信號恢復準確性；
[0131] 3、可降低方法的實現(xiàn)復雜度，包括信號恢復復雜度，預編碼計算復雜度，預編碼矩 陣分配、存儲復雜度等；
[0132] 4、可使預編碼后的信號獲得統(tǒng)計上良好的峰值平均功率比（peak to averagepowerratioPAPR)特性。
[0133] 本發(fā)明可應用于存在大量小包數(shù)據發(fā)送的場景，例如，移動通信中手機發(fā)送小數(shù) 據包，基站接收是最典型的運用。再比如儀表讀數(shù)(meter reading)中數(shù)據上傳給數(shù)據收集 節(jié)點，機器到機器(machine to machine)通信等。對于長包數(shù)據的傳輸，除了傳統(tǒng)的接入方 法，可W借鑒本發(fā)明中提出免競爭的方法。具體地，可W將長包數(shù)據分割成若干個小數(shù)據 包，運些小數(shù)據包都有各自完整的通信信號結構。如此地，則包括原始的小數(shù)據包或者分割 成為的小數(shù)據包都可W統(tǒng)一采用本發(fā)明來傳輸運些數(shù)據。
[0134] W上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，W上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保 護范圍之內。
【主權項】
1. 一種無線網絡中的小包數(shù)據傳輸方法，所述無線網絡中包括一接收端和多個發(fā)送 端，所述接收端和發(fā)送端通信連接，其特征在于，方法包括： so，構造預編碼矩陣； S1，在所述發(fā)送端，利用所構造的預編碼矩陣對將要發(fā)送的小包數(shù)據進行長度擴展； S2，將長度擴展后的小包數(shù)據從發(fā)送端發(fā)送至所述接收端； S3，在所述接收端，對長度擴展后的小包數(shù)據進行恢復。2. 根據權利要求1所述的無線網絡中的小包數(shù)據傳輸方法，其特征在于，所述步驟SO， 包括： 步驟1，對化damard矩陣0插入數(shù)值"0"，W得到維度擴充的矩陣Q，其中，矩陣Q是滿秩的 正交矩陣； 步驟2,對維度擴充后矩陣Q進行變換，得到矩陣Q; Q 二 RiQRs， 其中，町和1?2為每一行或每一列有且僅有一個非零元素的矩陣，隨機選擇Q的d列元素， 并對d列中的每一列進行能量歸一化產生可選用的預編碼矩陣，通過不同的Ri和R2,可W產 生多個的可選用的預編碼矩陣； 步驟3,計算不同新矩陣之間的相關性，選擇其中相關性較小的N個作為預編碼矩陣。3. 根據權利要求2所述的無線網絡中的小包數(shù)據傳輸方法，其特征在于，所述步驟SO還 包括： 步驟4，對步驟3選擇的預編碼矩陣進行準確性能驗證，如果驗證不通過，則返回至步驟 2。4. 根據權利要求3所述的無線網絡中的小包數(shù)據傳輸方法，其特征在于，所述步驟S1 中，針對第η個發(fā)送端發(fā)送的小包數(shù)據，采用相應的預編碼矩陣Pn，對該小包數(shù)據中的符號 向量Sn進行長度擴展，得到長度擴展后的小包數(shù)據，其信號Xn表示為：其中，Pu € Ctw,T>d，T表示每個時頻資源塊可W承載的消息符號的個數(shù)，d表示長 度擴展后的小包數(shù)據的長度。5. 根據權利要求4所述的無線網絡中的小包數(shù)據傳輸方法，其特征在于，所述步驟S2 中，長度擴展后的小包數(shù)據經由一信道發(fā)送至所述接收端，所述接收端獲取到的小包數(shù)據 的信號Y表不為：其中，P0是信道上行鏈路的信噪比，h" € XI為第η個發(fā)送端對應的復數(shù)域信道 狀態(tài)向量，Ν表示發(fā)送端的總個數(shù)。Ζ是噪聲矩陣。6. -種無線網絡中的小包數(shù)據傳輸系統(tǒng)，所述無線網絡中包括一接收端和多個發(fā)送 端，所述接收端和發(fā)送端通信連接，其特征在于，系統(tǒng)包括： 構造模塊，用于構造預編碼矩陣； 擴展模塊，用于在所述發(fā)送端，對將要發(fā)送的小包數(shù)據進行長度擴展； 發(fā)送模塊，用于將長度擴展后的小包數(shù)據從發(fā)送端發(fā)送至所述接收端； 恢復模塊，用于在所述接收端，對長度擴展后的小包數(shù)據進行恢復。7. 根據權利要求6所述的無線網絡中的小包數(shù)據傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述構造模塊 包括： 插入模塊，用于對化damard矩陣0插入數(shù)值"0"，W得到維度擴充的矩陣Q; 變換模塊，用于對維度擴充后矩陣Q進行變換，得到矩陣〇; Q-R'iQJR。， 其中，町和1?2為每一行或每一列有且僅有一個非零元素的矩陣，隨機選擇Q的d列元素， 并對d列中的每一列進行能量歸一化產生可選用的預編碼矩陣，通過不同的Ri和R2,可W產 生多個的可選用的預編碼矩陣； 選擇模塊，計算不同新矩陣之間的相關性，選擇其中相關性較小的N個作為預編碼矩 陣。8. 根據權利要求7所述的無線網絡中的小包數(shù)據傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述構造模塊 還包括： 驗證模塊，用于對所述選擇模塊選擇的預編碼矩陣進行準確性能驗證，如果驗證不通 過，則返回至步驟2。9. 根據權利要求8所述的無線網絡中的小包數(shù)據傳輸系統(tǒng)，其特征在于，針對第η個發(fā) 送端發(fā)送的小包數(shù)據，所述擴展模塊采用相應的預編碼矩陣Ρη，對該小包數(shù)據中的符號向 量Sn進行長度擴展，得到長度擴展后的小包數(shù)據，其信號Χη表示為：其中，Ρ。€ C7'xd,T>d，T表示每個時頻資源塊可W承載的消息符號的個數(shù)，d表示長 度擴展后的小包數(shù)據的長度。10. 根據權利要求9所述的無線網絡中的小包數(shù)據傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)送模 塊將長度擴展后的小包數(shù)據經由一信道發(fā)送至所述接收端，所述接收端獲取到的小包數(shù)據 的信號Y表不為：其中，P0是信道上行鏈路的信噪比，G CA'fxl為第η個發(fā)送端對應的復數(shù)域信道 狀態(tài)向量，Ν表示發(fā)送端的總個數(shù)。Ζ是噪聲矩陣。
【文檔編號】H04J13/00GK105978655SQ201610443863
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月16日
【發(fā)明人】謝榕貴, 尹華銳, 陳曉輝, 衛(wèi)國
【申請人】中國科學技術大學