專利名稱：一種基于噴泉編碼的隨機接入方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種隨機接入方法，特別涉及一種采用噴泉編碼的隨機接入方 法，屬于有線及無線通信技術領域。
背景技術：
隨機接入屬于信道帶寬資源共享技術，主要研究在保證服務質量的同時， 如何使公共資源的利用率達到最佳，其特點是所有用戶都可以根據(jù)意愿隨機地 發(fā)送信息。但當兩個或多個用戶同時發(fā)送信息時，就可能發(fā)生碰撞沖突，導致
沖突用戶的發(fā)送均失敗。目前，隨機接入方法主要包括純ALOHA協(xié)議、時隙 ALOHA協(xié)議、載波監(jiān)聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access, CSMA)協(xié)議和 分組預約多址(Packet Reservation Multiple Access, PRMA)協(xié)議等。上述協(xié)議，具
體實現(xiàn)如下
1) .純ALOHA協(xié)議每個用戶均可以自由地發(fā)送數(shù)據(jù)幀，如果發(fā)送的數(shù)據(jù) 幀之間有部分重疊時，則發(fā)生碰撞沖突，所有沖突的數(shù)據(jù)幀都需要重新發(fā)送； 重發(fā)的策略是讓各個發(fā)送端等待或退避一段隨機時間后，再重新發(fā)送數(shù)據(jù)幀， 直到重發(fā)成功或超時丟棄；系統(tǒng)吞吐量S和實際信道業(yè)務量G之間的關系為 <S = G*e—2G;當G-0.5時，最大吞吐量S鵬-l/2e-0.184;此協(xié)議主要適用于用 戶數(shù)少、系統(tǒng)負荷不是很大的網(wǎng)絡，如無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)；
2) .時隙ALOHA協(xié)議適用于具有固定長度的數(shù)據(jù)幀傳輸，并按照一幀數(shù) 據(jù)包所占用的時間來劃分時隙；為使各用戶在時間上同步，待發(fā)送數(shù)據(jù)幀的用 戶只能在每個時隙開始時發(fā)送；若發(fā)送的數(shù)據(jù)幀之間有碰撞沖突時，其重發(fā)策 略與純ALOHA協(xié)議相同；系統(tǒng)吞吐量S和實際信道業(yè)務量G之間的關系為 S = g;當(7 = 1時，最大吞吐量S,可達0.368;
3) .CSMA協(xié)議由ALOHA協(xié)議演變得到，其最大改進之處在于每個用 戶都能在發(fā)送數(shù)據(jù)幀前監(jiān)聽信道上其他用戶是否在發(fā)送信息，如在發(fā)送，則此 用戶暫不發(fā)送數(shù)據(jù)幀；由于減小了發(fā)送沖突的可能性，從而提高了系統(tǒng)的吞吐 能力；4). PRMA協(xié)議與純ALOHA協(xié)議、時隙ALOHA協(xié)議和CSMA協(xié)議相
比，其獨特之處在于考慮了業(yè)務流量特性，如將業(yè)務數(shù)據(jù)幀劃分為周期性數(shù)據(jù) 幀和隨機性數(shù)據(jù)幀；用戶以時隙ALOHA協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)幀，如發(fā)生沖突，則通 過設置不同的發(fā)送概率，使周期性數(shù)據(jù)幀具有較高的發(fā)送權利；
由以上協(xié)議可知，隨機接入的主要問題是多用戶隨機競爭帶來的碰撞沖突。 一旦數(shù)據(jù)幀發(fā)生了沖突，ALOHA類協(xié)議使各用戶隨機等待或退避一段時間，再 重新發(fā)送數(shù)據(jù)幀，直到發(fā)送成功或超時丟棄。這種使競爭接入在時間上向后分 散的策略，對短時的沖突有效；如果負載長時間保持在一個較高的門限上，推 遲的后果只會增加后面沖突的概率，導致沖突更加頻繁，最終使系統(tǒng)吞吐量急 劇下降；并且在用戶的等待或退避的過程中，不可避免地造成信道帶寬資源的 浪費。
可見，上述隨機接入方法在實際應用中還是有缺陷的，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)明的目的是針對純ALOHA協(xié)議、時隙ALOHA協(xié)議、CSMA協(xié)議和 PRMA協(xié)議遇到碰撞沖突時采用等待或退避的策略導致后面沖突更加頻繁和浪 費帶寬資源的缺陷，提出了一種基于噴泉編碼的隨機接入方法。
本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的。
本發(fā)明的基于噴泉編碼的隨機接入方法，其具體步驟如下
步驟一、構造待發(fā)送數(shù)據(jù)幀
構造包含《個信源數(shù)據(jù)包的待發(fā)送數(shù)據(jù)幀，設計每個信源數(shù)據(jù)包包含iV個
二進制符號，規(guī)定K,"p…， -,)，(6。A，…,VJ，…，(/。,乂，…，/AM)構成一個 待發(fā)送的數(shù)據(jù)幀；
其中《和W均為正整數(shù)；
步驟二、將待發(fā)送數(shù)據(jù)幀進行噴泉編碼
將包含尺個信源數(shù)據(jù)包的待發(fā)送數(shù)據(jù)幀("。,"P…，"w—》，(6。A,…，V》，…， (/0，,，...,/w—》重新排序成數(shù)據(jù)包("。A，…，/。) ，",V"，/)，…，
KM,Vp…,/^)后進行噴泉編碼，如將排序后的第z'個數(shù)據(jù)包(",.A,…，y;)經(jīng)過 噴泉編碼后生成半無限編碼數(shù)據(jù)包(4，A, ，《， )， z-o,i，…,iv-i;按列輸出即為噴泉編碼數(shù)據(jù)包(4,4,…,vVi)， (B。，A，…，萬^)，…，(巧,《，…,/^)，…； 步驟三、頻譜檢測、輸出噴泉編碼數(shù)據(jù)包
對信道進行頻譜檢測，若滿足發(fā)送要求，如低于所設定的門限，發(fā)送端將
步驟二中生成的噴泉編碼數(shù)據(jù)包(4，4,…，^v—,) ， (5,，…,V,)，…， (巧,Fp…,F^》，…經(jīng)加入適量校驗比特(根據(jù)用戶要求)后輸出到信道中；若
不滿足要求，則等待直到發(fā)送要求滿足為止；
步驟四、對碰撞沖突進行處理
步驟三中，如果同時有多個發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)，則發(fā)生碰撞沖突，此時，發(fā) 送端不必等待或退避，只需源源不斷地輸出噴泉編碼數(shù)據(jù)包； 步驟五、檢測接收、譯碼判決
對接收到的不同發(fā)送端輸出的噴泉編碼數(shù)據(jù)包進行檢測和校驗后，接收端 將獲得正確的噴泉編碼數(shù)據(jù)包；依噴泉碼譯碼原理，當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A:時，就可以恢復信源數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)
成功傳輸；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信號是指如果同時有多個發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)，接收端 所收到的將是多個發(fā)送端經(jīng)信道作用后的復合信號；接收端將傳送給自己的數(shù) 據(jù)作為信號，將其他部分(不是傳給本接收端的信號)看成干擾，然后進行信 號檢測；當各個用戶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，然后從復合信號中減去該信號，進一步檢測出信號干擾比 較小的信號；以此類推，即使接收信號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，采用噴泉編碼的隨機接入方法，不但可以避 免各發(fā)送端等待或退避造成的吞吐量損失，而且還由于信號交疊重用技術進一 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隨機接入方法。 有益效果
本發(fā)明在數(shù)據(jù)幀發(fā)生碰撞沖突時，不但不需要發(fā)送端等待或退避，而且由 于信號交疊重用技術的應用，統(tǒng)計復用了系統(tǒng)信道帶寬資源，和目前的ALOHA 類隨機接入?yún)f(xié)議相比，進一步提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐能力。


5圖l一基于噴泉編碼的隨機接入方法示意圖； 圖2—基于數(shù)據(jù)包的噴泉編碼示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。 實施例 實施例1
以用戶A和用戶B分別發(fā)送包含&和i^個信源數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)幀到接收端C 和接收端D為例。
采用基于噴泉編碼的隨機接入方法，參見圖l。
1) .構造待發(fā)送數(shù)據(jù)幀，設計分別包含《和《2個信源數(shù)據(jù)包的待發(fā)送數(shù)據(jù)
幀(ao,q，…，"^一) ， (&a,…,、—)，…，(/0，y;，…,/w,-i)禾口 (5。，5!，…,5w2一》，
(4,S，'..，^V2—i)， ...， (/o,〗，...，/w2—i)。
2) .將待發(fā)送數(shù)據(jù)幀進行噴泉編碼，如圖2用戶A將信源數(shù)據(jù)包
( ,a,，(6。,v..， —》，…，(/0，y;，…,/wH)重新排序成數(shù)據(jù)包
(氣,v..,/。)， ("pV"，/)，…，K,—p -,，…,A,—,)后進行噴泉編碼，如將排序
后的第/個數(shù)據(jù)包(a^,…,乂)經(jīng)過噴泉編碼后生成編碼數(shù)據(jù)包(4,A,…,f;,…)， ,'-0,l，…，A^-h按列輸出即為噴泉編碼數(shù)據(jù)包(4,4，…，^一)， CB。，A，…，萬n)，
…，(巧,巧，…，尸w，-,)，…；同理，用戶B將信源數(shù)據(jù)包(5o,A，…,^—!)， H…，&「,)，…，(H…,i^—,)經(jīng)噴泉編碼后，生成噴泉編碼數(shù)據(jù)包
(H…,；2—》，(n…,u，…，(#0,^i，.'.,#wH)，…。
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査找目前的信道是否適合通信。本實施假定當 檢測結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 (d..,d)， (S。,A,…, -》，…，(F",…,/^一》，…及(H…，^—J，
(A，為，…，^H),…，(4A，…,^vH)，…經(jīng)CRC校驗后分別發(fā)送到信道中。
4) .在用戶A和用戶B發(fā)送噴泉編碼數(shù)據(jù)包的過程中，若發(fā)生了碰撞沖突， 無需等待或退避，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和用戶B同時發(fā)送數(shù)據(jù)，接收端所收到的將是兩個發(fā)送端信道作用后的復合信號。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，在接收端進行信號檢測。當各個發(fā)送端的信 號干擾比相差比較明顯時，接收端可以檢測出信號干擾比較大的信號。在此基 礎上，從復合信號中減去該信號，可以進一步獲得信號干擾比較小的信號。通 過這種方法，即使發(fā)送信號因碰撞而重疊在一起，接收端也可以檢測出數(shù)據(jù)包。 這樣，采用噴泉編碼的隨機接入方法，不但可以避免各發(fā)送端等待或退避造成 的吞吐量損失，而且還由于信號交疊重用技術進一步提高系統(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C和接收端D分 別獲得用戶A和用戶B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《(l + s)，其中，尺為信源編碼數(shù)據(jù)包， f是譯碼開銷， 一般s取值在0°/。-5%。如果使用Reed-Solomon碼作為噴泉碼， 則只需接收到尺個數(shù)據(jù)包即可，此時，s = 0。
實施例2
以認知無線電，非授權用戶A利用頻譜空洞發(fā)送包含A:個信源數(shù)據(jù)包的數(shù) 據(jù)幀到接收端C為例。
采用基于噴泉編碼的隨機接入方法，參見圖l。
1) .構造待發(fā)送數(shù)據(jù)幀，設計包含K個信源數(shù)據(jù)包的待發(fā)送數(shù)據(jù)幀
Oo，(V..，aw-i)， (6。A,…A一i)，…，(/o，,，.'.,/w—1)。
2) .將待發(fā)送數(shù)據(jù)幀進行噴泉編碼，如圖2非授權用戶A將信源數(shù)據(jù)包
("o，"p…，"J ， (W..，VJ ，…，(/"，.'.,Am)重新排序成數(shù)據(jù)包 ("。，V…,/。)， "A，…，力)，…，( 一A—p…，/f》后進行噴泉編碼，如將排序 后的第/個數(shù)據(jù)包("^,-.,/;)經(jīng)過噴泉編碼后生成編碼數(shù)據(jù)包(4,5,,..^，...)， 0，1，…,iV-1;按列輸出即為噴泉編碼數(shù)據(jù)包(4p4,…，4—,)， (A，^,…，^J， …，(/^，…,i^—!)，…。
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信道資源是否被授權用戶使用。若未被使用，或 者被使用但是當前時刻功率很低時，未授權用戶可利用此頻譜空洞進行通信。 本實施例假定當頻譜檢測結果低于一定的門限時，未授權用戶即可通信。此時，將生成的噴泉編碼數(shù)據(jù)包(4)，4,…,4—J, (A,^，…,^一)，…，(Fq，巧,…，/^)，
…經(jīng)CRC校驗后輸出。
4) .非授權用戶A在發(fā)送噴泉編碼數(shù)據(jù)包的過程中，若遇到授權用戶使用該 信道，則等待或退避直到頻譜檢測結果滿足通信要求為止；若與其他非授權用 戶發(fā)生碰撞沖突時，則不必等待或退避，只需繼續(xù)發(fā)送噴泉編碼包。
5) .若噴泉編碼數(shù)據(jù)包在傳輸過程中發(fā)生碰撞沖突，接收端C收到的將是多 個發(fā)送端經(jīng)信道作用后的復合信號。接收端將傳送給自己的數(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。當各個發(fā) 送端的信號干擾比相差比較明顯時，接收端可以檢測出信號干擾比較大的信號。 在此基礎上，從復合信號中減去該信號，可以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，即使發(fā)送信號因碰撞而重疊在一起，接收端也 可以檢測出數(shù)據(jù)包。這樣，采用噴泉編碼的隨機接入方法，不但可以避免各發(fā) 送端等待或退避造成的吞吐量損失，而且還由于信號交疊重用技術進一步提高 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C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) 目為尺(l + s)，其中，尺為信源編碼數(shù)據(jù)包，s是譯碼開銷， 一般^取值在0%-5%。
由于隨機接入時間的任意性，多個用戶可能在發(fā)送數(shù)據(jù)幀的過程中發(fā)生碰 撞沖突。采用等待或退避方法，不但會增大以后碰撞沖突的概率，還會在等待 或退避的過程中，造成信道帶寬資源的浪費。由噴泉碼的譯碼原理，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，就可實 現(xiàn)高概率成功譯碼，因此在發(fā)生碰撞沖突時，本發(fā)明不必等待或退避，只需源 源不斷地發(fā)送噴泉編碼數(shù)據(jù)包，從而統(tǒng)計復用了信道帶寬資源，提高了數(shù)據(jù)吞 吐能力。在此基礎上，如果各個發(fā)送端的信號干擾比相差比較明顯時，通過信 號交疊技術可以進一步提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。
權利要求
1.一種基于噴泉編碼的隨機接入方法，其特征在于具體步驟如下步驟一、構造待發(fā)送數(shù)據(jù)幀構造包含K個信源數(shù)據(jù)包的待發(fā)送數(shù)據(jù)幀，設計每個信源數(shù)據(jù)包包含N個二進制符號，規(guī)定(a0，a1，…，aN-1)，(b0，b1，…，bN-1)，…，(f0，f1，…，fN-1)構成一個待發(fā)送的數(shù)據(jù)幀；其中K和N均為正整數(shù)；步驟二、將待發(fā)送數(shù)據(jù)幀進行噴泉編碼將步驟一中構造的待發(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，…，AN-1)，(B0，B1，…，BN-1)，…，(F0，F(xiàn)1，…，F(xiàn)N-1)，…；步驟三、頻譜檢測、輸出噴泉編碼數(shù)據(jù)包對信道進行頻譜檢測，若滿足發(fā)送要求，如低于所設定的門限，發(fā)送端將步驟二中生成的噴泉編碼數(shù)據(jù)包(A0，A1，…，AN-1)，(B0，B1，…，BN-1)，…，(F0，F(xiàn)1，…，F(xiàn)N-1)，…經(jīng)加入適量校驗比特后輸出到信道中；若不滿足要求，則等待直到發(fā)送要求滿足為止；步驟四、對碰撞沖突進行處理步驟三中，如果同時有多個發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)，則發(fā)生碰撞沖突，此時，發(fā)送端不必等待或退避，只需源源不斷地輸出噴泉編碼數(shù)據(jù)包；步驟五、檢測接收、譯碼判決對接收到的不同發(fā)送端輸出的噴泉編碼數(shù)據(jù)包進行檢測和校驗后，接收端將獲得正確的噴泉編碼數(shù)據(jù)包；依噴泉碼譯碼原理，當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，就可以恢復信源數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)成功傳輸；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隨機接入方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種隨機接入方法，特別涉及一種采用噴泉編碼的隨機接入方法，屬于有線及無線通信技術領域。純ALOHA協(xié)議、時隙ALOHA協(xié)議、CSMA協(xié)議和PRMA協(xié)議遇到碰撞沖突時采用等待或退避的方式，不但增加后面沖突的概率導致沖突更加頻繁，而且造成信道帶寬資源浪費。針對此缺陷問題，該方法采用構造待發(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、對碰撞沖突進行處理、檢測接收、譯碼判決等步驟，得到了采用噴泉編碼的隨機接入方法。當發(fā)生碰撞沖突時，相比于ALOHA類協(xié)議等待或退避的策略，該方法不但不需要等待或退避，而且信號交疊技術的采用，能進一步提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐能力。
文檔編號H04L1/00GK101553036SQ20091008447
公開日2009年10月7日 申請日期2009年5月19日 優(yōu)先權日2009年5月19日
發(fā)明者安建平, 李祥明, 靜 楊, 磊 袁 申請人:北京理工大學