CN101119336A - 可变速率的软信息转发 - Google Patents

Abstract

一种方法，包括从源节点向中继节点传输二进制向量以及在该中继节点接收信号向量。该方法还包括，通过利用概率将该信号与矩阵相乘而在该中继节点压缩该信号，以及将来自该乘法运算的输出概率转换为重传信号幅度，该信号幅度不仅依赖于某个比特的概率，而且依赖于在该中继节点处的传输功率约束。该方法还包括，由该中继节点将信息的估计从该源节点传输到目的地节点。

Description

可变速率的软信息转发

技术领域

本发明涉及压缩和转发中继，其中中继节点不能对源节点转发的信息进行解码，但是该中继节点估计该源节点可能已经发送的信息并将该估计转发到目的地节点。

背景技术

软信息转发需求起因于某些实际情况，所有这些实际情况的特征在于以未知可靠性转发信息的性质。当接收的信息是通过噪声信道在中继节点上接收的时候，当接收的信息是未编码的时候和/或当接收的信息是以超过接收信道之能力的速率所编码的时候，会发生这种情况。在这些情况中，把接收的软信息转换为硬信息会导致错误传播。因此，需要中间/中继节点以概率方式直接处理接收的软信息以生成用于重传的软信号值，并且需要在不对该信息进行解码的情况下压缩和转发软信息的系统和方法。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供一种方法，包括从源节点向中继节点传输二进制向量以及在该中继节点接收信号向量。该方法还包括，通过利用概率将该信号与矩阵相乘而在该中继节点压缩该信号，以及将来自该乘法运算的输出概率转换为重传信号幅度，该信号幅度不仅依赖于某个比特的概率，而且依赖于在该中继节点的传输功率约束。该方法还包括，利用该中继节点将信息的估计从该源节点传输到目的地节点。

根据本发明的一个实施例，提供一种装置，包括配置用于从源节点向中继节点传输二进制向量的传输单元，以及配置用于在该中继节点接收信号向量的接收单元。该装置还包括配置用于通过利用概率将该信号与一个矩阵相乘而在该中继节点压缩该信号的压缩单元，以及配置用于将来自该乘法运算的输出概率转换为重传信号幅度的转换单元，该信号幅度不仅依赖于某个比特的概率，而且依赖于在该中继节点处的传输功率约束。该装置还包括，配置用于将信息的估计从该源节点传输到目的地单元的传输单元。

根据本发明的一个实施例，提供一种装置，包括用于从源节点向中继节点传输二进制向量的传输装置，以及用于在该中继节点接收信号向量的接收装置。该装置还包括，用于通过利用概率将该信号与一个矩阵相乘而在该中继节点压缩该信号的压缩装置，以及用于将来自该乘法运算的输出概率转换为重传信号幅度的转换装置，该信号幅度不仅依赖于某个比特的概率，而且依赖于在该中继节点处的传输功率约束。该装置还包括，用于将信息的估计从该源节点传输到目的地节点的传输装置。

本发明的另一个实施例涉及中继节点，包括配置用于从源节点接收信号向量的接收单元，以及配置用于通过利用概率将该信号与矩阵相乘来压缩该信号的压缩单元。该中继节点还包括，配置用于把来自该乘法运算的输出概率转换为重传信号幅度的转换单元，其中该信号幅度不仅依赖于某个比特的概率，而且依赖于在该中继节点处的传输功率约束，以及配置用于将信息的估计传输到目的地节点的传输装置。

附图说明

被包含用于提供本发明的更深一层的理解并构成本说明书之一部分的附图与解释本发明的原理的描述一起说明本发明的实施例，其中：

图1说明实现本发明的一个实施例的中继信道；

图2说明用于把压缩矩阵视为图的因子图；

图3说明在本发明的一个实施例中实现的步骤；以及

图4说明用于实现本发明的一个实施例的系统。

具体实施方式

以下参照本发明的优选实施例，其中在附图中说明本发明的优选实施例的例子。本发明的实施例涉及用于在通信链的中间通信节点处转发软信息的系统。被转发的信息是从该链中更早的节点处接收的。

图1说明实现本发明的一个实施例的中继信道。正如图1所示，该中继信道包括一个源节点102，一个中继节点104和一个目的地节点106。所有信息都在源节点102发起，并且必须传播到目的地节点106。在无线信道中，把信息中继/转发到目的地节点106的中继节点104可以听到从源节点102发送到目的地节点106的信息。正如本领域的熟练技术人员熟知的那样，对于相同的总功耗，中继产生显著改善的吞吐量和可靠性。

基于在中继节点104执行的处理的性质，定义几种中继协议。具体地，解码和转发协议被定义为，中继节点104对其接收的信号进行解码，然后传输根据解码的信息导出的信号。同样，放大和转发协议被定义为，中继节点104按比例缩放从源节点102那里接收的软信号，然后将其重发到目的地节点106。同样，压缩和转发协议被定义为，中继节点104不能对接收的信号进行解码，但是中继节点104估计源节点102可能已经发送的信息，并且向目的地节点106转发该估计。正如本领域的熟练技术人员熟知的那样，压缩和转发协议也称为估计和转发协议或量化和转发协议。

在某些种类的情况中，压缩和转发中继产生所有协议均能实现的最高速率。例如，如果源节点102和中继节点104之间的链路的噪声变异比源节点102和目的地节点106之间的链路的噪声变异稍差，则对比来自中继节点104的信息，目的地节点106将能够以更高的可靠性对来自源节点102的信息进行解码。因此，中继节点104对信息进行解码，然后向目的地节点106发送经过解码的信息是没有用的。然而，如果正如在最大比率合并器中实现的那样，可以将在中继节点104接收的软信息和在目的地节点的信息进行组合，则解码性能无疑能够得到改善。放大和转发协议试图通过使中继节点104放大接收的信号并向目的地节点106转发经过放大的信号来达到这个目标。当中继节点104和目的地节点106之间的链路没有噪声时，则放大和转发协议是最佳的。然而，当中继节点104和目的地节点106之间的链路有噪声时，则存在与传输到目的地节点106的信息量有关的成本，因此，对转发到目的地节点106的信息量进行控制是有用的。因此，在压缩和转发协议中，从中继节点104向目的地节点106发送压缩版本的软信息，而不是像在放大和转发协议中那样发送所有软信息。

在本发明的一个实施例中，如果源节点102传输二进制信息向量：

$\hat{X}={[{\hat{x}}_1{\hat{x}}_2...{\hat{x}}_m]}^T$ ，其中 ${\hat{x}}_i\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\}$ (公式1)

所采用的形式为BPSK信号向量：

X＝[x₁x₂…x_m]^T，其中 $x_i=2{\hat{x}}_i-1$ (公式2)

在中继接收的信号向量是以以下形式：

Y＝[y₁y₂…y_m]^T，其中y_i＝x_i+n_i；i＝1，2，...m，(公式3)

n_i代表加性噪声，名义上可以认为是方差为σ²的零平均值高斯噪声。在中继节点104的压缩结果是信号：

W＝[w₁w₂…w_k]^T，对于某些k＜m。(公式4)

本发明的一个实施例提供根据Y获得W的有效方法。例如，如果源节点102传输信息向量：

$\hat{X}={\left[\begin{array}{cccccccccc}0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]}^T$ (公式5)

或等效地信号向量：

X＝[-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1](公式6)

中继节点104接收该信号向量：

Y＝[0.8366-1.1443-0.4740-1.0223-1.1819-0.1678-0.4120

-0.70910.0711-101257](公式7)

原因在于添加了方差σ²＝0.5的零平均值高斯噪声。通过给接收的信号向量Y设置阈值得到：

Y＝[0000000010]^T  (公式8)

通过将Y和以下矩阵相乘进行压缩：

$M=\left[\begin{array}{c}1111110000\\ 1110001110\\ 1001011101\\ 0100110111\\ 0011101011\end{array}\right]$

压缩的结果是：

W＝MY＝[01011]^T  (公式9)

与正确值

MX＝[00000]^T    (公式10)

的差别是5个位置上有3个不同。本领域的熟练技术人员显然可以从上面的例子中看出，在这种形式的压缩中，即使接收的码字中的单个比特错误也可以传播为许多错误。为了改善这种状况，在本发明的一个实施例中使用软信息执行压缩。本发明的实施例仍然可以使用二进制矩阵M进行压缩，但是矩阵乘法将使用概率。

图2说明用于把矩阵视为图的因子图。利用可变节点表示矩阵M的一列，在该图中用圆圈表示可变节点。同样地，用检查节点表示M的一行，用正方形表示检查节点。正如图2所示，当且仅当矩阵M在相应行和列为1时，在检查节点和可变节点之间才有一个连接。

在本发明的一个实施例中，使用输入概率u_i和后验概率p(X_i＝1Y_i＝y_i)而非比特作为输入。为符号表示方便，把S_j定义为在M的第j行中具有1的列位置的集合。在二进制输入的情况中，第j个输出比特是在用S_j做索引的位置处对输入比特进行EXOR运算的结果。现在，输出v_j是以输入概率u_i为基础，第j个输出比特为1的概率。在M的因子图中，把由S_j所索引的可变节点连接到第j个检查节点。此后，刻画u_i对信道输入y_i的依赖关系，并且更重要地，刻画输出概率v_j对输入概率u_i的值的依赖关系。通过简单应用贝叶斯定理可以获得u_i对y_i的依赖关系：

$u_i=p(X_i=1|Y_i=y_i),$

$=\frac{p(Y_i=y_i|{\hat{Y}}_i=1)p(X_i=1)}{p(Y_i=y_i|(X_i=1)p((X_i=1)+p(Y_i=y_i|(X_i=-1)p\left((X_i=-1\right)},$ (公式11)

$=\frac{\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}{\mathrm{\δ}}^2}}{e}^{\frac{{-(y_i-1)}^2}{{2\mathrm{\δ}}^2}}}{\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}{\mathrm{\δ}}^2}}{e}^{\frac{{-(y_i-1)}^2}{{2\mathrm{\δ}}^2}}+\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}{\mathrm{\δ}}^2}}{e}^{\frac{{-(y_i+1)}^2}{{2\mathrm{\δ}}^2}}}$ (公式12)

$=\frac{1}{{1+e}^{\frac{2y_i}{{\mathrm{\δ}}^2}}},$ (公式13)

假定Xi可以是1或-1，并且具有等概率。

请注意，上述公式遵守如下惯例：用大写字母表示变量，如X_i，用小写字母表示它们的值，如x_i。为了计算v_j，在模2运算下输出比特为1的概率等同于在简单加法运算下总和为奇数的概率。正如图14所示，为了计算输出概率，使用来自公式3的以下引理。

考虑m个独立的二进制数字组成的序列，其中第1个数字为1的概率是p₁，则偶数个数字是1的概率是：

$\frac{1={\mathrm{\Π}}_{L=1}^m(1-2p_l)}{2}$ (公式14)。

作为上述引理的推论，

$v_j=p({\hat{W}}_j=1\}{U}_1=u_1,U_2-u_2,...,U_m-u_m)=\frac{1-{\mathrm{\Π}}_{{i\∈S}_j}\left({2u}_i\right)}{2}$ (公式15)。为了中继节点104进行重传，把输出概率v_j转换成重传信号幅度w_j。这些信号幅度不仅依赖于比特的概率，而且依赖于中继节点104的传输功率约束。

$w_j=\frac{{\mathrm{\δ}}_r^2}{2}\ln (\frac{1}{v_j}-1)$ ，(公式16)，其中δ_r ²刻画重传压缩信号所用的功率。

软信息处理的优点是，直至在目的地节点有可用附加信息时才进行决策，而不是做错误的决策并在中继节点104传播错误的决策。通过使用软信息处理，处理公式7的噪声向量Y以产生后验概率：

U＝[3.0340 0.0102 0.1306 0.0165 0.0088 0.3383 0.1614 0.05540.5706 0.0110]，对其进行压缩以产生输出符号概率：

V＝[0.3963 0.5287 0.4141 0.5191 0.5328]

请注意，通过基于其概率是小于还是大于0.5，把V的阈值限定为0和1可以获得公式9的

。然而，本发明的实施例试图避免在中继节点104进行硬决策。第二、第四和第五概率与0.5非常接近的事实指示解码期间在目的地节点106可能引起严重的不定性。发送硬决策更容易引入歧途。通过在目的地节点106与附加信息相结合，通过W传送的概率V可以有助于成功解码。

上述使用概率的技术容易扩展到高阶调制方案。奇偶计算也未必是在GF(2)中进行的。通过使用在给定软信息输入的情况下能够计算输出符号的概率的任何一个函数，可以计算奇偶符号。因此，本发明的实施例实际上适合于各种已知的编码框架，包括块码和卷积码。

图3说明在本发明的某一实施例中实现的步骤。在步骤3010中，从源节点向中继节点传输二进制向量。在步骤3020中，该中继节点接收信号向量。在步骤3030中，通过使用概率将该信号与一个矩阵相乘，该中继节点对该信号进行压缩。在步骤3040中，该中继节点把来自乘法运算的输出概率转换为重传信号幅度，该信号幅度不仅依赖于一个比特的概率，而且依赖于在该中继节点的传输功率约束。在步骤3050中，该中继节点将该信息的估计从该源节点传输到目的地节点。

图4说明用于实现本发明之一个实施例的系统。在该系统中，源节点102包括配置用于从源节点102向中继节点104传输二进制向量的传输单元108。中继节点104包括配置用于接收信号向量的接收单元110，配置用于通过使用概率将该信号与一个矩阵相乘来压缩信号的压缩单元112，配置用于把来自该乘法运算输出概率转换为重传信号幅度的转换单元114，该信号幅度不仅依赖于一个比特的概率，而且依赖于在该中继节点的传输功率约束，以及配置用于将信息的估计从源节点102传输到目的地节点106的传输单元116。

本领域的熟练技术人员可以理解，本发明可以应用于在中间节点实现中继的各种设备。可以在诸如3.9G长期演进系统的系统中实现本发明。以上描述集中在本发明的特定实施例上。然而，在实现描述的实施例的某些优点或所有优点的情况下，显然可以对描述的实施例做出其它变更和修改。因此，所附权利要求书的目的地是覆盖进入本发明之实质和范围内的所有此类变更和修改。

Claims (18)

1.一种方法，包括：

从源节点向中继节点传输二进制向量；

在该中继节点接收信号向量；

通过利用概率将该信号与矩阵相乘而在该中继节点压缩该信号；

将来自该乘法运算的输出概率转换为重传信号幅度，该信号幅度不仅依赖于某个比特的概率，而且依赖于在该中继节点的传输功率约束；以及

利用该中继节点将信息的估计从该源节点传输到目的地节点。

2.如权利要求1的方法，其中传输二进制向量还包括，传输信号向量X＝[x₁ x₂ ... x_m]^T形式的该二进制向量，其中 ${\hat{x}}_i\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\}$ 且 $x_i=2{\hat{x}}_i-1.$

3.如权利要求1的方法，其中接收信号向量还包括，接收如Y＝[y₁ y₂ ... y_m]^T的信号向量，其中y_i＝x_i+n_i，i＝1，2，...m且其中n_i代表加性噪声。

4.如权利要求1的方法，其中压缩该信号还包括，对于值k生成信号W＝[w₁ w₂ ... w_k]^T。

5.如权利要求1的方法，其中压缩该信号还包括使用输入概率和后验概率作为矩阵的输入。

6.如权利要求5的方法，其中压缩该信号还包括，定义在该矩阵的第j行中有1的列位置的集合，其中输出概率是以该输入概率为基础，第j个输出比特是1的概率，并且其中刻画该输入概率对信道输出的依赖关系，并刻画该输出概率对该输入概率的值的依赖关系。

7.一种装置，包括：

配置用于从源节点向中继节点传输二进制向量的传输单元；

配置用于在该中继节点接收信号向量的接收单元；

配置用于通过利用概率将该信号与矩阵相乘而在该中继节点压缩该信号的压缩单元；

配置用于将来自该乘法运算的输出概率转换为重传信号幅度的转换单元，该信号幅度不仅依赖于某个比特的概率，而且依赖于在该中继节点处的传输功率约束；以及

配置用于由该中继节点将信息的估计从该源节点传输到目的地节点的传输单元。

8.如权利要求7的装置，其中该传输单元还被配置用于传输信号向量X＝[x₁x₂...x_m]^T形式的该二进制向量，其中 ${\hat{x}}_i\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\}$ 且 $x_i=2{\hat{x}}_i-1.$

9.如权利要求7的装置，其中该接收单元还被配置用于接收如Y＝[y₁ y₂ ... y_m]^T的该信号向量，其中y_i＝x_i+n_i，i＝1，2，...m并且其中n_i代表加性噪声。

10.如权利要求7的装置，其中该压缩单元还被配置用于对于值k生成信号W＝[w₁ w₂ ... w_k]^T。

11.如权利要求7的装置，其中该压缩单元还被配置用于使用输入概率和后验概率作为该矩阵的输入。

12.如权利要求11的装置，其中该压缩单元还被配置用于定义在该矩阵的第j行中有1的列位置的集合，其中输出概率是以该输入概率为基础，第j个输出比特是1的概率，并且其中刻画该输入概率对信道输出的依赖关系，并刻画该输出概率对该输入概率的值的依赖关系。

13.一种装置，包括：

用于从源节点向中继节点传输二进制向量的传输装置；

用于在该中继节点接收信号向量的接收装置；

用于通过利用概率将该信号与一个矩阵相乘而在该中继节点压缩该信号的压缩装置；

用于将来自该乘法运算的输出概率转换为重传信号幅度的转换装置，该信号幅度不仅依赖于某个比特的概率，而且依赖于在该中继节点处的传输功率约束；以及

用于由该中继节点将信息的估计从该源节点传输到目的地节点的传输装置。

14.一种中继节点，包括：

配置用于从源节点接收信号向量的接收单元；

配置用于通过利用概率将该信号与矩阵相乘来压缩该信号的压缩单元；

配置用于把来自该乘法运算的输出概率转换为重传信号幅度的转换单元，其中该信号幅度不仅依赖于某个比特的概率，而且依赖于在该中继节点处的传输功率约束；以及

配置用于将信息的估计从该源节点传输到目的地节点的传输单元。

15.如权利要求1 4的中继节点，其中该接收单元还被配置用于接收如Y＝[y₁ y₂ ... y_m]^T的该信号向量，其中y_i＝x_i+n_i，i＝1，2，...m且n_i代表加性噪声。

16.如权利要求14的中继节点，其中该压缩单元还被配置用于对于值k生成信号W＝[w₁ w₂ ... w_k]^T。

17.如权利要求14的中继节点，其中该压缩单元还被配置用于使用输入概率和后验概率作为该矩阵的输入。

18.如权利要求17的中继节点，其中该压缩单元还被配置用于定义在该矩阵的第j行中有1的列位置的集合，其中输出概率是以该输入概率为基础，第j个输出比特是1的概率，并且其中刻画该输入概率对信道输出的依赖关系，并刻画该输出概率对该输入概率的值的依赖关系。

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