CN101442394A - 可迭代译码的网络编码协作通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可迭代译码的网络编码协作通信方法。其特征在于：(1)协作用户先将来自协作伙伴的数据解调译码，再同本地数据进行交织，然后统一编码得到发送编码序列。在对协作伙伴发送的数据进行译码时，由于协作伙伴的中继数据就是本用户前一帧的本地数据，所以将该部分数据作为先验信息输入。(2)基站端译码时在连续两帧间往返进行迭代译码，向前迭代时将当前帧计算的独立后验值作为下一帧译码时的先验信息，向后迭代时将当前帧计算的独立后验值作为前一帧译码时的先验信息。本发明在不增加带宽和发射功率的情况下，可以获得满分集增益和编码增益，这在频谱资源本已非常紧张的无线通信系统中更具优势。

Description

可迭代译码的网络编码协作通信方法

技术领域

本发明属于无线电通信技术领域，更进一步涉及一种针对信道衰落严重情况的多用户无线网络中，通过基于可迭代译码的网络编码技术进行协作通信的方法。

背景技术

在多用户无线系统中，如蜂窝移动通信系统，系统通过多种多址协议如时分多址、频分多址、码分多址等根据用户的不同数据速率需求分配信道资源。每个用户所分到的信道资源(可以是时隙、频带、码片)都是非常有限的，而无线信道所处的环境又是非常复杂而且是不断变化的，由于无线电波传输一般存在多径传播的现象，信道衰落表现为严重的瑞利衰落，而且会带来严重的码间干扰ISI，这极大地限制了无线传输速率的提升。

为了在多径传输环境下进行可靠的传输，通常有两种措施可以采用：一是增大发射功率，这种方法效率很低。另一种方法是引入分集技术，近几年研究较多的是如何利用空间分集技术，因为空间分集技术不需要额外增加带宽就可以大幅提高传输速率和可靠性。

目前为止，多输入多输出MIMO和波束成形得到最为广泛地研究，并被证明可以有效地提高无线通信的容量和性能。然而，MIMO系统对收发天线间的距离是有要求的，在基站处容易实现，可是在体积尺寸受限的终端很难做到。对于单天线的多用户无线通信系统，可以组成一个虚拟的MIMO系统，该系统很容易满足对天线间距的要求，可以获得期望的分集度。通常的协作分集方案有模拟放大转发中继AF、译码转发中继DF、编码协作CC等方案，这些协作方案的基本结构是为需要协作的用户选择一个协作伙伴，通过在正交信道中进行中继来获得分集增益，由于需要额外分配一部分信道资源以进行中继转发，所以这些方案通常会降低系统的信道利用率，进而降低了系统的频谱效率。在信道资源本已非常紧张的无线通信系统中，这一缺点使得协作通信方案的应用受到了限制，必须在分集增益和信道利用率之间进行折中。

2003年Li，S.-Y.R等在“IEEE Transactions on Information Theory”(《国际电气电子工程师协会信息理论汇刊》)(2003年2月第49卷)发表的“Linear network coding”(《线性网络编码技术》)首次提出了一种称为网络编码(Network coding)的技术，该技术是编码技术的一次重大突破。它融合了编码和路由的概念，通过允许对来自不同链路的信息进行编码组合，使得网络节点既实现路由功能又实现编码功能。在这种全新的体系结构下，网络性能可以达到最大流传输的理论极限

2006年6月Lei Xiao等在“Proceedings of the IEEE International Symposium onInformation Theory Seattle，USA，July”(《国际电气电子工程师协会关于信息理论论文集》)发表的“Cooperative Diversity Based on Code Superposition”(《基于码字叠加的协作分集方案》)通过采用网络编码技术，在不降低信道利用率的情况下获得同AF、DF、CC协作方案相同的分集增益，而且可以获得编码增益，获得更优的性能。该方案对在采用码字叠加时的最优码结构并不清楚，无法利用已有的最优码知识。

发明内容

本发明针对协作分集方案因中继转发引起的信道利用率低的问题，提出了一种多用户无线网络中可迭代译码的网络编码协作通信方法。

本发明所提供的方法，其特征在于由协作用户内部以及协作用户内各用户与基站之间的进行协作通信，系统分为移动用户端部分和基站部分两部分。

第一，用户端部分。

步骤(1.1)，协作用户接收协作伙伴发送的数据，若协作伙伴工作在协作传输模式下，则其协作伙伴中继的就是本用户前一帧发送的信息，将这部分信息作为接收数据中继部分的先验信息，进行软输入译码；若协作伙伴工作在非协作传输模式下，则不需要输入先验信息，直接进行译码；得到协作伙伴自身要发送数据的译码输出。

步骤(1.2)，对步骤(1.1)中的译码输出进行校验，若校验正确，则转入协作传输模式，并将该部分信息与本用户要发送的信息通过交织器进行交织，添加校验信息后统一进行编码；若校验失败，则转入非协作传输模式，只将本用户的信息进行编码，发送输出的编码序列。

第二，基站部分。

步骤(2.1)，接收用户发送的数据，若系统工作在协作传输模式下，则将前一帧译码软输出中的本地信息部分作为本次译码中继信息部分的先验信息，进行软输入软输出SISO译码；若系统工作在非协作传输模式下，中继信息部分的先验信息置零，进行SISO译码。

步骤(2.2)，若系统工作在协作传输模式下，步骤(2.1)中的软输出包含本次发送用户的本地信息和其中继信息，将中继部分信息的软输出减去输入的先验信息，得到一个独立外部的校验值，进入步骤(2.3)；若系统工作在非协作传输模式下，返回步骤(2.1)接收下一帧数据，不进行迭代。

步骤(2.3)，迭代步骤，将步骤(2.2)输出的独立外部校验值作为前一帧接收数据的本地信息部分的先验信息，进行SISO译码，译码结束后在返回步骤(2.1)，当输出收敛后对软输出结果进行硬判决即可得到最后的译码输出。

用户端和基站两部分使用的编码方式可采用分组码编码，或者采用卷积码编码，或者采用LDPC码编码，或者采用SISO方式译码的编码，交织器采用行进列出的规则交织器。非协作传输模式下采用码C₁进行编码，所述的协作传输模式下采用码C₂，且C₂码的码率为C₁码码率的2倍。

步骤(1.2)中所述添加校验信息是通过CRC编码实现的，对译码输出进行校验是通过CRC校验进行的。步骤(1.2)中在编码序列之后加flag标志位，接收端可以根据标志位的状态判断系统是否工作在协作传输模式。

本发明的有益效果主要表现在：

第一，本发明采用一种新的网络编码技术，通过将自身信息和转发信息交织后统一编码及SISO迭代译码方法，可以获得满分集增益，并获得编码增益。

第二，本发明中在用户不增加带宽和功率的情况下，即可获得分集增益和编码增益，这同传统的通过正交信道进行中继的协作方案相比非常具有优势，特别是在频谱资源本已非常紧张的无线通信系统中更具优势。

第三，本发明不依赖于具体的编码方式，可以采用卷积码，也可以是线性分组码，而且可以使用打孔技术以获得想要的编码速率，只要可以采用软输入软输出译码的编码都适用于本方案。

第四，本发明中协作用户对协作伙伴数据的转发是通过将本地数据与转发数据交织后编码实现的，当该数据被协作伙伴接收时由于转发数据为其前一帧发送的数据，可以将这部分数据作为先验信息输入，相当于只传输了协作伙伴的信息，即在协作传输模式下用户间信息的交换不需要使用额外的信道，从而提高了信道利用率。

第五，本发明中基站译码过程为一个迭代过程，由于在协作传输模式下每一次发送的数据包含当前用户信息和前一帧协作伙伴的信息，为使译码最优必须进行迭代译码，通过迭代可以改进误码率性能，迭代译码的输出会有一到两帧的延时。

附图说明

图1为本发明的网络编码协作通信场景图；

图2为本发明系统流程框图；

图3为本发明的用户端网络编码编解码及发送流程图；

图4为本发明的基站端网络编码迭代译码流程框图。

具体实施方式

现结合附图对本发明的实施例进行详细的描述。

图1中，用户A和用户B进行协作通信，采用基于可迭代译码的网络编码协作分集方法进行协作通信传输，协作用户将本地数据和来自协作伙伴的中继数据进行交织，进行编码后共用一个信道(时隙)进行发送。

在本发明方案用到两个码：C₁(N₁，1)和C₂(N₂，1)，其中N₁＝2N₂。

参照图2和图3，本发明中用户端发送过程从第一帧开始包括以下步骤：

步骤(1)：发送第一帧，用户A将自己要发送的本地数据经过CRC编码得到i_L(0)，然后用码率为1/N₁的C₁码进行编码得到长度为N的一个编码序列C_A(0)，附加flag标志位后进行调制，然后向基站和用户B发送。

步骤(2)：用户B接收到A发送的数据，解调后进行软输入译码，得到对发送数据i_L(0)的译码值然后对

经行CRC校验，根据校正确于否有两种情况。

情况(一)：若CRC校验正确，则令flag＝1，用户B将对用户A发送数据的译码值同用户B进过CRC编码后的数据i_L(1)进行交织，在图3中π[A B]表示将数据A、B进行交织，然后用C₂码编码得到长度为N的编码序列C_B(1)，附加flag标志位后进行调制，在图3中Modu[*]表示调制，然后向用户A和基站发送，系统转入协作传输模式。

情况(二)：若CRC校验出错，则令flag＝0，用户B不进行中继传输，用户B将其要发送的数据i_L(1)用C₁码编码，得到长度为N的编码序列C_B(1)，附加flag标志位后进行调制，然后向用户A和基站发送，系统转入非协作传输模式.

步骤(3)：用户A接收到B发送的C_B(1)后，根据标志位flag判断步骤(2)中系统的传输模式。

步骤(3.1)：根据flag标志为的状态分为两种情况。

情况(一)：若flag＝＝1，则步骤(2)中系统工作在协作传输模式，C_B(1)是对

和i_L(1)编码后的输出，由于用户A对i_L(0)已知，在CRC校验正确的情况下认为 ${\hat{i}}_L=i_L\left(0\right),$ 译码时将i_L(0)作为先验信息输入，并按照C₂的译码方式进行SISO译码，得到对i_L(1)的译码值

并对进行CRC校验。

情况(二)：若flag＝＝0，则步骤(2)中系统工作在非协作传输模式，C_B(1)是对i_L(1)进行编码后的输出，这时不需要输入先验信息，按照C₁码的译码方式进行软输入译码，得到对i_L(1)的译码值

并对进行CRC校验。

步骤(3.2)：根据步骤(3.1)中对

进行CRC校验正确于否有两种情况。

情况(一)：若CRC校验正确，则令flag＝1，用户A将对用户B发送数据的估计

同用户A经过CRC编码后的数据i_L(1)交织，然后用C₂码进行编码得到长度为N的编码序列C_A(2)，附加flag标志位后进行调制，然后向用户B和基站发送，系统转入协作传输模式。

情况(二)：若CRC校验失败，则令flag＝0，用户A将经过CRC编码后的数据i_L(1)用C₂码进行编码得到长度为N的编码序列C_A(2)，附加flag标志位后进行调制，然后向用户B和基站发送，系统转入非协作传输模式。

后续步骤的处理方法同步骤(3)相同，步骤号为奇数的步骤用户A发送数据，为偶数的步骤用户B发送数据。

步骤(n)：假设结束帧为第n帧，当前用户为用户A(或用户B)。

用户A接收到B发送的C_B(n-2)后，根据标志位flag判断步骤(n-1)中的传输模式。

步骤(n.1)：根据flag标志为的状态分为两种情况。

情况(一)：若flag＝＝1，则步骤(n-1)中系统工作在协作传输模式，C_B(n-2)是对和i_L(n-2)交织后的编码输出，由于用户A对i_L(n-3)已知，在CRC校验正确的情况下认为 ${\hat{i}}_L(n-3)=i_L(n-3).$ 译码时按照C₂的译码方式进行软输入译码，并将i_L(n-3)作为先验信息输入，得到对i_L(n-2)的估计并对

进行CRC校验。

情况(二)：若flag＝＝0时，则步骤(n-1)中系统工作在非协作传输模式，C_B(n-2)是对i_L(n-2)进行编码后的输出，这时不需要输入先验信息，按照C₁码的译码方式进行软输入译码，得到对i_L(n-2)的估计

并对

进行CRC校验。

步骤(n.2)：根据步骤(n.1)中对

CRC校验的正确于否有两种情况。

情况(一)：若步骤(n.1)中的CRC校验正确，则令flag＝1，用户A将用户B发送数据的译码值

用C₁码进行编码得到长度为N的编码序列C_A(n-1)，附加flag标志位后进行调制，然后向用户B和基站发送C_A(n-1)，系统转入协作传输模式。

情况(二)：若步骤(n.1)中的CRC校验失败，则令flag＝0，发送该flag标志位，系统转入非协作传输模式。

参照图2和图4，本发明中基站从第一帧开始的迭代译码过程包括以下步骤：

步骤(一)：用户A发送编码序列C_A(0)，基站接收信号为r＝h×Modu[C_A(0)]+n，其中h为信道衰落系数，n为加性噪声，Modu[*]代表信号调制。

软输入： $\tilde{r}=L_C\×h\×r,$ 其中L_C＝4E_S/N₀为信道可靠性因子。

先验输入：第一次迭代时，令先验信息u＝0，后续迭代中先验信息由后续步骤(二)返回。

译码软输出：按照C₁码的译码方式进行SISO译码，得到对i_L(0)的后验估计

步骤(二)：用户B发送编码序列C_B(1)，基站接收信号为r＝h×Modu[C_B(1)]+n。

软输入：r＝L_C×h×r，其中L_C＝4E_S/N₀为信道可靠性因子。

先验输入：

中继数据部分：若flag＝＝1，则令 $u_R={\tilde{i}}_L\left(0\right),$ 若flag＝＝0，由于用户B没有中继数据，译码时不需要计算中继数据的先验信息。

本地数据部分：第一次迭代时，令先验信息u_L＝0，后续的迭代中u_L由后续步骤(三)返回，若flag＝＝1，则令u＝π[u_R u_L]，这里π[A B]表示将A、B经行交织，若flag＝＝0，则令u＝u_L。

译码软输出：根据接收数据中的标志位状态分为两种情况：

情况(一)：若flag＝＝1，则基站判断用户B编码时使用的码为C₂码，这时将

作为i_L(0)的先验信息进行SISO译码，得到i_L(0)的估计

及i_L(1)的估计计算步骤(二)中接收数据关于数据i_L(0)的独立约束信息

将其返回步骤(一)作为i_L(0)新的先验信息u_L，并再次进行译码，然后在进入步骤(二)，显然这是一个迭代过程。

情况(二)：若flag＝＝0，则基站判断用户B编码时使用的码为C₁码，这时令中继部分的先验信息u_R＝0并进行SISO译码，得到对i_L(1)的估计

此种情况不需迭代译码，将步骤(一)中i_L(0)的软输出

进行判决，得到i_L(0)的最终译码结果。

步骤(三)：用户A发送编码序列C_A(2)，基站接收信号为r＝h×Modu[C_B(1)]+n。

软输入： $\tilde{r}=L_C\×h\×r,$ 其中L_C＝4E_S/N₀为信道可靠性因子。

先验输入：

中继数据部分：若flag＝＝1，则令 $u_R={\tilde{i}}_L\left(1\right),$ 如flag＝＝0，由于用户B没有中继数据，所以不需要计算中继数据的先验信息。

本地数据部分：第一次迭代时，令先验信息u_L＝0，后续迭代中u_L由步骤(3)中返回。若flag＝＝1，则u＝π[u_R u_L]，否则u＝u_L。

译码软输出：根据接收数据中的标志位判断有两种情况：

情况(一)：若flag＝＝1，则基站判断用户A编码时使用的码为C₂码，这时将

作为i_L(1)的先验信息，进行SISO译码得到i_L(1)、i_L(2)的后验估计计算i_L(1)的独立先验信息

返回步骤(二)作为i_L(1)新的先验信息u_L，并在此进行译码，然后进入步骤(三)，迭代，迭代收敛后，若步骤(二)中flag＝＝1，则将步骤(二)中的软输出

进行判决，得到i_L(0)的最终译码结果，若flag＝＝0时，则i_L(0)的最终译码结果已由步骤(二)给出。

情况(二)：若flag＝＝0，则基站判断用户A编码时使用的码为C₁码，这时令中继部分的先验信息u_R＝0，进行SISO译码得到i_L(2)的估计

此种情况不需迭代译码，将步骤(二)中i_L(1)的软输出

进行判决，得到对i_L(1)的最终译码结果。

后续步骤的处理方法同步骤(三)相同，步骤号为奇数的步骤接收用户A发送的数据，为偶数的步骤接收用户B发送的数据。

步骤(N)：假设结束帧为第N帧，当前用户为用户A(或用户B)时，基站译码过程分为两种情况。

情况(一)：若flag＝＝1，则用户A转发编码序列C_B(N-1)后，基站接收信号为r＝h×Modu[C_B(N-1)]+n。

软输入： $\tilde{r}=L_C\×h\×r,$ 其中L_C＝4E_S/N₀为信道可靠性因子。

先验输入：若flag＝＝1，则基站判断用户A编码时使用的码为C₁码，这时将

作为i_L(N-2)部分的先验信息，即 $u=u_R={\tilde{i}}_L(N-2).$

软输出：由于用户A编码时使用的码为C₁码，按照C₁码进行SISO译码得到i_L(N-2)的后验估计

计算i_L(N-2)的独立先验信息

返回步骤(N-1)作为i_L(N-2)部分新的先验信息u_L，进行迭代译码。迭代收敛后，对

进行硬判决得到i_L(N-2)、i_L(N-1)的最终译码输出。

情况(二)：若flag＝＝0，则步骤(N-1)中的输出进行硬判决即可得到最后的译码输出。

上述基站网络编码一般只需迭代2到3次迭代译码输出就会收敛。

本发明中协作用户间可以直接进行数据传递，用户和基站之间也可以直接进行传输，通过用户之间的中继转发获得分集增益。由于用户间信道不一定可靠，协作传输过程中会出现协作传输模式和非协作传输模式，若对协作伙伴发送数据译码成功，则进行中继转发，进入协作传输模式，若对协作伙伴数据译码失败，则转入非协作传输模式。同样由于信道的不可靠，标志系统工作状态的flag标志位同样可能出错，但可以采取一些措施加强对标志位的保护，如增大标志为信号的发射功率等，具体实施过程的描述是在假设标志位不出错的情况下进行的。

本发明中使用(N₁，1)和(N₂，1)两个码码进行编码，其中N₁＝2N₂，编码时将本地数据与转发数据进行交织，然后用这两个码中的一个进行编码，对于用户间的数据传输，由于目的用户已知转发数据，则该用户接收到的数据全部被用来对协作伙伴发送数据进行译码，即在进行数据转发的同时实现了用户间的通信，提高了信道利用率，进而提高了频谱效率，这是本发明协作通信方法优于传统方案的地方。

Claims (7)

1、一种可迭代译码的网络编码协作通信方法，其特征在于：协作用户构成的协作用户内部以及所述协作用户内各用户与基站之间的协作通信，分为用户端和基站两部分：

第一，用户端部分：

步骤(1.1)，协作用户接收协作伙伴发送的数据，若协作伙伴工作在协作传输模式下，则其协作伙伴中继的是本用户前一帧发送的数据，将这部分数据作为接收数据中继部分的先验信息输入，进行软输入译码；若协作伙伴工作在非协作传输模式下，则不需要计算先验信息，直接进行译码，得到协作伙伴要发送数据的译码输出；

步骤(1.2)，对步骤(1.1)中的译码输出进行校验，若校验正确，则转入协作传输模式，并将该部分数据与本用户要发送的数据通过交织器进行交织，添加校验信息后统一进行编码；若校验失败，则转入非协作传输模式，只将本用户的数据进行编码，发送输出的编码序列；

第二，基站部分：

步骤(2.1)，基站接收用户发送的数据，若系统工作在协作传输模式下，则将前一帧译码时本地数据部分的软输出作为本次译码中继数据部分的先验信息，进行软输入软输出SISO译码；若系统工作在非协作传输模式下，中继数据部分的先验信息置零，进行SISO译码；

步骤(2.2)，若系统工作在协作传输模式下，步骤(2.1)中的软输出包含本次发送用户的本地数据和中继数据，将中继数据部分的软输出减去输入的先验信息，得到一个独立外部的校验值，进入步骤(2.3)进行迭代；若系统工作在非协作传输模式下，返回步骤(2.1)接收下一帧数据，不进行迭代；

步骤(2.3)，将步骤(2.2)输出的独立外部校验值作为前一帧接收数据的本地数据部分的先验信息，进行SISO译码，译码结束后再返回步骤(2.1)，显然这是一个迭代过程，当输出收敛后对软输出结果进行硬判决即可得到最后的译码输出。

2、根据权利要求1所述的可迭代译码的网络编码协作通信方法，其特征在于：所述的用户端和基站两部分使用的编码为可采用SISO方式译码的编码，如线性分组码、卷积码和低密度校验码LDPC码等。

3、根据权利要求1所述的可迭代译码的网络编码协作通信方法，其特征在于：所述的交织器采用行进列出的规则交织器。

4、根据权利要求1所述的迭代译码网络编码协作通信方法，其特征在于：所述的非协作传输模式下采用码C₁进行编码，所述的协作传输模式下采用码C₂，且C₂码的码率为C₁码码率的2倍。

5、根据权利要求1所述的可迭代译码的网络编码协作通信方法，其特征在于：所述步骤(1.2)中所述添加校验信息是通过循环冗余校验CRC编码实现的。

6、根据权利要求1所述的可迭代译码的网络编码协作通信方法，其特征在于：所述步骤(1.2)中对译码输出进行校验是通过CRC校验进行的。

7、根据权利要求1所述的可迭代译码的网络编码协作通信方法，其特征在于：所述步骤(1.2)中在编码序列之后加flag标志位，接收端以标志位的状态判断系统是否工作在协作传输模式。

Images