一种面向用户信息内容的信息延迟编码方法

摘要

本发明公开了一种面向用户信息内容的信息延迟编码方法，特征是利用信息延迟容忍度描述无线用户传送信息内容的时延特性，利用信息延迟矢量描述无线网络中单个用户的时延要求和信息内容，利用信息时延矩阵来描述无线网络中各用户信息时延特征和信息内容，利用信息内容差异度来描述无线用户所需传送信息内容之间的相似关系；依据用户信息延迟矩阵按照信息内容差异度递推构造时延差异矩阵，整个编码处理过程递推进行至用户K获取完整信息内容差异矩阵，K为用户数目减2即M-2、与最大时延约束减1即N-1二者中的较小值，即K＝min{M-2,N-1}，最终传输差异矩阵中元素为1项对应的信息。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信与网络技术领域，具体涉及无线网络中依据用户信息内容 和时延要求进行多用户联合信息编码的方法。

背景技术

随着无线通信网的发展和用户对无线网络需求的不断增加，无线通信网中的数 据流量将呈现巨大的增长。根据瑞典爱立信（Ericsson）公司在2011年发布的白皮 书《第四代移动通信》(4G)中所作的预测，无线网中数据流量将会由2012年的10 艾字节（ExaBytes）增长到2015年的47艾字节。面对如此巨大数据传输量，优化各 种类型信息业务的传输已成为技术改进和提高的重点。

第三代移动通信合作项目（The 3rd Generation Partnership Project3GPP）在2003 年发布的《长期演进系统第六版技术标准23.246》（Long Term Evolution Release6 TS23.246版本2.0.0）提出的多媒体广播多播业务（Multimedia Broadcast/Multicast  Service)技术中，针对单点对多点传输业务所提出的从一个数据源向特定范围内的多 个用户同时同频传送相同数据的组播服务，消除了单点对单点相同数据多次传输所 造成的冗余，但是其仅能实现用户从单点到多点传输，不能进行多点到多点传输。 美国《电子与电气工程师协会信息论汇刊》（IEEE Transaction on Information Theory， 2000年第46卷第4期1204-1216页）中的《网络信息流》（Network Information  Flow）一文所提出的网络编码技术，采取了由网络中的各中间节点对收到的各路信 息进行线性或者非线性的叠加，然后转发给下游节点，在这里各中间节点扮演着编 码器的角色进行编码。这种网络编码的方式虽然提高了网络吞吐量和带宽利用率， 但是其完全针对网络本身而不是针对所传输的信息内容。

发明内容

本发明的目的是提出一种面向用户信息内容的信息延迟编码方法，以实现更高 的传输资源利用效率和更大的传送能源节约能力。

本发明面向用户信息内容的信息延迟编码方法，其特征在于：利用信息延迟容 忍度D_t来描述无线用户传送信息内容的时延特性，利用信息延迟矢量来描述无线网 络中单个用户的时延特性和信息内容，利用信息时延矩阵来描述无线网络中各用户 信息时延特征和信息内容，利用信息内容差异度d来描述无线用户所需传送信息内 容之间的相似关系；设：当信息内容差异度d为1时表示两个信息完全不同，其为0 时表示两个信息完全相同；依据用户信息延迟矩阵递推构造时延差异矩阵：在M个 用户的无线小区网络中，最大时延约束设为N时，取第一个用户的信息延迟矢量作 为参考，将其余用户信息延迟矢量与其按照时延约束计算信息差异度矢量，所有信 息差异度矢量构成信息差异度矩阵，信息差异度矩阵中元素为0的相应信息项不再 参与接下来的计算，即在后面运算所得差异子矩阵中该项始终为0；取第二个用户的 不包含第一个延迟项的信息延迟矢量作为参考，将其与除去第一个用户后剩余用户 的信息相比较，构造新的信息内容差异子矩阵，该子矩阵为0元素的相应项不再参 与接下来的计算；再取第三个用户的不包含前两个延迟项的信息延迟矢量作为参 考，将其与除去前两个用户后剩余用户的信息相比较，构造新的信息内容差异子矩 阵，该子矩阵为0元素的相应项不再参与接下来的计算；依次递推进行下去，至最 后将用户K的信息延迟矢量作为参考，与除去前K-1个用户和前K-1个时延项后剩 余用户的信息内容进行比较，构造新的信息内容差异子矩阵，其中K取为用户数目 减2（即M-2）、与最大时延约束减1（即N-1）二者中的较小值，即 K＝min{M-2,N-1}；整个编码处理过程递推进行至用户K获取完整信息内容差异矩 阵，最终传输差异矩阵中元素为1的项所对应的信息。

由于本发明面向用户信息内容的信息延迟编码方法是采取基于信息本身的相似 性来进行编码，因此可以更为有效的压缩所需传输的信息量，在有限的资源和能源 下，支持和容纳更多的用户，实现更高的传输资源利用效率和更大的传送能源效 率。同时本发明面向用户信息内容的信息延迟编码方法充分考虑了用户信息的时延 要求，因此可以保证信息时延约束；同时由于本发明方法中考虑了多用户间信息的 相关性，因此可以应用在网络中多点到多点的数据传输。

具体实施方式

实施例1：

本实施例是在无线网络中考虑用户信息内容和时延要求时，采用本发明面向用 户信息内容的信息延迟编码方法的一种具体举例说明实施过程。详细描述如下：

本发明方法中，利用信息延迟容忍度D_t来描述无线用户传送信息内容的时延特 性，利用信息延迟矢量来描述无线网络中单个用户的时延特性和信息内容，利用信 息时延矩阵来描述无线网络中各用户信息时延特征和信息内容。

信息延迟容忍度D_t是用户对需求信息的最大可能容忍的延迟时间，其可以采用 公式表示为：

D_t＝(D_e)ⁱ(1)

其中D_e为基本时延单位；i表示容许的延迟时间间隔，其为非负整数。

用信息延迟矢量来描述信息的时延容忍特性，在M个用户的无线小区网络中， 最大时延约束设为N，第m个无线用户传送（或接收）的内容信息可以表示为：

$S_m=a_m\otimes I_m---\left(2\right)$

其中，a_m＝(a_m0,a_m1，a_m2,...,a_mN)为不同延迟容忍度下出现的信息量， I_m＝(I_m0,I_m1，I_m2,...,I_mN)为不同延迟容忍度下出现的信息内容，运算符号表示 两个维度相同向量按位各项分别相乘，如果符号两边为矩阵运算，对应矩阵 中相同位置两个元素进行相乘。这是由不同延迟容忍度下出现的信息量和信息内容 的合成来描述用户内容信息的方法。

同样，在M个用户的无线小区网络中，当将最大时延约束设为N时，所有用户 需要传输信息内容S可以用信息延迟矩阵来描述，该矩阵是不同延迟容忍度下出现 的信息量a和信息内容I的合成，即：

(3)

实施例2：

本实施例是在无线网络中已经依据用户信息内容和时延要求获取了信息时延矩 阵时，采用本发明面向用户信息内容的信息延迟编码方法的一种具体举例说明实施 过程，详细描述如下：

本实施例中，利用信息内容差异度d来描述无线用户所需传送信息内容之间的 相似关系，依据用户信息延迟矩阵递推构造时延差异矩阵，进行依据用户信息内容 和时延约束的递推时延编码。

如果两个信息元I₁、I₂内容完全不同，则两个信息元的信息差异度d为1；如果 两个信息元内容没有差异，则信息差异度d为0。对于两个信息而言，依实施例1可 将其分别表示为两个信息时延矢量S₁和S₂，这两个信息的差异度可以通过对其信息 内容矢量I₁、I₂按照每个时延容忍度对应信息进行差异度计算，构成信息差异度矢 量。

M个用户的无线小区网络中，最大时延约束设为N时，信息延迟矩阵如前面实 施例1中所推导得到的公式(3)中所示，所有用户需要传输信息内容S可以用信息延 迟矩阵来描述，该矩阵是不同延迟容忍度下出现的信息量a和信息内容I的合成； 选取第一个用户的信息延迟矢量(a₁₀,a₁₁，...,a_1N)作为参考，将其余用户信息延迟矢量与 其按照时延约束计算信息差异度矢量，记用户m与用户1进行信息差异度矢量计算 所得结果为(d_m01,d_m11，...,d_mN1)，然后将这M-1个信息差异度矢量与用户1的信息延迟 矢量组成一个新的信息内容差异矩阵d₁，从而可以得到信息延迟矩阵<S>₁：

(4)

其中I¹表示矩阵I的第一行，其每个元素均为1；d_S1表示以网络中其他用户与 用户1的信息内容差异矩阵，有：

依据如式(4)的这个新的信息延迟矩阵<S>₁，选取第二个用户信息延迟矢量 (a₂₀,a₂₁，...,a_2N)为参考，除去第一个用户和第一个时延项，计算剩余用户不包括第一 个时延项的信息延迟矢量与其之间的信息内容差异度，如果上一步信息差异度矩阵 d_S1中元素为0，则该项不参与差异度计算，直接记为0，记此时用户m信息差异度 矢量为(d_m02，d_m12，...,d_mN2)，将M-2个信息差异度矢量与用户1的信息延迟矢量、第一 步中内容差异矩阵d_S1的第一行、第一列，组成一个新的内容差异矩阵d₂，从而可以 得到信息延迟矩阵<S>₂：

其中表示矩阵d_S1的第一行、第一列，d_S2为除去用户1剩余用户与用户2不 包括第一个时延项的信息内容差异矩阵：

取d_S2的第一行、第一列构成d₃的第三行、第二列，即为

依次类推，直到获得包含最后一个信息内容差异子矩阵的信息延迟矩阵，为：

其中K为用户数目减二即M-2和最大时延约束减一即N-1中较小值，即 K＝min{M-2,N-1}。d_SK为去除前面K-1个用户剩余用户与用户K不包括前面K-1 个时延项的信息内容差异矩阵。

该式(8)即为面向无线用户信息内容的信息延迟编码公式。…，d_SK中，所有元素均为0或者1，为0时表示该用户在此时延项与参考用户相同，为1表 示不同。整个编码处理过程，是递推进行的。因此，面向无线用户信息内容的信息 延迟编码，是一个递推处理算法。

实施例3：

本实施例是考虑一个具体的无线网络中用户和业务需求下，采用本发明面向用 户信息内容的信息延迟编码方法的一种具体举例说明实施过程。详细描述如下：

本实施例中为一个无线蜂窝小区网络，有速率为100兆比特每秒（Mbps）的传 输能力，分成4个均匀信道分别供给M＝4个用户使用。每个用户所需传送信息有5 种（比如：通话，微博与短信，突发事件，新闻与图片，视频），具有不同的时间延 迟容忍度，它的信息延迟矩阵：

$S=\left(\begin{array}{ccccc}{a}_{10}& a_{11}& a_{12}& a_{13}& a_{14}\\ a_{20}& a_{21}& a_{22}& a_{23}& a_{14}\\ a_{30}& a_{31}& a_{32}& a_{33}& a_{34}\\ a_{40}& a_{41}& a_{42}& a_{43}& a_{44}\end{array}\right)\otimes \left(\begin{array}{ccccc}{I}_{10}& I_{11}& I_{12}& I_{13}& I_{14}\\ I_{20}& I_{21}& I_{22}& I_{23}& I_{24}\\ I_{30}& I_{31}& I_{32}& I_{33}& I_{34}\\ I_{40}& I_{41}& I_{42}& I_{43}& I_{44}\end{array}\right)---\left(9\right)$

其中I_ij（i＝1,2,3,4，j＝0,1,2,3,4）仅表示信息内容，信息量均为每个信道提 供的传输速率决定，均为25兆比特每秒（Mbps）乘以用户信息占用时间比例，这里 设定用户所需信息总占用时间为1。

假设所有用户的非延迟信息项均不同；一次延迟信息项中，用户1、用户2和用 户4相同，与用户3不同；二次延迟信息项中，仅用户3和用户4相同；三次延迟 信息项中只有用户1和用户3相同；最后，所有用户的四次延迟信息项都相同。按 前面本发明实施例2给出的编码公式和处理算法，相应的信息差异子矩阵为：

$d_{S1}=\left(\begin{array}{ccccc}1& 0& 1& 1& 0\\ 1& 1& 1& 0& 0\\ 1& 0& 1& 1& 0\end{array}\right)---\left(10\right)$

$d_{S2}=\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right)---\left(11\right)$

至此可得本实施例的用户信息延迟编码结果：

${<S>}_3=\left(\begin{array}{ccccc}{a}_{10}& a_{11}& a_{12}& a_{13}& a_{14}\\ a_{20}& a_{21}& a_{22}& a_{32}& a_{24}\\ a_{30}& a_{31}& a_{32}& a_{33}& a_{34}\\ a_{40}& a_{41}& a_{42}& a_{43}& a_{44}\end{array}\right)\otimes \left(\begin{array}{ccccc}1& 1& 1& 1& 1\\ 1& 0& 1& 1& 0\\ 1& 1& 1& 0& 0\\ 1& 0& 0& 1& 0\end{array}\right)---\left(12\right)$

如果所有用户的各类信息分布概率为10%，10%，20%，20%，40%，那上面各 式中的信息量矩阵为：

兆比特每秒（Mbps）(13)

网络用户需求信息量为|a|＝100兆比特每秒（Mbps），其中：“A”运算表示 求矩阵A中所有元素之和。采用信息延迟编码后，多个用户的相同信息项只传输一 次，不必各自用户独立重复传送，此时网络用户所需传送的信息量为|<S>₃|＝55兆比 特每秒（Mbps）。因此，本实施例采用信息延迟编码可传输资源节省率η为：

$\eta =1-\frac{\left|{<S>}_3\right|}{\left|a\right|}=44\%---\left(14\right)$

如果所有用户的各类信息分布为均匀分布，即均为20%，并且各用户间的信息 内容的相互关系没有改变。则信息延迟编码结果矩阵仍然是如式(12)所示。网络用户 需求信息总量仍为100兆比特每秒（Mbps）。经过信息延迟编码后需要传送的信息总 量为|<S>₃|＝65兆比特每秒（Mbps），能实现的传输资源的节省率η为35%

如果所有用户的各类信息分布为指数分布，概率分布为3.23%，6.45%， 12.9%，25.81%，51.61%，则经过信息延迟编码后需要传送的信息总量为 |<S>₃|＝48.39兆比特每秒（Mbps），传输资源的节省率η为51.63%。 3

该实施例说明，面向用户信息内容的信息延迟编码能获得较高的网络资源节省 效率和能源节省效率，从而用有限的资源和能源，支持和容纳更多的用户，实现更 高的传输资源利用效率和更大的传送能源效率。