CN101986585A - 多用户下信道与网络联合编码的解调前传协作通信方法 - Google Patents

Abstract

多用户下信道与网络联合编码的解调前传协作通信方法，属于无线通信技术领域。首先由发送端用户分别对各自信息进行信道编码、随机交织、BPSK信号调制，然后发送给中继端和基站；然后中继端对接收到的多个用户的信号进行解调、解交织、网络编码、二次信道编码、随机交织和BPSK调制，然后发送给基站；最后基站对接收到的来自用户和中继端的信号组合后进行解调、解交织，采用联合译码矩阵进行信道与网络联合译码，最终得到发送端各个用户发送的信息。本发明将信道与网络联合编码技术与解调前传协作技术相结合，实现了传统DF中继端协同通信方式相近的误码率性能，但降低了中继端节点硬件复杂度，减小了系统传输时延及功耗。

Description

多用户下信道与网络联合编码的解调前传协作通信方法 

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及网络编码、信道编码以及无线通信中的协作通信技术。 

背景技术

网络编码理论最初是Ahlswede等人在有线通信网络中提出的，关于增加网络传输容量、提高吞吐量、增强网络健壮性、均衡网络负载的一项新型网络传输技术。协作通信技术最初是由Van Der Meulen在1971年提出的经典三终端中继端信道模型演变而来。 

Yingda Chen等人最先将网络编码技术引入到协同通信中，他们假设用户间信息传输可靠，在此基础上研究了基于网络编码(NC)的解码前传(DF)协同通信方法，在该方案中，中继端节点首先对接收到的信息进行解调、译码，然后对译出的码字进行网络编码，发送给基站。这个方案证明了将网络编码引入协同通信中可以提高系统综合性能(提高网络传输容量和系统吞吐量，增强网络健壮性，均衡网络负载等方面)，但却是以增加中继端端的硬件复杂性和增大系统延迟为代价的。2010年，史志平、李顾等人提出了将信道与网络联合编码码的解调前传协作方法用于两用户情况的系统模型。由于该系统模型只对中继端接收到的信号解调，而不对其解码，使设备复杂度大大降低，更具有实用性，但同时也导致了在多用户端的情况下该系统的传输误码性能差。因此，本发明提出了针对多用户的信道与网络联合编码的解调前传协作方法，在与传统DF中继端协同通信方式的误码率性能相近的前提下，最终实现了采用解调前传(DmF)中继端协同通信方式的传输系统，降低了中继端节点硬件复杂度，减小了系统传输时延及功耗。 

发明内容

本发明基于一个中继端节点同时为n(2≤n≤4)个无线用户与基站之间进行协同通信的系统模型，提出了多用户下信道与网络联合编码的解调前传协作通信方法。该方法将信道与网络联合编码引入到简单的DmF中继端方式中，提出了一种同时为n个用户进行协同通信的技术方案。本发明在与传统DF中继端协同通信方式的误码率性能相近的前提下，最终实现了采用DmF中继端协同通信方式的传输系统，降低了中继端节点硬件复杂度，减小了系统传输时延及功耗。 

本发明的技术方案为： 

一种多用户下信道与网络联合编码的解调前传协作通信方法，基于一个中继端节点同时为n个无线用户与基站之间进行协同通信的系统模型，其中2≤n≤4，并假设系统中各个用户到中继端、用户到基站以及中继端到基站的信道为相互独立的瑞利衰落信道，包括以下步骤： 

步骤1：发送端n个用户分别对各自要传输的信息依次进行信道编码、随机交织、BPSK信号调制，然后发送给中继端和基站； 

步骤2：中继端对接收到的来自n个用户的信号依次进行解调、解交织、网络编码、二次信道编码、随机交织和BPSK调制，然后发送给基站； 

步骤3：基站对接收到的来自n个用户和中继端的共计(n+1)个信号依次进行解调、解交织，采用联合译码矩阵进行信道与网络联合译码，最终得到发送端各个用户发送的信息。 

在上述方案中：1)步骤1和步骤2中所采用的信道编码的编码方式为低密度奇偶校验编码(LDPC编码)；2)步骤2中采用的网络编码为对信息比特逐位进行二元域中的模二加运算；3)步骤3中本发明采用的信道与网络联合译码过程是将基站接收到的来自n个用户和中继端的(n+1)个信号进行组合，构成为一个长码字，并采用所述联合译码矩阵H进行迭代译码运算从而恢复出n个用户所发送的信息；4)步骤3中基站需要事先知道n个用户所采用的信道编码校验矩阵H₁、H₂、L、H_n以及中继端所采用的信道编码校验矩阵H_n+1，并以此为基础构成进行信道与网络联合译码时所采用的联合译码矩阵H；所述n个用户所采用的信道编码校验矩阵H₁、H₂、L、H_n为K×(K/R₁)大小的矩阵，所述联合译码矩阵H为(K/R₁)×(K/R₁/R₂)大小的矩阵，其中K为用户发送信息的帧长度，R₁为发送端用户信道编码的码率，R₂为中继端二次信道编码的码率；联合译码矩阵H为： 

$H=\left[\begin{array}{cccc}{H}_1& 0& L& 0\\ 0& H_2& L& M\\ 0& 0& O& 0\\ M& M& M& H_{n+1}\\ I& I& L& (0:I)\end{array}\right]$

其中：I是大小为(K/R₁)×(K/R₁)的单位阵；(0:I)是由一个全零矩阵与一个单位矩阵的 串联形成的矩阵，全零矩阵的行数与单位阵I的行数相同，即(K/R₁)行，列数为(K/R₁/R₂-K/R₁)，即H_n+1的列数与行数之差。 

如图2所示，本发明为DmF协作通信方式下基于信道与网络联合编译码的n(2≤n≤4)用户接入的多接入中继端协作通信的基本模型。系统中各个用户到中继端、用户到基站以及中继端到基站的信道为相互独立的瑞利衰落信道。发送端各个用户待发送的信息序列经LDPC编码所生成的码字为系统码。待发送的信息序列需要依次进行：LDPC信道编码、随机交织、BPSK调制、最后发送。中继端处首先对来自各用户的信号进行解调(硬判决)，再依次进行解交织、网络编码、第二次LDPC编码、随机交织和BPSK调制、最后发送。基站将来自不同路径的码字(包括n个用户端和中继端的码字共计(n+1)个信号)串联成一个长码字，并且将用户端码字的译码矩阵、中继端处码字的译码矩阵纳入一个统一的大稀疏校验矩阵H(如图3所示)，对系统所有信号进行一次LDPC译码，从而获得可观的分集增益。中继端发来的码字，实际上是作为基站长码字的校验位，参与整个系统的联合译码。因此中继端为系统提供了可观的编码增益。中继端对网络编码后的码字进行了第二次LDPC编码，实际上也是为了增加系统的校验位数量，从而获得更多的编码增益。另外，中继端扩大了通信的覆盖范围，减小了整个系统的大尺度衰落。 

综上所述，本发明基于一个中继端节点同时为n(2≤n≤4)个无线用户与基站之间进行协同通信的系统模型，提出了n(2≤n≤4)用户下信道与网络联合编码的解调前传协作通信方法。该方法将信道与网络联合编码引入到简单的DmF中继端方式中，提出了一种同时为n(2≤n≤4)个用户进行协同通信的技术方案。在合理设置中继端节点位置后(如图1所示)，在中继端处对接收到的信息进行网络编码以及二次信道编码处理，提高了系统吞吐量，增强网络健壮性，为用户端发送的信息引入了更多的校验比特，提高了译码纠错能力，从而改善了系统误码率性能，解决了以往DmF中继端方式下多用户解调前传协作方法误码率过高的问题。同时，本发明提出了一种简单有效的信道与网络联合译码的译码矩阵构造方法，同时将两次信道编码及网络编码所带来的校验信息用于译码迭代纠错过程，最终得到可靠的用户发送信息。结合以上技术手段，在与传统DF中继端协同通信方式的误码率性能相近前提下，最终实现了采用DmF中继端协同通信方式的传输系统，降低中继端节点硬件复杂度，减小系统传输时延及功耗。 

附图说明

图1中继端节点位置示意图。 

图2n用户接入的中继端协作通信技术示意图。 

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步说明。 

本发明的技术方案为： 

一种多用户下信道与网络联合编码的解调前传协作通信方法，基于一个中继端节点同时为n个无线用户与基站之间进行协同通信的系统模型，其中2≤n≤4，并假设系统中各个用户到中继端、用户到基站以及中继端到基站的信道为相互独立的瑞利衰落信道，包括以下步骤： 

步骤1：发送端n个用户分别对各自要传输的信息依次进行信道编码、随机交织、BPSK信号调制，然后发送给中继端和基站； 

步骤2：中继端对接收到的来自n个用户的信号依次进行解调、解交织、网络编码、二次信道编码、随机交织和BPSK调制，然后发送给基站； 

步骤3：基站对接收到的来自n个用户和中继端的共计(n+1)个信号依次进行解调、解交织，采用联合译码矩阵进行信道与网络联合译码，最终得到发送端各个用户发送的信息。 

在上述方案中：1)步骤1和步骤2中所采用的信道编码的编码方式为低密度奇偶校验编码(LDPC编码)；2)步骤2中采用的网络编码为对信息比特逐位进行二元域中的模二加运算；3)步骤3中本发明采用的信道与网络联合译码过程是将基站接收到的来自n个用户和中继端的(n+1)个信号进行组合，构成为一个长码字，并采用所述联合译码矩阵H进行迭代译码运算从而恢复出n个用户所发送的信息；4)步骤3中基站需要事先知道n个用户所采用的信道编码校验矩阵H₁、H₂、L、H_n以及中继端所采用的信道编码校验矩阵H_n+1，并以此为基础构成进行信道与网络联合译码时所采用的联合译码矩阵H；所述n个用户所采用的信道编码校验矩阵H₁、H₂、L、H_n为K×(K/R₁)大小的矩阵，所述联合译码矩阵H为(K/R₁)×(K/R₁/R₂)大小的矩阵，其中K为用户发送信息的帧长度，R₁为发送端用户信道编码的码率，R₂为中继端二次信道编码的码率；联合译码矩阵H为： 

$H=\left[\begin{array}{cccc}{H}_1& 0& L& 0\\ 0& H_2& L& M\\ 0& 0& O& 0\\ M& M& M& H_{n+1}\\ I& I& L& (0:I)\end{array}\right]$

其中：I是大小为(K/R₁)×(K/R₁)的单位阵；(0:I)是由一个全零矩阵与一个单位矩阵的串联形成的矩阵，全零矩阵的行数与单位阵I的行数相同，即(K/R₁)行，列数为(K/R₁/R₂-K/R₁)，即H_n+1的列数与行数之差。 

图1给出了本发明技术方案中，中继端节点位置示意图。图2中，U表示用户，R表示中继端，B表示基站，设用户端到基站的距离为1，用户到中继端的距离d₁，中继端到基站的距离d₂＝1-d₁。影响系统性能的几个主要因素为：①信号的发射功率P；②各信号LDPC编码的码率R；③信道条件(小尺度衰落和大尺度衰落)；④中继端与用户和基站的相对位置。我们知道，信号发射功率P越大、LDPC编码码率R越小、信道衰落越小、中继端离用户和基站越近，系统的性能越好。但是，这四个因素并不是相互独立的，相反它们之间是相互制约的。 

与基于信道与网络联合编译码的DF多接入中继端协作通信系统相似，我们假设：在没有进行中继端协作时，原来每个用户的发射功率相等，且其值为1；进行中继端协作通信后，按功率平均分配的原则，中继端及用户的发射功率相等且都为 

其中n为用户数量。 

此处，以接收信号平均符号信噪比值来衡量信道条件的好坏。用户记为U，将中继端记为R，基站记为B。将系统中所有信道路径的距离都进行归一化处理，并设用户到中继端的信道为信道I，距离为d₁，中继端接收到的来自用户的信号的平均符号信噪比为 

中继端到基站的信道为信道II，距离为d₂，基站接收到来自中继端的信号的平均符号信噪比为 

用户到基站的信道为信道III，距离为1，基站接收到来自用户信号的平均符号信噪比为 

非协作时，用户到基站的信道为VI，距离为1，基站接收到来自用户信号的平均符号信噪比为SNR_S，平均比特信噪比SNR₀。 

多接入中继端协作系统中，协作要有效，则必须满足： 

且 

其中， 

SNR_S＝SNR₀+10lg(R₁)， 

n为接入中继端的用户个数，此处取值为3和4。因此，经证明协作要有效，中继端设置位置条件必须满足条件：d₁＜1且 

当将系统所有路径距离做归一化处理后，设用户端到基站的距离为1，用户到中继端的距离d₁，中继端到基站的距离d₂＝1-d₁。各独立瑞利衰落信道衰落系数为α＝4。各用户端对其信息序列进行LDPC编码时，取码长值为C＝360(bits)，码率为 第i个用户端对应稀疏校验矩阵为H_i。多接入中继端协作通信系统中，中继端处二次LDPC编码所对应的稀疏校验矩阵为H_n+1。其行数、列数的变化由编码码率R₂决定，如：四个用户接入中继端时，中继端在进行第二次LDPC编码时，取码率值为 

则码长值为C＝1080(bits)。由协作通信的条件知，需要满足：d₁≤1， 

如图7所示，当中继处于M₁＝1域与 

域相交区域时，协作有效，否则协作无效。且当d₁≤M₃时，则能保证中继对来自用户的信号解调前传(DmF)误码率在0～ε之内。因此，我们在设定d₁值和d₂值时，在满足d₁＜1且 

条件下，尽量使得d₁的接近于M₃值，且d₂值也尽可能小。 

另外，对于第二次编码的码率R₂，尽管其值越小系统得到的编码增益会越多，但是从以上分析可以看出，R₂值越小，d₂能取值的范围也越小，而且基站接收到来自中继的信号的平均符号信噪比值 

也会越小，这将直接导致系统性能的下降。所以在能够获得一定编码增益的基础上，我们尽可能将R₂值取大点。并且应该考虑到，随着用户数量的增加，R₂值也应该缓慢减小。 

Claims (4)

1.一种多用户下信道与网络联合编码的解调前传协作通信方法，基于一个中继端节点同时为n个无线用户与基站之间进行协同通信的系统模型，其中2≤n≤4，并假设系统中各个用户到中继端、用户到基站以及中继端到基站的信道为相互独立的瑞利衰落信道，包括以下步骤：

步骤1：发送端n个用户分别对各自要传输的信息依次进行信道编码、随机交织、BPSK信号调制，然后发送给中继端和基站；

步骤2：中继端对接收到的来自n个用户的信号依次进行解调、解交织、网络编码、二次信道编码、随机交织和BPSK调制，然后发送给基站；

步骤3：基站对接收到的来自n个用户和中继端的共计(n+1)个信号依次进行解调、解交织，采用联合译码矩阵进行信道与网络联合译码，最终得到发送端各个用户发送的信息。

2.根据权利要求1所述的多用户下信道与网络联合编码的解调前传协作通信方法，其特征在于，步骤1和步骤2中所述信道编码的编码方式为低密度奇偶校验编码，即LDPC编码。

3.根据权利要求1所述的多用户下信道与网络联合编码的解调前传协作通信方法，其特征在于，步骤2中采用的网络编码为对信息比特逐位进行二元域中的模二加运算。

4.根据权利要求1所述的多用户下信道与网络联合编码的解调前传协作通信方法，其特征在于，步骤3中本发明采用的信道与网络联合译码过程是将基站接收到的来自n个用户和中继端的(n+1)个信号进行组合，构成为一个长码字，并采用所述联合译码矩阵H进行迭代译码运算从而恢复出n个用户所发送的信息；步骤3中基站需要事先知道n个用户所采用的信道编码校验矩阵H₁、H₂、L、H_n以及中继端所采用的信道编码校验矩阵H_n+1，并以此为基础构成进行信道与网络联合译码时所采用的联合译码矩阵H；所述n个用户所采用的信道编码校验矩阵H₁、H₂、L、H_n为K×(K/R₁)大小的矩阵，所述联合译码矩阵H为(K/R₁)×(K/R₁/R₂)大小的矩阵，其中K为用户发送信息的帧长度，R₁为发送端用户信道编码的码率，R₂为中继端二次信道编码的码率；联合译码矩阵H为：

其中：I是大小为(K/R₁)×(K/R₁)的单位阵；(0:I)是由一个全零矩阵与一个单位矩阵的串 联形成的矩阵，全零矩阵的行数与单位阵I的行数相同，即(K/R₁)行，列数为(K/R₁/R₂-K/R₁)，即H_n+1的列数与行数之差。 

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