一种基于RS码的预编码矩阵设计方法与流程

本发明属于无线通信小数据包业务用户接入与小包数据非正交传输方法设计领域，具体的说是一种基于RS码的预编码矩阵设计方法。
背景技术：
：随着智能终端比如智能手机、平板等的快速普及，小包业务的用户量迅速增加。与此对应，通信网络中产生的小包数据也快速增长。典型的小包业务包括诸如腾讯QQ之类的即时通信服务，以及诸如Facebook之类的社交网络平台等。可以说智能终端产生的业务数据的一个典型特征就是数据为小包。小包业务，顾名思义，是指业务产生的数据包很短；基本来讲，小数据包的长度短于通信设备的最小规格，即短于时频资源块长度。然而，即使包长度短，现存一帧数据中包含的诸如前导序列之类的开销却不能少，因此小包数据帧利用率很低；另一方面，小包业务庞大的用户群体以及业务请求的不规律性导致移动终端与网络端(如基站端)频繁地断开与重新连接。按照传统的媒体接入控制(MAC，mediumaccesscontrol)协议，后者又带来繁重的接入信令开销。为了更有效地满足小数据包数据的传输需求，一个非常重要的方面就是降低传输的开销。一种途径就是接收端对用户的行为进行自动检测，联合完成连接检测和符号解调。这样就可以直接免去资源的动态分配，从而有效地降低接入信令开销。为实现这个目标，一个有效的方法就是采用基于压缩感知(compressivesensing，CS)的多用户检测技术。在IEEETransactionsonCommunications的文章《ManyAccessforSmallPacketsBasedonPrecodingandSparsity-awareRecovery》中，作者提出了发送端预编码扩展小数据包再传输，接收端进行稀疏恢复的小数据包非正交传输方法。小数据包的稀疏恢复中，作者提出了基于干扰消除的块正交匹配追踪(interferencecancellationbasedblockorthogonalmatchingpursuit，ICBOMP)算法。所提方法可以免去资源的动态调度，因此可以极大降低信令开销。在上述文章中，预编码扩展小数据包起到了非常重要的作用。预编码扩展实际上是一种资源映射，数学上表示为矩阵运算。首先，预编码方案解决了小数据包长度小于系统传输资源粒度的问题，使得系统资源得以充分利用；其次，它还帮助我们建立了属于块稀疏的小包数据传输模型，并且使得即使在小包数据用户数量多于基站天线数量的情况下小包数据的恢复成为可能。除此以外，预编码矩阵还决定了用户之间的干扰特性，这直接影响到用户检测和符号解调；同时，预编码矩阵还直接决定了方法的系统实现复杂度，包括计算复杂度(发送端的预编码计算复杂度和接收端稀疏恢复复杂度)、预编码分配复杂度和系统存储复杂度等。这么重要的预编码矩阵在上述文献中并没有特别设计。相反，预编码矩阵在文献中是随机产生的密集矩阵。这样产生的预编码矩阵存在如下问题：1)信号恢复性能不能达到很高，还有提升的空间；2)没有考虑方法的实现复杂度：随机产生的密集的预编码矩阵首先让发送端的预编码计算复杂度很高；其次，在ICBOMP恢复算法下，随机产生的预编码矩阵恢复复杂度很高；接着，接收端在进行预编码矩阵分配时，开销也很大，因为要把一个矩阵传输给每一个发送端；最后，存储这些预编码矩阵的开销也很大。值得一提的是，不管预编码矩阵如何设计，它应该满足：列满秩和列能量归一化。前者主要为了信号恢复的需要，而后者主要保证小数据预编码前后的总能量保持一致。技术实现要素：本发明为解决上述现有预编码设计技术中存在的不足之处，提出一种基于RS码的预编码矩阵设计方法，以期在提高小数据包恢复准确性的同时降低方法的复杂度，从而使得提出的小数据包非正交传输方法从理论走向实际运用。本发明为达到上述目的，所采用的技术方案是：本发明一种基于RS码的预编码矩阵设计方法的特点是，应用于由N个发送端将所要传输的长度为D个数据符号的小数据包利用预编码矩阵进行扩展至T个数据符号后传输到一个接收端，并由所述接收端接收后进行小数据包恢复的非正交传输过程中；D＜T；所述预编码矩阵设计方法是按如下进行：步骤1、所述接收端产生RS码的N个不同初始相位；步骤2、所述接收端将N个所述不同初始相位分配给N个发送端；步骤3、所述第n个发送端根据所分配的初始相位，自行产生第n个RS码字vn；步骤4、所述第n个发送端对所述第n个RS码字vn进行矩阵映射，得到第n个维度为T×D的矩阵Qn；步骤5、对所述第n个矩阵Qn的每一列进行能量归一化处理，得到第n个维度为T×D的预编码矩阵Pn，从而使得所述第n个发送端能利用第n个预编码矩阵Pn进行小数据包的扩展和传输。本发明所述的基于RS码的预编码矩阵设计方法的特点也在于，所述步骤1是按如下过程进行：步骤1.1、所述接收端产生N0个的随机初始相位，N0＞N；由所述N0个的随机初始相位产生相应的N0个初始RS码字，记为步骤1.2、对所述N0个初始RS码字进行矩阵映射，得到N0个维度为T×D的初始矩阵，记为步骤1.3、对所述N0个初始矩阵的每一列进行能量归一化处理，得到N0个维度为T×D的初始预编码矩阵，记为表示第n0个维度为T×D的初始预编码矩阵；1≤n0≤N0；步骤1.4、利用式(1)获得任意第n0个初始预编码矩阵和第m0个初始预编码矩阵之间的相关性系数w(n0,m0)，1≤m0≤N0，m0≠n0：w(n0,m0)=Σd=1Dσd2(Pn0TPm0)---(1)]]>式(1)中，表示第n0个初始预编码矩阵的转置和第m0个初始预编码矩阵的乘积所得到的维度为D×D的矩阵的第d个奇异值的平方；步骤1.5、重复步骤1.4，从而获得所述N0个初始预编码矩阵中，任意两个初始预编码矩阵的相关性系数，构成相关系数向量；步骤1.6、初始化i＝1；步骤1.7、从所述相关系数向量中第i次选取最大值，并将第i次最大值及其所对应的两个初始预编码矩阵分别从所述相关系数向量和N0个初始预编码矩阵中删除，从而得到更新后的相关系数向量和更新后的N0-2i个初始预编码矩阵；步骤1.8、将i+1的值赋值给i；并返回步骤1.7执行，直到N≤N0-2i＜N+2为止，从而获得N个或N+1个筛选后的预编码矩阵；步骤1.9、若筛选后的预编码矩阵有N+1个，则从所述N+1个筛选后的预编码矩阵中随机选取其中的N个作为非正交传输过程中所使用的预编码矩阵；由所述N个预编码矩阵与RS码字的对应关系，得到所述N个预编码矩阵所对应的RS码字的N个不同初始相位；所述码字到预编码矩阵的映射是按如下过程进行：步骤a、定义变量j；并初始j＝1；步骤b、利用式(2)获得第n个矩阵Qn中第j行的非零元素的列位置k，则第n个矩阵Qn中第j行第k列的元素值为k=0Mod(vn(j),D)=0Mod(vn(j),D)else---(2)]]>式(2)中，vn(j)表示第n个RS码vn的第j个元素；Mod(·)表示取模；步骤c、将j+1赋值给j，并返回步骤b执行，直到j＝T为止。与现有技术相比，本发明可以产生数量足够的预编码矩阵供小数据包非正交传输使用，且这些预编码矩阵可以带来恢复性能上的提升，同时降低方法的实现复杂度。具体的，本发明的有益技术效果体现在：1、通过采用非二进制的RS码来产生预编码矩阵，本发明可产生非常多的预编码矩阵来服务大量的用户，假设RS码的初始相位为k0位，q进制的RS码可产生个可能可以产生预编码矩阵的码字；当参数k0和q都合理选择时，本发明可以产生足够多的预编码矩阵来满足小数据包的海量传输需要。2、由于保证了每个预编码矩阵列向量是正交的，本发明可获得比随机产生的预编码矩阵更好的信号恢复准确性；3、本发明可降低方法的实现复杂度：接收端只需要告知用户用于产生RS码的初始相位而不需要传输整个矩阵给用户；发送端的预编码计算最多需要进行T次乘法运算且不需要进行加法运算，或者不要进行乘法运算，发送符号时只要调整发送功率即可；非常稀疏的预编码矩阵(每行只有一个非零元素)可以极大降低信号恢复复杂度，同时预编码矩阵的稀疏存储也有利于降低存储开销。附图说明图1为本发明产生RS码的移位寄存器硬件电路图；图2a为本发明所设计的预编码矩阵在提高小数据包恢复性能的第一个仿真例子；图2b为本发明所设计的预编码矩阵在提高小数据包恢复性能的第二个仿真例子；图2c为本发明所设计的预编码矩阵在提高小数据包恢复性能的第三个仿真例子。具体实施方式本实施例中，一种基于RS码的预编码矩阵设计方法，是应用于由N个发送端将所要传输的长度为D个数据符号的小数据包利用预编码矩阵进行扩展至T个数据符号后传输到一个接收端，并由接收端接收后进行小数据包恢复的非正交传输过程中；D＜T；利用RS码设计所需的预编码矩阵是按如下进行：步骤1、接收端产生RS码的N个不同初始相位；这个过程需要进行相位的选择和完成码字到预编码矩阵的映射。由于接收端一般具有强大的计算能力，而且接收端也需要产生预编码矩阵用于信号恢复，因此相位选择由接收端完成。其中，相位选择按如下步骤进行：步骤1.1、接收端产生N0个的随机初始相位，N0＞N。随机相位是产生RS码的移位寄存器电路的初始状态，也是RS码字的一小段，剩余码字片段由编码电路产生。由所述N0个的随机初始相位产生相应的N0个初始RS码字，记为码字的产生可以由图1所示的移位寄存器完成，这个已有很成熟的技术；步骤1.2、对N0个初始RS码字进行矩阵映射，得到N0个维度为T×D的初始矩阵，记为映射按如下方法进行：步骤1.2.1、定义变量j；并初始j＝1；步骤1.2.2、利用式(2)获得第n个矩阵Qn中第j行的非零元素的列位置k，则第n个矩阵Qn中第j行第k列的元素值为k=0Mod(vn(j),D)=0Mod(vn(j),D)else---(2)]]>式(2)中，vn(j)表示第n个RS码vn的第j个元素；Mod(·)表示取模。值得一提的是，所有能用于产生预编码矩阵的RS码字都必须使得1到D能够被式(2)k至少取值1次。这个主要是为了满足对每个预编码矩阵列满秩的基本要求；同时，映射产生的矩阵可以满足列与列之间的正交性，这对于提高信号的恢复准确性是有帮助的；而且，根据ICBOMP算法，更高的准确性还能使得更多的用户信号在算法没结束之前就被正确恢复，从而降低复杂度；再者，这样产生的预编码矩阵每行只有一个非零元素，可以说是非常稀疏，则稀疏存储还可以降低方法中涉及到的存储复杂度；当然，稀疏的预编码矩阵也使得发送端的预编码计算复杂度大大降低。步骤1.2.3、将j+1赋值给j，并返回步骤1.2.2执行，直到j＝T为止。步骤1.3、按照每列能量归一化的基本要求，对N0个初始矩阵进行每一列能量归一化处理，得到N0个维度为T×D的初始预编码矩阵，记为表示第n0个维度为T×D的初始预编码矩阵；1≤n0≤N0；步骤1.4、利用式(1)获得任意第n0个初始预编码矩阵和第m0个初始预编码矩阵之间的相关性系数w(n0,m0)，1≤m0≤N0，m0≠n0：w(n0,m0)=Σd=1Dσd2(Pn0TPm0)---(1)]]>式(1)中，表示第n0个初始预编码矩阵的转置和第m0个初始预编码矩阵的乘积所得到的维度为D×D的矩阵的第d个奇异值的平方。式(1)的获得主要是对小数据包扩展后的信号进行干扰评估得到的干扰度量表达式，具有合理性和完整性；步骤1.5、重复步骤1.4，从而获得N0个初始预编码矩阵中，任意两个初始预编码矩阵的相关性系数，构成相关系数向量；步骤1.6、初始化i＝1；步骤1.7、从相关系数向量中第i次选取最大值，并将第i次最大值及其所对应的两个初始预编码矩阵分别从相关系数向量和N0个初始预编码矩阵中删除，从而得到更新后的相关系数向量和更新后的N0-2i个初始预编码矩阵；步骤1.8、将i+1的值赋值给i；并返回步骤1.7执行，直到N≤N0-2i＜N+2为止，从而获得N个或N+1个筛选后的预编码矩阵。步骤1.6到步骤1.8是为了选择出用户相关性比较小的预编码矩阵，这个对于用户检测和关键。用户之间干扰越小，用户检测准确性就越高。步骤1.9、若筛选后的预编码矩阵有N+1个，则从所述N+1个筛选后的预编码矩阵中随机选取其中的N个作为非正交传输过程中所使用的预编码矩阵；由N个预编码矩阵与RS码字的对应关系，得到所述N个预编码矩阵所对应的RS码字的N个不同初始相位；步骤2、接收端将N个不同初始相位分配给N个发送端。通过发送初始相位而不用发送整个码字，方法中涉及到的预编码分配复杂度同样得到大大降低。步骤3、第n个发送端根据所分配的初始相位，可按照图1所示的移位寄存器自行产生第n个RS码字vn；步骤4、第n个发送端对第n个RS码字vn进行矩阵映射，得到第n个维度为T×D的矩阵Qn。映射按步骤1.2.2所述方法进行。步骤5、对第n个矩阵Qn的每一列进行能量归一化处理，得到第n个维度为T×D的预编码矩阵Pn，从而使得所述第n个发送端能利用第n个预编码矩阵Pn进行小数据包的扩展和传输。由上述产生的预编码矩阵代入方法使用的效果可以由仿真图2a、图2b、图2c表现出来。图2a、图2b和图2c所示的仿真结果图中，pmRS表示由本发明给出的RS码设计方法，pmRD表示随机产生的密集的预编码矩阵。图2a、图2b和图2c分别表示不同传输用户数(Na)条件下的户检测错误率(UDER,userdetectionerrorrate)、误帧率(FER，frameerrorrate)和所设计的预编码矩阵在降低ICBOMP信号恢复复杂度中的优势----(用ICBOMP的每一迭代步骤中需要更新的小包数作为衡量指标)。其它参数为(M,N,d,T,K)＝(8,1280,200,1000,30)；ICBOMP算法中的信道编码采用(2,1,7)的卷积码，码率为1/2，约束长度为7，八进制表示的生成多项式为[117155]，解码采用16个量化精度的Viterbi软译码；24比特CRC校验。RS码的参数为：信息比特长度k＝3，q＝210＝1024，t＝510，本原多项式的八进制表示为[1102]。仿真结果表明，UDER性能上，当信息比特噪声功率比(Eb/N0)比较低时，随机产生的预编码矩阵稍微好一点，随着Eb/N0的增加，发明设计的预编码矩阵带来更低的UDER；FER性能上，发明设计的预编码矩阵比随机产生的预编码矩阵带来差不多1dB左右的性能增益，当Nα＝24时离单用户的最大可能达到的性能界只有1.4dB左右；ICBOMP的每一迭代步骤需要更新的小包数会影响恢复的复杂度，结果表明，发明设计的预编码矩阵可以让每一迭代步骤需要更新的小包数更少，这就降低了ICBOMP的复杂度。当前第1页1 2 3