基于哈希编码的无线网络多址接入方法和装置与流程

本发明涉及无线网络接入领域，尤其涉及一种基于哈希编码的无线网络多址接入方法和装置。

背景技术：

随着无线通信技术的发展，无线用户的数量急剧增加，以及无线服务对传输速率要求的提高，如何提高无线网络能够承载的用户数量、增加网络的吞吐量成为亟待解决的严峻问题。为了提高频谱利用率，无线网络设计了多种频谱复用技术，用以在一个信道上传输多路信号或数据流。因为多路复用能够将多个低速信道整合到一个高速信道进行传输，从而有效地利用了高速信道。通过使用多路复用，通信运营商可以避免维护多条线路，从而有效地节约运营成本。常见的多路复用技术技术可以分为时分复用(TDM)、频分复用(FDM)、空分复用(SDM)和码分复用(CDM)。时分复用将高速信道根据时间划分成多个时隙，每个时隙供一个用户使用，不同的用户可以在不同的时隙共享高速信道资源，从而实现信道资源的复用。频分复用利用多路复用器将各个低速信道的信号通过调制分布到高速信道的各个频段，在传输时，多个用户的低速信道在空气中叠加，形成高速信道上传输的信号，接收端通过分路器将接收信道进行分离，从而获得自己所需的低速信号。空分复用是近些年比较热门的复用技术，空分复用主要基于多天线技术，通过波束成形技术将信号对准特定的发射源或接收站进行接收或发送，在空间上对不同用户进行区分，因此，通过空分复用，多个发射源或者接受站可以同时使用同一个频率。码分复用基于扩频通信技术，不同用户的各个低速信道可以在同一个地方同时使用相同的频率进行通信，用户之间通过不同的地址码进行区分，实现复用整个频段的目的。目前，这四种多种复用技术经常被结合使用。然而，由于无线网络用户数量激增，当前的复用技术已经不足以满足日益增长的传输求，因此，如何在无线网络中找到新的复用维度、实现更多用户的多址接入成为一个重要的研究方向。

申请号为201110142454.9，申请日为2011年05月30日的国内发明专利申请公开了一种频率复用的方法及通信系统，该方法主要处理第一通信系统和第二通信系统之间的复用。第一通信系统根据本通信系统受到联合组网的第二通信系统的干扰情况或本通信系统的负荷情况，决策与第二通信系统之间的频率的复用。通过本发明可以使得运营商在从旧通信系统过渡到新通信系统的联合组网中，可以动态调整新旧通信系统对频率的复用。这种方法虽然是基于频分复用的通信系统的改进，但是只是在频域维度上的一种复用。

申请号为200910028468.0，申请日为2009年01月21日的国内发明专利申请公开了一种统计复用的无线通信系统。该方法包括N路源信号和M个接收天线，源信号具有统计特性差异，N路源信号经过混合系统后得到M路混合信号，接收天线将M路混合信号送入解混系统，利用各路源信号之间固有的统计特性差异，从统计域上将N路源信号恢复出来，实现信道的复用。然而，由于该方法基于统计特性进行信号分解，对于源信号的信号特征有一定要求，并不能灵活使用在无线网络中。

申请号为201510967986.4，申请日为2015年12月21日的国内发明专利申请公开了一种重叠码分复用混合转发协作通信方法。该方法首先建立重叠码分复用混合转发协作通信的基本模型，基本模型中设置有一个发送节点、至少一个中继节点和一个目的节点。发送节点将符号序列进行重叠码分复用编码形成编码符号序列后发送，中继节点接收编码符号序列后，对编码符号序列进行重叠码分复用编码形成二次编码符号序列后转发，最后目的节点接收发送节点发送的编码符号序列和中继节点发送的放大编码符号序列或二次编码符号序列，并将编码符号序列和放大编码符号序列或/和二次编码符号序列进行合并处理形成合并符号序列后再译码输出。该方法的基本复用形式还是码分复用，不能根据信道状况自动调节速率。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于哈希编码的无线网络多址接入方法，解决现有技术中无线网络多址接入时自动调速率差且灵活性差的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：设计、制造了一种基于哈希编码的无线网络多址接入方法，包括如下步骤：(A)服务端进行正交哈希码的分配并协调多址接入；(B)用户端接收和发送数据。

作为本发明的进一步改进：所述步骤(A)中，发送数据时，服务端将多个用户的数据分别进行处理，每个用户的数据进行分块，每一数据块利用编码器进行编码，随后利用哈希编码器进行正交构造，利用随机数生成器生成每一轮要发送的数据，再将所有用户数据整合，一同广播出去；接收数据时，服务端将接收到的不同用户数据进行分离，再通过解码器解出自己所需要的数据。

作为本发明的进一步改进：所述步骤(B)中，接收数据时，用户端将数据进行分离并利用解码器解出自己所需要的数据；发送数据时，用户端将数据进行分块，每一块数据进行顺序编码，再利用分配到的正交哈希码进行正交构造，利用随机数生成编码，和其它用户的数据一起发送给服务端。

作为本发明的进一步改进：数据进行分块后，对数据块进行基本符号的分解，分解之后利用原始的种子，顺序生成相关的种子，生成的种子之后进入正交构造器，利用正交码进行哈希空间的构造，最后再利用随机数生成器发送的符号，符号进行星座图映射，并调制到载波进行发送。

作为本发明的进一步改进：解码时，利用顺序解码器进行欧拉距离的比对解码，将解码数据进行解扰码，并发送到上层协议进行校验。

作为本发明的进一步改进：数据分块后，对每一个数据块添加一个比特循环冗余校验，并加入数据块尾部组成链路层的帧，帧随后分成长度为相同的不同的符号，每一个符号和前一个符号的种子经过随机数生成器，生成自己相应的种子，种子符号之后进行正交构造，并通过随机数生成器生成当前发送的符号。

本发明同时提供了一种基于哈希编码的无线网络多址接入装置，包括进行正交哈希码的分配并协调多址接入的服务端、接收和发送数据的用户端以及用户端和服务端之间进行数据传输的信道。

作为本发明的进一步改进：所述服务端包括正交构造器、随机数生成器、编码器、扰码器以及星座图映射模块；所述正交构造器进行正交构造，随机数生成器生成发送的符号，编码器进行解码，扰码器进行扰码，星座图映射模块进行星座图映射。

作为本发明的进一步改进：所述用户端包括解扰码器、解码器、星座图映射模块、多用户检测模块以及距离矩阵模块；所述解码器进行欧拉距离的比对解码，解扰码器将解码数据进行解扰码，星座图映射模块进行星座图映射，多用户检测模块进行多个用户的分离，距离矩阵模块进行欧拉距离的计算。

作为本发明的进一步改进：用户端和服务端均可以进行数据的接收和发送，数据发送时，将用户数据进行分块，对每一个数据块添加一个比特循环冗余校验，并加入数据块尾部组成链路层的帧，帧随后分成长度为相同的不同的符号，每一个符号和前一个符号的种子经过随机数生成器，生成自己相应的种子，种子符号之后进行正交构造，并通过随机数生成器生成当前发送的符号；用户通过构造编码符号的树形结构进行解码；用户将自己的数据作为解码数据，其它数据作为噪声，在接收端利用正交哈希码进行欧拉距离的判决，选取距离最小的符号作为解码结构。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种新线用户多址复用技术，在保证用户传输效率的前提下，不仅可以自适应的调节速率，还可以提高信道使用效率，从而增大系统的吞吐量；通过利用哈希维度，实现和现有主流复用技术的兼容和融合，从而提高信道利用率；同时由于本发明对于源信号的信号特征并没有要求，更灵活的应用于各种传输系统。

【附图说明】

图1为本发明系统框架图；

图2为本发明传输示意图；

图3为本发明系统编码器示例；

图4为本发明系统解码器示例。

【具体实施方式】

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

一种基于哈希编码的无线网络多址接入方法，包括如下步骤：(A)服务端进行正交哈希码的分配并协调多址接入；(B)用户端接收和发送数据。

所述步骤(A)中，发送数据时，服务端将多个用户的数据分别进行处理，每个用户的数据进行分块，每一数据块利用编码器进行编码，随后利用哈希编码器进行正交构造，利用随机数生成器生成每一轮要发送的数据，再将所有用户数据整合，一同广播出去；接收数据时，服务端将接收到的不同用户数据进行分离，再通过解码器解出自己所需要的数据。

所述步骤(B)中，接收数据时，用户端将数据进行分离并利用解码器解出自己所需要的数据；发送数据时，用户端将数据进行分块，每一块数据进行顺序编码，再利用分配到的正交哈希码进行正交构造，利用随机数生成编码，和其它用户的数据一起发送给服务端。

数据进行分块后，对数据块进行基本符号的分解，分解之后利用原始的种子，顺序生成相关的种子，生成的种子之后进入正交构造器，利用正交码进行哈希空间的构造，最后再利用随机数生成器发送的符号，符号进行星座图映射，并调制到载波进行发送。

解码时，利用顺序解码器进行欧拉距离的比对解码，将解码数据进行解扰码，并发送到上层协议进行校验。

数据分块后，对每一个数据块添加一个比特循环冗余校验，并加入数据块尾部组成链路层的帧，帧随后分成长度为相同的不同的符号，每一个符号和前一个符号的种子经过随机数生成器，生成自己相应的种子，种子符号之后进行正交构造，并通过随机数生成器生成当前发送的符号。

本发明同时提供了一种基于哈希编码的无线网络多址接入装置，包括进行正交哈希码的分配并协调多址接入的服务端、接收和发送数据的用户端以及用户端和服务端之间进行数据传输的信道。

所述服务端包括正交构造器、随机数生成器、编码器、扰码器以及星座图映射模块；所述正交构造器进行正交构造，随机数生成器生成发送的符号，编码器进行解码，扰码器进行扰码，星座图映射模块进行星座图映射。

所述用户端包括解扰码器、解码器、星座图映射模块、多用户检测模块以及距离矩阵模块；所述解码器进行欧拉距离的比对解码，解扰码器将解码数据进行解扰码，星座图映射模块进行星座图映射，多用户检测模块进行多个用户的分离，距离矩阵模块进行欧拉距离的计算。

用户端和服务端均可以进行数据的接收和发送，数据发送时，将用户数据进行分块，对每一个数据块添加一个比特循环冗余校验，并加入数据块尾部组成链路层的帧，帧随后分成长度为相同的不同的符号，每一个符号和前一个符号的种子经过随机数生成器，生成自己相应的种子，种子符号之后进行正交构造，并通过随机数生成器生成当前发送的符号；用户通过构造编码符号的树形结构进行解码；用户将自己的数据作为解码数据，其它数据作为噪声，在接收端利用正交哈希码进行欧拉距离的判决，选取距离最小的符号作为解码结构。

现有的IEEE802.11系列协议中，物理层(Physical Layer)使用了多种编码调制技术，来达到多种可供选择的数据发送速率。例如，802.11a物理层支持8种速率(6～54Mbps)，802.11b物理层支持4种传输速率(1～11Mbps)，802.11g物理层支持12种传输速率(1～54Mbps)。每一种速率对应一种固定的编码方式。一旦编码方式确定，则传输信号的星座图符号位置相应的确定。因此，当前的每一种编码调制方式采用固定的星座图符号位置和密度。编码调制越高，速率越高，相应的，星座图密度越高，符号之间的距离越短。若想改变星座图的符号位置，只能通过改变编码调制方式来实现。当前的固定星座图位置安排并不合理，低密度的星座图有很大的冗余空间，而高密度的星座图无法很好的抗干扰。如果设计合理的编码调制技术，可以自动调节星座图的密度，就可以充分利用现有的星座图冗余空间进行多用户的传输复用。

为了实现自适应传输速率调节和星座图密度调节，本发明采用随机编码的方式对原始数据进行编码。随机编码可以保证编码端可以均匀的产生编码数据，从而在星座图上实现随机映射的功能。为了保证解码端可以高效的对随机数进行解码，编码端采用顺序编码的方式，使得随机数前后有相互关联，从而采用树形解码方式进行解码。不同的用户采用不同的哈希编码器进行编码，哈希编码器使得用户之间在哈希空间保持正交，从而实现多址接入的复用功能。

本发明包含的模块为：顺序编码器、哈希编码器、随机数生成器、多址检测器和顺序解码器。

本发明适用于无线局域网中基于AP的集中控制模式。AP负责正交哈希码的分配和用户多址接入的协调。在下行链路，AP首先对多个用户的数据分别进行处理。每个用户的数据分成若干数据块，每一块利用顺序编码器进行编码，随后利用哈希编码器进行正交构造，最用利用随机数生成器生成每一轮要发送的数据，再将所有用户数据整合，一同广播出去。每个用户接收到混合信号之后，先利用多址检测器将自己的数据进行分离，之后利用顺序解码器解出自己所需要的数据。

在上行链路，当用户获得发送权限时，首先将自己的数据分成若干块，每一块数据进行顺序编码，再利用自己分配到的正交哈希码进行正交构造，最后利用随机数生成编码，和其他用户的数据一起发送给AP。AP接收到混合数据之后，通过多用户检测器，将每一个用户的数据进行分离，之后通过数据解码器获得不同用户的数据。

为了充分利用星座图空间，发送端采用顺序随机编码的方式。在接收到上层传送下来的包时，发送端首先将数据包分成若干块，假设每一个数据块M的长度是(n-16)比特，发送端计算M的16比特的循环冗余校验CRC，并加入M尾部组成链路层的帧。链路层的帧M随后分成长度为k比特的若干符号m，m即为基本的编码单元。

每一个发送端维护自己的一个初始种子s0。初始种子s0和第一个符号m1经过顺序编码器生成m1的种子s1，而s1和m2经过顺序编码器生成器生成m2的种子s2。以此类推，每一个符号mi和前一个符号mi-1的种子si-1经过随机数生成器，生成自己相应的种子si。由于种子符号si是顺序产生的，因此相互之间有一定的关联性。种子符号的产生保证了原始数据的随机性。

为了构造用户之间正交的构造，并且维持种子符号的随机性，正交构造器采用一系列的正交哈希函数作为哈希码。每个用户分配一个正交哈希码进行正交构造。在发送端产生种子符号之后，利用正交哈希码对种子进一步进行编码，产生正交符号，之后利用随机数生成器生成当前要发送的符号，并进行星座图映射，再进一步进行载波调制，最后发送到空气中。

接收端在接收到正交的信号之后，首先对信号进行解调和解映射，获得混合的正交符号。由于哈希函数是不可逆的，因此不能直接利用哈希函数进行解正交。我们利用编码时的顺序结构，构造出树形编码结构，从而进行多址检测和顺序解码。首先假设当前用户所持有的正交码数据为所需数据，其他数据均为噪声，用户利用自己初始的种子符号s0以及2^k种情况的mi进行行顺序编码、随机数生成和正交构造，并将生成的正交码和自己接收到的正交符号进行比较，计算相应的欧拉距离，在所有的mi距离计算完毕之后，选取欧拉距离最小的符号序列作为解码结果。为了降低解码复杂度，我们进一步采用了剪枝的算法，每一步计算欧式距离之后，都保留B(B<2^k)种可能的结果作为最后的判定。

最后，本发明采用一种基于基于AP驱动的多用户接入方法。正交码的分配以及多用户的传输协调都由AP来决定。每一个发送时隙包括上行的数据请求和下行的数据分发，AP通过上行的数据请求决定当前时隙的正交用户数据。用户通过上行链路为了减少控制信息的代价，发送反馈由相干符号序列构成，每个用户分配一个相干符号序列作为反馈信号。

本发明基于802.11协议数据包的结构特征，通过顺序随机数生成和哈希空间正交编码的构造，在与当前复用技术兼容的情况下，提供了一种新的正交维度，即哈希空间的正交编码，可以在保证数据传输的前提下，实现无线局域网用户的多址复，提高系统吞吐量；

可以在多址复用的情况下，根据信道状态自动调节传输速率，从而有效对抗信道时域的快变和频域的深度衰落，减少多用户复用时的噪声影响；

可以准确的匹配信道质量，从而选取最合适的复用数目进行并行传输，极大的减少了频谱资源的浪费，提高了信道利用率。

在一具体实施例中，如图1所示，发送端在接收到上层数据之后，首先对数据进行常规的扰码，之后进入顺序编码器，顺序编码器首先将扰码后的数据分成为若干数据块，之后对数据块进行基本符号的分解，分解之后利用原始的种子s0，顺序生成相关的种子si，生成的种子之后进入正交构造器，利用正交码进行哈希空间的构造，最后再利用随机数生成器生成发送的符号。此时的符号可以进行星座图映射，并调制到载波进行发送。接收端接收到混合数据之后，首先对符号进行解调和解映射，随后利用多用户检测技术进行多用户的分离，之后利用顺序解码器进行欧拉距离的比对解码，最后将解码数据进行解扰码，并发送到上层协议进行校验。当当前解码发生错误，校验不通过时，接收端会给发送端一个反馈，发送端根据重发计数器进行记录，如果超过一定阈值，那当前数据会重新进行随机数生成，并重新发送，直到数据正确解码为止。

本发明基于IEEE802.11ac标准，通过设计一种新的编码方式，即基于哈希函数的随机映射编码，创造了一种新的多用户正交复用维度。基于哈希函数的正交复用可以充分利用密集星座图的冗余空间，不仅可以支持多用户接入，还可以多用户自己的信道状况，自适应的调节传输速率，从而增加复用效率，提高数据传输效率和系统吞吐量。

本发明设计了一种物理层的线性、正交的随机编码器，用以产生哈希维度的正交空间，从而区分不同用户的传输数据。本发明还在媒体接入层设计了一种基于AP驱动的媒体接入层协议，可以充分利用多用户进行上行和下行的复用传输，从而增加无线网络整体吞吐量。

如图2所示，假设当前AP有三个用户进行并发传输AP首次为三个用户分配正交哈希码。在上行链路，三个用户首先将自己的数据分块，每一块数据进行顺序编码，再利用自己分配到的正交哈希码进行正交构造，最后利用随机数生成编码，和其他用户的数据一起发送给AP。AP接收到混合数据之后，通过多用户检测器，将每一个用户的数据进行分离，之后通过数据解码器获得不同用户的数据。在下行链路，AP将三个用户的数据分别进行处理。每个用户的数据分成若干数据块，每一块利用顺序编码器进行编码，随后利用哈希编码器进行正交构造，最用利用随机数生成器生成每一轮要发送的数据，再将所有用户数据整合，一同广播出去。每个用户接收到混合信号之后，先利用多址检测器将自己的数据进行分离，之后利用顺序解码器解出自己所需要的数据。

如图4所示，以Alice的编码过程为例，每一个长度是(n-16)的数据块M添加一个16比特的循环冗余校验CRC，并加入M尾部组成链路层的帧。帧M随后分成长度为k比特的若干符号m。初始种子s0首先和第一个符号m1经过顺序编码器生成m1的种子s1，而s1和m2经过顺序编码器生成器生成m2的种子s2。以此类推，每一个符号mi和前一个符号mi-1的种子si-1经过随机数生成器，生成自己相应的种子si。种子符号之后进行正交构造，并通过随机数生成器生成当前发送的符号ri。因为每一步的符号产生都具有均匀的随机性，因此可以充分利用星座图空间进行高速传输。

如图4所示，以Alice为例，当前所持有的正交码数据Alice期望解码得到的数据，其他数据均为噪声，Alice利用自己初始的种子符号s0以及2^k种情况的mi进行行顺序编码、随机数生成和正交构造，并将生成的正交码和自己接收到的正交符号进行比较，计算相应的欧拉距离，在所有的mi距离计算完毕之后，选取欧拉距离最小的符号序列作为解码结果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。