CN102088338A - 基于多跳级联卷积码的编解码装置及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种无线通信技术领域的基于多跳级联卷积码的编解码装置及其实现方法，该装置包括：发送端、接收端以及n个级联的中继节点，其接收端包括：一个硬判决器和n+1级子译码器以及n级去交织器，其子译码器为Viterbi译码器或加法SISO译码模块。本发明在引入了中继节点的辅助蜂窝通信系统中，利用多跳路径自身的级联特性构成分布式的级联码，从而获得比单跳模式更好的差错水平。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种无线通信技术领域的方法，具体是一种基于多跳级联卷积码的编解码装置及其实现方法。
背景技术
传统无线通信系统一般使用小区制蜂窝架构，各小区用户通过基站直接接入系统，其无线链路中通常采用高存储单元数的卷积码，或者采用基于交织级联结构的Turbo码作为信道编码。近年来，在传统蜂窝通信系统中基站与用户之间加入中继节点来进行多跳无线通信的模式受到了业界的较多关注。中继节点将基站到用户之间的较长链路分割成了通信质量较好的多段较短的链路，每段链路都具有较好的通信质量，从而整体的差错性能也可以控制在较低的水平。具有中继节点的通信系统中的每段链路都需要采用适当的信道编码来抑制信道中的噪声和干扰带来的影响。如何通过多跳网络的特性选择适当的信道编码来降低误码率是研究的一个方向。
经对现有技术文献的检索发现，Harold H.Sneessens，Jerome Louveaux，and Luc Vandendorpe，Turbo-Coded Decode-and-Forward Strategy Resilient to Relay Errors(“Turbo编码译码转发中继的错误恢复”，比利时，2008)一文中提出了一种引入中继的通信系统纠错的方法，该方法在中继与发送端协同的情况下，接收端使用改进了的译码算法，通过对收到的来自发送端和中继的数据进行处理，从而达到恢复差错的目的。然而这种方法只能针对发送端与中继协同工作的情况，并且在每段链路上的传输都需要采用复杂的交织级联结构的Turbo编码，并没有充分利用多跳网络拓扑结构的特点，接收端对信号译码的处理也较为复杂。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于多跳级联卷积码的编解码装置及其实现方法，在引入了中继节点的辅助蜂窝通信系统中，利用多跳路径自身的级联特性构成分布式的级联码，从而获得比单跳模式更好的差错水平。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于多跳级联卷积码的编解码装置，包括：发送端、接收端以及n个级联的中继节点，其中：
所述的发送端内设有编码器；
所述的中继节点由依次级联的估计器、交织器及子编码器组成，其中：估计器与上一级中继节点的输出端相连接，子编码器与下一级中继节点的输入端相连接。
所述的子编码器采用递归系统卷积码得以实现，其反馈生成多项式记为gb(D)，其前馈生成多项式记为gf(D)；
所述的交织器采用伪随机交织器实现；
所述的子编码器与所述发送端内的编码器具有相同的编码算法；
所述的接收端包括：一个硬判决器和n+1级子译码器以及n级去交织器，其中：所述的n+1级子译码器为Viterbi译码器组或加法SISO译码模块组。
所述的Viterbi译码器组由n+1个Viterbi译码器与n个去交织器依次交错级联构成，其中：第一Viterbi译码器的输出端与硬判决器相连。
所述的加法SISO译码模块组由n级交织器和n个加法SISO译码模块组成，其中：n个加法SISO译码模块的第一输出端与交织器相连并反馈至上一级加法SISO译码模块的第二输入端，n个加法SISO译码模块的第二输出端与去交织器相连并输出至下一级加法SISO译码模块的第一输入端，第n+1加法SISO译码模块的第一输入端接收码流的对数似然值，第1加法SISO译码模块的第二输出端与硬判决器相连。
本发明涉及上述装置的编码方法，包括以下步骤：
A1、发送端对原始数据进行初次编码，生成发送码流后输出给接收端方向的第一个中继节点；
A2、第一个中继节点收到发送码流，对发送码流进行估计得到输入估计码流，并进一步对输入估计码流进行交织编码处理，生成编码码流后输出至相邻的接收端方向的下一个中继节点；
A3、重复步骤A2直到接收端前的第n个中继节点，n为发送端至接收端间隔中继节点的个数，该中继节点直接将收到的编码码流转发到接收端，接收端得到的就是途经各个中继节点并经若干次交织编码处理的多跳级联卷积码。
本发明涉及上述装置的硬解码方法，包括以下步骤：
B1：接收端使用相邻的发送多跳级联卷积码的中继节点的子译码器对该多跳级联卷积码进行译码去交织处理，得到输出估计码流；
B2：接收端重复步骤B1的操作，直至获得发送端的发送码流；
B3：接收端使用发送端对应的子译码器对其输出的发送码流进行与步骤B1相同的译码处理，获得原始数据估计值。
所述的子译码器是指：能够对该中继节点进行交织编码处理后的编码码流进行译码的译码器。
本发明涉及上述装置的软解码方法，包括以下步骤：
C1：初始化所有中继节点的子译码器；
所述的初始化是指：将子译码器的输入数据先验似然值初始化为零。
C2：接收端使用相邻的发送多跳级联卷积码的中继节点的子译码器对该多跳级联卷积码进行SISO译码，得到输入更新似然值，经去交织处理后生成先验似然值。
C3：接收端采用前一个中继节点的子译码器将先验似然值再次进行SISO译码，并将得到码流更新似然值和输入更新似然值分别经去交织处理后反馈作为下一个子译码器的迭代输入以及前一个子译码器的先验似然值；
C4：接收端重复步骤C3的操作直到获得第一个中继对应的子译码器，接收端使用发送端对应的子译码器进行SISO译码，并将结果送入硬判决器获得发送的原始数据估计值。
所述的SISO译码是指：各级子译码器采用软输入软输出译码模块对码流进行译码。
所述的硬判决器是指：解调器根据其判决门限对接收到的信号波形直接判决从而获得原始码流。
所述的软输入软输出译码模块是指一种根据现有的信息不断迭代以提高误码率性能的译码模块，即使用了多级译码器级联的结构，前一级译码器使用后一级译码器的输出作为输入，从而降低其误码率水平。
与现有的技术相比，本发明在对引入了中继的链路上的数据进行编解码时，采用了串行级联的结构，各级中继链路的编码不再相互独立，每一跳提供的冗余信息将逐级保留在码流中，到接收端后再进行级联的译码处理。本发明级联的子码分布地存放在各中继节点中，每个中继节点都采用的是简单子码，利用中继辅助蜂窝网络的多跳结构来实现一种分布式的级联编码，每一级的信道编码方式可以选择更简单的形式，从而简化了实现，并且与原有的单跳网络中的信道编码方式相比，能够获得更好的误码率性能。
附图说明
图1为本发明的编码方法示意图。
图2为本发明的硬解码方法示意图。
图3为本发明的软解码方法示意图。
图4为实施例仿真结果比较示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例中采用了两级级联的编译码结构，各中继节点的子译码器为相同结构、低存储单元的卷积码，各中继节点的交织器的结构相同，在这种情况下，接收端的子译码模块可以简化成相同结构的SISO译码单元，并采用基于对数似然值的最大后验概率译码(LogMAP)算法，具体步骤如下：
如图1所示，本实施例包括：发送端、n个级联中继节点以及接收端，发送端包括了一个编码器，每一个所述的中继节点包括：估计器、串联的交织器以及子编码器，其中：估计器与本中继节点的接收端相连接，子编码器与本中继节点的发送端相连接。
所述的发送端的子编码器采用递归系统卷积码得以实现，其反馈生成多项式记为gb(D)，其前馈生成多项式记为gf(D)；
所述的中继节点采用估计器、交织器及子编码器的级联得以实现；
所述的中继节点的交织器采用伪随机交织器实现；
所述的中继节点的子编码器采用与发送端相同的子编码器得以实现；
本实施例编码过程如下：
A1、发送端对原始数据进行初次编码，生成发送码流后输出给接收端方向的第一个中继节点；
所述的初次编码是指：发送端使用其子编码器首先计算原始数据的递归系统卷积码编码器中的各延时器的输出通过反馈生成多项式与输入序列共同产生的反馈值；然后计算递归系统卷积码编码器中的各延时器的输出通过前馈生成多项式产生的校验值；
A2、第一个中继节点收到发送码流，对发送码流进行估计得到输入估计码流，并进一步对输入估计码流进行交织编码处理，生成编码码流后输出至相邻的接收端方向的下一个中继节点；
所述的估计是指：对接收机收到的受到干扰的信号通过概率统计的方法进行判断，以确定发送端所发送的实际码流；
所述的交织编码处理是指：首先使用中继节点的交织器对码流进行交织操作，即对码流传输的顺序进行随机的重排列的过程，然后使用中继节点的子编码器对交织后的数据进行编码操作，其编码过程与发送相同；
A3、重复步骤A2直到接收端前的第n个中继节点，n为发送端至接收端间隔中继节点的个数，该中继节点直接将收到的编码码流转发到接收端，接收端得到的就是途径各个中继节点并经若干次交织编码处理的多跳级联卷积码。
如图2所示，硬解码接收端采用级联的子译码器和去交织器与最后的硬判决器相连得以实现；硬解码接收端的子译码器采用Viterbi译码器得以实现；硬解码接收端的解交织器采用与发送端和各中继节点相匹配的解交织器得以实现；
本实施例解码过程如下：
所述的硬解码方法包括以下步骤：
B1：接收端使用相邻的发送多跳级联卷积码的中继节点的子译码器对该多跳级联卷积码进行译码去交织处理，得到输出估计码流；
所述的译码是指：使用Viterbi译码器对该级码流进行译码处理；
所述的去交织处理是指：使用相应的解交织器对交织后的数据进行处理，以恢复其原来的码流；
B2：接收端重复步骤B1的操作，直至获得发送端的发送码流；
B3：接收端使用发送端对应的子译码器对其输出的发送码流进行与步骤B1相同的译码处理，获得原始数据估计值。
所述的获得原始数据估计值是指：将数据送入硬判决器，以获得估计得到的原始数据。
实施例2
本实施例中：接收端采用软解码方案实现；接收端的译码算法采用LogMAP算法得以实现；接收端的SISO译码器采用加法SISO译码模块得以实现；
如图3所示，本实施例采用软解码，具体过程如下：
C1：初始化所有中继节点的子译码器；
所述的初始化是指：将子译码器的输入数据先验似然值初始化为零。
C2：接收端使用相邻的发送多跳级联卷积码的中继节点的子译码器对该多跳级联卷积码进行SISO译码，得到输入更新似然值，经去交织处理后生成先验似然值。
所述的SISO译码是指：使用加法SISO译码模块进行译码操作，即向SISO译码模块输入编码符号概率的对数似然比和码流符号概率对数似然比，输出译码更新后的编码符号概率对数似然比和码流符号概率对数似然比；
所述的去交织处理是指：使用解交织器对获得的码流进行解交织操作；
C3：接收端采用前一个中继节点的子译码器将先验似然值再次进行SISO译码，并将得到码流更新似然值和输入更新似然值分别经去交织处理后反馈作为下一个子译码器的迭代输入以及前一个子译码器的先验似然值；
所述的采用前一个中继节点的子译码器将先验似然值再次进行SISO译码是指：利用前一级译码模块生成的判决信息进行译码处理，这样可以获得更好的误码率性能；
C4：接收端重复步骤C3的操作直到获得第一个中继对应的子译码器，接收端使用发送端对应的子译码器进行SISO译码，并将结果送入硬判决器获得发送的原始数据估计值。
所述的SISO译码是指：与步骤C2中的相同的译码操作。
所述的硬判决器是指：该模块对SISO译码后的输出信号做N比特量化，分量高于门限就认为输出为1，否则输出为0。
针对蜂窝网络传统单跳通信模式和引入一级中继的两跳通信模式进行仿真比较。子编码器采用存储单元数为3、生成矩阵为G(7，5)递归系统卷积码，SISO译码模块采用LogMAP算法。仿真结果如图4所示，可以看到，采用一级中继多跳级联卷积码的系统误码率明显低于传统单跳模式的蜂窝系统的误码率。
Claims (10)
1.一种基于多跳级联卷积码的编解码装置，包括：发送端、接收端以及n个级联的中继节点，其特征在于：
所述的发送端内设有编码器；
所述的中继节点由依次级联的估计器、交织器及子编码器组成，其中：估计器与上一级中继节点的输出端相连接，子编码器与下一级中继节点的输入端相连接；
所述的接收端包括：一个硬判决器和n+1级子译码器以及n级去交织器，其中：所述的n+1级子译码器为Viterbi译码器组或加法SISO译码模块组。
2.根据权利要求1所述的基于多跳级联卷积码的编解码装置，其特征是，所述的中继节点中：子编码器采用递归系统卷积码得以实现，其反馈生成多项式记为gb(D)，其前馈生成多项式记为gf(D)；交织器采用伪随机交织器实现。
3.根据权利要求1所述的基于多跳级联卷积码的编解码装置，其特征是，所述的Viterbi译码器组由n+1个Viterbi译码器与n个去交织器依次交错级联构成，其中：第一Viterbi译码器的输出端与硬判决器相连。
4.根据权利要求1所述的基于多跳级联卷积码的编解码装置，其特征是，所述的加法SISO译码模块组由n级交织器和n个加法SISO译码模块组成，其中：n个加法SISO译码模块的第一输出端与交织器相连并反馈至上一级加法SISO译码模块的第二输入端，n个加法SISO译码模块的第二输出端与去交织器相连并输出至下一级加法SISO译码模块的第一输入端，第n+1加法SISO译码模块的第一输入端接收码流的对数似然值，第1加法SISO译码模块的第二输出端与硬判决器相连。
5.一种根据上述任一权利要求所述装置的编码方法，其特征在于，包括以下步骤：
A1、发送端对原始数据进行初次编码，生成发送码流后输出给接收端方向的第一个中继节点；
A2、第一个中继节点收到发送码流，对发送码流进行估计得到输入估计码流，并进一步对输入估计码流进行交织编码处理，生成编码码流后输出至相邻的接收端方向的下一个中继节点；
A3、重复步骤A2直到接收端前的第n个中继节点，n为发送端至接收端间隔中继节点的个数，该中继节点直接将收到的编码码流转发到接收端，接收端得到的就是途经各个中继节点并经若干次交织编码处理的多跳级联卷积码。
6.根据权利要求5所述的编码方法，其特征是，所述的初次编码是指：发送端使用其子编码器首先计算原始数据的递归系统卷积码编码器中的各延时器的输出通过反馈生成多项式与输入序列共同产生的反馈值；然后计算递归系统卷积码编码器中的各延时器的输出通过前馈生成多项式产生的校验值。
7.根据权利要求5所述的编码方法，其特征是，所述的交织编码处理是指：首先使用中继节点的交织器对码流进行交织操作，即对码流传输的顺序进行随机的重排列的过程，然后使用中继节点的子编码器对交织后的数据进行编码操作，其编码过程与发送相同。
8.一种根据权利要求1-4中任一所述装置的硬解码方法，其特征在于，包括以下步骤：
B1：接收端使用相邻的发送多跳级联卷积码的中继节点的子译码器对该多跳级联卷积码进行译码去交织处理，得到输出估计码流；
B2：接收端重复步骤B1的操作，直至获得发送端的发送码流；
B3：接收端使用发送端对应的子译码器对其输出的发送码流进行与步骤B1相同的译码处理，获得原始数据估计值。
9.一种根据权利要求1-4中任一所述装置的软解码方法，其特征在于，包括以下步骤：
C1：初始化所有中继节点的子译码器；
C2：接收端使用相邻的发送多跳级联卷积码的中继节点的子译码器对该多跳级联卷积码进行SISO译码，得到输入更新似然值，经去交织处理后生成先验似然值；
C3：接收端采用前一个中继节点的子译码器将先验似然值再次进行SISO译码，并将得到码流更新似然值和输入更新似然值分别经去交织处理后反馈作为下一个子译码器的迭代输入以及前一个子译码器的先验似然值；
C4：接收端重复步骤C3的操作直到获得第一个中继对应的子译码器，接收端使用发送端对应的子译码器进行SISO译码，并将结果送入硬判决器获得发送的原始数据估计值。
10.根据权利要求9所述的软解码方法，其特征是，所述的SISO译码是指：使用加法SISO译码模块进行译码操作，即向SISO译码模块输入编码符号概率的对数似然比和码流符号概率对数似然比，输出译码更新后的编码符号概率对数似然比和码流符号概率对数似然比。
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