CN102332964A - 基于网络-信道联合编译码的多接入中继协作通信技术 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于网络-信道联合编译码的多用户接入中继协作通信设计方法。重点在于：将网络编码与信道编码相结合，并应用于三个用户及四个用户接入的情况；在基站我们构造出一个稀疏校验矩阵H对来自用户及中继的码字进行一次网络-信道联合译码。首先，各用户端对要发送的信息比特序列进行一次LDPC编码；而后中继对来自不同用户的码字依次进行：LDPC码的译码、网络编码、第二次LDPC编码(即：对网络编码后合成的一个码字再进行一次LDPC编码)；在基站，我们用稀疏校验矩阵H对来自用户及中继的码字仅进行一次网络-信道联合译码。通过实验证明，该编译码方法能够大大提高了系统的性能增益。

Description

基于网络-信道联合编译码的多接入中继协作通信技术

技术领域

本发明涉及的是网络编码与信道编码相结合的、DF(译码前传)协作方式下的多接入中继协作无线通信技术。特别是三用户及四用户接入的多用户接入中继协作通信技术。重点研究了该通信系统中：网络编码与信道编码相结合的编码技术及其联合译码矩阵的构造与优化问题。

背景技术

有线网络中，信息序列的传输通常是靠网桥、路由器等中继节点进行中继转发实现。这些中继节点对各信息序列只进行简单的存储、转发而不做任何其它处理。以致当需要传输大量数据时，达到中继节点的各个信息序列不得不进行排队等待而使得网络延迟时间增长。这显然限制了网络数据的高速率传输要求。网络编码的引入，有效地解决了这个问题。

网络编码最初应用于有线网络，属于物理层的编码技术。近年来，很多专家学者都将网络编码引入到无线网络通信领域并进行了大量的研究。网络编码的引入能降低网络延迟，提高吞吐率，增强网络健壮性，提高频谱利用率等优点。但无线网络与有线网络相比具有不同的特性，如：广播特性、信道衰落特性等。目前，网络编码引入无线网络的研究还处于初级阶段，将网络编码与现有的较为成熟的无线通信技术进行有效的结合是我们值得进一步深究的问题。

协作技术是MIMO技术的一种推进，它扩大了MIMO技术的应用范围。协作通信技术是近年来无线通信中的热门技术之一，也是下一代移动通信中具有潜力的技术之一。按照协作操作方式不同，协作技术分为：放大前传(AF)协作方式、译码前传协作方式(DF)、编码前传协作方式(CC)等。目前，协作通信技术研究的主要模型是：用户间协作、中继间协作、用户与中继的协作、基站间协作等协作通信模式。无线通信中引入协作技术，有效地利用了无线通信的广播特性，为信息序列提供了可观的分集增益。同时，它增强了无线网络的健壮性，降低了信号的中断概率，提高了信息传输的可靠性。

本发明在多用户接入的中继协作系统中采用DF协作方式，并将网络编码与信道编码相结合进行中继协作通信。用户端及中继处采用的信道编码都为LDPC码。本发明基于网络-信道联合编译码，既具有网络编码的优点又具有协作分集技术的优势。并且，优化后的系统性能更优、应用更广。

发明内容

针对目前无线通信中引入网络编码的中继协作技术，一般都只研究到两个用户接入的情况，本发明提出了：三个及三个以上用户接入的网络编码与信道编码相结合的中继协作无线通信技术；中继端对网络编码的码字进行第二次LDPC信道编码；在基站我们用构造出唯一的一个稀疏校验矩阵H将来所有信号进行一次LDPC联合译码。

1、基于网络-信道联合编译码的DF多接入中继协作通信基本模型

如图1和图2所示，分别为基于网络-信道联合编译码的三用户接入和四用户接入的中继协作通信基本模型。首先我们假设，图中各个用户到中继和基站的信道、中继到基站的信道为相互独立的瑞利信道。径衰落系数取α＝4。

各用户端对待发送的信息序列依次进行：一次LDPC信道编码、交织、BPSK调制、最后发送。信息序列长为K₁，编码后的码字长为N₁，其码率为R₁、校验位长为M₁、生成矩阵为G₁、对应的奇偶校验矩阵为H₁，BPSK调制后以{0，1}等概率发送。需注意的是：信息序列经LDPC编码后变成的码字为系统码。

在中继，我们将来自用户的信号依次进行解交织、LDPC码的译码、网络编码。而后再对网络编码后的码字(码长为N₁)进行一次LDPC编码，编码后的码字也为系统码，且其码长为N₂、码率为R₂、校验位长为M₂、生成矩阵为G₂、对应的校验矩阵为H₂。

2、协作通信系统分析

如图3所示，为三用户接入时联合译码所用到的稀疏校验矩阵H。由信道编码与三用户网络编码相结合的特性，我们在基站将两次信道编码所对应稀疏校验矩阵H₁、H₂整合成一个大的稀疏校验矩阵H，并将来自用户的码字Y₁、Y₂、Y₃以及来自中继的码字Y₄组合成一个较长的码字Y＝[Y₁，Y₂，Y₃，Y₄]，采用LLR BP译码算法对Y进行LDPC码的译码。H矩阵的行数为3*M₁+M₂+N₁，列数为3*N₁+N₂，整个系统的码率为同理，如图4所示，为四用户接入时联合译码所用到的稀疏校验矩阵H。基站对来自四用户的码字Y₁、Y₂、Y₃、Y₄及来自中继的码字Y₅构成的码字Y＝[Y₁，Y₂，Y₃，Y₄，Y₅]进行联合译码，所用到的稀疏校验矩阵H，其行数为4*M₁+M₂+N₁，列数为4*N₁+N₂，整个系统的码率为

图3与图4的矩阵H中，H₂正对下方的“0”表示的是N₁×M₂的零矩阵，“I”表示的是N₁×N₁的单位矩阵。利用信道编码、网络编码及系统码的性质，最终得出稀疏校验矩阵H。

中继在该通信系统中起着非常重要的作用：①提供可观的分集增益；②扩大通信的覆盖范围，减小大尺度衰落；③提供大量的系统校验位，获得可观的编码增益。

本发明之所以能实现三个用户及三个以上用户的接入，关键是：基站将来自不同路径码字的译码矩阵纳入一个大的稀疏校验矩阵H，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；中继对网络编码后的码字进行了第二次LDPC编码，这给系统提供了可观的编码增益；另外，中继缩短了用户到接收端的距离，减小了整个系统的大尺度衰落。

附图说明：

图1是三用户接入的中继协作通信技术

图2是四用户接入的中继协作通信技术

图3是三用户接入时，联合译码所用到的稀疏校验矩阵H

图4是四用户接入时，联合译码所用到的稀疏校验矩阵H

图5是用户、中继以及基站的相对位置示意图

具体实施方式

我们假设原来没进行中继协作通信时，每个用户的发射功率相等，且其值为1；进行中继协作通信后，按功率平均分配的原则，中继及用户的发射功率相等且都为

其中n为用户数量。

为讨论方便，如图5所示，我们将用户标记为U，将中继标记为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，并设用户到基站的信道为信道III，距离为1；用户到中继的信道为信道I，距离为d₁；中继到基站的信道为信道II，距离为d₂。

当将系统所有路径距离做归一化处理后，设用户到中继的距离d₁＝0.5，中继到基站的距离d₂＝0.5，各个用户端到基站的距离为1。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

对应稀疏校验矩阵为H₁。当有三用户接入中继时，中继对经网络编码后得到的码字进行系统第二次LDPC编码，其码率为

则码长值为C＝480(bits)；四个用户接入中继时，中继在进行第二次LDPC编码时，取码率值为

则码长值为C＝1080(bits)。第二次LDPC编码所对应的稀疏校验矩阵为H₂。其行数、列数的变化是由编码码率R₂决定。最后，再根据情况分别由图3或图4的H矩阵进行联合译码。

Claims (4)

1.针对目前含有网络编码且采用DF协作方式的中继协作技术一般都只研究到两个用户接入的情况，本发明提出了：三个及四个用户接入的网络编码与信道编码相结合的中继协作无线通信技术；我们在基站构造出唯一的一个稀疏校验矩阵H将来自不同用户及中继的码字进行一次LDPC联合译码。

2.如权利要求1所述的网络编码与信道编码相结合的中继协作无线通信技术，是在中继处将三个用户或四个用户发来的信号经过LDPC译码(DF方式，译码前传方式)、网络编码，合成一个码字(即：信道编码与网络编码联合编码所生成的码字)，对这个码字再进行一次LDPC编码。

3.如权利要求1所述的在基站构造出唯一的一个稀疏校验矩阵H，此矩阵是将各个用户第一次LDPC信道编码所对应的奇偶校验矩阵H₁以及中继第二次LDPC编码所对应的奇偶校验矩阵H₂一起纳入到一个大的稀疏校验矩阵H中，最后我们对接收到的所有信号仅仅进行一次LDPC译码。

4.如权利要求1所述的稀疏校验矩阵H同时也囊括了网络编码的信息与信道编码的信息，即我们仅仅用一个矩阵H就能实现网络编码与信道编码后的码字的联合译码。

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