一种应用于长期演进系统的跨层编解码方法
【专利摘要】本发明公开了一种长期演进通信系统的跨层编解码方法，通过结合物理层的信道编码和媒体接入控制层的数字喷泉码，提高大文件的传输可靠性。本发明采用3GPP标准中的Turbo码作为物理层编码方案，MAC层采用RFC5053中定义的Raptor编码方案。本发明提供的编码方法能够在兼容LTE标准方案的条件下，提高系统传输的可靠性，降低大文件传输失败的概率。
【专利说明】一种应用于长期演进系统的跨层编解码方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种长期演进(Long Term Evolut1n,LTE)通信系统中的跨层编码技术，特别是涉及结合媒体接入控制层(Medium Access Control Layer)和物理层(PhysicalLayer)构造编码方案的技术。
【背景技术】
[0002]3GPP LTE的信道编码模块具有广泛的意义，它不仅包含严格意义上的信道编码、检错和纠错功能，还包括速率匹配、交织、传输和控制信道向物理信道的映射和反映射等功能，为MAC层的数据和控制信令提供物理层的传输服务，即将MAC层的下行数据和控制信令进行纠错编码后适配到相应的物理信道，反之将接收到的上行数据和控制信令合并成相应的格式进行纠错译码，并上传给MAC层。主要分为以下几个子模块:码块分割和CRC校验、信道编码、速率匹配、码块级联等。
[0003]循环冗余校验(CRC)计算和码块分割中包含传输块的CRC和码块的CRC。可以只做码块的CRC或是两种CRC都做。第一种是对整个MAC层传来的传输块为单位计算和添加，如果添加CRC后传输块长度超过了信道编码器所允许的最大输入长度6144，则需将传输块分为若干个码块，再对每个码块添加各自的CRC。每个传输块尾部添加一定长度的CRC比特，以便接收端判断该传输中是否存在错误。
[0004]由于各种信道编码具有不同的特性，3GPP LTE根据数据类型的不同而采用了不同的信道编码方式，LTE标准针对多种不同信道的数据特征，规定了多种不同的信道纠错编码方案,主要有Turbo码、咬尾卷积码、重复码和分组码。其中，Turbo码主要运用于上行共享信道(UplinkShared Channel, UL-SCH)、下行共享信道(Downlink Shared Channel,DL-SCH)、寻呼信道(Paging Channel)以及多播信道(Multicast Channel)中。速率匹配的作用是根据系统要求，将编码器的输出适配到所需要的码率。码块级联和输出是构造信道编码模块的最终输出，需要将多个码块的输出级联起来，构成该传输块所对应的总输出。
[0005]Raptor 码是一种优秀的数字喷泉码(Digital Fountain Code),是在 LT (LubyTransform)码的基础上改进提出的一种新型的喷泉码。通过在源数据末尾添加一定量的冗余(Overhead)，只要在接收端总体获取到略多于原数据数量的编码数据后就可以以极高的概率恢复出原传输数据。IETF RFC 5053中采用了一种可实现的Raptor码，其编解码可分为两个步骤:首先，采用一个高码率的线性分组码进行预编码；然后将数据进行LT编码。
【发明内容】
[0006]本发明提供了一种应用于长期演进技术(Long Term Evolut1n,LTE)系统中跨层的编码方法。通过结合物理层(Physical Layer)的信道编码和媒体接入控制(MAC)层的数字喷泉码，物理层采用3GPP标准中的Turbo码编码方案，MAC层采用RFC5053中定义的Raptor编码方案，提高大文件的传输可靠性。本发明提供的编码方法能够在兼容LTE标准方案的条件下，提高整个系统传输的可靠性，降低大文件传输失败的概率。
[0007]为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
一种应用于LTE系统的跨层编解码方法，其特征是，编码步骤如下:
第一步，根据3GPP LTE标准信道编码方案和所要传输文件的大小计算MAC层Raptor码所需要的编码参数，其中包括:
η:根据选定的传输块大小(Transport Block Size, TBS)将文件分解为数据块的个数，每个数据块大小为I个TBS ;
m:根据LTE标准计算信道编码中I个传输块(TB)被分解为码块(Code Block, CB)的个数；
L:每个码块(CB)的大小。
[0008]第二步，对整个文件做一次Raptor码编码:
将文件数据分解为η个数据块，对每一个数据块，按照标准信道编码方案分解为m个CB，每个CB包含L个比特，共得到K= nXm个CB;
将所述K个CB作为输入的源数据符号(Source Symbols),根据设定的Raptor码的码率R进行Raptor编码，其中R=K/N，N为设置输出的编码符号(Encoded Symbols)的个数；第三步，将编码后的数据递送至物理层，按照标准信道编码方案进行编码并传输:
在发送端，按照标准信道编码方案对数据编码传输；在接收端，信道解码时记录能够正确解码的CB数据以及该CB对应的序号，并递送到MAC层。
[0009]第四步，当发送端传输完所有的数据，接收端检测是否正确地接收到了整个文件；若没能完全正确接收，MAC层的Raptor编码模块开始工作，将正确接收到的所有CB数据，以及相应的序号，送入Raptor码的解码模块，若解码成功则恢复出了原始文件。
[0010]有益效果:与现有技术相比，本发明结合MAC层的Raptor编码，对原始数据文件提供码块级上的保护，具有如下优点:1)相比较于原来只利用物理层信道编码对数据提供比特级上的保护，本发明能够有效利用信道解码正确的部分原始文件数据，通过和正确接收到的冗余数据一起进行MAC层的Raptor解码，最终提高能够将完整的原始文件恢复出来的概率。2)由于在MAC层提供了一个码块级的数据保护机制，可以适当地提高物理层信道编码的码率，减少物理层传输的比特流中非信息比特(校验比特)的比重，提高效率。3)Raptor等数字喷泉码特性是随着源符号的数量增加，需要冗余符号的比例会随之减小，因此当传输大文件时，可以分解到更多的源符号，此时能够显著减少Raptor码的冗余。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明的总体流程图；
图2为本发明的具体实施流程图；
图3为本发明的具体实施场景参数；
图4为采用本发明方法的实施例一与采用传统LTE标准编码方法下文件传输失败率对比图；
图5为采用本发明方法的实施例二与采用传统LTE标准编码方法下文件传输失败率对比图。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图1和附图2对本发明流程作更进一步的说明。
[0013]实施场景为LTE标准中定义的传输环境，其具体参数如附图3 ；
1)在发送端，首先根据物理层信道编码模块的参数，对源数据文件进行分块，然后进行Raptor编码，最后将数据递送至物理层进行信道编码。具体步骤为:
SlOl:按标准的I个传输块长度(TBS)对源数据文件分解得到η个数据块(DataBlock)，记为TB1, TB2,…，TBn，此时TBS=12960 ;当最后一个数据块长度小于TBS时，采用补零的方式使之达到一个传输块大小。
[0014]S102:将每一块分解得到的数据块按物理层信道编码中的码块分割方法进行标准的码块分割。本实施例每个数据块被分解为3个码块(Code Block, CB)，总共得到K=3Xn个码块，每个码块长度为4320 ；
S103:分解得到的K个码块作为Raptor编码的源数据符号，记为S1, S2,…，Sk，进行Raptor编码，此时编码生成N=K/R个编码数据符号S1, S2,…，SK, 0k+1,…，On，其中前K个为源数据符号，后面N-K个为冗余(Overhead), R是Raptor码的码率，0〈R〈1，本发明实施例中设定为0.909 ；
5104:将编码得到的N个数据符号递送至物理层，采用LTE标准的物理层信道编码方案，经过信道编码后发送至信道；
2)在接收端，首先进行数据的接收、解码，然后完成传输后再根据接收到的原始文件是否完整决定是否进行Raptor解码。其具体流程为:
5105:从信道接收发送端传输的数据，信道解码时，记录每一个成功解码的码块的数据和序号，序号为对应Raptor编码输出的编码符号的序号；
5106:将所有成功解码的码块的数据和序号递送至MAC层；
S107:检查接收到的原始数据文件是否完整，若文件完整，则表明该文件的传输正确，可以进行下一个文件传输；
5108:若文件不完整，进行Raptor解码。若解码成功，则表明该文件的恢复正确，可以进行下一个文件传输；若解码失败，表明该文件的传输失败；
5109:将Raptor解码得到的完整的数据块拼接为原始文件。
[0015]图4、图5分别显示采用本发明方法的实施例一、实施例二与采用传统LTE标准编码方法下文件传输失败率对比图。
[0016]实施例一中，到达MAC层的需要传输的原始文件大小为50X12960比特，横坐标为信噪比(SNR)。首先LTE标准场景中，物理层Turbo编码的码率为0.5 ;然后采用了本发明的跨层编码方案中根据物理层的码块分割原则会将源文件分解成为K=50X3=150个源符号，Raptor编码后生成N=165个编码符号，即Raptor的码率为R=150/165，物理层信道编码的码率为0.55。此时两种方案中传输的总数据量是相同的。
[0017]实施例二中，到达MAC层的需要传输的文件大小为100X12960比特，横坐标为信噪比(SNR)。首先LTE标准场景中，物理层Turbo编码的码率为0.5，然后采用了本发明的跨层编码方案中根据物理层的码块分割原则会将源文件分解成为K=100X3=300个源符号，Raptor编码后生成N=330个编码符号，即Raptor的码率为R=300/330，物理层信道编码的码率为0.55。此时两种方案中传输的总数据量是相同的。
[0018]从图4、5可以看出，采用本发明的跨层编解码方法能够有效提高系统传输的可靠性，降低大文件传输失败的概率。
【权利要求】
1.一种应用于LTE系统的跨层编解码方法，其特征是，编码步骤如下: 第一步，根据3GPP LTE标准信道编码方案和所要传输文件的大小计算MAC层Raptor码所需要的编码参数，其中包括: η:根据选定的传输块大小将文件分解为数据块的个数，每个数据块大小为I个传输块大小； m:根据LTE标准计算信道编码中I个传输块被分解为码块的个数； L:每个码块的大小； 第二步，对整个文件做一次Raptor码编码: 将文件数据分解为η个数据块，对每一个数据块，按照标准信道编码方案分解为m个码块，每个码块包含L个比特，共得到K= nXm个码块； 将所述K个码块作为输入的源数据符号，根据设定的Raptor码的码率R进行Raptor编码，其中R=K/N，0〈R〈1，N为设置输出的编码符号的个数； 第三步，将编码后的数据递送至物理层，按照标准信道编码方案进行编码传输: 在发送端，按照标准信道编码方案对数据编码传输；在接收端，信道解码时记录能够正确解码的码块数据以及该码块对应的序号，并递送到MAC层； 第四步，当发送端传输完所有的数据，接收端检测是否正确地接收到了整个文件；若没能完全正确接收，MAC层的Raptor编码模块开始工作，将正确接收到的所有码块数据，以及相应的序号，送入Raptor码的解码模块，若解码成功则恢复出了原始文件。
【文档编号】H04L1/00GK104135345SQ201410402021
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年8月14日 优先权日:2014年8月14日
【发明者】姜明, 杨海涛, 赵春明, 黄鹤, 梁霄 申请人:东南大学