基于数论变换的蜂窝通信BBU-RRU间传输数据压缩方法

本发明涉及移动通信，适用于下一代宽带蜂窝通信系统中基带处理单元(building base band unit，bbu)和射频拉远单元(radio remote unit，rru)之间的数据压缩，是一种基于数论变换(number theory transformation，ntt)的数据压缩方法，用来解决bbu-rru之间数据传输效率较低和传输带宽受限问题。该方法使用ntt编码对数据进行压缩之后传输，进而降低需要传输的数据规模，能够有效地提升bbu-rru之间的数据传输效率和降低需求传输带宽。

背景技术：

1、在5g移动通信系统中，集成基带处理单元和射频处理单元的宏基站被分布式基站模式取而代之。分布式基站将宏基站中的基带处理单元和射频处理单元划分为bbu和rru，二者分别承担不同的任务。rru基站是无线电设备，负责将数字信号转换为无线信号，并将其送到天线上进行传输，因此rru一般安装在天线附件，以降低信号传输和处理时延。bbu基站是一种数字信号处理设备，主要负责对数字信号进行处理和转换，一般安装在基站机房内，当收到控制器的数字信号后对其进行处理，处理后通过光纤将其传输到rru基站。

2、5g通信系统根据基站单元功能对基站进行了重新划分，形成分布式基站形态，以此共享主基站基带信道资源和降低射频部分光缆传输损耗，进而提升系统效率。但由于bbu和rru属于独立设备，二者之间通信需要依靠光缆连接，尽管光缆链接相比采用电缆链接可以更大程度的降低馈线成本和工程实施难度。但随着物联网技术的发展和应用，iot设备接入数量和传输数据规模的增长，光纤传输带宽受限的问题愈发严重。因此在bbu-rru传输过程前，需要对数据进行有效压缩，进而提升传输效率。ntt具有将多个整数数据用一个数据表示的能力，并且可以无损的将其恢复。这一特点和bbu-rru数据传输前的压缩需求较为贴合，因此ntt编码非常适合用来设计适用于bbu-rru之间数据传输前的压缩方法。

3、在5g分布式基站系统中，基站根据功能拆分为负责基带信号处理的bbu基站单元和rru基站单元。rru单元负责数字信号和无线信号的转化，并通过射频天线发送或者接收。bbu单元负责接收rru传输的数字信号并处理，或者把数字信号处理好并传输到rru。尽管这种分布式结构可以提升系统工作效率，但由于bbu和rru之间通过光纤传输，随着日益增长的数据规模，光纤传输带宽受限的问题愈发严重，因此在bbu和rru之间数据传输前必须对数据进行有效压缩，以降低对传输带宽的需求。综上，高效的数据压缩方法对bbu-rru数据传输系统而言具有重要意义。

4、传统的数据压缩方法在时域对数据进行处理，例如采样率变换、均匀量化、非均匀量化和iq数据压缩等。但上述方法往往在保证数据恢复低失真度的前提下，压缩比(compression ratio，cr)并不高，因此导致bbu-rru之间数据传输效率较低。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于数论变换的蜂窝通信bbu-rru间传输数据压缩方法，提升bbu-rru之间传输数据的cr，以降低对传输带宽的需求，进而解决数据传输带宽受限问题。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种基于数论变换的蜂窝通信bbu-rru间传输数据压缩方法，所述方法包括以下步骤：

4、1)首先，确定传输数据向量直接截取的比特字长l以及确定划分字长中高低位集合的长度lhigh和llow，l＝lhigh+llow。之后通过lhigh和llow确定ntt编码压缩中所使用的互质素数数组{k1,k2,...,km}和长度m＝max(llow,lhigh)，max为取最大值操作；

5、2)通过对数组{k1,k2,...,km}进行连乘和模逆等操作，得到对高位数组和低位数组压缩使用的编码数组和以及压缩所需的参数thigh和tlow，将其预先存储在bbu和rru设备内；

6、3)对于下行传输，bbu将复数数据的实部和虚部分别发送到rru；对于上行传输，rru将复数数据的实部和虚部分别发送到bbu；对于实部数据或虚部数据x，将量化字长为q的样本数据分为1bit符号位数据向量和剩余字长(q-1)bit数据位数据向量向量长度为n，符号位数据向量xsign不压缩直接传输；

7、4)对于待处理的数据向量截取前lbit字长的数据记为进一步将继续分为lhighbit字长的高位数组和llowbit字长的低位数组

8、5)用预先存储在bbu和rru设备内的高位与低位编码数组和对和进行编码压缩得到和

9、6)对和分别进行huffman编码，得到和

10、7)将压缩编码后的数据和xsign发送到rru；

11、8)rru接收到数据先进行huffman解码得到和之后对和按顺序对互质素数数组和取模，即可得到原始的直接截取后的解压缩数据和

12、9)将高位解压缩数据低位解压缩数据和符号位数据xsign按顺序组合，得到最终恢复信号

13、进一步，所述步骤1)中，先根据lhigh和llow确定互质素数数组{k1,k2,...,km}的长度m＝max(llow,lhigh)，max为取最大值操作。

14、再进一步，所述步骤2)中，计算对高位数组和低位数组ntt编码所需的参数，和如公式(1)和公式(2)所示。

15、

16、

17、在公式(1)中，pihigh和的关系表达式如下所示：

18、

19、

20、公式(4)中的mod表示取模运算，≡表示同余运算，公式(4)等价于对ki取模后余数为1，将记为pihigh对ki的模逆；在公式(2)中，pilow和的关系表达式如下所示：

21、

22、

23、在公式(4)和公式(6)中，表示pilow对ki的模逆。编码需要的thigh和tlow如下所示：

24、

25、

26、所述步骤3)中，对输入的实部数据进行qbit量化，得到符号位数据向量xsign和数据位数据向量

27、所述步骤4)中，对截取前lbit字长得到将分为lhighbit字长的高位数组和llowbit字长的低位数组

28、所述步骤5)中，使用公式(1)到公式(8)中计算的ntt编码压缩参数对和进行压缩，如下：

29、

30、

31、其中，khigh和klow分别表示高位数据数组和低位数据数组压缩后的数据个数，通过公式(11)和公式(12)计算，由于单组符号数n不一定可以被lhigh或llow整除，因此可能需要对向量或进行补零直到刚好整除即可；

32、

33、

34、上式中，表示向上取整。

35、所述步骤6)中，分别对和进行huffman编码得到和编码使用的huffman码表可采用预先生成并存储在bbu和rru本地。

36、所述步骤7)中，将xsign、和一起传输到rru。

37、所述步骤8)中，对接收数据进行huffman解码得到和之后将和按顺序对互质素数数组和取模，如下：

38、

39、

40、所述步骤9)中，先把因单组符号数不可整除添加的零去除掉，再将高位解压缩数据低位解压缩数据和符号位数据xsign按顺序组合，得到最终恢复信号

41、本发明的技术构思为：针对5g分布式基站bbu和rru之间数据传输时，由于数据规模增大导致光纤带宽紧张的问题，设计了基于ntt编码的数据压缩方法。该方法在发送端先将未压缩数据先进行q比特量化，之后将数据的(q-1)数据位比特直接截短为l比特，进一步把l比特划分为高位数据位和低位数据位，形成数据的高位数据组和低位数据组。之后用预先计算的ntt编码数组对高位数据组和低位数据组分别压缩，再分别进行huffman编码，最后将量化时的符号位与huffman编码后数据进行传输。接收端接收到数据后，先进行huffman解码，再ntt反变换解码即可得到恢复数据。该方法在保证数据恢复质量的情况下，可以获取较为不错的压缩比，进而降低bbu和rru之间数据传输对带宽的需求。

42、本发明的方法称为基于ntt编码的bbu-rru传输数据压缩方法。加入了ntt编码压缩方法后的bbu-rru之间数据传输过程如附图2所示，只需在bbu和rru设备内部署ntt编码压缩和ntt译码解压缩方法即可对传输数据进行高效压缩。在ntt编码压缩方法中，主要目标是通过ntt将多个整数转换为一个整数表示，进而对转换后的数据进行huffman编码以达到数据压缩。在进行ntt编码压缩前，需要根据数据样本二进制量化向量中高位数组长度和低位数组长度找到1个由互质素数组成的数组，并计算压缩中具体使用的编码数组，以存储在bbu和rru本地以方便压缩和解压缩。在bbu和rru数据传输中，一般以n个复数符号为一组进行传输。在ntt编码压缩方法中需要将复数符号的实部和虚部分开压缩并传输，在接收端再进行组合。由于对实部和虚部的压缩以及传输流程是相同的，因此本发明以实部符号为例，简要说明信号下行压缩和传输流程，信号上行处理过程类似。对x进行q bit量化，不失一般性，本发明样例中选择q＝16。将量化的样本数据分为1bit符号位数据向量和剩余字长(q-1)bit数据位数据向量向量长度为n；符号位数据向量xsign不压缩直接传输。之后截取样本字长中前lbit的数据向量记为目的是直接降低后续压缩步骤的处理复杂度，l越小复杂度降低越大但是对于信号质量影响越大，根据应用需求选择合适的l；下一步将分为字长lhighbit的高位数组和字长llowbit的低位数组之后用预先存储在bbu和rru两端的高位与低位编码数组对和进行编码压缩得到和khigh和klow分别表示高位数组和低位数组经过ntt编码后长度，其可以d通过n、lhigh和llow计算得出。最后对和分别进行huffman编码得到和并将xsign、和传输到rru。rru接收到数据后，通过压缩编码的逆过程恢复出和最后将和xsign重新组合即可得解压缩后的实部符号

43、该方法的核心是通过ntt编码压缩降低bbu-rru之间传输数据规模，以降低对传输带宽的需求。

44、本发明的有益效果主要表现在：经过ntt编码方法压缩后，数据规模下降，具有较高的压缩比，可以有效地缓解bbu和rru之间由于数据规模较大引起的光纤传输带宽紧张问题。