熵分复用方法
【专利摘要】本发明提出了一种信道多路复用的算法—熵分复用方法。此算法中，在频域和时域上都混叠的n路源信号，每路信号离散化后首先通过去冗余熵变换，再进行熵编码实现高效的数据压缩，根据n路源信号不同的信息熵谱值，给每路源信号动态分配不同的信道资源，在信道上进行传输。接收端利用各路源信号信息熵谱值的不同，将n路源信号经过熵解码和去冗余熵反变换恢复出来，实现信道的多路复用。熵分复用算法是信息熵谱理论与信道多路复用理论的融合，由于各路源信号经过了去冗余熵变换、熵编码处理，使得每路信号实现了数据的压缩、融合，根据压缩、融合后的信号具有不同的信息含量的特点，动态的分配信道资源。
【专利说明】熵分复用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及通信领域的信道多路复用算法，特别涉及一种基于信息熵谱理论的信道多路复用方法。
【背景技术】
[0002]传统的信道多路复用方法包括时分复用(TDM)、频分复用(FDM)和码分复用(CDM) ο
[0003]模拟信号的传输中，一般采用时分多路复用技术。时分多路复用通信是指各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信。具体地说，就是把时间分成一些均匀的时间间隙，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隙，以达到互相分开、互不干扰的目的。在时分复用方法中，时隙被预先固定分配给每个数据源，即使某个数据源并没有数据传送，该时隙也得分配给它，这就不可避免的造成了频谱资源的浪费。由于将每个时隙分配给特定的输入线路，如果这些输入线路没有全部进入工作状态，也就会出现空闲的时隙。另外，由于传输过程中需要用户完全同步，保护时间和同步序列带来的开销，大大降低了频谱效率。
[0004]为了提高信道利用率，数字信号在传输过程中一般采用频分多路复用方式。频分多路复用方式就是将用于传输信道的总带宽，划分成若干个较窄的子频带(或称子信道)，每条子频带都可以作为一个独立的传输信道用来传输一路信号。在接收端可以采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出所需要的信号。频分复用方式中，为了防止各路信号之间的相互干扰，相邻两个子频带之间需要留有一定的保护频带，保护频带的存在大大地降低了频分复用技术的效率。在频分复用中，OFDM (Orthogonal Frequency-DivisionMultiplexing)是一种常用的方式。OFDM就是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰ICI。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。OFDM技术虽然具有抗码间干扰(ISI)能力强、抗衰落能力好、频谱利用率高、适合高速数据传输等优点，所以将在第四代移动通信中发挥巨大作用，但同时也存在如下问题:①对频率偏移和相位噪声很敏感，这将引起系统性能下降，同时对信道估计带来难度。②峰值与均值功率比相对较大，这个比值的增大会降低射频放大器的功率效率。③由于OFDM技术在具体实现过程中采用插入CP (循环前缀)来消除ISI (码间干扰)，所以进一步提高频谱利用率仍有较大余地。④信道资源只能按照频带宽度固定分配。
[0005]所谓码分复用是指发送端信号占用相同的频带，在同一时间发送，不同的是各信号被分配不同的特征码(地址码)，在接收端通过对其特征码的识别来区分不同的信号。在码分复用系统中，各路信号在时域和频域上是重叠的，这时不能采用传统的滤波器(对频分复用技术而言)和选通门(对时分复用技术而言)来分离信号，而是用与发送信号相匹配的接收机通过相关检测才能正确接收。CDMA (Code Division Multiple Access)就是码分复用常用的一种方式。所谓CDMA就是利用相互正交(或尽可能正交)的不同编码分配给不同用户调制信号，实现多用户同时使用同一频率接入系统和网络的通信，由于利用相互正交(或尽可能正交)的编码去调制信号，会将原信号的信号频谱带宽扩展。因此，对这种调制方式的通信，又称为扩展频谱通信。CDMA由于具有系统容量大、通话质量好、抗干扰能力强、传输速率高、信号功率谱密度低等优点，在第二代及第三代移动通信中得到了广泛应用，它也必将成为第四代移动通信系统中需要采用的关键技术。但是，随着数据传输速率的不断提高，CDMA技术的缺陷不断暴露出来。CDMA的缺陷主要表现在以下几个方面:①在高速(宽带)数据传输时，例如数据传输速率超过几十MbPs以上，必然会受到码间干扰(ICI)的影响，尤其在多径衰落比较严重的无线信道中传输时，码间干扰更为严重，使得CDMA技术的应用变得不可行。②多址干扰严重。由于CDMA采用不同的扩频码来区分用户，这就要求各用户的扩频码具有极强的自相关性和极弱的互相关性。而实际上，由于多径传播，各用户间的干扰不可能完全消除，所以CDMA系统是一个干扰受限系统，来自本小区和邻近小区的干扰决定了系统容量和性能。③远近效应。远近效应就是指近处终端的大功率信号对远处终端的小功率信号产生的干扰。④CDMA技术的频谱效率低，不能适应大容量通信发展的需求。
[0006]熵分复用算法的优点是多路信号经过熵编码后，信道资源按照各路信号信息熵谱值的不同进行动态分配，然后在信道上同时、同频的传输。在接收端利用源信号的信息熵谱值的差异性接收下来，经过熵解码后恢复成源信号。该方法最大的特点是将信息熵谱技术应用于信道编码，解决了以上几种传统的复用方式在信号频域、时隙和码字方面的限制，能有效的分离多路同时、同频的信号，克服了正交频分复用(OFDM)方式中信道资源只能固定分配的缺点，大大提高了信道利用率。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种新的信道多路复用方法，它采用信息熵谱理论和信道多路复用技术相结合，分析处理同时同频传输的多路信号。这种方法解决了传统的时分复用、频分复用方法中，为了保证信息传输的可靠性，增设一定的保护间隔或一定的保护频带而使频带的利用率降低的弊端，同时克服了码分复用方法中多址干扰的影响。这种信道复用的方法，利用去冗余熵变换和熵编码的方法，来分析处理同一频段和同一时间发送的多路信息，接收端利用各路信息不同的信息熵谱值，进行频谱资源的动态分配，大大提高了频谱资源的利用效率。
[0008]按照本发明的多路复用方法，包含以下步骤:
(1)选择η路相互独立的源信号，各路源信号经过去冗余熵变换处理；以及
(2)根据上述步骤(I)得到的η路信号，进行熵编码实现高效的数据压缩、融合；以及
(3)根据上述步骤(2)得到的η路信号，分别计算各路信号的动态信息熵谱值；以及
(4)根据上述步骤(3)得到的各路源信号不同的动态信息熵谱值，分别给每路源信号动态分配不同的信道容量；以及
(5)根据上述步骤(4)得到的η路混合信号，在信道上同时同频地进行信号的传输，以
及(6)根据上述步骤(5)得到的混合信号，在接收端根据各路源信号动态信息熵谱值的不同，将η路源信号经过去冗余熵变换处理，恢复出来，实现信道的多路复用。
[0009]其特征在于:
在信息的发送端，η路源信号经过去冗余熵变换，去冗余熵变换的方法采用蝶形级联结构的差-均-差变换算法，该算法对于慢变数据和非慢变数据都有较好的压缩效果。目的是减少或去除数据间的相关性，使该信号的概率分布变得更有规律。
[0010]经过去冗余熵变换后的信息再经过熵编码后，分别计算各路源信号不同的动态信息熵谱值。根据各路信号动态信息熵谱值的不同，可以进行信道资源的动态分配。
[0011]信息传输时，混合后的η路信号在频率上和时域上是混叠的，取代了传统的时分、频分复用方式中信息传输时在时域和频域不能混叠的方式。
[0012]在信号的接收端，根据各路信号各自不同的信息熵谱值，再经过熵解码和去冗余熵反变换处理，即可分离出η路源信号。本发明采用信息熵谱技术和信道多路复用理论相结合，实现了频域和时域完全混合的多路信号的分离。
[0013]特别需要指出的就是，本发明与传统的时分、频分、码分复用不同的是对信源进行了去冗余熵变换和熵编码处理，减小了信源数据的长度，再根据各路信号信息熵谱值的差异，进行频谱资源的动态分配，克服了时分、频分、码分复用方式中信道资源只能固定分配的弊端。
[0014]特别需要指出的就是，本发明把信息熵谱技术与多路复用技术结合起来后，只需根据各路信息动态熵谱值的差异，来分离各路源信号，消除了传统的时分复用、频分复用、码分复用方式中为了防止各路信号之间的相互干扰而增加保护间隔、保护频带和保护码元的缺陷，大大提高了频谱资源利用率。
【专利附图】
【附图说明】
`[0015]通过下面结合附图对本发明实施方式的详细描述可进一步理解本发明的各种目标、特征和优点，其中:
附图1是本发明多路复用方法的模型图。
[0016]附图2是本发明多路复用方法中熵分多路复用器的原理图。(本发明多路复用器的模型图)
[0017]附图3是本发明多路复用方法的原理图。
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图描述本发明的【具体实施方式】:
附图1示出了本发明多路复用方法的模型框图。本发明的多路复用算法中，η路源信号…相互独立，经过熵分复用器处理后，每路信号可以不考虑时域和频域的影响，根据其信息熵谱值的不同，被动态的分配不同的信道容量，然后在信道上同时同频的传输。接收端再经过熵分复用器的反变换，把η路原始信号恢复出来。
[0019]附图2给出了熵分复用器的具体结构图。在该附图中，发送端的熵分多路复用器的原理如下:每路源信号离散化后，首先经过去冗余熵变换。去冗余熵变换的目的是改变信源符号的概率分布，即减小或消除数据间的相关性，从而使变换后数据的极限熵值变小，并实现数据压缩的目的。去冗余熵变换的方法采用基于级联蝶形结构的差-均-T差变换的改进算法，该算法和传统的DCT变换和DWT变换相比，是一种对慢变数据和非慢变数据都较适合的变换算法。该算法中，先对数据求差，再求本级输入数据和前级输出数据的均值，最后再求本级输入数据与本级均值的差值。
[0020]经过去冗余熵变换处理后，数据变得更有规律，更适合熵编码压缩。所以经过去冗余熵变换后的信源，再进行熵网络编码。熵网络编码采用基于正态分布的混合编码算法。该算法克服了通用的S-HufTman算法中不能充分利用去冗余熵变换后信息的概率分布特性的弊端，从而更适合熵网络编码。
[0021]经过熵网络编码后，信源长度变短，此时再根据编码的结果，计算每路信号的信息熵谱值，根据每路信号动态信息熵谱值的不同，分别给每路信号动态的分配不同的信道容量，在信道上同时同频的传输。
[0022]接收端的熵分复用器作用与发送端恰好相反，即根据η路信号信息熵谱值的不同，把η路信号接收下来。利用熵网络解码和去冗余熵变换的逆变换把原始信号恢复出来。从而实现多路复用的目的。
[0023]附图3给出了本发明的原理示意图。该附图中所示的多路源信号，虽然在时域和频域上完全重合，但在熵域上各路信号能够严格区分出来。熵分复用方法对发送信号占用的频带和时隙没有特别的要求和限制，其所能够达到的信息速率远大于频分复用和时分复用的信息速率，具有更高的频带利用率，与码分复用方式相比，不需要考虑码字因素方面的影响，在传输带宽相同的情况下，频带的利用率更高。
【权利要求】
1.一种信道多路复用的方法，包含以下步骤: (1)选择η路相互独立的源信号，各路源信号离散化后经过去冗余熵变换处理；以及 (2)根据上述步骤(I)得到的η路信号，进行熵编码实现高效的数据压缩、融合；以及 (3)根据上述步骤(2)得到的η路信号，分别计算各路信号的动态信息熵谱值；以及 (4)根据上述步骤(3)得到的各路源信号不同的动态信息熵谱值，分别给每路源信号动态分配不同的信道容量；以及 (5)根据上述步骤(4)得到的η路混合信号，在信道上同时同频地进行信号的传输，以及 (6)根据上述步骤(5)得到的混合信号，在接收端根据各路源信号动态信息熵谱值的不同，将η路源信号经过熵解码和去冗余熵反变换处理，分离出来，实现信道的多路复用。
2.根据权利要求1所述的信道多路复用方法，其特征是:所述步骤(I)中，η路源信号离散化后经过去冗余熵变换的目的是减少或去除数据间的相关性，使该信号的概率分布变得更有规律，去冗余熵变换的方法采用蝶形级联结构的差-均-差变换算法，该算法对于慢变数据和非慢变数据都有较好的压缩效果。
3.根据权利要求1所述的信道多路复用方法，其特征是:所述步骤(2)和(3)中，经过熵编码后的信号，分别计算各路源信号不同的信息熵谱值。
4.根据权利要求1所述的信道多路复用方法，其特征是:所述步骤(3)和(4)中根据各路信号动态熵谱值的不同，进行信道资源的动态分配。
5.根据权利要求1所述的信道多路复用方法，其特征是:所述步骤(4)和(5)中，混合后的η路/[目号传输时，其频率和时域可以是混置的。
6.根据权利要求1所述的信道多路复用方法，其特征是:所述步骤(6)中，仅根据各路信号各自不同的信息熵谱值，经过熵解码和去冗余熵反变换，即可恢复出η路源信号。
7.方法简便灵活，信号复用时信道容量得到了充分的利用。
【文档编号】H04L1/00GK103634089SQ201310509154
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年7月5日
【发明者】郭银景, 吴娜, 卫永琴, 卫阿盈, 吕文红, 孙红雨, 王正杰, 梁泉泉, 陆翔, 马长有, 赵礼林, 刘祥龙, 张露, 宋文灿, 杨玉伟, 王文强, 张宾, 孙泽华, 王英迪, 梁亮, 侯丽娜, 刘晓玲 申请人:山东科技大学