CN102299733B - 协同通信系统的中继编码构造方法 - Google Patents

Abstract

协同通信系统的中继编码构造方法，根据协同通信系统中的源节点数目和目的节点的输入链路数目以及系统译码要求，确定最佳卷积码，然后通过最佳卷积码反过来确定协同通信系统中继节点的编码构造方案，构造中继编码。本发明解决了协同通信系统中继节点的编码问题，对于给定的协同通信系统，通过最佳卷积码确定中继节点的最佳编码构造方案，从而使给定的协同通信系统获得最佳性能。

Description

协同通信系统的中继编码构造方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及协同无线通信，具体为一种通信系统的中继编码构造方法，用于中继节点最佳编码的构造。

背景技术

协同通信是无线通信中重要的一种方式。协同通信技术在不改变现有系统通信体制和设备天线数量的前提下，利用各终端间的中继功能构造虚拟的多输入多输出(MIMO)系统，大大提高系统的性能和容量，因此在国内外军、民用通信领域得到高度重视。

韩国的Jaemin Han在文献”A Simple Technique to Enhance Diversity Order in WirelessFading Relay Channels”中提出了一种在三节点协同通信系统中的中继异或编码方案(中继节点采用译码转发方式)，中继节点对从源节点接收到的信息进行简单的前后比特异或编码，然后再转发出去；目的节点采用了最大似然迭代译码。在没有增加额外资源消耗的前提下，系统在只有两条分集路径的情况下获得了三重分集的性能。对该方案进行分析发现，对源节点的信息与中继节点异或编码后的信息按比特重新进行排列，构成了由(2，1，1)卷积码(2，[1 3])编码器编码后的信息，因此目的节点也可以采用维特比译码。但是，该方案没有研究这种异或编码是否最佳，也就是无法确定这种方式是否能使协同通信系统达到最佳性能；此外，对于更一般的协同通信系统，如存在多个中继节点和多个源节点时，中继节点应采用何种编码方法才能获得最佳的系统性能，均未研究。

因此，对于具有多个中继节点和多个源节点的协同通信系统，需要对中继节点设计编码方案，使系统获得最佳性能。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有的协同通信系统中，一方面，一般中继节点通过采用编码转发能够提高系统性能，但是采用何种编码方式能够获得最佳的系统性能还有待于研究；另一方面，中继节点越多，提供的分集增益越大，但是，多个中继节点分别如何进行合作编码才能获得最佳的系统性能也有待于研究。

本发明的技术方案为：协同通信系统的中继编码构造方法，对具体的协同通信系统进行模型分析，从而确定卷积码的码率，然后根据协同通信系统的译码条件确定最佳卷积码，最后根据最佳卷积码确定协同通信系统中继节点的编码方案，构造中继编码；其中，协同通信系统对应的卷积码编码器的输入序列为k，输入序列的数目为n，v_i为有k个输入序列的卷积码编码器中第i移位寄存器的长度，i＝1，2，…，k，卷积码编码器的整体约束长度

具体的实现步骤如下：

第1步：根据给定协同通信系统模型确定协同通信系统源节点个数k′、输入链路个数n′，令卷积码编码器的k＝k′，n＝n′，确定卷积码的码率k/n；

第2步：罗列出码率R＝k/n的所有最佳卷积码；

第3步：根据给定协同通信系统译码条件，也就是其中继节点的编码存储长度v′，令卷积码编码器的整体约束长度v＝v′，对应第2步中罗列的所有最佳卷积码，根据确定的卷积码编码器的整体约束长度v进行选择，得到用(n，k，g)表示的(n，k，v)最佳卷积码，其中g为(n，k，v)的生成矩阵；

第4步：根据(n，k，v)最佳卷积码确定协同通信系统的中继节点的编码方案，构造中继编码。

第3步中生成矩阵g是根据(n，k，v)利用查表法直接得到的；或者根据(n，k，v)利用查表法得到校验矩阵h，再根据校验矩阵h推导得到。

本发明对给定协同通信系统确定其适用的最佳卷积码，然后通过最佳卷积码反过来确定协同通信系统中继节点的编码构造方案，本发明对协同通信系统进行了研究，根据给定协同通信系统的n′，k′，v′，来逐步确定卷积码编码器对应卷积码的n、k、v，从而得到(n，k，v)最佳卷积码，而(n，k，v)最佳卷积码根据现有的卷积码理论：最大化自由距离准则和最小化最邻近码字数目准则，是已经确定其性能是最佳的；本发明方法简单，快速确定中继节点编码的构造方法，并确保系统性达到最优，因为最佳卷积码的编码性能优于其它卷积码是现有技术已经证明的，因此通过最佳卷积码确定的协同通信系统的中继编码必然使协同通信系统的性能达到最好，而现有技术的中继编码方案未研究、也不能确定其编码是否最佳，无法保证采用的编码方法是否能提高协同通信系统的性能，而本发明直接就确定了使系统达到最佳性能的编码方法，因此本发明通过卷积码的理论开创性地提出了一种在协同通信系统中确定了最佳的中继编码构造方式。

附图说明

图1为协同通信系统中的卷积码编码器示意图。

图2为协同通信系统的示意图。

图3为本发明实施例一的四节点协同通信模型。

图4为本发明实施例一罗列的码率R＝1/2的卷积码的所有最佳结构。

图5为本发明实施例一的卷积码编码器结构图。

图6为本发明实施例一的编码构造方法示意图。

图7为本发明实施例一的仿真，AWGN信道下(2，1，2)卷积码不同生成矩阵的性能比较。

图8为本发明实施例一的仿真，Rayleigh快衰落信道下(2，1，2)卷积码不同生成矩阵的性能比较.

图9为本发明实施例二的六节点协同通信模型。

图10为本发明实施例二罗列的码率R＝2/3的卷积码的所有最佳结构。

图11为本发明实施例二的卷积码编码器结构图。

图12为本发明实施例二的编码构造方法示意图。

图13为本发明实施例二的仿真，AWGN信道下(3，2，2)卷积码不同生成矩阵的性能比较。

图14为本发明实施例二的仿真，Rayleigh快衰落信道下(3，2，2)卷积码不同生成校验矩阵的性能比较。

具体实施方式

首先对协同通信系统中卷积码编码器中使用的术语进行说明，如图1所示：k为卷积码编码器的输入序列的数目，n为卷积码编码器的输出序列的数目，v_i为有k个输入序列的卷积码编码器中第i移位寄存器的长度，i＝1，2，…，k，

为卷积码编码器的整体约束长度，具有整体约束长度v的码率R＝k/n卷积码编码器称为(n，k，v)卷积码编码器。

协同通信系统如图2所示：协同通信系统存在着至少一个源节点S、至少一个中继节点R和一个目的节点D。该协同通信系统可以划分为两个子信道：从源节点S到中继节点R和目的节点D的广播信道；从源节点S和中继节点R到目的节点D的多址信道，多址信道中，每一条由源节点S或中继节点R到达目的节点D的信道称为输入链路。即协同通信系统可以看成是广播信道和多址信道的组合。广播信道采用的是广播通信技术，多址信道采用的是多址接入技术。另外，中继节点进行编码时，会把接收到的比特信息存储在移位寄存器中，然后选择其中的一些比特进行异或编码。这里，设k′为源节点的数目，n′为多址信道中输入链路的数目，v′为中继节点的编码存储长度。当协同通信系统只有单个源节点时，v′表示所有中继节点移位寄存器的合并长度，即中继节点中参与编码的比特跨度；当系统有k′个源节点时，对第i个源节点求得与之相对应的所有中继节点移位寄存器合并长度的最大值v′_i，此时中继节点的编码存储长度

根据上述说明，协同中继系统的源节点数目对应卷积码编码器的输入序列数目，协同中继系统的多址信道中输入链路数目对应卷积码编码器的输出序列数目，协同中继系统的编码存储长度对应卷积码编码器的整体约束长度。

本发明为一种协同通信系统中继节点最佳编码的构造方法，按照上述说明，(1)分析协同通信系统的结构；(2)确定其卷积码编码器对应卷积码的码率；(3)枚举出该种码率的最佳卷积码；(4)根据给定协同通信系统的译码要求，在枚举的最佳卷积码中确定一种最佳卷积码；(5)根据这种最佳卷积码决定协同通信系统中继节点的编码方案。即，根据协同通信系统的结构和译码条件，得到最佳卷积码，进而确定中继节点的编码构造方法。根据本发明确定的中继节点的编码构造方法，在给定n′，k′，v′的条件下，其对应的(n，k，v)最佳卷积码已经确定，根据卷积码理论的最大化自由距离准则和最小化最邻近码字数目准则，最佳卷积码的编码性能最好，因而使得协同通信系统的性能达到最好，因此，这种中继节点编码构造方法是最佳的编码构造方法。

根据上述的技术方案，本发明首先要对具体的协同通信系统进行模型分析，分析协同通信系统源节点个数、输入链路个数，从而确定某种码率的卷积码，然后根据协同通信系统的译码条件确定所要采取的最佳结构，最后根据最佳卷积码确定协同通信系统中继节点的编码方案，具体的实现步骤如下：

第1步：根据给定协同通信系统模型确定协同通信系统源节点个数k′、输入链路个数n′，令卷积码编码器的k＝k′，n＝n′，确定卷积码的码率k/n；

第2步：罗列出码率R＝k/n的一系列最佳卷积码，这里最佳卷积码的罗列可参考Shu Lin等编著的《差错控制编码(原书第2版)》；

第3步：根据给定协同通信系统译码条件，也就是其中继节点的编码存储长度v′，令卷积码编码器的整体约束长度v＝v′，对应第2步中罗列的所有最佳卷积码，根据确定的卷积码编码器的整体约束长度v进行选择，得到用(n，k，g)表示的(n，k，v)最佳卷积码，其中g为生成矩阵；

第4步：根据(n，k，v)最佳卷积码确定协同通信系统的中继节点的编码方案，构造中继编码。

以下给出本实施例一，如图3所示的四节点协同通信系统。该系统存在一个源节点S，二个中继节点R1和R2，一个目的节点D。该系统可以划分为两个子信道：从源节点S到中继节点R1和R2的广播信道；从中继节点R1和R2到目的节点D的多址信道。每个发射周期分为三个时隙，在第一时隙里，源节点S广播一帧信息给中继节点R1和R2；在第二时隙里，中继节点R1发射一帧信息给目的节点；在第三时隙里，中继节点R2发射一帧信息给目的节点，目的节点D对第二、三时隙里收到的信息进行合并。

按照上述步骤分析如下：

第1步：源节点个数k′＝1、输入链路个数n′＝2，使卷积码编码器的输入序列数k＝k′＝1，输出序列数n＝n′＝2，从而确定卷积码的码率k/n＝1/2；

第2步：罗列出码率1/2的一系列最佳卷积码，该码率的最佳卷积码以生成矩阵的形式给出，如图4所示；

第3步：若协同通信系统的译码条件要求v′＝2，则在第2步中罗列的最佳卷积码中确定(2，1，2)最佳卷积码，生成矩阵为[5 7]，该最佳卷积码表示为(2，1，[5 7])，其对应的卷积码编码器结构如图5所示；

设输入序列为a，b，c，d，e，f，移位寄存器的初始状态为0，按照卷积码编码规则，输出序列为

第4步：按照(2，1，[5 7])最佳卷积码，确定中继节点R1的编码规则是：相隔的两个比特进行异或编码；中继节点R2的编码规则是：三个连续比特进行异或编码。如图6所示。

表1源节点、中继节点发射，目的节点接收合并信息表

因此，如表1所示，若源节点S在第一时隙里发射的一帧信息是a，b，c，d，e，f，这一时隙源节点广播信息到二个中继节点，中继节点接收后重新编码后转发给目的节点，按图6编码规则，则中继节点R1在第二时隙里发射的一帧信息是

中继节点R1在第三时隙里发射的一帧信息是

目的节点D对上述接收到的中继节点的两帧信息进行组合：

显然目的节点的组合信息与上述卷积码输出序列一样。

图7对(2，1，2)的各种卷积码在AWGN信道下进行仿真，方框内罗列出进行仿真的各种生成矩阵，图中曲线表示各种生成矩阵对应的误码率曲线，误码率曲线表明，由(2，1，[5 7])最佳卷积码确定的中继编码的性能最好；图8对(2，1，2)的各种卷积码在Rayleigh快衰落信道下进行仿真，方框内罗列出进行仿真的各种生成矩阵，图中曲线表示各种生成矩阵对应的误码率曲线，误码率曲线表明，由(2，1，[5 7])最佳卷积码所确定的中继编码在中高信噪比时性能最好。因此图7、8的仿真进一步验证了采用本发明通过确定最佳卷积码来进行中继编码是最佳的。

以下给出本实施例二，如图9所示的六节点协同通信系统。该系统存在二个源节点S1和S2，三个中继节点R1、R2和R3，一个目的节点D。该系统可以划分为两个子信道：从源节点S1、S2到中继节点R1、R2和R3的广播信道；从中继节点R1、R2和R3到目的节点D的多址信道。每个发射周期分为五个时隙，在第一时隙里，源节点S1广播一帧信息给中继节点R1、R2和R3；在第二时隙里，源节点S2广播一帧信息给中继节点R1、R2和R3；在第三时隙里，中继节点R1发射一帧信息给目的节点；在第四时隙里，中继节点R2发射一帧信息给目的节点；在第五时隙里，中继节点R3发射一帧信息给目的节点。目的节点D对第三、四、五时隙里收到的信息进行合并。

按照上述步骤分析如下：

第1步：源节点个数k′＝2、输入链路个数n′＝3，得到卷积码编码器k＝k′＝2，n＝n′＝3，从而确定卷积码的码率R＝k/n＝2/3；

第2步：罗列出码率R＝2/3的一系列最佳卷积码，该码率的最佳卷积码以校验矩阵的形式给出，如图10所示，可以通过推导得到对应的生成矩阵；

第3步：若协同通信系统的译码条件要求v′＝2，则得到(3，2，2)最佳卷积码，校验矩阵为[3 5 7]，其对应的一个生成矩阵为[2 1 3；1 3 3]，表示为(3，2，[2 1 3；1 33])，卷积码编码器结构如图11所示；

假设输入序列为a，b，c，d，e，f，g，h，分成上下两路，则输入1：a，c，e，g，输入2：b，d，f，h，移位寄存器的初始状态为0，按照卷积码编码规则，输出序列为

第4步：按照(3，2，[2 1 3；1 3 3])最优卷积码，确定中继节点R1、R2、R3的编码规则如图12所示。

表2源节点、中继节点发射，目的节点接收合并信息表

因此，如表2所示，若源节点S1在第一时隙里发射的一帧信息是a，c，e，g，源节点S2在第二时隙里发射的一帧信息是b，d，f，h，这两个时隙源节点广播信息到三个中继节点，中继节点接收后重新编码后转发给目的节点，按图12编码规则，则中继节点R1在第三时隙里发射的一帧信息是

中继节点R2在第四时隙里发射的一帧信息是

中继节点R3在第五时隙里发射的一帧信息是

目的节点D对上述接收到的中继节点的三帧信息进行组合：

显然目的节点的组合信息与上述卷积码输出序列一样。

图13对(3，2，2)的各种卷积码在AWGN信道下进行仿真，方框内罗列出进行仿真的各种生成矩阵，图中曲线表示各种生成矩阵对应的误码率曲线，误码率曲线表明，由(3，2，2)最佳卷积码所确定的中继编码的性能最好；图14对(3，2，2)的各种卷积码在Rayleigh快衰落信道下进行仿真，方框内罗列出进行仿真的各种生成矩阵，图中曲线表示各种生成矩阵对应的误码率曲线，误码率曲线表明，由(3，2，2)最佳卷积码所确定的中继编码在中高信噪比时性能最好。因此图13、14的仿真进一步验证了采用本发明所确定的中继编码是最佳的。

Claims (1)

1.协同通信系统的中继编码构造方法，其特征是对具体的协同通信系统进行模型分析，从而确定卷积码的码率，然后根据协同通信系统的译码条件确定最佳卷积码，最后根据最佳卷积码确定协同通信系统中继节点的编码方案，构造中继编码；其中，协同通信系统对应的卷积码编码器的输入序列为k，输入序列的数目为n，v_i为有k个输入序列的卷积码编码器中第i移位寄存器的长度，i=1,2,···,k，卷积码编码器的整体约束长度 $v=\underset{1\≤i\≤k}{\mathrm{\Σ}}{v}_i,$

具体的实现步骤如下：

第1步：根据给定协同通信系统模型确定协同通信系统源节点个数k′、输入链路个数n′，令卷积码编码器的k=k′，n=n′，确定卷积码的码率k/n；

第2步：罗列出码率R=k/n的所有最佳卷积码；

第3步：根据给定协同通信系统译码条件，也就是其中继节点的编码存储长度v′，令卷积码编码器的整体约束长度v=v′，对应第2步中罗列的所有最佳卷积码，根据确定的卷积码编码器的整体约束长度v进行选择，得到用(n,k,g)表示的(n,k,v)最佳卷积码，其中g为(n,k,v)的生成矩阵，生成矩阵g根据(n,k,v)利用查表法直接得到，或者根据(n,k,v)利用查表法得到校验矩阵h，再根据校验矩阵h推导得到；

第4步：根据(n,k,v)最佳卷积码确定协同通信系统的中继节点的编码方案，构造中继编码。

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