聯(lián)合子載波抑制-機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)編碼的OFDM數(shù)據(jù)廣播方法

沈先麗 許 魁 韓 序 徐友云

(解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院, 南京,210007)

聯(lián)合子載波抑制-機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)編碼的OFDM數(shù)據(jù)廣播方法

沈先麗 許 魁 韓 序 徐友云

(解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院, 南京,210007)

正交頻分復(fù)用(Orthogonal freqency division multiplexing,OFDM)技術(shù)通過(guò)采用多個(gè)子載波在不同的子帶上傳輸信息來(lái)有效對(duì)抗頻率選擇性衰落。但不同子載波信道質(zhì)量不同，其中信道質(zhì)量較差的子載波會(huì)產(chǎn)生較大的誤碼率，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)性能下降。將信道質(zhì)量較差的子載波抑制不用即可解決該問(wèn)題。本文提出了一種適用于OFDM數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)的聯(lián)合子載波抑制-機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)編碼方法(Joint subcarriers suppression and opportunistic network coding, JSSONC)，即將子載波抑制技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)編碼(Network coding,NC)技術(shù)聯(lián)合使用?；疽种菩诺蕾|(zhì)量較差的子載波，僅采用信道質(zhì)量較好的子載波進(jìn)行數(shù)據(jù)包的廣播與重傳。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)編碼，進(jìn)一步減少重傳數(shù)據(jù)包數(shù)量。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)OFDM廣播系統(tǒng)相比，本文提出的JSSONC方法降低了每一個(gè)數(shù)據(jù)包平均傳輸次數(shù)(Average transmission times of every data package，ATT-E)，從而大大提高了系統(tǒng)傳輸效率。

OFDM;廣播系統(tǒng);子載波抑制;機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)編碼

引 言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，移動(dòng)通信對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笤絹?lái)越高。作為寬帶移動(dòng)通信需求最基本的支撐，頻譜資源稀缺問(wèn)題愈加突出和嚴(yán)重。因此，如何在頻譜資源受限的條件下，進(jìn)一步提高移動(dòng)通信系統(tǒng)傳輸效率是下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中亟需解決的重要問(wèn)題之一。廣播通信是指基站向多個(gè)接收端發(fā)送相同數(shù)據(jù)的點(diǎn)到多點(diǎn)業(yè)務(wù)[1]，是一種傳輸大量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的有效方式。目前，廣播通信已成為移動(dòng)通信研究的熱點(diǎn)之一。在廣播通信系統(tǒng)中要求每一個(gè)接收端都能正確接收來(lái)自基站的所有數(shù)據(jù)包。由于無(wú)線鏈路的衰落特性，接收端往往無(wú)法正確接收全部數(shù)據(jù)包。傳統(tǒng)廣播方案采取的做法是重傳所有丟包，直到全部接收端都能正確接收。這種方式很明顯的缺點(diǎn)是需要重傳大量數(shù)據(jù)包，能量和時(shí)頻資源開(kāi)銷很大。

網(wǎng)絡(luò)編碼(Network coding,NC)[2]于2000年被提出，通過(guò)對(duì)多路信息進(jìn)行異或處理，有效提高了有線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能。隨著研究不斷深入，NC也在提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能方面發(fā)揮重要作用[3-5]。網(wǎng)絡(luò)編碼廣播技術(shù)[6]是針對(duì)傳統(tǒng)廣播方案的缺點(diǎn)而改進(jìn)得到的?？紤]在數(shù)據(jù)包重傳階段根據(jù)不同接收端正確接收數(shù)據(jù)包的差異，基站在接收端能夠利用邊信息正確解碼的前提下，對(duì)需要重傳的數(shù)據(jù)包進(jìn)行合并后重傳。網(wǎng)絡(luò)編碼廣播技術(shù)使得需要重傳數(shù)據(jù)包數(shù)量大大降低，從而減少了資源開(kāi)銷，提高了系統(tǒng)傳輸有效性[7,8]。正交頻分復(fù)用(Orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)技術(shù)，由于其具有高頻譜利用率以及較好的抗多徑衰落能力等特點(diǎn)，已經(jīng)成為第四代移動(dòng)通信標(biāo)志性的物理層傳輸承載技術(shù)[9]。為了進(jìn)一步提高OFDM系統(tǒng)的傳輸可靠性，文獻(xiàn)[10]提出兩種子載波抑制方法。通過(guò)放棄使用信道條件差的子載波而僅使用信道條件好的子載波來(lái)進(jìn)行信息傳輸，從而大幅提高系統(tǒng)誤比特率性能。

針對(duì)OFDM廣播系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，本文提出了一種聯(lián)合子載波抑制-機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)編碼(Joint subcarriers suppression and opportunistic network coding, JSSONC)的OFDM數(shù)據(jù)廣播方法?；靖鶕?jù)無(wú)線信道隨機(jī)衰落特性，選擇性地抑制信道質(zhì)量較差的子載波，僅采用信道質(zhì)量較好的子載波進(jìn)行數(shù)據(jù)包的廣播與重傳。在此基礎(chǔ)上，利用機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)編碼重傳協(xié)議進(jìn)一步減少重傳數(shù)據(jù)包數(shù)量。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)OFDM廣播系統(tǒng)[11,12]相比，本文提出的JSSONC大大降低了每一個(gè)數(shù)據(jù)包平均傳輸次數(shù)，大幅提高了系統(tǒng)傳輸效率。

圖1 系統(tǒng)模型Fig．1 System model

1 系統(tǒng)模型

基于TDMA的廣播系統(tǒng)由一個(gè)基站S和U個(gè)接收端構(gòu)成，基站S需要把N個(gè)數(shù)據(jù)包依次傳輸給U個(gè)接收端，若接收端發(fā)現(xiàn)丟包則需要重傳，直至所有接收節(jié)點(diǎn)正確接收到所有數(shù)據(jù)包，如圖1所示。所有節(jié)點(diǎn)均配備單根天線并工作在半雙工模式；假設(shè)S知道S到每一個(gè)接收端之間的信道狀態(tài)信息；系統(tǒng)采用OFDM傳輸方式，子載波個(gè)數(shù)用K表示，子載波調(diào)制方式為BPSK，基站到接收端的信道為多徑瑞利衰落信道，用向量hm表示，即

(1)

(2)

數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度用L表示，子載波個(gè)數(shù)用Q表示，則一個(gè)數(shù)據(jù)包首次廣播中需要占用的OFDM符號(hào)數(shù)為

(3)

N個(gè)數(shù)據(jù)包首次廣播中需要占用的OFDM符號(hào)數(shù)為

(4)

整個(gè)傳輸過(guò)程分為兩個(gè)階段：首次廣播階段和重傳階段。

(5)

(6)

最后各接收端根據(jù)如下方法解調(diào)接收到的信息，即

(7)

重傳階段。該階段根據(jù)需要重傳數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)、L和Q之間的關(guān)系可以分成若干個(gè)時(shí)隙，一個(gè)OFDM符號(hào)占用一個(gè)時(shí)隙。在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，信道狀態(tài)保持不變。該階段各接收端首先判斷各數(shù)據(jù)包是否被正確接收，從而得到錯(cuò)誤矩陣；然后采用機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)編碼，根據(jù)錯(cuò)誤矩陣得到編碼矩陣；最后重傳合并后的數(shù)據(jù)包，更新錯(cuò)誤矩陣。不斷循環(huán)，直至錯(cuò)誤矩陣為零矩陣(即所有數(shù)據(jù)包都已被正確接收到)。

2 子載波抑制技術(shù)應(yīng)用和機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)編碼

2.1 子載波抑制技術(shù)在OFDM數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)中的應(yīng)用

(8)

(9)

(10)

假設(shè)每一個(gè)接收端都完全已知各個(gè)基站的子載波狀態(tài)。只有在基站到每一個(gè)接收端之間都是“活躍子載波”時(shí)，該子載波才被基站用來(lái)傳輸信息，定義為“使用子載波”。系統(tǒng)僅使用“使用子載波”來(lái)傳輸信息而不使用被抑制的子載波，如圖2所示。因此，第k個(gè)子載波是否被基站使用可以用狀態(tài)F[k]表示，即有

(11)

(12)

子載波抑制技術(shù)貫穿整個(gè)傳輸過(guò)程，應(yīng)用在首次廣播階段和重傳階段。

圖2 子載波抑制方法Fig．2 Subcarriers suppression scheme

2.2 機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)編碼

重傳階段，在應(yīng)用子載波抑制的基礎(chǔ)上，利用機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)編碼方法完成數(shù)據(jù)包的重傳。首先，各個(gè)接收端判斷每一個(gè)數(shù)據(jù)包是否被正確接收,只要數(shù)據(jù)包中的一個(gè)比特發(fā)生傳輸錯(cuò)誤，則判定該數(shù)據(jù)包丟包。數(shù)據(jù)包被正確接收用“0”表示，丟包用“1”表示，從而得到一個(gè)U×N的錯(cuò)誤矩陣E_M0，即

(13)

然后，讓在大多數(shù)接收端都發(fā)生丟包的數(shù)據(jù)包優(yōu)先參與編碼合并從而得到網(wǎng)絡(luò)編碼重傳數(shù)據(jù)包；最后，只重傳網(wǎng)絡(luò)編碼重傳數(shù)據(jù)包。

編碼合并具體分為4個(gè)步驟。

(1)將原錯(cuò)誤矩陣按列求和,即

(14)

再降序排列

(15)

式中：a′>b′>…>c′。根據(jù)SUM′對(duì)應(yīng)得到新的錯(cuò)誤矩陣

(16)

(2)根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的編碼方法生成傳統(tǒng)編碼矩陣Coding_List0，Coding_List0為若干行N列的矩陣。

(3)取傳統(tǒng)編碼矩陣的第一行，得到最終的編碼矩陣

Coding_List=Coding_List0(1,:)

(17)

(4)根據(jù)最終的編碼矩陣將發(fā)生丟包的數(shù)據(jù)包異或，完成合并，最后得到網(wǎng)絡(luò)編碼重傳數(shù)據(jù)包。

例如，假設(shè)有原錯(cuò)誤矩陣E_m0

(18)

U=4，N=5；將矩陣E_m0按列求和

Sum=[1 2 1 2 3]

(19)

將錯(cuò)誤矩陣按列求和后降序排列得到新的錯(cuò)誤矩陣

(20)

根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的編碼方法得到原始編碼矩陣

(21)

取原始編碼矩陣的第一行作為最終應(yīng)用的編碼矩陣

(22)

根據(jù)編碼矩陣將發(fā)生丟包的數(shù)據(jù)包異或，然后重傳，每一次只重傳一個(gè)網(wǎng)絡(luò)編碼重傳數(shù)據(jù)包。

因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)接收端發(fā)生丟包的數(shù)據(jù)包優(yōu)先參與了重傳，故每一次重傳的數(shù)據(jù)包能夠最大程度地減少錯(cuò)誤矩陣中“1”的個(gè)數(shù)，從而能夠最大程度糾正丟包。接收端根據(jù)信道矩陣、原錯(cuò)誤矩陣和編碼矩陣不斷更新原錯(cuò)誤矩陣。不斷循環(huán)上述過(guò)程直至原錯(cuò)誤矩陣更新為零矩陣，所有丟包都被正確接收。

3 仿真結(jié)果

本節(jié)給出包含U個(gè)接收端的JSSONC方法在每一個(gè)數(shù)據(jù)包平均傳輸次數(shù)(Average transmission times of every data package，ATT-E)方面仿真結(jié)果。基站和接收端的發(fā)送功率設(shè)為1,子載波個(gè)數(shù)K=64,循環(huán)前綴長(zhǎng)度為16,無(wú)線多徑信道建模為4徑獨(dú)立同分布的瑞利信道。在整個(gè)仿真過(guò)程中，使用子載波的個(gè)數(shù)用Q表示。數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)N=100，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度用L表示。

圖3 隨信噪比變化的ATT-E 圖4 JSSONC隨信噪比變化的ATT-E Fig．3 ATT-E varying with different SNR Fig.4 ATT-E of JSSONC varying with different SNR

圖3,4為在不同信噪比情況下的ATT-E仿真結(jié)果。接收端個(gè)數(shù)U=10，L=1 000比特。由圖3可以看出，ATT-E隨信噪比增加而減少；本文提出的JSSONC方法的ATT-E性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)OFDM廣播系統(tǒng)[11,12]。且抑制子載波個(gè)數(shù)越多，使用的子載波的整體信道質(zhì)量越好，ATT-E越少，系統(tǒng)傳輸效率越高。由圖4可以看出，本文提出的JSSONC方法的ATT-E隨著數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度變短而減小。

圖5為ATT-E隨數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度變化而變化的仿真情況，U=10，SNR=10 dB，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度越長(zhǎng)，發(fā)生丟包的概率越大，ATT-E越大。本文提出的JSSONC方法顯著優(yōu)于傳統(tǒng)OFDM廣播系統(tǒng)，且抑制子載波個(gè)數(shù)越多，ATT-E越小，系統(tǒng)傳輸效率越高。

圖6為ATT-E隨著接收端個(gè)數(shù)增加的變化趨勢(shì)的仿真結(jié)果。SNR=10 dB，L=1 000比特。由圖6可知，ATT-E隨著U增加而增加。U越大，錯(cuò)誤矩陣行數(shù)越多，故重傳次數(shù)越大。本文提出的JSSONC方法ATT-E遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)OFDM廣播系統(tǒng)中ATT-E，且抑制子載波個(gè)數(shù)越多，ATT-E越小，系統(tǒng)傳輸效率越高。并且在抑制子載波個(gè)數(shù)較多時(shí)，使用的子載波的整體信道質(zhì)量較好，丟包的概率較低，U的增大不會(huì)導(dǎo)致重傳次數(shù)的增多。故在抑制子載波個(gè)數(shù)較多時(shí)，ATT-E幾乎不再隨著U的增加而變化，大幅提高了系統(tǒng)傳輸效率。

圖5 隨數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度變化的ATT-E 圖6 隨接收端個(gè)數(shù)變化的ATT-E Fig．5 ATT-E as different length of data package Fig.6 ATT-E as different number of users

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種聯(lián)合子載波抑制-機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)編碼的OFDM數(shù)據(jù)廣播方法。基站根據(jù)無(wú)線信道隨機(jī)衰落特性，選擇性地抑制信道質(zhì)量較差的子載波，僅采用信道質(zhì)量較好的子載波進(jìn)行數(shù)據(jù)包的廣播與重傳。在此基礎(chǔ)上，利用機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)編碼重傳協(xié)議進(jìn)一步減少重傳數(shù)據(jù)包數(shù)量。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果證明了本文提出的JSSONC方法的優(yōu)越性。JSSONC降低每一個(gè)數(shù)據(jù)包平均傳輸次數(shù)，且抑制子載波個(gè)數(shù)越多，每一個(gè)數(shù)據(jù)包平均傳輸次數(shù)越少；在抑制子載波個(gè)數(shù)較多的情況下，每一個(gè)數(shù)據(jù)包平均傳輸次數(shù)幾乎不隨接收端個(gè)數(shù)增多而增多。與傳統(tǒng)OFDM廣播系統(tǒng)相比，本文提出的JSSONC方法大幅提高了系統(tǒng)傳輸效率。

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Joint Subcarriers Suppression and Opportunistic Network Coding for OFDM Data Broadcasting

Shen Xianli, Xu Kui, Han Xu, Xu Youyun

(College of Communication Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing, 210007, China)

Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) could efficiently tackle the problem of frequency-selective fading by adopting multiple subcarriers to be transmitted upon different subbands. Subcarriers with weak channel qualities suffer severe symbol errors, which limits the overall system performance. Suppressing subcarriers with bad channel qualities would solve the problem. Here, a joint subcarriers suppression and opportunistic network coding (JSSONC) scheme is proposed for OFDM data broadcasting systems, where subcarriers suppression technique is combined with network coding (NC) technique. By using JSSONC, the base station suppresses the subcarriers being in bad channel conditions. Consequently, retransmission packets used to recover lost packets are produced by adopting network coding to reduce further the number of transmissions. Simulation results show that the proposed JSSONC in OFDM data broadcasting systems reduces the average transmission times of every data package (ATT-E), compared with the traditional OFDM broadcasting systems,thus improving the system transmission efficiency.

orthogonal frequency division multiplexing(OFDM); broadcasting system; subcarriers suppression; opportunistic network coding

國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃(91438115)資助項(xiàng)目；中國(guó)博士后基金(2015T81079)特別資助項(xiàng)目；國(guó)家自然科學(xué)基金(61371123,61301165)資助項(xiàng)目；江蘇省自然科學(xué)基金(BK2011002, BK2012055)資助項(xiàng)目；國(guó)家博士后科學(xué)基金(2014M552612)資助項(xiàng)目；江蘇省博士后科學(xué)基金(1401178C)資助項(xiàng)目。

2015-07-30；

2015-12-16

TN911.7

A

沈先麗(1987-),女，碩士研究生，研究方向:移動(dòng)通信,E-mail: shenxianli@126.com。

徐友云(1966-),男，教授,博士生導(dǎo)師，研究方向:移動(dòng)通信、認(rèn)知無(wú)線電和網(wǎng)絡(luò)編碼等,E-mail:yyxu@vip.sina.com。

許魁(1982-)男，副教授,碩士生導(dǎo)師，研究方向:無(wú)線傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)編碼，E-mail: lgdxxukui@126.com。

韓序(1990-),男，碩士生，研究方向:為移動(dòng)通信,E-mail:hanxu23@126.com。