CN1780188A - 多速率无线通信***及其动态码分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种支持多用户接入、变速率多媒体信息传输的MIMO－OFDM－CDM***的码分配方法。给用户分配正交扩频序列，并在数据流复用之前利用它对信息符号流扩频，使***具有多址和变速率多媒体信息传输的能力。进一步，利用球形译码接收方案获得次优信道容量。针对***支持变速率业务易发生码字阻塞的问题，提出了动态码字分配方法。其思想是维持码树的分配保持在最优状态，在新呼叫接入时，判断***容量是否允许分配码字，在允许的情况下，能迅速进行码字分配，并维持码树的最优状态。与现有方法相比，本方法降低了码字重新分配的次数。

Description

多速率无线通信***及其动态码分配方法

技术领域

本发明涉及一种多速率无线通信***及其动态码分配方法，更具体地，尤其涉及一种支持多用户接入、变速率多媒体信息传输的多天线输入输出-正交频分复用-码分复用(MIMO-OFDM-CDM)通信***及其码字分配方法。

背景技术

随着无线网络和因特网的逐渐融合，人们对无线通信业务的类型和质量的要求越来越高。为满足无线多媒体和高速率数据传输的要求，需要开发新一代无线通信***。其中多天线输入和输出(MIMO)和正交频分复用(OFDM)相结合的MIMO OFDM无线传输技术受到广泛关注(参见参考文献[1]、[2]、[3])。

MIMO和OFDM相结合的MIMO OFDM技术具有两者的优点，它既通过OFDM调制把频率选择性MIMO衰落信道分解成一组并行平坦衰落信道，又利用MIMO提高了***容量，适用于传输高速率的音、视频等多媒体业务。

除了抗频率选择性衰落外，还可利用码分复用(CDM，即预编码阵)技术获得频率分集(多径分集)以提高***性能(参见参考文献[4])。

参考文献[5]提出的MIMO-OFDM-CDM***可同时获得频率分集和高频谱效率效果，但仅研究了单用户单速率MIMO-OFDM-CDM***的接收处理问题。本发明将进一步提出支持多用户接入、变速率多媒体信息传输的MIMO-OFDM-CDM***框架。它采用正交可变扩频因子(OVSF)扩频方式，在支持不同速率业务时，要求分配给用户的码字必须是正交的，这易导致码字阻塞。为解决码字阻塞问题，参考文献[5]给出了基于拓扑搜索的码分配方法，如图12，其思想是用一代价函数与每条候选子树相关联，并分配最小代价子树的根码给新呼叫，以保证在把码分配给最小代价的子树。当新呼叫(new call)请求服务时(S1202)，校验***剩余容量(S1203)，若***能支持该呼叫(S1203：“是”)，则搜索最小代价的子树，且其根码容量能支持该呼叫(S1204)。当找到最小代价的子树后，若该子树为空(S1205：“是”)，则直接分配根码给该呼叫，否则，给新呼叫分配根码中子码数据率最高的子码树(S1207)。最后，在该子码树中重新分配子码数据率最高的码字给新呼叫(S1208)。该方法需进行大量的码字交换和重分配过程，***复杂度较高，故需要寻求低复杂度、易于工程实现的码字分配方法。

参考文献列表：

[1]G.J.Foschini，Layered space-time architecture forwireless communication in a fading environment when usingmulti-element antennas，Bell Labs Tech.J.，vol.1，1996，pp.41-59.

[2]I.E.Telatar，Capacity of multi-antenna Gaussianchannels，Eur.Trans.Tel.，vol.10，no.6，Nov./Dec.1999，pp.585-595.

[3]A.J.Paularj et al.，An Overview of MIMOCommunications-A Key to Gigabit Wireless，Proceedings of IEEE，vol.92，no.2，Feb.2004，pp.198-218

[4]S.Kaiser，OFDM code division multiplexing in fadingchannels，IEEE trans.Comm..，vol.50，Aug.2002，pp.1266-1273.

[5]Kilsik Ha and K.B.Lee，OFDM-CDM with V-BLASTDetection and Its Extension to MIMO Systems，in Proc.IEEEVehicular Technology Conference 2003 Spring(VTC 2003S)，Jeju，Korea，vol. 1，pp.764-768，Apr.2003.

[6]Thit Min，Kai，Yeung(Sunny)Siu，Dynamic assignment ofOVSF codes in W-CDMA，IEEE JSAC，2000，18(8)：1429-1440

发明内容

本发明的目的在于提供一种能支持多用户、变速率信息传输的MIMO-OFDM-CDM(多天线输入输出-正交频分复用-码分复用)***框架；并针对***支持变速率多媒体应用时易发生码字阻塞的问题，提出了低复杂度的动态码字分配方法。

为使***在多用户接入时具有支持变速率多媒体信息传输的能力，本发明提出数据流在进入天线复用之前，利用给每个用户分配单一的正交可变扩频因子(OVSF)扩频序列对信息比特扩频。输入比特流经过编码、交织、调制、扩频后复用为多个子流，把每个子流转换成并行数据符号送入CDM复用器扩频得到子流输出信号，经交织、OFDM调制后发射。通过CDM处理后，数据符号被扩展到多个子载波上传输，各子载波上传送的不再是单一符号，而是各个符号的线性组合。这样，即使有某个子载波存在深度衰落，也能从其他子载波中恢复发射信号，具有频率分集效果。在接收端，经符号同步、OFDM解调、解交织、信号检测后，解扩、解调、解交织、译码后恢复比特流。为获得多天线信道传输矩阵，OFDM-CDM发送导频序列，接收端测量导频信号并进行AGC、符号同步、信道估计等。进一步，在接收端，为获得次优信道容量，本发明提出采用球形译码的接收处理方案。

OVSF扩频使MIMO-OFDM-CDM***具有支持变速率多媒体业务的优点，但在应用上存在约束条件。它要求分配给用户的码字必须是正交的，这样在支持不同速率业务时易导致码字阻塞。为解决码字阻塞问题，需要重新分配码字，以支持新呼叫业务。

OVSF扩频码由沃尔什(Walsh)码矩阵生成，可用码树表示。采用拓扑记数法描述码树结构(参见文献[6])，其方法为：对于第一层的码字，从左到右观察，如果其码字还可以分配，用X表示；否则，如果该码字被占用，用其容量1表示；如果是其母码被占用而导致其不能用，则观察该母码导致了多少个它的第一层的子码不能用(设为K)，则这K个第一层的码字用K表示。观察码树的拓扑记数法，可看到，其数字部分全部出现在数组的右面，而X只出现在数组左边，即被占用的码字集中在码树右面，称之为码树的最优状态。

针对码树的最优状态，本发明提出扩展拓扑(E-t)记数法。因为没有被占用的码字都在左边，可仅用一组数字来进行记录，其中数组的第一个数字拓扑记数法中X的个数(即剩余容量)，其余数字为拓扑记数法中除X以外的其他数字(二者顺序保持一致)。采用E-t记数法记录码树的状态，只需记录两组数组：一组是用E-t记数法记录的码树状态，另一组是第一层码字的分配情况。有些状态虽然不能直接用E-t写法，但具有最优状态的性质，通过交换码字编号，也可看成满足最优状态，称为伪最优状态。

E-t记数法具有如下性质，设数组为(S，α₁，α₂……，α_k)，其码树满足(伪)最优状态，***容量为2ⁿ，其数组除了第一个数(剩余容量)，其余的数都满足：若2^m＜2ⁿ，且数组中存在α_q＝2^m1＜2^m，2^m｜α₁+α₂+…+α_q-1，则存在i满足q≤i，α_q+…+α_i＝2^m。

基于码树的最优状态和E-t记数法，本发明提出了一种动态码分配方法，其思想是当***有余量容纳新呼叫用户接入时，给新呼叫分配码字并维持码树的最优状态，具体描述如下。

根据本发明的第一方面，一种用于多速率无线通信***的动态码分配方法，包括：

初始化步骤，使***的码树处于最优状态；

判断步骤，在接收到新呼叫时，判断***是否能够容纳所述新呼叫；

保持步骤，如果***不能容纳所述新呼叫，则结束处理，保持***的码树的状态；以及

分配步骤，如果***能够容纳所述新呼叫，则将适当的码字分配给所述新呼叫，如果需要，相应地改变已分配的码字，从而使***的码树仍然处于最优状态。

优选地，所述多速率无线通信***采用正交可变扩频因子扩频方式，以支持不同速率的业务。

优选地，所述正交可变扩频因子是通过沃尔什码树生成的。

优选地，当采用拓扑记数法时，所述最优状态是指在表示码树状态的数组中，数字部分全部出现在数组的右面，而X只出现在数组左边的码树状态。

优选地，所述***的码树为沃尔什码树。

优选地，所述多速率无线通信***为多天线输入输出-正交频分复用-码分复用通信***。

优选地，所述多速率无线通信***为采用正交可变扩频因子扩频的通信***。

根据本发明的第二方面，一种用于多速率无线通信***的码分配装置，包括：

存储模块，用于存储***的码树，所述码树处于最优状态；

比较模块，在接收到新呼叫时，根据存储在所述存储模块中的码树的状态和所述新呼叫所需的速率，判断***是否能够容纳所述新呼叫；如果***不能容纳所述新呼叫，则保持***的码树的状态，不触发计算模块；如果***能够容纳所述新呼叫，则触发计算模块；

计算模块，根据存储在所述存储模块中的码树的状态和所述新呼叫所需的速率，进行计算，并将计算结果提供给分配模块；以及

分配模块，根据来自所述计算模块的计算结果，将适当的码字分配给所述新呼叫，如果需要，相应地改变已分配的码字，从而使***的码树仍然处于最优状态，并将改变后的码树存储在所述存储模块中。

优选地，所述多速率无线通信***采用正交可变扩频因子扩频方式，以支持不同速率的业务。

优选地，所述正交可变扩频因子是通过沃尔什码树生成的。

优选地，当采用拓扑记数法时，所述最优状态是指在表示码树状态的数组中，数字部分全部出现在数组的右面，而X只出现在数组左边的码树状态。

优选地，所述***的码树为沃尔什码树。

优选地，所述多速率无线通信***为多天线输入输出-正交频分复用-码分复用通信***。

优选地，所述多速率无线通信***为采用正交可变扩频因子扩频的通信***。

根据本发明的第三方面，一种用于多速率无线通信***的发射机，其特征在于包括根据本发明第二方面所述的码分配装置。

根据本发明的第四方面，一种用于多速率无线通信***的动态码分配方法，包括：

初始化步骤，使***的码树处于最优状态，并根据扩展拓扑记数法，记录以下两组数据：

(1)S，α₁，α₂，…，α_k；

(2)b₁，b₂，b₃…，

其中，(S，α₁，α₂，…，α_k)表示整个码树状态，S为***剩余容量，α_i∈{α₁ α₂…α_k}为被占用的码字容量；b₁，b₂，b₃…是码树第一层码字的编号；

接收步骤，接收来自外部的速率为t的新呼叫；

比较步骤，比较S和t，若S＜t，则取消新呼叫接入；如果St，继续进行以下步骤；

除法操作步骤，对S和t进行除法操作，S/t＝x余y，即S＝t*x+y，且0≤y＜t；

判断步骤，对余数y进行判断，若y＝0，给新呼叫分配编号(b_S-t+1…b_S)所对应的码字；若y≠0，则对x进行判断；

奇数分配步骤，当x为奇数时，给新呼叫分配编号为(b_S-1-y+1，…，b_S-y)对应的码字，然后让新呼叫与前面t个编号对应的码字改变编号；

偶数分配步骤，当x为偶数时，则存在下标p，使y+α₁+α₂…+α_p＝t，若α_i占用码字对应编号为m_i，其中i＝1…p，重新分配α_i的码字为m′_i：如果m_i＝b_p，则m′_i＝b_p-t；若m_i＝(b_p，b_p+1…)，则m′_i＝(b_p-t，b_p-t+1…)，分配b_xt+1，…b_xt+t这t个第一层码字编号所对应的码字给新呼叫。

优选地，所述多速率无线通信***采用正交可变扩频因子扩频方式，以支持不同速率的业务。

优选地，所述正交可变扩频因子是通过沃尔什码树生成的。

优选地，所述***的码树为沃尔什码树。

优选地，所述多速率无线通信***为多天线输入输出-正交频分复用-码分复用通信***。

优选地，所述多速率无线通信***为采用正交可变扩频因子扩频的通信***。

根据本发明的第五方面，一种用于多速率无线通信***的码分配装置，包括：

存储模块，用于存储***的码树，所述码树处于最优状态，根据扩展拓扑记数法，所述码树的最优状态由以下两组数据表示：

(1)S，α₁，α₂，…，α_k；

(2)b₁，b₂，b₃…，

其中，(S，α₁，α₂…，α_k)表示整个码树状态，S为***剩余容量，α_i∈{α₁ α₂…α_k}为被占用的码字容量；b₁，b₂，b₃…是码树第一层码字的编号；

比较模块，在接收到来自外部的速率为t的新呼叫时，比较S和t，若S＜t，则保持***的码树的状态，不触发计算模块；如果S≥t，则触发计算模块；

计算模块，对S和t进行除法操作，得到S/t＝x余y，即S＝t*x+y，且0≤y＜t；

分配模块，对余数y进行判断，若y＝0，给新呼叫分配编号(b_S-t+1…b_S)所对应的码字；若y≠0，则对x进行判断；当x为奇数时，给新呼叫分配编号为(b_S-t-y+1，…，b_S-y)对应的码字，然后让新呼叫与前面t个编号对应的码字改变编号；以及当x为偶数时，则存在下标p，使y+α₁+α₂…+α_p＝t，若α_i占用码字对应编号为m_i，其中i＝1…p，重新分配α_i的码字为m′_i：如果m_i＝b_p，则m′_i＝b_p-t；若m_i＝(b_p，b_p+1…)，则m′_i＝(b_p-t，b_p-t+1…)，分配b_xt+1，…b_xt+t这t个第一层码字编号所对应的码字给新呼叫。

优选地，所述多速率无线通信***采用正交可变扩频因子扩频方式，以支持不同速率的业务。

优选地，所述正交可变扩频因子是通过沃尔什码树生成的。

优选地，所述***的码树为沃尔什码树。

优选地，所述多速率无线通信***为多天线输入输出-正交频分复用-码分复用通信***。

优选地，所述多速率无线通信***为采用正交可变扩频因子扩频的通信***。

根据本发明的第六方面，一种用于多速率无线通信***的发射机，其特征在于包括根据本发明的第五方面所述的码分配装置。

本方法的思想是通过预处理，维持了码树的分配始终保持在最优状态，在新呼叫接入时首先判断***容量是否允许分配码字，并在允许的情况下能迅速给该新呼叫分配码字。传统的码分配方法中，码树维持在一种随机状态，码字分配时需较大计算量，与之相比，本发明的码分配方法重新分配的次数很少，降低了***负载。

此外，本发明的码分配方法除应用于MIMO-OFDM-CDM***之外，还适用于OVSF扩频的所有通信***中。

概括起来，本发明的主要特点为：

1)采用OVSF扩频使MIMO-OFDM-CDM***获得支持多用户接入、变速率多媒体信息传输能力。

2)接收端采用球形译码，使***获得次优容量。

3)利用码树的最优状态和E-t记数法，提出了动态码分配算法，其复杂度低于一般方法。

附图说明

下面，将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述，其中：

图1示出了多速率MIMO-OFDM-CDM的发射、接收***结构；

图2是示出了码树的示意图；

图3(a)是示出了码字阻塞的示意图，以及图3(b)是示出了与图3(a)相对应的拓扑记数法的示意图；

图4(a)示出了最优状态及其拓扑记数法的一个示例，以及图4(b)示出了最优状态及其拓扑记数法的另一示例；

图5(a)示出了拓扑记数法和E-t记数法进行比较的一个示例，以及图5(b)示出了拓扑记数法和E-t记数法进行比较的另一示例；

图6(a)和(b)示出了伪最优状态及其拓扑记数法和E-t记数法；

图7(a)和(b)是示出了交换码字编号的示例的示意图；

图8是示出了码分配示例1的示意图；

图9是示出了码分配示例2的示意图；

图10是示出了码分配示例3的示意图；

图11示出了根据本发明的码分配方法的流程图；以及

图12示出了根据现有技术的码分配方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体说明。应该指出，所描述的实施例仅是为了说明的目的，而不是对本发明范围的限制。

在以下的描述中，将以多天线输入输出-正交频分复用-码分复用(MIMO-OFDM-CDM)***作为多速率无线通信***的示例，对本发明进行描述，但应当理解，本发明并不局限于此。

图1为安装有N_t根发射天线和N_r根接收天线的MIMO-OFDM-CDM***框图，输入比特流经过编码(T101)、交织(T102)、调制(T103)后复用为N_t子流，把每个N_t子流转换成P个并行数据符号 $X_{n_t}={\left[\begin{array}{cccc}{x}_{n_t}^1& x_{n_t}^2& \·\·\·& x_{n_t}^P\end{array}\right]}^T$ (T105)，送入CDM复用器T107扩频、复用得到的第n_t子流输出信号 $y_{n_t}={\left[\begin{array}{cccc}{y}_{n_t}^1& y_{n_t}^2& \·\·\·& y_{n_t}^P\end{array}\right]}^T,$ 它表示为公式(1)

$y_{n_t}=S_P{x}_{n_t}---\left(1\right)$

其中，S_P是P×P CDM变换阵，如Hadamard阵，其每列为正交扩频码序列。y_nt经交织(T108)、OFDM调制(T109、T110)后从第n_t天线发射(T111)。通过CDM处理后，数据符号被扩展到多个子载波上传输，各子载波上传送的是各个符号的线性组合。这样，即使有某个子载波存在深度衰落，也能从其他子载波中恢复发射信号，达到频率分集效果。

在接收端，经符号同步(R112；R212)、0FDM解调(R110、R109；R210、R209)、数据解交织(R108；R208)、信号检测(R113；R214)后，解调(R103；R203)、解交织(R102；R202)、译码(R101；R201)后恢复比特流。第N_r根天线的接收信号 $r_{n_r}={\left[\begin{array}{cccc}{r}_{n_r}^1& r_{n_r}^2& \·\·\·& r_{n_r}^P\end{array}\right]}^T$ 为公式(2)

$r_{n_r}=\underset{n_t=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{n_r{n}_t}{S}_P{x}_{n_t}+w_{n_r}---\left(2\right)$

式中信道增益矩阵 $H_{n_r{n}_t}=\mathrm{diag}\left(\begin{array}{cccc}{h}_{n_r{n}_t}^1,& h_{n_r{n}_t}^2,& \·\·\·,& h_{n_r{n}_t}^P\end{array}\right)$ 的元素为零均值、单位方差的复高斯随机变量，噪声向量 $w_{n_r}={\left[\begin{array}{cccc}{w}_{n_r}^1& w_{n_r}^2& \·\·\·& w_{n_r}^P\end{array}\right]}^T$ 的各元素为独立同分布(I.I.D)的复高斯随机变量。

针对MIMO-OFDM-CDM***，参考文献[5]提出了V-BLAST检测方法，该方法存在***容量损失。近来，文献R.wang，G.B.Giannakis，Approaching MIMO channel capacity with reduced complexity softsphere decoding，WCNC 2004研究了基于球形译码的MIMO检测方法。

本发明提出将基于球形译码的MIMO检测方法应用于MIMO-OFDM-CDM***，它以接收符号为中心，在一定半径的球内搜索发射信号，其***框架如图1所示，它能得到次优信道容量。球形译码时，需已知各子信道衰落系数，为获得信道传输矩阵，MIMO-OFDM-CDM***发送导频序列，接收端测量导频信号并进行AGC、符号同步、信道估计等。

参考文献[5]仅研究了单用户单速率时的***性能，为使***在多用户环境下支持变速率多媒体信息传输的能力，本发明提出在天线复用(T105)之前，给每个用户分配单一的正交可变扩频因子(OVSF)，利用该扩频序列对信息符号流扩频(T104)。这类似OVSF-CDMA方案，不同速率的数据流经过不同倍数的扩频，即对低速符号流采用长码扩频，对高速符号流采用短码扩频后，以相同的码片(Chip)速率传输，见图1中虚线部分。需注意到，在符号流复用前进行扩频的作用在于，使***具有支持多用户和变速率能力；在复用后每根天线端CDM扩频的作用在于，把数据符号扩展到OFDM的子载波上，二者的作用不同。

OVSF扩频使MIMO-OFDM-CDM***具有支持变速率多媒体业务的优点，但在应用上存在约束条件。它要求分配给用户的码字必须是正交的，这样在支持不同速率业务时很容易导致码字阻塞。为解决码字阻塞问题，需要进行码字的重新分配。***采用的码字分配装置如图1中所示，它包括存储、计算、比较、分配四个模块。

存储模块101，用于存储***的码树，所述码树处于最优状态(稍后将进行描述)。

比较模块102，用于在接收到新呼叫时，根据存储在存储模块101中的码树的状态和新呼叫所需的速率t，判断***是否能够容纳新呼叫；如果***不能容纳新呼叫，则保持***的码树的状态，不触发计算模块103；如果***能够容纳新呼叫，则触发计算模块103。

计算模块103，用于根据存储在存储模块101中的码树的状态和新呼叫所需的速率t，进行计算，并将计算结果提供给分配模块104。

分配模块104，根据来自计算模块103的计算结果，将适当的码字分配给新呼叫，如果需要，相应地改变已分配的码字，从而使***的码树仍然处于最优状态，并将改变后的码树存储在存储模块中。

下面首先分析OVSF扩频***中码分配原理。采用分配给每个用户长为N的正交可变扩频因子(OVSF)对持续时间T(数据率R＝1/T)的每一数据符号扩频。OVSF正交扩频码可由沃尔什(Walsh)码矩阵生成，可用如图2的码树表示。

图2是示出了码树的示意图。其中下一层的OVSF码字由上一层的码字产生，每个码字用唯一的层数和枝数表示，码字的层数由底到上从1开始记数。如图2的码树，第三层的两个码字是由第四层的母码产生的(图中[x]表示一个二进制码数组，[-x]是其反码)。在每一层，码字的枝数从左到右数起。若第一层的码字支持速率R的数据，则第M层码字支持的数据速率为2^(M-1)·Rbps。定义支持的最大数据率N_max＝第一层的码字总数，即为***总容量；***剩余容量为总容量减去占用的码字容量和。当N_max确定后，则确定了码树层数，每个码字可表示为：码字＝(层数，枝数)。

一个分枝是码树的一棵完全二进制子树，码树(或子树)最上面的码字叫做该码树(子树)的根码。如图3(a)，(4，1)是整个码树的根码，(3，1)是一个分枝(子树)的根码，该分枝包含的码字为(2，1)，(2，2)，(1，1)，(1，2)，(1，3)和(1，4)。由层数高的码字通过循环能够形成所有层数低的码字(子码)，连接到某一低层码字的所有根码称为它的母码。两个码字如果都由上一层某一母码直接产生的，则称其为兄弟码字。图3(a)中(2，4)的所有子码为兄弟码字(1，7)，(1，8)，而(1，5)的所有母码是(2，3)，(3，2)和(4，1)。

每层的码字相互正交，不同层的两个码字除了其中一个码字是另外一个码字的母码外，也均正交。为保证所用码字两两正交，若某一个码字占用后，则其母码和子码不能再用。如图3(a)所示，示出了码字阻塞的示意图，当码字(2，1)，(1，3)和(1，5)被分配后，剩余容量为(2^(4-1)-2^(2-1)-2^(1-1)-2^(1-1))*R＝4Rbps，即***还能支持速率为4Rbps的数据，但码字(4，1)、(3，1)、(3，2)、(2，2)和(2，3)被各自子码阻塞，(1，1)，(1，2)被其母码(2，1)阻塞，导致***出现阻塞。

***出现码字阻塞后，必须重新分配码字，以支持新呼叫业务。如图3(a)，若有一个速率为4Rbps的新呼叫，若把原来用码字(1，5)支持的数据改为用(1，4)来支持，这样可以利用码字(3，2)支持新呼叫，把码字(1，5)改为(1，4)的操作称为码字的重新分配。

参考文献[6]引入了拓扑记数法来描述码树结构，即对任何一种码树结构，用唯一的数组与之对应。其方法为：对于第一层的码字，从左到右逐个观察，如果其码字还可以分配，用X表示；否则，如果该码字被占用，用其容量1表示；如果是因其母码而导致其不能用，则观察该母码导致了多少个它的第一层的子码不能用(设为K)，则这K个第一层的码字用K表示。如图3(a)的情况(黑色表示码字被占用，下同)，其拓扑记数法如图3(b)所示。其中，X的个数表示***未分配的剩余容量。对于码树的拓扑记数法，若其数字全部出现在数组的右面(即被占用的码字集中在码树右面)，而X只出现在数组左边，称为码树的最优状态。图4(a)，(b)示出了最优状态的两种情况，用拓扑记数法分别为(a)X11122和(b)XX24。

针对码树的最优状态，由拓扑记数法延伸出来，本发明提出了扩展拓扑(E-t)记数法。因为没有被占用的码字都在左边，所以可以仅用一个数字来进行记录。从而得到这样的数组：第一个数字为拓扑记数法中的X的个数(即剩余容量)，其余数字为拓扑记数法中除X以外的其他数字(二者顺序保持一致)。如图4(a)下半部所示，给出了对E-t记数法的(111122)的具体解释：第一个“1”表示未被占用的码字的个数；第二、第三和第四个“1”分别表示(4，2)、(4，3)和(4，4)已被分配。第五位和第六位上的“2”分别表示(4，5)和(4，6)以及(4，7)和(4，8)已被阻塞。同理，图4(b)所示的码树的E-t记数法表示为(224)。

根据E-t记数法，如果***剩余容量为零，则在数组前面加0，如图5(a)，用E-t记数法应为04211；而对于图5(b)，其E-t记数法应记为4211。

概括地说，E-t记数法可描述为：首先建立码树的最优状态。然后对于该码树第一层的码字，从左到右逐个观察，如果其码字还可以分配，用X表示；否则，如果该码字被占用，用其容量1表示；如果是因其母码而导致其不能用，则观察该母码导致了多少个它的第一层的子码不能用(设为K)，则这K个第一层的码字用K表示(至此为拓扑记数法)；最后，用一组数字记录该状态，该数组的第一个数字为X的个数，其他数字表示该码字被占用或阻塞(扩展拓扑记数法)。

采用E-t记数法来记录码树的状态，需记录两组数组：一组是用E-t记数法记录的码树状态，另一组是第一层码字的分配情况。如图6(b)，其码树的状态记录为：(1111211)(各数字表示码字容量)，第一层码字的分配情况为78561234(各数字表示码字编号)。

有些状态虽然不能直接用E-t写法，但具有最优状态的性质，通过交换码字编号，也可看成满足最优状态(称为伪最优状态)。如图6(a)，在记录该状态时，第一层码字的编号情况是12345678，对应的拓扑记数法是21111X1。若把码树看成如图6(b)的情况，则第一层的码字编号记录为78561234，对应的拓扑记数法为X111211，则可用E-t记数法来记录(1111211)，图6(a)的状态称为伪最优状态。

上述过程称为码字的编号交换，因为两个码字的外部特性完全一样，内部互相正交，所以交换编号对内与对外不会产生任何影响。若码字编号进行了交换，则记录的数组的顺序也应做相应改变。需注意的是进行交换的两个码字必须是兄弟码字，而与这两个码字被占用与否无关。如果交换的码字不在第一层(此时是两个子码树进行编号交换)，那么记录的与其对应的第一层的码字状态按原来顺序整体交换，而记录码树状态的数组也作同样的调换。例如对于(XXXX2X1)和12345678，如图7(a)，如果将(2，3)与(2，4)交换，则E-t记录数组变为(512)和12347856，如图7(b)。

基于最优状态和E-t记数法，本发明提出了动态码分配方法，当***有余量容纳新呼叫时，给新呼叫分配码字并维持最优状态。图11示出了根据本发明的码分配方法的流程图。

假设记录的两组数据为

(1)S，α₁，α₂，…，α_k；

(2)b₁，b₂，b₃…。(步骤S1101)

这里，(S，α₁，α₂…，α_k)表示整个码树状态，其中S为***剩余容量，α_i∈{α₁ α₂…α_k}为被占用的码字容量；b₁，b₂，b₃…是码树第一层码字的编号。

若进来一速率为t的新呼叫(步骤S1102)，比较S和t(步骤S1103)，若S＜t(步骤S1103：“否”)，则***容量不足，取消新呼叫接入。如果S≥t(步骤S1103：“是”)，***能支持新呼叫接入；然后，进行如下操作：

在步骤S1104中，进行除法操作：设S/t＝x余y。(即S＝t^*x+y，且0≤y＜t)

在步骤S1105中，对余数y进行判断。若y＝0(步骤S1105：“是”)，即第一层码树中有整数x倍新呼叫容量的剩余容量，故可直接给新呼叫分配编号(b_S-t+1…b_S)所对应的码字。

若y≠0(步骤S1105：“否”)，则在步骤S1106中，对x进行判断。

a.当x为奇数时(步骤S1107：“是”)：

此时码树第一层的码字分配数为奇数，则给新呼叫分配编号为(b_S-t-y+1，…，b_S-y)对应的码字，然后让新呼叫与前面t个编号对应的码字改变编号以保持码树的最优状态(步骤S1108)。

b.当x为偶数时(步骤S1107：“否”)：

此时码树第一层的码字分配数为偶数。则根据E-t记数法的性质(稍后将进行描述和证明)可知：存在下标p，使y+α₁+α₂…α_p＝t，若α_i占用码字对应编号为m_i，其中i＝1…p，重新分配α_i的码字为m′_i。这里，若m_i＝b_p，则m′_i＝b_p-1；若m_i＝(b_p，b_p+1…)，则m′_i＝(b_p-t，b_p-t+1…)，即把码字α₁，α₂，…，α_k向左平移t个单位。最后，分配b_xt+1，…b_xt+t这t个第一层码字编号所对应的码字给新呼叫(步骤S1109)。

经过a或b操作后，***仍保持(伪)最优状态，在这种状态下，进来一个新呼叫，很容易码字分配，且需要重新分配的码字数量也很少。可以证明，对于四层码树，只有当码树记录情况为512和5111时，进来一个速率为2的码字时才进行码字重新分配。

E-t记数法具有如下性质，设数组为(S，α₂，α₂……，α_k)，其码树满足(伪)最优状态，***容量为2ⁿ，其数组除了第一个数(剩余容量)，其余的数都满足：若2^m＜2ⁿ，且数组中存在α_p＝2^m1＜2^m，2^m|α₁+α₂+…+α_q-1，则存在i满足q≤i，α_q+…+α_i＝2^m。对该性质的证明如下。

证明：对第(m+1)层，该层每一个码字的容量为2^m，由于α_q＜2^m，可以找到α_q的一个容量为2^m的母码，于是必有该母码的一些子码被占用，而且被占用的子码容量和为2^m，该性质得证。

下面针对各种情况给出示例。图8是示出了码分配示例1的示意图；图9是示出了码分配示例2的示意图；以及图10是示出了码分配示例3的示意图。

示例1

当码树的E-t记录法为512(即S＝5，a₁，a₂＝1，2，码字对应的编号b，b₂，…，b₈＝1，2，…，8)时，***有一个速率为2(t)的新呼叫，作除法5/2＝2(x)余1(y)，则y≠0，x为偶数。根据算法得1(y)+a₁＝2(t)，故下标p＝1，a₁码字对应编号为6(m₁)＝(b₁，b_p+1，…，b_p+5)，则4(m₁′)＝(b_1-2，b_1-2+5…，b_1-2+5)，即把该码字向左平移2(t)个码字。最后，把(b_2×2+1，b_2×2+2)＝(b₅，b₆)对应的码字给新呼叫。码分配操作如图8所示。

示例2

若码树的E-t记录法为512，同样，S＝5，a₁，a₂＝1，2，码字对应的编号b₁，b₂，…，b₈＝1，2，…，8，当***有一个速率为3(t)的新呼叫，作除法5/3＝1(x)余2(y)，则y≠0，x为奇数。根据上述算法，给新呼叫分配编号为(b_5-3-2+1，b_5-3-2+2，b_5-2＝b₁，b₂，b₃)的码字，并与其兄弟码交换码字编号以维持码树最优态。码分配操作如图9所示。

示例3

若码树的E-t记录法为62，同样，S＝6，a₁＝2，码字对应的编号b₁，b₂，…，b₈＝1，2，…，8，当***有一个速率为2(t)的新呼叫，作除法6/2＝3(x)余0(y)，则y＝0。根据上述算法，直接给新呼叫分配编号为(b_6-2+1，b₆＝b₅，b₆)的码字而无需重分配，码分配操作如图10所示。

若***容量为4R，新呼叫服从强度为λ的泊松过程，在***中的服务时间服从参数为μ的负指数分布。计算表明，若业务负载λ/μ＝5，提出的动态码分配算法不需进行重新分配，而利用参考文献[5]的算法需要进行50次码分配。可见，与传统方法相比，本发明的码分配方法重新分配的次数很少，降低了***开销。

尽管已经针对典型实施例示出和描述了本发明，本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其他的改变、替换和添加。因此，本发明不应该被理解为被局限于上述特定实例，而应当由所附权利要求所限定。

Claims (30)

1、一种用于多速率无线通信***的动态码分配方法，包括：

初始化步骤，使***的码树处于最优状态；

判断步骤，在接收到新呼叫时，判断***是否能够容纳所述新呼叫；

保持步骤，如果***不能容纳所述新呼叫，则结束处理，保持***的码树的状态；以及

分配步骤，如果***能够容纳所述新呼叫，则将适当的码字分配给所述新呼叫，如果需要，相应地改变已分配的码字，从而使***的码树仍然处于最优状态。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述多速率无线通信***采用正交可变扩频因子扩频方式，以支持不同速率的业务。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述正交可变扩频因子是通过沃尔什码树生成的。

4、根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于当采用拓扑记数法时，所述最优状态是指在表示码树状态的数组中，数字部分全部出现在数组的右面，而X只出现在数组左边的码树状态。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述***的码树为沃尔什码树。

6、根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于当采用拓扑记数法时，所述最优状态是指在表示码树状态的数组中，数字部分全部出现在数组的右面，而X只出现在数组左边的码树状态。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述多速率无线通信***为多天线输入输出-正交频分复用-码分复用通信***。

8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述多速率无线通信***为采用正交可变扩频因子扩频的通信***。

9、一种用于多速率无线通信***的码分配装置，包括：

存储模块，用于存储***的码树，所述码树处于最优状态；

比较模块，在接收到新呼叫时，根据存储在所述存储模块中的码树的状态和所述新呼叫所需的速率，判断***是否能够容纳所述新呼叫；如果***不能容纳所述新呼叫，则保持***的码树的状态，不触发计算模块；如果***能够容纳所述新呼叫，则触发计算模块；

计算模块，根据存储在所述存储模块中的码树的状态和所述新呼叫所需的速率，进行计算，并将计算结果提供给分配模块；以及

分配模块，根据来自所述计算模块的计算结果，将适当的码字分配给所述新呼叫，如果需要，相应地改变已分配的码字，从而使***的码树仍然处于最优状态，并将改变后的码树存储在所述存储模块中。

10、根据权利要求9所述的码分配装置，其特征在于所述多速率无线通信***采用正交可变扩频因子扩频方式，以支持不同速率的业务。

11、根据权利要求10所述的码分配装置，其特征在于所述正交可变扩频因子是通过沃尔什码树生成的。

12、根据权利要求10或11所述的码分配装置，其特征在于当采用拓扑记数法时，所述最优状态是指在表示码树状态的数组中，数字部分全部出现在数组的右面，而X只出现在数组左边的码树状态。

13、根据权利要求9所述的码分配装置，其特征在于所述***的码树为沃尔什码树。

14、根据权利要求9或13所述的码分配装置，其特征在于当采用拓扑记数法时，所述最优状态是指在表示码树状态的数组中，数字部分全部出现在数组的右面，而X只出现在数组左边的码树状态。

15、根据权利要求9所述的码分配装置，其特征在于所述多速率无线通信***为多天线输入输出-正交频分复用-码分复用通信***。

16、根据权利要求9所述的码分配装置，其特征在于所述多速率无线通信***为采用正交可变扩频因子扩频的通信***。

17、一种用于多速率无线通信***的发射机，其特征在于包括根据权利要求9～16之一所述的码分配装置。

18、一种用于多速率无线通信***的动态码分配方法，包括：

初始化步骤，使***的码树处于最优状态，并根据扩展拓扑记数法，记录以下两组数据：

(1)S，a₁，a₂，…，a_k；

(2)b₁，b₂，b₃…，

其中，(S，a₁，a₂，…，a_k)表示整个码树状态，S为***剩余容量，a₁∈{a₁a₂…a_k}为被占用的码字容量；b₁，b₂，b₃…是码树第一层码字的编号；

接收步骤，接收来自外部的速率为t的新呼叫；

比较步骤，比较S和t，若S＜t，则取消新呼叫接入；如果S≥t，继续进行以下步骤；

除法操作步骤，对S和t进行除法操作，S/t＝x余y，即S＝t*x+y，且0≤y＜t；

判断步骤，对余数y进行判断，若y＝0，给新呼叫分配编号(b_S-t+1…b_S)所对应的码字；若y≠0，则对x进行判断；

奇数分配步骤，当x为奇数时，给新呼叫分配编号为(b_S-t-y+1，…，b_S-y)对应的码字，然后让新呼叫与前面t个编号对应的码字改变编号；

偶数分配步骤，当x为偶数时，则存在下标p，使y+a₁+a₂…+a_p＝t，若a_i占用码字对应编号为m_i，其中i＝1…p，重新分配a_i的码字为m′_i：如果m_i＝b_p，则m′_i＝b_p-t；若m_i＝(b_p，b_p+1…)，则m′_t＝(b_p-t，b_p-t+1…)，分配b_xt+1，…b_xt+t。这t个第一层码字编号所对应的码字给新呼叫。

19、根据权利要求18所述的方法，其特征在于所述多速率无线通信***采用正交可变扩频因子扩频方式，以支持不同速率的业务。

20、根据权利要求19所述的方法，其特征在于所述正交可变扩频因子是通过沃尔什码树生成的。

21、根据权利要求18所述的方法，其特征在于所述***的码树为沃尔什码树。

22、根据权利要求18所述的方法，其特征在于所述多速率无线通信***为多天线输入输出-正交频分复用-码分复用通信***。

23、根据权利要求18所述的方法，其特征在于所述多速率无线通信***为采用正交可变扩频因子扩频的通信***。

24、一种用于多速率无线通信***的码分配装置，包括：

存储模块，用于存储***的码树，所述码树处于最优状态，根据扩展拓扑记数法，所述码树的最优状态由以下两组数据表示：

(1)S，a₁，a₂，…，a_k；

(2)b₁，b₂，b₃…，

其中，(S，a₁，a₂，…，a_k)表示整个码树状态，S为***剩余容量，a_i∈{a₁a₂…a_k}为被占用的码字容量；b₁，b₂，b₃…是码树第一层码字的编号；

比较模块，在接收到来自外部的速率为t的新呼叫时，比较S和t，若S＜t，则保持***的码树的状态，不触发计算模块；如果S≥t，则触发计算模块；

计算模块，对S和t进行除法操作，得到S/t＝x余y，即S＝t*x+y，且0≤y＜t；

分配模块，对余数y进行判断，若y＝0，给新呼叫分配编号(b_S-t+1…b_S)所对应的码字；若y≠0，则对x进行判断；当x为奇数时，给新呼叫分配编号为(b_S-t-y+1，…，b_S-y)对应的码字，然后让新呼叫与前面t个编号对应的码字改变编号；以及当x为偶数时，则存在下标p，使y+a₁+a₂…+a_p＝t，若a_i占用码字对应编号为m_i，其中i＝1…p，重新分配a_i的码字为m′_i：如果m_i＝b_p，则m′_i＝b_p-t；若m_i＝(b_p，b_p+1…)，则m′_i＝(b_p-t，b_p-t+1…)，分配b_xt+1，…b_xt+t这t个第一层码字编号所对应的码字给新呼叫。

25、根据权利要求24所述的码分配装置，其特征在于所述多速率无线通信***采用正交可变扩频因子扩频方式，以支持不同速率的业务。

26、根据权利要求25所述的码分配装置，其特征在于所述正交可变扩频因子是通过沃尔什码树生成的。

27、根据权利要求24所述的码分配装置，其特征在于所述***的码树为沃尔什码树。

28、根据权利要求24所述的码分配装置，其特征在于所述多速率无线通信***为多天线输入输出-正交频分复用-码分复用通信***。

29、根据权利要求24所述的码分配装置，其特征在于所述多速率无线通信***为采用正交可变扩频因子扩频的通信***。

30、一种用于多速率无线通信***的发射机，其特征在于包括根据权利要求24～29之一所述的码分配装置。

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