基於無速率碼的多用戶隨機接入系統及其編解碼方法

2023-06-06 11:12:36 2

專利名稱：：基於無速率碼的多用戶隨機接入系統及其編解碼方法
技術領域：
：本發明涉及無線通信領域，尤其涉及一種基於無速率碼的多用戶隨機接入系統及其編解碼方法。
背景技術：
：在現代無線移動通信系統中，必須採用良好的多用戶傳輸方式來保證多個用戶同時有效可靠地傳輸信息。傳統的ALOHA技術雖然能夠實現多用戶單信道條件下的傳輸，但不能利用多個用戶衝突或重疊的信息，效率不高。而傳統的CDMA(Code-DivisionMultiple-Access)傳輸方式，是通過不同的擴頻序列來區分不同用戶的信息，以完成多用戶信息的接入傳輸。LiPing提出的IDMA(Interleave-DivisionMultiple-Access)傳輸方式(見"InterleaveDivisionMultiple_Access，，，IEEETrans.WirelessComm皿.，vol.5，no.4，pp.938-947，Apr.2006.)，則是不同用戶通過使用不同的交織器，有效的利用用戶混疊的信息，來實現不同用戶的信號分離，以完成多用戶信息的接入傳輸。但無論是CDMA還是IDMA，系統中每個用戶所使用的都是傳統的碼率固定的編碼方式，在進行信息傳輸之前，通常需要根據信道狀態信息估計信道參數，根據信道參數設計一個碼率固定為R的信道糾錯編碼。當估計的信道參數大於實際的信道參數時，雖然可以實現可靠傳輸，但是造成了傳輸的浪費，因為此時可以使用更高碼率的信道糾錯編碼；當估計的信道參數小於實際的信道參數時，則不能實現可靠傳輸。為了使發送端得知信道的狀態信息以設計碼率固定的編碼方式，以及在傳輸過程中重傳丟失的數據包，往往需要採用一定的反饋機制，例如ARQ(AutoR印eat-Request)等。
發明內容本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種基於無速率碼的多用戶隨機接入系統及其編解碼方法，在各個用戶發送機無需知道信道狀態信息，以及在傳輸過程中無需任何反饋重傳機制的條件下，能夠自適應地調整各自的傳輸碼率，且能夠有效利用多個用戶衝突重疊的信息，實現多個用戶信息同時有效可靠的傳輸及正確的檢測分離。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的一種基於無速率碼的多用戶隨機接入系統，由發送端和接收端組成。其中發送端包含K(K為任意正整數)個單路輸入、單路輸出的發送機，接收端包含一個單路輸入、K路輸出的接收機。該系統運行於通信兩端。在發送端，每一個用戶都擁有一個發送機，每個發送機的結構均相同。對於用戶k(k=1，2，...，K)，其發送機包括串行連接的編碼器_k，映射器-k和接入控制器_k:編碼器-k，用於將用戶k的消息數據包編為源源不斷產生的RatelessCode編碼包，其輸入端接外部消息數據包的數據流，其輸出端接至映射器_k的輸入端；映射器-k，用於完成由編碼包數據比特到編碼包傳輸符號的映射，可用通常的線性調製映射器來實現，其輸入端接編碼器_k的輸出端，其輸出端接至接入控制器_k的輸入丄山順；接入控制器_k，主要完成對編碼包的發送控制，即按事先確定的概率隨機決定是否將當前編碼包在當前時隙中接入信道進行發送，其輸入端接映射器-k的輸出端，其輸出端接至信道；K個用戶的發送機並行接入信道，組成系統的發送端。在接收端，其單路輸入、K路輸出的接收機在內部分為並行的K路，每一個用戶都對應其中相應的一路，並具有相同的結構。對於用戶k(k二1，2，...，K)，其所對應的那一路結構包括串行連接的解映射及解碼軟信息估計器_k和判決解碼器_k:解映射及解碼軟信息估計器-k，用於根據接收到的來自信道的混疊編碼包完成各用戶信號分離，以及通過解映射完成對用戶k的編碼包比特Log似然比軟信息的估計，其輸入端接接收機的來自於信道的輸入以及除了判決解碼器-k之外其餘各判決解碼器的軟信息輸出端，其輸出端接至判決解碼器_k的輸入端；判決解碼器-k，用於完成對用戶k編碼包的解碼，其輸入端接解映射及解碼軟信息估計器-k的輸出端，其判決結果輸出端輸出解碼結果，作為接收機的一路輸出，其軟信息輸出端接至除了解映射及解碼軟信息估計器_k之外的其餘各解映射及解碼軟信息估計器的輸入端；K路結構並行構成接收機，組成系統的接收端。我們把這種基於無速率碼的多用戶隨機接入系統簡稱為薩(RatelessMultiple-Access)系統。—種上述基於無速率碼的多用戶隨機接入系統的編解碼方法，包括編碼方法和解碼方法。在發送端，按照編碼方法完成各用戶的編碼接入，將各用戶的編碼包接入信道進行發送；在接收端，按照解碼方法，根據接收到的混疊編碼包，完成各用戶編碼包的檢測分離和解碼；編碼方法如下設每個用戶的發送機均需要發送m個消息數據包，每個消息數據包由b個數據比特組成，其中包括一個循環冗餘校驗碼，用於解碼器判斷解碼是否成功，用dk(i)表示消息數據包，其中i為消息數據包的編號(i=1，2，...，m)，下標k為用戶的編號(k=1，2，...，K);考慮其中的第k個用戶(k=1，2，...，K)，按照如下步驟進行編碼接入1)利用編碼器-k進行編碼；將消息數據包dk(i)送入編碼器-k，通過Rateless編碼方式(如LTCode,R即torCode等)，得到源源不斷產生的編碼包序列以及該碼的Tanner圖，用vk(s)表示編碼所得的編碼包，其中s為編碼包的編號(s=1，2，...)，下標k為用戶的編號(k=1，2，...，K);各用戶獨立完成自己的編碼過程，編碼時使用不同於其他用戶的隨機數生成器，以得到與其他用戶不同的、相互獨立的Ta皿er圖，這樣可以保證各用戶信號的不相關性，為解碼時各用戶的信號分離提供可行性；2)利用映射器-k，進行由編碼包數據比特到編碼包傳輸符號的映射；將由編碼器-k得到的編碼包vk(s)送入映射器-k，映射方式可採用普通的線性調製方式(如BPSK、QPSK等)，完成由編碼包數據比特到編碼包傳輸符號的映射vk(s)—Wk(s)，其中s為編碼包的編號(s=1，2，...)，下標k為用戶的編號(k=1，2，...，K);3)利用接入控制器_k，進行對編碼包的發送控制；將由映射器-k得到的經過映射的編碼包wk(s)送入接入控制器_k，在任一個時隙j(j=1，2，...)，用戶k以概率pk順序將wk(s)接入信道發送用xk(j)表示用戶k在時隙j經信道發送的符號，如果決定在當前時隙j將編碼包Wk(S)接入信道，則在編碼包Wk(S)包頭增加K個比特的用戶標示信息，其中第k位置l，其餘各位置O，組成發送編碼包Wk'(s)，令Xk(j)=wk'(s)，在下一個時隙判斷是否將Wk(s+l)接入信道；否則令Xk(j)=0，下一個時隙繼續判斷是否將Wk(s)接入信道；由於採用的是Rateless編碼方式，所以經過編碼及映射後的序列ik={wk(l)，wk(2)，...，wk(s)，...}是源源不斷產生的，於是經信道發送的序列ik={xk(l)，xk(2)，...，xk(j)，...}也是源源不斷的，長度並不是固定的，lk的每一個長度都對應相應的一個碼率；每個用戶的發送機根據以上規則，源源不斷的產生編碼包並接入信道，直至接收端告知它停止發送。解碼方法如下接收機接收到來自信道的，源源不斷的，各個用戶相互混疊且加上了噪聲的編碼包，各用戶的信號分離及解碼同時進行，對於用戶k(k=1，2，...，K)，其判決解碼器-k採用和編碼器-k相同的隨機數生成器，所以可以準確的重構該碼的Ta皿er圖，按照如下步驟進行信號分離和解碼1)接收機首先接收到N=m個來自信道的混疊編碼包；附2)接收機再接收AN個混疊編碼包，令N=N+AN，此時的碼率為及=^;3)將接收到的編碼包送入解映射及解碼軟信息估計器_k，採用"基於無速率碼的多用戶隨機接入系統的解碼軟信息估計方法"，在當前碼率R下進行運算，利用除了判決解碼器-k之外其餘各用戶的判決解碼器的輸出軟信息(初始化時為O)，更新估計軟信息；4)將由解映射及解碼軟信息估計器-k更新得到的估計軟信息作為判決解碼器-k的輸入，在重構的當前碼率R下的Tanner圖上運行BP(Belief-Propagation)解碼算法，完成一輪迭代解碼運算，並更新判決解碼器_k的輸出判決結果信息和輸出軟信息；5)利用判決解碼器-k的輸出判決結果信息判斷解碼結果是否滿足Tanner圖中校驗節點所限制的校驗關係，或者迭代次數已經達到所限定的最大次數，如果滿足上述兩個條件之一，則轉入步驟6);否則轉入步驟3);6)利用各個包內的循環冗餘校驗碼判斷數據包是否都解碼正確，如果都正確，轉入步驟7);否則轉入步驟2);7)解碼結束，接收機發送一個信號告知用戶k的發送機停止發送。所述基於無速率碼的多用戶隨機接入系統的解碼軟信息估計方法如下我們設接收機接收到來自信道的，源源不斷的，各用戶混疊且加上了噪聲的編碼包序列為1={y(l)，y(2)，...，y(j)，...}:X/)=2>,《(力+"(_/)(j=1，2，)其中j為時隙標號，下標i為用戶的編號(i=1，2，...K)，&={Xi(1)，Xi(2)，...，Xi(j)，...}為第i個用戶經信道發送的源源不斷的序列，h為信道參數，n={n(l)，8n(2)，...，n(j)，...}為均值為0，方差為o2的白高斯噪聲序列；在接收機，我們根據任一時隙j接收到的編碼包包頭的用戶標示信息，判斷出該時隙各用戶的信道接入狀況(對包頭K個比特作硬判決，第k(k二1，2，...，K)位比特判決結果為1表示第k個用戶接入了信道，為0表示第k個用戶沒有接入信道)，然後去掉用戶標示信息；用Jk表示用戶k(k=1，2，...，K)的編碼包接入時隙的集合Jk=U|xk(j)-0，j=1，2，...}={Jk(l)，Jk(2)，...，Jk(qk)，...}其中qk為集合Jk中元素的編號(qk=1，2，...)，下標k為用戶的編號(k=1，2，...，K);對於每一個用戶，我們要在接收機接收到不同長度的編碼包序列x時，即在不同的碼率R下，計算其解映射及解碼軟信息估計器的輸出估計軟信息，對用戶k，設接收機已經接收了N個編碼包x={y(1)，y(2)，，y(N)}，則當前的碼率為R=m/N;對於其接入時隙集合Jk中的每一個時隙Jk(qk)，其接收到的混疊編碼包y(Jk(qk))，可以寫作formulaseeoriginaldocumentpage9其中;k(Jk(qk))為在時隙Jk(qk)，非零的其他用戶信號和高斯白噪聲之和，我們將其稱為合併噪聲且近似視其為高斯隨機變量，均值記為E[^k(Jk(qk))]，方差記為Var[^k(Jk(qk))]，於是可以將接收編碼包y(Jk(qk))也視作符合高斯特性formulaseeoriginaldocumentpage9其中formulaseeoriginaldocumentpage9在解映射及解碼軟信息估計器-k中，首先按照所選用的映射方式所對應的均值運算規則r^和方差運算規則r^，由其餘各用戶編碼包的比特log似然比軟信息，算出其餘各用戶編碼包的映射符號的均值和方差；然後按照所選用的映射方式所對應的解映射規則F，由接收到的混疊編碼包和已經算出的其餘各用戶編碼包的映射符號的均值和方差，根據接收編碼包符合的高斯特性，估計出用戶k編碼包的比特log似然比軟信息。在第a次迭代時，按照"估計軟信息更新表達式"formulaseeoriginaldocumentpage9更新估計軟信息，式中LLRka(v(qk))為用戶k第a次迭代解碼所需的由解映射及解碼軟信息估計器-k估計出的第qk個編碼包的比特log似然比軟信息矢量，LJ—、v(qi))為用戶i第a-l次迭代解碼後的第Qi個編碼包的比特log似然比軟信息矢量(初始化3=1時，《(v④)")；如果映射方式採用BPSK，將具體的均值運算規則rE,BPSK，方差運算規則rv,及解映射規則FBPSK代入"估計軟信息更新表達式"，可以得到其具體的表達形式以formulaseeoriginaldocumentpage10(qk=1，2，IJk|c其中y(Jk(qk))(。)表示在時隙Jk(qk)接收到的混疊編碼包y中的第c個符號，LLRka(v(qk)(。))為用戶k第a次迭代解碼所需的由解映射及解碼軟信息估計器_k估計出的第％個編碼包的第c個比特的1og似然比軟信息，L,、v(di)(。))為用戶i第a-1次迭代解碼後的第&個編碼包的第c個比特的log似然比軟信息。如果映射方式採用QPSK，則將具體的均值運算規則rE,QPSK，方差運算規則rVar，QPSK以及解映射規則FQPSK代入"估計軟信息更新表達式"，可以得到其具體的表達形式formulaseeoriginaldocumentpage10formulaseeoriginaldocumentpage10(qk=1，2，IJk|c=1，2，，b/2)其中，y(Jk(qk))(。)表示在時隙Jk(qk)接收到的混疊編碼包y中的第c個符號，LLRka(V(qk)(2。—J、LLRka(V(qk)(2。))為用戶k第a次迭代解碼所需的由解映射及解碼軟信息估計器-k估計出的第qk個編碼包的奇數位和偶數位比特的1og似然比軟信息，L,、v(cii)(2c—D、L,1(V(qi)(2。))為用戶i第a-1次迭代解碼後的第Qi個編碼包的奇數位和偶數位比特的log似然比軟信息，Re[.]表示取實部運算，Im[.]表示取虛部運算；然後將估計軟信息矢量LLRka(v(qk))作為判決解碼器_k的輸入軟信息矢量Lkin'a(qk)，即令丄;r(A)=，送入判決解碼器_k進行第a次的迭代解碼；其餘各用戶也按此同樣操作，各用戶解碼同時進行；完成第a次迭代後，對於用戶k，得到其判決解碼器-k的輸出欽信息矢量Lr'a(qk)，令《0^)^iT'^J，其餘用戶也按此同樣操作，接著將相應的值代入"估計軟信息更新表達式"，開始新一次(第a+l次)的迭代，以此類推，直至判決解碼器-k的解碼結果滿足Tanner圖中校驗節點所限制的校驗關係或者迭代次數達到所限定的最大次數；這樣可以完成碼率R=m/N下的軟信息估計，由於編碼方式的Rateless屬性，其編碼包序列長度N是不斷變化的，我們可以在不同的接收編碼包長度下，即各個碼率下，運行各自對應的運算，從而完成各個碼率下的軟信息估計，進而完成信號分離和解碼。本發明的有益效果是本發明充分利用無速率碼的自適應鏈路適配特性，以及其編碼時的隨機特性——不同用戶的無速率碼編碼包是按照一定方式隨機生成的、互不相關的這一特性，在各個用戶發送機無需知道信道狀態信息，以及在傳輸過程中無需任何反饋重傳機制的條件下，能夠自適應的調整各自的傳輸碼率，且能夠有效利用多個用戶衝突重疊的信息，實現多個用戶信息同時有效可靠的傳輸及正確的檢測分離。圖1是RMA系統的具體結構框圖；圖2是RMA系統採用LTCode編碼時，其LTCode的Tanner圖圖3是薩系統採用R即torCode編碼時，其外碼部分的LDPCCode的Tanner圖；圖4是RMA系統採用RaptorCode編碼時，其內碼部分的LTCode的Tanner圖；圖5是RMA系統採用R即torCode編碼時，其R即torCode的整體Tanner圖；圖6是採用R即torCode的RMA系統(各用戶均採用BPSK調製方式，以概率1接入，碼率R=1/16時)與採用ZigzagCode的IDMA系統(各用戶Rzigzag=l/2，8倍擴頻，碼率R=1/16)在各信噪比下的誤比特率對比圖，用戶數K=2;圖7是採用R即torCode的RMA系統(各用戶均採用BPSK調製方式，以概率1接入，碼率R=1/16時)與採用ZigzagCode的IDMA系統(各用戶Rzigzag=l/2，8倍擴頻，碼率R二1/16)在各信噪比下的誤比特率對比圖，用戶數K二4。具體實施例方式以下參照附圖對本發明作進一步描述，本發明的目的和效果將變得更加明顯。無速率碼(RatelessCode)是一種具有自適應鏈路適配特性的新型信道編碼方式。它與傳統的碼率固定的編碼方式最大的不同在於它在發送端不設定固定碼率，其編碼包的個數是沒有限制的。發送端可以按照一定方式源源不斷的隨機產生編碼包並發送出去。接收端則可以在接收到這些編碼包後嘗試解碼。從統計意義上來講，每一個編碼包包含著相同的關於消息數據包的信息量，接收端並不關心具體的某一個編碼包的接收情況，而是關心接收到的編碼包的總數量，因此在傳輸過程中無需反饋和重傳的機制。只要接收端接收到足夠多的編碼包，就可以成功解碼；如果解碼失敗，接收端可以再多接收一些編碼包然後繼續嘗試解碼。接收端將一直重複這個過程直到解碼成功。一旦解碼成功，接收端只需要發送一個非常簡單的信號告知發送端停止發送即可，這樣就完成了整個傳輸過程。此時，實際傳輸的碼率取決於實際發送的編碼包數目，而實際發送的編碼包數目取決於當時的信道狀況。由此可見，採用無速率碼編碼方式，可以在發送端不知道任何信道狀態信息，以及在傳輸過程中無需任何反饋重傳機制的條件下，自適應地調整傳輸碼率，保證信息有效可靠的傳輸。參照圖l，一個包含K(K為任意正整數)個用戶的RMA系統，由發送端和接收端構成。其中發送端包含K個單路輸入、單路輸出的發送機，接收端包含1個單路輸入、K路輸出的接收機。該系統運行於通信兩端。在發送端，每一個用戶都擁有一個發送機，每個發送11機的結構均相同。對於用戶k(k=1，2，...，K)，其發送機包括串行連接的編碼器-k，映射器_k和接入控制器_k:編碼器-k，用於將用戶k的消息數據包編為源源不斷產生的RatelessCode編碼包，其輸入端接外部消息數據包的數據流，其輸出端接至映射器_k的輸入端；映射器-k，用於完成由編碼包數據比特到編碼包傳輸符號的映射，可用通常的線性調製映射器來實現，其輸入端接編碼器_k的輸出端，其輸出端接至接入控制器_k的輸入丄山順；接入控制器_k，主要完成對編碼包的發送控制，即按事先確定的概率隨機決定是否將當前編碼包在當前時隙中接入信道進行發送，其輸入端接映射器-k的輸出端，其輸出端接至信道；K個用戶的發送機並行接入信道，組成系統的發送端。在接收端，其單路輸入、K路輸出的接收機在內部分為並行的K路，每一個用戶都對應其中相應的一路，並具有相同的結構。對於用戶k(k=1，2，...，K)，其所對應的那一路結構包括串行連接的解映射及解碼軟信息估計器_k和判決解碼器_k:解映射及解碼軟信息估計器-k，用於根據接收到的來自信道的混疊編碼包完成各用戶信號分離，以及通過解映射完成對用戶k的編碼包比特Log似然比軟信息的估計，其輸入端接接收機的來自於信道的輸入以及除了判決解碼器-k之外其餘各判決解碼器的軟信息輸出端，其輸出端接至判決解碼器_k的輸入端；判決解碼器_k，用於完成對用戶k編碼包的解碼，其輸入端接解映射及解碼軟信息估計器-k的輸出端，其判決結果輸出端輸出解碼結果，作為接收機的一路輸出，其軟信息輸出端接至除了解映射及解碼軟信息估計器_k之外的其餘各解映射及解碼軟信息估計器的輸入端；K路結構並行構成接收機，組成系統的接收端。上述基於無速率碼的多用戶隨機接入系統的編解碼方法包括編碼方法和解碼方法。在發送端，按照編碼方法完成各用戶的編碼接入，將各用戶的編碼包接入信道進行發送；在接收端，按照解碼方法，根據接收到的混疊編碼包，完成各用戶編碼包的檢測分離和解碼。編碼方法如下設每個用戶的發送機均需要發送m=1024個消息數據包，每個消息數據包由b=128個數據比特組成，其中包括一個循環冗餘校驗碼，這個循環冗餘校驗碼採用CRC16，用於解碼器判斷解碼是否成功，用dk(i)表示消息數據包，其中i為消息數據包的編號(i=1，2，...，1024)，下標k為用戶的編號(k=1，2，...，K);考慮其中的第k個用戶(k=1，2，...，K)，按照如下步驟進行編碼接入1)利用編碼器-k進行編碼；將消息數據包dk(i)送入編碼器-k，通過Rateless編碼方式(如LTCode,R即torCode等)，得到源源不斷產生的編碼包序列以及該碼的Tanner圖。用vk(s)表示編碼所得的編碼包，其中s為編碼包的編號(s=1，2，...)，下標k為用戶的編號(k=1，2，...，K)。實施例1:當編碼採用LTCode時，按照如下方式進行編碼對m=1024個消息數據包進行LT編碼，生成LTCode的Tanner圖，並得到源源不斷生成的LTCode的編碼包。用vk(s)表示LTCode的編碼包，其中s為編碼包的編號(s=1，2，...)，下標k為用戶的編號(k=1，2，...，K)，編碼方法為要產生LTCode編碼包Vk(s)，首先按照度數分布Q(x)(該分布的各參數如表l所示，其中Qi表示度數i所佔的比例)，用隨機數生成器為其產生度數degk(s);然後用隨機數生成器產生一個1024維二元域向量{^"}(i=1，2，...，1024)，元素G^的取值為"0"或者"1"，其中元素"1"的個數為degk(s)。元素G"為"1"表示對應的編號為i消息數據包dk(i)被選中，將這些被選中的消息數據包按比特作模2求和，即得到LTCode的編碼包的值1024&0)=t/A(O]mod2(s=l，2，)tableseeoriginaldocumentpage13表1LTCode的Tanner圖如圖2所示。圖中有兩類節點，圓圈表示變量節點(variablenode)，變量節點又分為兩類，上面一行為信息節點(informationnode)，共有m二1024個，記作Vu，Vk,2，...，Vk,m，分別對應消息數據包dk(l)，dk(2)，...，dk(m)，下面一行為編碼節點(paritynode)，記作Pka，Pk,2，，Pk,s，，分別對應LTCode的編碼包vk(l)，vk(2)，，vk(s)，...；方框表示校驗節點(checknode)，分別記作Cu，Cu，...，Ck,s，...，與每一個校驗節點相連的各節點的校驗和為0。因此，在編碼過程中用隨機數生成器為每一個LTCode的編碼包vk(s)選擇degk(S)個消息數據包作模2求和，在Tanner圖中就體現為為校驗節點Cu選擇degk(s)個信息節點相連。而校驗節點Cu與編碼節點Pu的連接關係是固定的，Ck,s總是與Pk,s—一對應的相連。由於LTCode是一種Rateless編碼，其編碼包個數隨著編碼過程源源不斷的增加，所以每產生一個新的LTCode編碼包vk(s)，圖中就會增加一個新的校驗節點Ck,s和一個新的編碼節點Pk,s，隨著編碼包源源不斷的增多，Ta皿er圖會越來越大。各用戶獨立完成自己的LTCode編碼過程，編碼時使用不同於其他用戶的隨機數生成器，以得到與其他用戶不同的、相互獨立的Tanner圖，這樣可以保證各用戶信號的不相關性，為解碼時各用戶的信號分離提供可行性；實施例2:當編碼採用R即torCode時(它是由外碼部分的高碼率LDPCCode以及內碼部分的LTCode級聯組成的)，按照如下方式進行編碼編碼第一步，按照Linear-TimePEGEncoding算法(見"RegularandIrregularProgressiveEdge-GrowthTannerGraphs",IEEETransactionsOnInformationTheory，Vol.51，No.1，January2005)，對m二1024個消息數據包進行LDPC編碼，生成LDPCCode的Tanner圖，進而得到n=1072個LDPCCode的編碼包。用tk(l)表示LDPCCode的編碼包，其中1為編碼包的編號(1=1，2，...，1072)，下標k為用戶的編號(k=1，2，...，K)。RaptorCode外碼部分的LDPCCode的Tanner圖如圖3所示，圖中有兩類節點，圓圈表示變量節點(variablenode)，共有n=1072個，記作V^，Vk,2，…，Vk,n，分別對應LDPCCode的編碼包tk(l)，tk(2)，...，tk(n);方框表示校驗節點(checknode)，共有n_m=1072-1024=48個，分別記作C'^，C'k,2，，C'k,n—m，其與變量節點的連接方式由Linear-TimePEGEncoding算法生成，與每一個校驗節點相連的各節點的校驗和為0。我們定義Tanner圖中，連接到某個節點的邊的總數為這個節點的度數。我們固定LDPCCode的變量節點中，前5個節點的度數為l，其餘節點的度數為4，按照Linear-TimePEGEncoding算法為各變量節點選擇與校驗節點的連接關係，構成Tanner圖。由該算法得到的Tanner圖所對應的校驗矩陣H，具有如下性質H=[Hp，Hd]，右邊部分的Hd是一個48X1024矩陣，左邊部分的Hp是一個48X48上三角矩陣=formulaseeoriginaldocumentpage14則LDPCCode的編碼包的值可以由下式求得formulaseeoriginaldocumentpage14可見，由該算法得到的LDPCCode是系統碼，其1072個編碼包中，後1024個就是消息數據包。編碼第二步，對n=1072個LDPCCode的編碼包進行LT編碼，生成LTCode的Tanner圖，並得到源源不斷生成的LTCode的編碼包。用vk(s)表示LTCode的編碼包(也就是整個RaptorCode的編碼包)，其中s為編碼包的編號(s=1，2，...)，下標k為用戶的編號(k=1，2，...，K)，編碼方法為要產生LTCode編碼包Vk(s)，首先按照表l所示的度數分布Q(x)，用隨機數生成器為其產生度數degk(s);然後用隨機數生成器產生一個1072維二元域向量{,'",C/)+"C/)(j=1，2，.…)=1其中，j為時隙標號，下標i為用戶的編號(i=1，2，...K)，&={Xi(l)，Xi(2)，...，Xi(j)，...}為第i個用戶經信道發送的源源不斷的序列，h為信道參數，n={n(1)，n(2)，，n(j)，.}為均值為0，方差為o2的白高斯噪聲序列;在接收機，我們根據任一時隙j接收到的編碼包包頭的用戶標示信息，判斷出該時隙各用戶的信道接入狀況(對包頭K個比特作硬判決，第k(k二1，2，...，K)位比特判決結果為1表示第k個用戶接入了信道，為0表示第k個用戶沒有接入信道)，然後去掉用戶16標示信息；用Jk表示用戶k(k=1，2，...，K)的編碼包接入時隙的集合Jk=U|xk(j)-0，j=1，2，...}={Jk(l)，Jk(2)，...，Jk(qk)，...}其中qk為集合Jk中元素的編號(qk=1，2，...)，下標k為用戶的編號(k=1，2，...，K);對於每一個用戶，我們要在接收機接收到不同長度的編碼包序列y時，即在不同的碼率R下，計算其解映射及解碼軟信息估計器的輸出估計軟信息，對用戶k，設接收機已經接收了N個編碼包工={y(1)，y(2)，，y(N)}，則當前的碼率為R=m/N=1024/N;對於其接入時隙集合Jk中的每一個時隙Jk(qk)，其接收到的混疊編碼包y(Jk(qk))，可以寫作:Kjr*(^))=/l*x*GA(&))+ZA'x,0/,(《,))+"(/*(&))'5**,*(ft-/*(ftW,+(qk=1，2，...|jk|)其中;k(Jk(qk))為在時隙Jk(qk)，非零的其他用戶信號和高斯白噪聲之和，我們將其稱為合併噪聲且近似視其為高斯隨機變量，均值記為E[;k(Jk(qk))]，方差記為Var[4k(Jk(qk))]，於是可以將接收編碼包y(Jk(qk))也視作符合高斯特性y(Jk(qk))N(hkxk(Jk(qk))+E[4k(Jk(qk))]，Var[4k(Jk(qk))])，崎*i;(ft(AW,(ft)在解映射及解碼軟信息估計器-k中，首先按照所選用的映射方式所對應的均值運算規則r^和方差運算規則r^，由其餘各用戶編碼包的比特log似然比軟信息，算出其餘各用戶編碼包的映射符號的均值和方差；然後按照所選用的映射方式所對應的解映射規則F，由接收到的混疊編碼包和已經算出的其餘各用戶編碼包的映射符號的均值和方差，根據接收編碼包符合的高斯特性，估計出用戶k編碼包的比特log似然比軟信息。在第a次迭代時，按照"估計軟信息更新表達式"=戶(少(ja(《/t,々a)=/,(《,)i;《.r版(zT,))+t72)(qk=1，2，|jk|)更新估計軟信息，式中LLRka(v(qk))為用戶k第a次迭代解碼所需的由解映射及解碼軟信息估計器-k估計出的第qk個編碼包的比特log似然比軟信息矢量，LJ—、v(qi))為用戶i第a-l次迭代解碼後的第Qi個編碼包的比特log似然比軟信息矢量(初始化3=1時，《,)=0);如果映射方式採用BPSK，將具體的均值運算規則rupsK，方差運算規則r^f以17及解映射規則FBPSK代入"估計軟信息更新表達式"，可以得到其具體的表達形式^(v(&)(c))=24formulaseeoriginaldocumentpage18(qk=1，2，.|jk|c=1，2，.，128)其中，y(Jk(qk))(。)表示在時隙Jk(qk)接收到的混疊編碼包y中的第c個符號，LLRka(V(qk)(。)為用戶k第a次迭代解碼所需的由解映射及解碼軟信息估計器_k估計出的第％個編碼包的第c個比特的1og似然比軟信息，L,、v(di)(。))為用戶i第a-1次迭代解碼後的第&個編碼包的第c個比特的log似然比軟信息。如果映射方式採用QPSK，則將具體的均值運算規則r^^，方差運算規則rv,QPSK以及解映射規則F^K代入"估計軟信息更新表達式"，可以得到其具體的表達形式ZW(v(《k)(2c_0)=2^formulaseeoriginaldocumentpage18(qk=1，2，|Jk|c=1，2，，64)其中，y(Jk(qk))(。)表示在時隙Jk(qk)接收到的混疊編碼包y中的第c個符號，LLRka(V(qk)(2。—J、LLRka(V(qk)(2。))為用戶k第a次迭代解碼所需的由解映射及解碼軟信息估計器-k估計出的第qk個編碼包的奇數位和偶數位比特的1og似然比軟信息，L"—、v(cii)(2c—D)、LJ—1(V(qi)(2。))為用戶i第a-1次迭代解碼後的第Qi個編碼包的奇數位和偶數位比特的log似然比軟信息，Re[.]表示取實部運算，Im[.]表示取虛部運算。然後將估計軟信息矢量LLRka(v(qk))作為判決解碼器_k的輸入軟信息矢量Lkin'a(qk)，即令《'"fe)=ZZ《(v(A))，送入判決解碼器_k進行第a次的迭代解碼；其餘各用戶也按此同樣操作，各用戶解碼同時進行；完成第a次迭代後，對於用戶k，得到其判決解碼器_k的輸出軟信息矢量Lk°ut，a(qk)，令《(v(&))=，其餘用戶也按此同樣操作，接著將相應的值代入"估計軟信息更新表達式"，開始新一次(第a+1次)的迭代，以此類推，直至判決解碼器_k的解碼結果滿足Tanner圖中校驗節點所限制的校驗關係或者迭代次數達到所限定的最大次數；這樣可以完成碼率R二m/N二1024/N下的軟信息估計，由於編碼方式的Rateless屬性，其編碼包序列長度N是不斷變化的，我們可以在不同的接收編碼包長度下，即各個碼率下，運行各自對應的運算，從而完成各個碼率下的軟信息估計，進而完成信號分離和解碼。圖6和圖7，是採用R即torCode的RMA系統和採用ZigzagCode(見"Zigzagcodesandconcatenatedzigzagcodes，，，IEEETrans.Inform.Theoryspecialissueoncodesongraphs,vol.，IT-47,no.2，pp.，800-807，Feb.2001.)的IDMA系統，在系統用戶數K=2和K二4時的性能比較圖。可以看到，採用R即torCode的RMA系統的性能要優於採用ZigzagCode的IDMA系統。權利要求一種基於無速率碼的多用戶隨機接入系統，其特徵在於，它主要由發送端和接收端構成；其中，發送端由K個單路輸入、單路輸出的發送機並行接入信道組成，接收端由一個單路輸入、K路輸出的接收機組成；每個發送機由編碼器，映射器和接入控制器依次串行連接組成；接收機在內部分為並行的K路，每一路由解映射及解碼軟信息估計器和判決解碼器串行連接而成，其中，K為任意正整數。2.—種權利要求1所述接入系統的編碼方法，在發送端按照編碼方法完成各用戶的編碼接入，將各用戶的編碼包接入信道進行發送，其特徵在於，該編碼方法如下設每個發送機均需要發送m個消息數據包，每個消息數據包由b個數據比特組成，其中包括一個循環冗餘校驗碼，用於解碼器判斷解碼是否成功，用dk(i)表示消息數據包，其中i為消息數據包的編號(i=1，2，...，m)，下標k為用戶的編號(k=1，2，...，K);考慮其中的第k個用戶(k=1，2，...，K)，按照如下步驟進行編碼接入:(1)利用編碼器-k進行編碼將消息數據包dk(i)送入編碼器-k，通過Rateless編碼方式，得到源源不斷產生的編碼包序列以及該碼的Ta皿er圖，用vk(s)表示編碼所得的編碼包，其中s為編碼包的編號(s=1，2，...)，下標k為用戶的編號(k=1，2，...，K):各用戶獨立完成自己的編碼過程，編碼時使用不同於其他用戶的隨機數生成器，以得到與其他用戶不同的、相互獨立的Tanner圖，這樣可以保證各用戶信號的不相關性，為解碼時各用戶的信號分離提供可行性。(2)利用映射器-k，進行由編碼包數據比特到編碼包傳輸符號的映射將由編碼器-k得到的編碼包Vk(s)送入映射器-k，映射方式可採用普通的線性調製方式，完成由編碼包數據比特到編碼包傳輸符號的映射Vk(s)—Wk(s)，其中s為編碼包的編號(s=1，2，...)，下標k為用戶的編號(k=1，2，...，K)。(3)利用接入控制器-k，進行對編碼包的發送控制將由映射器-k得到的經過映射的編碼包wk(s)送入接入控制器-k，在任一個時隙j(j=1，2，...)，用戶k以概率pk順序將Wk(S)接入信道發送用Xk(j)表示用戶k在時隙j經信道發送的符號，如果決定在當前時隙j將編碼包Wk(s)接入信道，則在編碼包Wk(s)包頭增加K個比特的用戶標示信息，其中第k位置l，其餘各位置O，組成發送編碼包Wk'(S)，令Xk(j)=wk'(s)，在下一個時隙判斷是否將Wk(S+l)接入信道；否則令Xk(j)=O，下一個時隙繼續判斷是否將Wk(S)接入信道；由於採用的是Rateless編碼方式，所以經過編碼及映射後的序列ik={wk(l)，wk(2)，...，wk(s)，...}是源源不斷產生的，於是經信道發送的序列2Lk={xk(1)，xk(2)，...，xk(j)，...}也是源源不斷的，長度並不是固定的，lk的每一個長度都對應相應的一個碼率；每個用戶的發送機根據以上規則，源源不斷的產生編碼包並接入信道，直至接收端告知它停止發送。3.—種權利要求1所述接入系統的解碼方法，在接收端根據接收到的混疊編碼包，完成各用戶編碼包的檢測分離和解碼；該解碼方法如下接收機接收到來自信道的，源源不斷的，各個用戶相互混疊且加上了噪聲的編碼包，各用戶的信號分離及解碼同時進行，對於用戶k(k二1，2，...，K)，其判決解碼器-k採用和編碼器-k相同的隨機數生成器，所以可以準確的重構該碼的Tanner圖，按照如下步驟進行信號分離和解碼(A)接收機首先接收到N=m個來自信道的混疊編碼包。附(B)接收機再接收AN個混疊編碼包，令N二N+AN，此時的碼率為及T7。(C)將接收到的編碼包送入解映射及解碼軟信息估計器-k，採用基於無速率碼的多用戶隨機接入系統的解碼軟信息估計方法，在當前碼率R下進行運算，利用除了判決解碼器-k之外其餘各用戶的判決解碼器的輸出軟信息(初始化時為O)，更新估計軟信息。(D)將由解映射及解碼軟信息估計器_k更新得到的估計軟信息作為判決解碼器_k的輸入，在重構的當前碼率R下的Tanner圖上運行BP(Belief-Propagation)解碼算法，完成一輪迭代解碼運算，並更新判決解碼器_k的輸出判決結果信息和輸出軟信息。(E)利用判決解碼器_k的輸出判決結果信息判斷解碼結果是否滿足Tanner圖中校驗節點所限制的校驗關係，或者迭代次數已經達到所限定的最大次數，如果滿足上述兩個條件之一，則轉入步驟6);否則轉入步驟3)。(F)利用各個包內的循環冗餘校驗碼判斷數據包是否都解碼正確，如果都正確，轉入步驟7);否則轉入步驟2)。(G)解碼結束，接收機發送一個信號告知用戶k的發送機停止發送。4.根據權利要求3所述解碼方法，其特徵在於，所述步驟(C)中，所述基於無速率碼的多用戶隨機接入系統的解碼軟信息估計方法具體如下設接收機接收到來自信道的，源源不斷的，各用戶混疊且加上了噪聲的編碼包序列為X={y(l)，y(2)，...，y(j)，...}:x/)j,co+"c/)(j=i，2，)其中，j為時隙標號，下標i為用戶的編號(i=1，2，...K)，&={Xi(1)，Xi(2)，...，Xi(j)，...}為第i個用戶經信道發送的源源不斷的序列，h為信道參數，n={n(l)，n(2)，...，(j)，...}為均值為0，方差為02的白高斯噪聲序列；在接收機，根據任一時隙j接收到的編碼包包頭的用戶標示信息，判斷出該時隙各用戶的信道接入狀況(對包頭K個比特作硬判決，第k(k=1，2，...，K)位比特判決結果為1表示第k個用戶接入了信道，為0表示第k個用戶沒有接入信道)，然後去掉用戶標示信息；用Jk表示用戶k(k二1，2，...，K)的編碼包接入時隙的集合formulaseeoriginaldocumentpage3其中，qk為集合Jk中元素的編號(qk=1，2，...)，下標k為用戶的編號(k=1，2，...，K);對於每一個用戶，我們要在接收機接收到不同長度的編碼包序列X時，即在不同的碼率R下，計算其解映射及解碼軟信息估計器的輸出估計軟信息，對用戶k，設接收機已經接收了N個編碼包!={y(1)，y(2)，，y(N)}，則當前的碼率為R=m/N;對於其接入時隙集合Jk中的每一個時隙Jk(qk)，其接收到的混疊編碼包y(Jk(qk))，可以寫作formulaseeoriginaldocumentpage3其中，"(Jk(qk))為在時隙Jk(qk)，非零的其他用戶信號和高斯白噪聲之和，我們將其稱為合併噪聲且近似視其為高斯隨機變量，均值記為E[^k(Jk(qk))]，方差記為Var[4k(Jk(qk))]，於是可以將接收編碼包y(Jk(qk))也視作符合高斯特性formulaseeoriginaldocumentpage4其中formulaseeoriginaldocumentpage4在解映射及解碼軟信息估計器-k中，首先按照所選用的映射方式所對應的均值運算規則r^和方差運算規則r^，由其餘各用戶編碼包的比特iog似然比軟信息，算出其餘各用戶編碼包的映射符號的均值和方差；然後按照所選用的映射方式所對應的解映射規則F，由接收到的混疊編碼包和已經算出的其餘各用戶編碼包的映射符號的均值和方差，根據接收編碼包符合的高斯特性，估計出用戶k編碼包的比特log似然比軟信息。在第a次迭代時，按照"估計軟信息更新表達式"formulaseeoriginaldocumentpage4更新估計軟信息，式中LLRka(v(qk))為用戶k第a次迭代解碼所需的由解映射及解碼軟信息估計器-k估計出的第qk個編碼包的比特log似然比軟信息矢量，LJ—、v(qi))為用戶i第a-1次迭代解碼後的第Qi個編碼包的比特log似然比軟信息矢量(初始化a=1時，《C)=0);如果映射方式採用BPSK，將具體的均值運算規則r^p^方差運算規則r^,皿以及解映射規則FBPSK代入"估計軟信息更新表達式"，可以得到其具體的表達形式formulaseeoriginaldocumentpage4其中y(Jk(qk))(。)表示在時隙Jk(qk)接收到的混疊編碼包y中的第c個符號，LLRka(V(qk)(。)為用戶k第a次迭代解碼所需的由解映射及解碼軟信息估計器_k估計出的第qk個編碼包的第c個比特的1og似然比軟信息，L,、v(di)(。))為用戶i第a-l次迭代解碼後的第&個編碼包的第c個比特的log似然比軟信息。如果映射方式採用QPSK，則將具體的均值運算規則r^^，方差運算規則r^,^以及解映射規則FQPSK代入"估計軟信息更新表達式"，可以得到其具體的表達形式。其中，y(Jk(qk))(。)表示在時隙Jk(qk)接收到的混疊編碼包y中的第c個符號，LLRka(V(qk)(2。—J、LLRka(V(qk)(2。))為用戶k第a次迭代解碼所需的由解映射及解碼軟信息估計器-k估計出的第qk個編碼包的奇數位和偶數位比特的1og似然比軟信息，L,、v(cii)(2c—D)、LJ—1(V(qi)(2。))為用戶i第a-1次迭代解碼後的第Qi個編碼包的奇數位和偶數位比特的log似然比軟信息，Re[.]表示取實部運算，Im[.]表示取虛部運算；然後將估計軟信息矢量LLRka(v(qk))作為判決解碼器_k的輸入軟信息矢量Lkin'a(qk)，即令《"(^)-ZZ《(v(&))，送入判決解碼器-k進行第a次的迭代解碼；其餘各用戶也按此同樣操作，各用戶解碼同時進行；完成第a次迭代後，對於用戶k，得到其判決解碼器-k的輸出軟信息矢量Lk°ut'a(qk)，令《(vfe))=，其餘用戶也按此同樣操作，接著將相應的值代入"估計軟信息更新表達式"，開始新一次(第a+l次)的迭代，以此類推，直至判決解碼器-k的解碼結果滿足Tanner圖中校驗節點所限制的校驗關係或者迭代次數達到所限定的最大次數；這樣可以完成碼率R=m/N下的軟信息估計，由於編碼方式的Rateless屬性，其編碼包序列長度N是不斷變化的，我們可以在不同的接收編碼包長度下，即各個碼率下，運行各自對應的運算，從而完成各個碼率下的軟信息估計，進而完成信號分離和解碼。全文摘要本發明公開了一種基於無速率碼的多用戶隨機接入系統及其編解碼方法，利用無速率碼的自適應鏈路適配特性，以及其編碼時的隨機特性，在各個用戶發送機無需知道信道狀態信息，以及在傳輸過程中無需任何反饋重傳機制的條件下，能夠自適應的調整各自的傳輸碼率，且能夠有效利用多個用戶衝突重疊的信息，實現多個用戶信息同時有效可靠的傳輸及正確的檢測分離。文檔編號H04W28/02GK101695016SQ20091015339公開日2010年4月14日申請日期2009年10月22日優先權日2009年10月22日發明者吳可鏑,張朝陽,林澤,陳少磊,陳曉明申請人:浙江大學;