CN102291207B - 无线分布式网络信道编码调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对无线网络提出一种无线分布式网络信道编码调制方法，从分布式节点收到的信号在中继节点解码后所得到的数据先经过交织，然后再送到网络编码器，在目标节点的接收机采用迭代算法来解码。仿真结果表明，带有交织以及迭代译码算法的系统比无迭代译码系统的误码率性能有了非常的显著提高。

Description

无线分布式网络信道编码调制方法

技术领域

本发明涉及蜂窝移动网络技术，具体涉及适用于无线网络中多接入信道的分布式网络信道编码及调制方法。

背景技术

分布式编码作为一种特殊的信道编码协同通信网络开发模式，吸引了大量研究者的关注。分布式编码的构造理念已应用于传统的通道编码，如文献【B.Zhao and M.C.Valenti，“Distributed turbo codes：towards the capacity of the relaychannel，”IEEE VTC’03-Fall，vol.1，pp.322-326，Oct.2003.】公开的分布式Turbo码、文献【S.Yiu，R.Schober and L. Lampe，“Distributed space-time block coding，”IEEE Trans.Commun.，vol.54，no.7，pp.1195-2006，Jul.2006.】公开的分布式空时码、文献【A.Chakrabarti，A.Baynast，A.Sabharwal and B.Aazhang，“Lowdensity parity check codes for the relay channel，”IEEE JSAC，vol.25，no.2，pp.280-291，Feb.2007.】公开的分布式低密度奇偶校验(LDPC)码。实验结果表明，上述分布式编码方案可以提高点至点的无线通道传输的可靠性。

上述分布式编码方案是针对小规模的单播中继网络，信息是通过单/多跳无线中继网络，从单个源节点到单个目的地节点进行传输。例如在图1所示的场景下，一个源移动终端(MT)与其他移动终端(MT)合作，通过一个中继节点(RN)向基站(BS)传输数据。传递这种信息的传统方式是通过路由，中继节点简单的存储和转发接收到的数据包到目的地。

文献【R.Ahlswede，N.Cai，S.Y.R.Li，and R.W.Yeung，“NetworkInformation Flow，”IEEE Trans.Inform.Theory，vol.46，no.4，pp.1204-1216，July2000.】提出了一种网络编码(NC)方法来替代路由算法。在网络编码中，中继节点可以把从多个源移动终端收到的数据包进行编码。编码后的信息随后被发送到目的地。实验结果表明，与传统的路由算法相比，网络编码可提高网络容量和吞吐量。由于这种分布式网络通道码的研究设计(DNCC)理念最近才开始，许多在分布式编码的设计和实施过程中遇到的问题都还没有得到解决，并且误码率性能还不够理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线分布式网络信道编码调制方法，采用本发明方法可以显著提高误码率性能。

本发明的技术方案如下：

一种无线分布式网络信道编码调制方法，包括如下步骤：

1)源移动终端通过码率兼容的卷积编码器将信息包编码为传输码字，然后广播给中继节点和协作移动终端；

2)中继节点把接收到的来自源移动终端的信号波形和来自协作移动终端的信号波形，按照符号间隔分离，而后交替串联生成新的信号波形；

3)形成的新的信号波形通过在中继节点的解码器进行解调和译码，输出针对源移动终端和协作移动终端的联合编码器的估计码字；

4)所述估计码字先经过交织，然后被送入中继节点的递归系统卷积编码器进行网络编码并进行无记忆调制，然后被发送到基站；

5)基站接收到从中继节点发射的信号波形后，基站采用迭代译码算法进行解码，获得源移动终端的信息。

本发明的有益技术效果是：

本发明针对无线网络提出一种无线分布式网络信道编码调制方法，从分布式节点收到的信号在中继节点解码后所得到的数据先经过交织，然后再送到网络编码器，在目标节点的接收机采用迭代算法来解码。仿真结果表明，带有交织以及迭代译码算法的系统比无迭代译码系统的误码率性能有了非常的显著提高。

附图说明

图1是包括一个源移动终端，一个协作移动终端，一个中继节点及一个基站的上行传输系统框图。

图2是本发明的迭代解码算法框图。

图3是不同码率的采用迭代译码算法的交织分布式网络编码系统的EXIT图。

图4是交织分布式网络编码MSK调制系统的误码率性能仿真结果。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对发明做进一步说明。

本发明考虑的是无线蜂窝移动网络中的上行链路传输系统。参见图1，图1示出了包括一个源移动终端A(source MT)，一个协作移动终端B(cooperativeMT)，一个中继节点R(RN)和一个基站C(BS)的上行传输系统框图。其中源移动终端MT通过中继节点RN发送数据包到基站BS。此处，本发明仅以蜂窝移动网络作为实施例，实际上本发明可以应用到所有的无线网络中，比如无线传感网、ad hoc(点对点)、无线局域网等，不应视作限定。

协作传输阶段

源移动终端可以与其他移动终端协作来进行数据传输。根据文献【K.Doppler and M.Xiao，“Innovative concepts in peer-to-peer and networkcoding，”Tech.Rep.D1.3，CELTIC Telecommunication Solutions，2009.】，假设源移动终端MT和协作移动终端MT之间存在直接链路，但基站BS和移动终端之间没有直接链路。

一个数据包的传输可分为两个时隙。在第一个时隙，源移动终端MT将信息包编码为传输码字，然后向中继节点RN和协作移动终端MT广播编码后的数据包。在接收到码字后，中继节点RN和协作移动终端MT开始解码。当协作移动终端MT正确地把来自源移动终端MT的信息的解码后，再利用不同的编码器对该信息进行再编码。当需要的时候，协作移动终端MT将在第二时隙把编码的码字发送给中继节点。

如果中继节点RN可以正确的把源移动终端MT的数据解码，那么中继节点RN就把译码后的来自源移动终端MT的数据信息重新编码调制，然后发射给基站BS。在这种情况下，源移动终端MT不用协作移动终端MT的协作传输。如果中继节点RN不能正确的把源移动终端MT的数据解码，那么中继节点RN就会向协作移动终端MT发送要求传输相同数据的指令，协作移动终端MT收到指令后会把来自源移动终端MT的数据用不同的编码器进行编码，然后发送到中继节点RN。

如图1所示，源移动终端使用率为1/n₁的编码器C₁，而协作移动终端使用率为1/n₂的编码器C₂。中继节点把从源移动终端和协作移动终端分别收到的模拟信号在空中混合，这个操作和物理层网络编码操作很相似，不同的地方在于在本系统中，中继节点把从不同移动终端得到的信号波形首先按照符合间隔分离，然后把每n₁个来自源移动终端的信号波形与每n₂个来自协作移动终端的信号波形进行交替级联。该混合的模拟信号然后被一个针对联合编码器C₁和C₂的解码器所译码。

分布式码率兼容穿刺或者重复卷积码

在本发明中，源移动终端的编码和协作移动终端的再编码采用一类码率兼容的卷积编码。码率兼容的卷积编码包括码率兼容的穿刺卷积编码和码率兼容的重复卷积编码。对于在源移动终端和协作移动终端的每个编码器的码率分别为1/n₁和1/n₂的系统，联合编码器的联合码率将为(n₁+n₂)/n₁n₂。在本发明中，假设所有移动终端的卷积编码器具有相同的约束长度(constraint length)(参见文献【P.Popovski and H.Yomo，“Physical network coding in two-way wireless relaychannels，”IEEE Int.Conf.on Commun.(ICC)，pp.707-711，June 2007.】)。

以下将描述如何获得码率兼容的卷积编码器。

对于码率为1/n的卷积编码器，生成多项式矩阵

$G_N\left(D\right)=\left[\begin{array}{c}{G}^0\left(D\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ G^{n-1}\left(D\right)\end{array}\right],$ 这里 $G^i\left(D\right)=g_o^i+g_1^{i}D+\·\·\·+g_m^i{D}^m,$ i∈{0，…，n-1}

0≤j≤m时的参数

属于集合{0，1}。码率兼容的穿刺卷积码(RCC)可通过穿刺其上一级别(父级)1/n的二进制卷积码来获得。通过使用(n×p)穿刺矩阵，P_mat，其中p是穿刺周期，来实现击穿一些编码符号的操作。这里设s为当穿刺周期是p时总共的传输比特数，RCPC编码率为r＝p/s。对于通过穿刺同一个父级卷积编码获得的两个穿刺卷积编码，如果高码率的穿刺卷积编码是通过根据码率兼容的准则穿刺低码率卷积编码而获得的，那就说这两个穿刺卷积编码码率兼容。码率兼容的准则要求所有的低率穿刺卷积编码必须使用高码率穿刺卷积编码比特，另外再加上一个或者多个比特。也就是说，高码率的穿刺卷积编码的穿刺矩阵是镶嵌在低码率的穿刺卷积编码的穿刺矩阵里边的。

构造重复卷积编码的原理和构造穿刺卷积编码差不多，区别在于不同于穿刺编码里穿刺掉编码比特，重复卷积编码是通过重复父级卷积编码里的一些编码比特而产生的。重复一些编码比特的操作是通过一个重复矩阵实现的，该矩阵的维数是(n×p_o)，这里p_o代表重复周期。该重复矩阵的元素值是大于或者等于1的，这些值对应的是该编码比特被传输的次数。重复卷积编码的编码率是有n和p_o决定的。对于两个通过重复同一个父级卷积码得到的重复卷积编码，如果低率码使用所有的高率码的编码比特再加上一个或者多个重复比特，那么这个重复卷积码是码率兼容的。这就是说低率码重复矩阵里边的所有元素值必须大于或者等于高率码重复矩阵里边的相应元素值。

例如，对于一个码率为2/5，记忆单元为6，重复周期为2的重复卷积编码，其最佳的重复矩阵是

$Q_{2/5}=\left[\begin{array}{cc}2& 1\\ 1& 1\end{array}\right],$ 与其码率兼容的，码率为2/6的重复卷积编码的矩阵可以是下列任何一个

$Q_{2/6}=\left[\begin{array}{cc}2& 2\\ 1& 1\end{array}\right],\left[\begin{array}{cc}2& 1\\ 2& 1\end{array}\right],\left[\begin{array}{cc}2& 1\\ 1& 2\end{array}\right],\mathrm{or}\left[\begin{array}{cc}3& 1\\ 1& 1\end{array}\right].$

中继节点阶段

来自移动终端的编码符号是经BPSK(Binary Phase Shift Keying)调制过的，然后经过不同时隙传输给中继节点。在中继节点，从源移动终端和协作移动终端接收到的波形按照符号对应的波形长度间隔交替地连接在一起。在中继节点，用来解码的解码器是与源移动终端和协作移动终端的联合编码器相对应的。解码器的输出是联合编码器的估计码字。该码字先经过交织，然后送入递归系统卷积(RSC)编码器并进行一个无记忆调制器调制。

所述交织是指将一个序列的部分项插入另外一个或多个序列的部分项中，并使各序列都能保持自身一致性的过程，是通信系统中进行数据处理而采用的一种技术。从其本质上来说是实现最大限度的改变信息结构而不改变信息内容，从传统上来讲是使信道传输过程中所突发产生集中的错误最大限度的分散化，其目的是减少信号比特丢失。

在本发明中，在移动终端和中继节点间采用混合II型自动要求重传(HybridII ARQ)机制(参见文献【Z.Lin，Rate Compatible Convolutional(RCC)Codes andTheir Applications to Type II hybird ARQ Transmission，Master Thesis，ChalmersUniversity of Technology，Gothenbury，Sweden，Feb.1998】)，该机制可以确保从联合解码器输出地码字可以被准确地估计出来。这可以通过对在源移动终端的信息包增加一个循环冗余校验(CRC)来实现。在中继节点的接收机，如果解码的信息不能通过CRC检查，那么中继节点就会要求移动终端根据码率兼容的准则，发送穿刺或者重复编码比特，直到相应于该信息包的码字可以在中继节点正确译码。该译码的码字然后进入到一个网络编码器，再经过一个无记忆数字调制器进行调制然后传输。通过合理的设计网络编码器和数字调制器，可以使它们形成一种数字相位调制机制。在这里为了方便起见，采用J.G.Proakis在【Digital Communication，McGraw-Hill，New York，third edition，1995.】中提出的最小移频键空(MSK)调制方案。在MSK中，网络编码器是一个递归系统卷积编码器(RSC)。B.Rimoldi在【“A Decomposition Approach to CPM，”IEEETrans.Inform.Theory.vol.34，no.2，pp.260-270，Mar.1988.】中证明MSK调制可以被分解为一个RSC和一个无记忆调制器的级联。MSK的优势在于它可以产生一个差分编码波形数据流，并且具有非常高的频谱利用效率。

从MSK调制器产生的波形经通道进行传输。传输通道假设为加性高斯白噪声(AWGN)通道。在中继节点，网络编码器将来自联合移动终端解码器中的一个输出符号作为一个输入并生成一个向量，MSK无记忆调制器将用此向量来产生一个信道传输的波形。

基站阶段

在基站BS，当接收到来自中继节点RN的信号时，基站BS用迭代译码算法为源移动终端MT信息来解码。系统结构如图2所示。图2中，上图是发射机框图，下图是接收机的框图。下标k表示离散时间。π表示随机交织，π^-1表示随机解交织。

迭代算法包括一个针对RSC解码器的和一个针对MT的联合解码器的软进-软出(SISO)算法。对于码率兼容的卷积(RCC)编码，刺破或重复卷积编码器的格型结构是随着时间变化的。假设

n₀＜n，是时间为k时的联合编码的输出信号。

记作相应的输入符号。和

分别是和

的一个实现，同时

j ∈{1，…，n⁰}。在离散时间为k时的格型部分，定义的第j个符号的后验概率(A Posteriori Probability(APP))值的对数率为

$A_{k,1}^{j,O}=\log \frac{{\mathrm{\Σ}}_{e:{\tilde{Y}}_k^{\′}\left(e\right)=1}{\mathrm{\α}}_{k-1}\left(s^{\′}\right)\·{\mathrm{\Γ}}_k(s^{\′},s)\·{\mathrm{\β}}_k\left(s\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{e:{\tilde{Y}}_k^{\′}\left(e\right)=0}{\mathrm{\α}}_{k-1}\left(s^{\′}\right)\·{\mathrm{\Γ}}_k(s^{\′},s)\·{\mathrm{\β}}_k\left(s\right)}.---\left(6\right)$

这里是

第j个符号，它是与时间为k时从状态s′到s的状态转换相关的，这里字符O代表的是外解码器(也就是移动终端的码率兼容联合编码器)。α_k(s)和β_k(s)可以通过分枝量度Γ_k(s′，s)递归计算出来，α_k(s)＝∑_s′α_k-1(s′)Γ_k(s′，s)，β_k(s′)＝∑_sβ_k+1(s)Γ_k+1(s′，s)。在时间为k时，格型部分的分枝量度Γ_k(s′，s)为

对于没有穿刺或者重复的格型部分，n⁰＝n。假设

是

第j个符号先验值的对数率，那么

公式(6)可以进一步表达为

这里

是

的第j个符号的外在信息。它是来自其他符号而不是j符号本身的，这就是为什么叫它为外在信息。

外部联合码率兼容卷积(RCC)解码器的外在APP数值的对数比率

被传送到内部RSC软输入软输出(SISO)模块作为其下一次迭代解码的先验信息

这里I代表内部解码器。类似地，内部解码器的外部APP数值的对数比率

被输入到外部RCC解码器作为其下一次迭代解码中的先验信息

系统的收敛行为可以用EXIT图来分析。EXIT图表是基于这样一个事实，对于一个使用大型的随机交织器的系统，从一个SISO传递到另外一个SISO模块的外在信息数似然比，可以看作一个独立高斯随机变量。通过独立仿真模拟两个不同的SISO模块，可以估计出在一定的Es/N0的情况下的输入/输出的互信息。

仿真结果

本发明在加性高斯白噪声(AWGN)的信道条件下，针对无记忆的数字源序列以及本发明中所提到的分布式网络编码和交织解码的系统进行仿真模拟。所仿真的系统的编码率为

该系统中，源移动终端的编码器是通过穿刺码率为1得父级非系统卷积编码来获得的，这个父级卷积编码的生成多项式是G(D)＝[1+D+D²]。协作移动终端的编码器是通过穿刺码率为1的生成多项式为G(D)＝[1+D²]的父级非系统卷积编码而得到的。因此从中继节点看，源移动终端和协作移动终端的联合编码器是通过穿刺或者重复一个1/2码率的生成多项式为G(D)＝[1+D+D²；1+D²]的父级非系统卷积码而生成的。表1中给出了本系统中采用的穿刺以及重复矩阵。

表1.本系统中采用的穿刺以及重复矩阵

上文曾提到，一个以EXIT图表为基础的收敛性分析主要是用来预测迭代系统的解码门限的。本仿真中使用的穿刺和重复矩阵，是通过从对所有可能的穿刺或者重复模式进行彻底的搜索来获得的。表1中给出的穿刺以及重复矩阵代表着在给定的穿刺或者重复周期的情况下，能给出最小解码门限的搜索结果。这在表1的P² _mat可以看出。在表1中，穿刺矩阵是以八进制的形式给出的，例如(5，3)0代表的穿刺矩阵式为[101；011]，其中0是相应的被穿刺的符号的位置。

图3示出了所仿真的4个不同码率的系统的EXIT图(码率分别为

父级卷积码为G(D)＝[1+D+D²；1+D²])。表1列出了4个分布式编码迭代系统的解码门限。这个门限是E_s/N₀的值以dB表示。另外也给出本系统的99％宽带2BT_b。

图4示出了所仿真的不同码率的分布式网络编码系统的误码率性能图(码率分别为

父级卷积码为G(D)＝[1+D+D²；1+D²])。也同时给出了码率为1/2的父级卷积编码在有交织和无交织的解码情况下的误码率性能表现。由图4可以看出，带有交织以及迭代译码算法的系统比无迭代译码系统的误码率性能有了非常显著的提高。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种无线分布式网络信道编码调制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）源移动终端通过码率兼容的卷积编码器将信息包编码为传输码字，然后广播给中继节点和协作移动终端；

2）中继节点把接收到的来自源移动终端的信号波形和来自协作移动终端的信号波形，按照符号间隔分离，而后交替串联生成新的信号波形；

3）形成的新的信号波形通过在中继节点的解码器进行解调和译码，输出针对源移动终端和协作移动终端的联合编码器的估计码字；

4）所述估计码字先经过交织，然后被送入中继节点的递归系统卷积编码器进行网络编码并进行无记忆调制，然后被发送到基站；

5）基站接收到从中继节点发射的信号波形后，基站采用迭代译码算法进行解码，获得源移动终端的信息；

所述步骤5）中，迭代译码算法包括一个针对递归系统卷积解码器的和一个针对移动终端的联合解码器的软进-软出算法；对于码率兼容的卷积编码，穿刺或重复卷积编码器的格型结构是随着时间变化的；假设

n₀<n，是时间为k时的联合编码的输出信号；

记作相应的输入符号；

和

分别是

和

的一个实现，同时

在离散时间为k时的格型部分，定义

的第j个符号的后验概率值的对数率为

${\mathrm{\&Lambda;}}_{k,1}^{j,O}=\log \frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{e{\widetilde{:Y}}_k^j\left(e\right)=1}{\mathrm{\&alpha;}}_{k-1}\left(s^{\&prime;}\right)\&CenterDot;{\mathrm{\&Gamma;}}_k(s^{\&prime;},s)\&CenterDot;{\mathrm{\&beta;}}_k\left(s\right)}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{e:{\tilde{Y}}_k^j\left(e\right)=0}{\mathrm{\&alpha;}}_{k-1}\left(s^{\&prime;}\right)\&CenterDot;{\mathrm{\&Gamma;}}_k(s^{\&prime;},s)\&CenterDot;{\mathrm{\&beta;}}_k\left(s\right)}.---\left(6\right)$

是

第j个符号，字符O代表移动终端的码率兼容联合编码器；α_k(s)=Σ_s′α_k-1(s′)Γ_k(s′，s);β_k(s′)=Σ_sβ_k+1(s)Γ_k+1(s′，s);在时间为k时，格型部分的分枝量度r_k(s′，s)为 ${\mathrm{\&Gamma;}}_k(s^{\&prime;},s)=\mathrm{Pr}({\tilde{B}}_k={\tilde{b}}_k){\mathrm{\&Pi;}}_{j=1}^{n^0}\mathrm{Pr}({\tilde{Y}}_k^j={\tilde{y}}_k^j);$ 对于没有穿刺或者重复的格型部分，n⁰=n；假设

是

第j个符号先验值的对数率，那么 ${\mathrm{\&Pi;}}_{k,1}^{j,O}=\log \frac{\mathrm{Pr}({\tilde{Y}}_k^j=1)}{\mathrm{Pr}({\tilde{Y}}_k^j=0)};$ 公式（6）可以进一步表达为 ${\mathrm{\&Lambda;}}_{k,1}^{j,O}={\mathrm{\&Lambda;}}_{k,1}^{j,O,e}+{\mathrm{\&Pi;}}_{k,1}^{j,O},$

是

的第j个符号的外在信息；

外部联合码率兼容卷积解码器的外在后验概率数值的对数比率被传送到内部归系统卷积软输入软输出模块作为其下一次迭代解码的先验信息

I代表内部解码器；类似地，内部解码器的外部后验概率数值的对数比率

被输入到外部穿刺卷积解码器作为其下一次迭代解码中的先验信息

2.根据权利要求1所述无线分布式网络信道编码调制方法，其特征在于：所述步骤1）中，码率兼容的卷积编码器包括码率兼容的穿刺卷积编码器和码率兼容的重复卷积编码器。

3.根据权利要求1所述无线分布式网络信道编码调制方法，其特征在于：所述步骤2）中，若中继节点可以正确的把源移动终端的数据解码，则不用协作移动终端进行协作传输；如果中继节点不能正确的把源移动终端的数据解码，则中继节点就会向协作移动终端发送要求传输相同数据的指令，协作移动终端收到指令后把来自源移动终端的数据解码后，利用不同的码率兼容的卷积编码器进行编码，然后发送到中继节点。

4.根据权利要求1所述无线分布式网络信道编码调制方法，其特征在于：所述步骤3）中，中继节点的解码器是针对源移动终端和协作移动终端的联合编码器的解码器。

Images