CN102355330A

CN102355330A - 基于分布式级联的信道编码系统及其方法

Info

Publication number: CN102355330A
Application number: CN2011103011358A
Authority: CN
Inventors: 彭岳星; 辛海洋; 赵慧; 郑侃; 王文博
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2012-02-15

Abstract

本发明公开了一种基于分布式级联的信道编码系统及其方法，其中该系统包括：多个用户节点用于分别对采集到的原始信息进行基于分组码的信道编码处理得到第一阶段编码信息，并将第一阶段编码信息广播至中继节点和目的节点，多个用户节点属于同一用户协同簇；中继节点用于将接收到的第一阶段编码信息进行解码处理得到原始信息，并对原始信息进行基于分组码的联合信道编码处理得到第二阶段编码信息，将第二阶段编码信息中的校验信息转发至目的节点；目的节点用于根据第一阶段编码信息和第二阶段编码信息进行基于turbo译码原理的多用户联合译码处理，从而得到多个用户节点的原始信息。通过本发明，提高了中继传输效率以及多用户中继系统的可靠性。

Description

基于分布式级联的信道编码系统及其方法

技术领域

本发明涉及通讯领域，尤其涉及一种基于分布式级联的信道编码系统及其方法。

背景技术

目前，在数字通信网络的数据传输中，为防止信息产生错误，用户节点对信息进行信道编码，中继节点以信道解码器来重构信息，并对信息再次进行信道编码并将其发送至基站。基站根据其接收的信道信息尝试重构原信息。在现有技术中，Turbo码是一种具有良好性能的迭代编译码方案。

根据现有技术中的一类技术方案，分别提出了基于单用户、2个用户、4个用户的分布式级联的分组码方案。这类技术方案都对用户的数量进行了限制，不能够应用于用户数动态变化的多用户通信系统。

在现有技术中还提出了一种能够应用于多用户通信的技术方案，但是在该方案中中继节点的编码方案须随用户数量的变化而变化，这提高了工程实施的复杂性。

因此，需要一种简单的、能够适用于用户数动态变化的多用户通信的分布式级联的分组码方案，以解决上述问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于分布式级联的信道编码系统及其方法，以解决现有技术存在的现有分布式级联的分组码方案限制用户数量或实施复杂的问题，其中：

根据本发明实施例的基于分布式级联的信道编码系统包括：多个用户节点，用于分别对采集到的原始信息进行基于分组码的信道编码处理得到第一阶段编码信息，并将第一阶段编码信息广播至中继节点和目的节点，其中，多个用户节点属于同一用户协同簇；中继节点，用于将接收到的第一阶段编码信息进行解码处理得到原始信息，对原始信息进行基于分组码的联合信道编码处理得到第二阶段编码信息，并将第二阶段编码信息发送至目的节点；目的节点，根据第一阶段编码信息和第二阶段编码信息进行基于turbo译码原理的多用户联合迭代译码处理，从而得到多个用户节点的原始信息。

根据本发明实施例的基于分布式级联的信道编码方法包括：每个用户协同簇中的多个用户节点分别对采集到的原始信息进行基于分组码的信道编码处理得到第一阶段编码信息，并将第一阶段编码信息广播至至中继节点和目的节点；中继节点将接收到的第一阶段编码信息进行解码处理得到原始信息，并对原始信息进行基于分组码的联合信道编码处理得到第二阶段编码信息，将第二阶段编码信息发送至目的节点；目的节点根据第一阶段编码信息和第二阶段编码信息进行基于turbo译码原理的多用户联合迭代译码处理，从而得到多个用户节点的原始信息。

与现有技术相比，根据本发明的技术方案，多个用户节点进行独立的编码并发送，中继节点接收到各用户节点的编码信号后进行解码、联合交织等处理，并重新编码并发送校验信息；目的节点将来自用户节点与中继节点的信号进行分组并采用多用户turbo译码方法，从而获得turbo码的编码增益与多用户协作增益。本发明通过利用联合编码技术对多个用户的信息进行处理，不仅能够切实提高中继传输效率，而且能够有效地提高多用户中继系统的可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的基于分布式级联的信道编码系统的架构图；

图2是根据本发明实施例的用户节点的编码处理的示意图；

图3是根据本发明实施例的中继节点的结构框图；

图4是根据本发明实施例的目的节点的结构框图；

图5是根据本发明实施例的基于分布式级联的信道编码方法的流程图；

图6是根据本发明实施例的中继节点的编码处理的示意图；

图7是根据本发明实施例的目的节点的联合迭代译码的示意图；

图8是根据本发明实施例的仿真模型示意图；

图9至图12分别是根据本发明实施例的仿真结果的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。

根据本发明的实施例，提供了一种基于分布式级联的信道编码系统，该系统包括：包括多个用户节点、一个中继节点和一个目的节点。

参考图1，图1是根据本发明实施例的基于分布式级联的信道编码系统的架构图。图1示出了无线网络系统中的一个用户协同簇，该协同簇包括N(N≥2)个用户节点SN_i(i＝0，1，2，...，N-1)、一个中继节点(RN)以及一个目的节点(BN)。

首先，将无线网络系统中的所有用户节点分为多个用户协同簇，其中，从每一个用户协同簇中选择一个节点(SN₀)作为中继节点，该中继节点也称为簇首。在实际应用中，可根据MAC协议进行分簇和选择簇首的操作，例如可以使用LEACH协议(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，低功耗自适应集簇分层型协议)、HEED协议(Hybrid energy-Efficient DistributedClustering)、RCCT协议(Robust Clustering with Cooperative Transmission)等进行分簇和选择簇首的处理。

协同簇中的各用户节点分别对采集到的原始信息进行基于分组码的信道编码处理得到包括原始信息和第一校验信息的第一阶段编码信息，并将第一阶段编码信息广播至中继节点和目的节点。

参考图2，每个用户节点包括有：第一编码模块21，第一调制模块22和第一发送模块23。第一编码模块21用于对原始信息进行基于分组码的信道编码处理，得到包括原始信息和第一校验信息的第一阶段编码信息。第一调制模块22与第一编码模块21连接，用于对第一阶段编码信息进行调制处理。第一发送模块23与第一调制模块22连接，用于将经过调制处理的第一阶段编码信息广播至中继节点和目的节点。

多个用户节点通过多址信道发送各自的编码信息，由于无线信道的广播特性，目的节点和中继节点都能接收到用户节点发送的数据。第i个用户节点的原始信息序列经过信道编码器(Enc_S_i)产生编码序列，再经过调制后发送出去。用户节点的编码信息经调制后依次进行广播，中继节点和目的节点同时接收。根据不同的系统需求，可以在调制后增加OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，正交频分复用)技术和MIMO技术，进一步提高数据传输速率和频谱利用率。

上述的多址信道方式可以采用时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)、频分多址(FDMA或OFDMA)、载波侦听多址(CSMA)其中之一。上述的信道编码通过软输入软输出译码结构进行编码，此操作也称为“行编码”操作，例如包括Hamming码、RS码、BCH码等各种线性分组码。

中继节点将接收到的第一阶段编码信息进行解码处理得到纠错后的原始信息，并对原始信息进行基于分组码的联合信道编码处理得到第二阶段编码信息，并将第二阶段编码信息发送至目的节点。

参考图3，中继节点具体包括：第一接收模块31，第一解调模块32，译码模块33，第一交织模块34，第二编码模块35，第二调制模块36和第二发送模块37。

具体地，第一接收模块31用于接收来自多个用户节点的第一阶段编码信息。第一解调模块32与第一接收模块31连接，用于对第一阶段编码信息进行解调处理。译码模块33与第一解调模块32连接，用于对经过解调处理的数据进行译码处理，得到多个用户节点的原始信息。第一交织模块34与译码模块33连接，用于对经过该原始信息进行整体交织处理。第二编码模块35与第一交织模块34连接，用于对经过交织处理的数据进行基于分组码的联合信道编码处理，得到包括第二校验信息的第二阶段编码信息。第二调制模块36与第二编码模块35连接，用于对第二校验信息进行调制处理。第二发送模块37与第二调制模块36连接，用于将包括第二校验信息的第二阶段编码信息发送至目的节点。

需要说明，由于在第一阶段编码信息中已经包括了经过编码和调制后的原始信息，因此中继节点不用再次向目的节点发送该原始信息，上述的第二阶段编码信息只需包括校验位信息即可。

目的节点(基站)根据第一阶段编码信息和第二阶段编码信息进行基于turbo译码原理的多用户联合译码处理，得到多个用户节点的原始信息。参考图4，目的节点具体包括：第二接收模块41、第二解调模块42、第一译码器组模块43、第二交织模块44、第二译码器组模块45、解交织模块46和判决模块47。

第二接收模块41接收来自多个用户节点的第一阶段编码信息、以及来自中继节点的第二阶段编码信息。第二解调模块42与第二接收模块41连接，用于对第一阶段编码信息进行解调处理得到多个用户节点的信道软信息、并对第二阶段编码信息进行解调处理得到中继节点的信道软信息。第一译码器组模块43与第二解调模块42连接，第一译码器组模块也可称为用户节点译码器组模块，其包括多个成员译码器，用于根据多个用户节点的先验信息和多个用户节点的信道软信息依次进行迭代译码处理，得到多个用户节点的外信息和后验概率软信息，其中，多个用户节点的先验信息在首次迭代译码处理时为0。第二交织模块44与第一译码器组模块43连接，用于对多个用户节点的外信息进行交织处理，得到中继节点的先验信息。第二译码器组模块45分别与第二交织模块44和第二解调模块42连接，第二译码器组模块也可称为中继节点译码器组模块，其包括多个成员译码器，用于根据中继节点的先验信息和中继节点的信道软信息依次进行迭代译码处理，得到中继节点的外信息。解交织模块46与第二译码器组模块45连接，用于对中继节点的外信息进行解交织处理，得到多个用户节点的先验信息。

第一译码器组模块43又与解交织模块46连接，重复在第一译码器组模块43、第二交织模块44、第二译码器组模块45和解交织模块46之间进行联合迭代译码处理，直到达到一定的迭代次数或满足一定的迭代停止条件，判决模块47对第一译码器组模块43输出的后验概率软信息进行硬判决，从而得到多个用户节点的原始信息。

本发明能够应用于无线传感器网络等用户节点数多且活动用户节点数动态变化的无线网络，根据本发明的上述实施例，同一个协同簇内的多个用户节点采用简单的编码方案进行独立的编码，中继节点接收到各用户节点的编码信号后进行解码、联合交织、分组等处理，然后重新编码并转发校验信息；目的节点将来自用户节点与中继节点的信号进行分组并采用多用户turbo译码方法，从而获得turbo码的编码增益与多用户协作增益。

根据本发明的实施例，还提供了一种基于分布式级联的信道编码方法。

图5是根据本发明实施例的基于分布式级联的信道编码方法的流程图，如图5所示，该方法包括：

步骤S502，每个用户协同簇中的多个用户节点分别对采集到的原始信息进行基于分组码的信道编码处理得到第一阶段编码信息，并将第一阶段编码信息广播至中继节点和目的节点。上述的第一阶段编码信息包括原始信息和第一校验信息，经过对第一阶段编码信息调制处理后在网络中广播发送。

步骤S504，中继节点将接收到的第一阶段编码信息进行解码处理得到原始信息，并对原始信息进行整体交织处理后再分组，然后进行基于分组码的信道编码处理得到第二阶段编码信息，将第二阶段编码信息发送至目的节点。

步骤S506，目的节点根据第一阶段编码信息和第二阶段编码信息进行多用户联合迭代译码处理，得到多个用户节点的原始信息。

在步骤S502之前还包括：将无线通信网络中的所有用户节点分为多个用户协同簇，其中，根据具体的MAC协议选择每一用户协同簇中的某个节点作为中继节点。

参考图6，步骤S504具体包括：

(1)中继节点分别对用户节点的编码信号进行译码，得到各用户节点的原始信息估计值。

(2)将各用户节点的估计信息输入交织器进行交织处理。交织器的长度为所有用户节点的信息比特数之和。交织方式可采用简单的规则交织器，也可采用随机交织器。中继节点对所有用户的译码信息进行交织处理，获得多用户交织增益，且随着用户数的增多，多用户交织增益增大。

(3)交织后的数据进行分组，分组数与用户节点数相同。

(4)中继节点对各个分组数据进行独立的编码处理，此编码处理也称为“列编码”操作。列编码操作的编码器与用户节点的编码器相同，即中继节点处的编码方式与用户节点处的编码方式相同。

(5)中继节点在联合“列编码”处理后，将得到的校验位信息发送至目的节点。这样，用户节点的“行编码”信息与中继节点的“列编码”信息在目的节点处构成turbo乘积码的完整码字。

中继节点将多个用户的数据进行联合编码，从而有效地解决了多个用户信息同时进行分布式级联的问题。此外，不需增加编码长度，即不增加额外的计算复杂度。

参考图7，步骤S506具体包括：

(1)当目的节点接收到协同簇的所有编码信号(包括所有用户节点的信息与中继节点转发的信息)后，目的节点对这两部分信息分别进行解调获得相应的信道软信息。

(2)然后，目的节点对上述两部分信息输入多用户turbo乘积码译码器进行迭代译码。多用户turbo乘积码译码器由两个成员译码器组、交织器和解交织器组成。其中，两个成员译码器组分别称为用户节点译码器组和中继节点译码器组，分别对应于协同簇中用户节点的编码器以及中继节点的编码器。为了获得优异性能，采用软信息迭代译码，即成员译码器组之间进行软信息传递并迭代更新。所述成员译码器组结构是由若干个具有软输入软输出译码结构的成员译码器组成，译码算法采用软译码算法，例如Chase软译码算法。其中，成员译码器的个数等于接入网络的最大用户节点数。每个成员译码器均有两个输入端口和两个输出端口。其中，输入为信道软信息P_channel和先验信息P_apriori；输出为经过译码更新的外信息P_extrinsic和后验概率软信息P_aposteriori，成员译码器的所有输入输出信息均包含原始信息和校验信息。

(3)译码过程包含若干次迭代过程。在第一次迭代时，用户节点译码器组的输入先验信息

初始化为0，输入信道软信息

为解调后的用户节点软信息，译码后的输出外信息

在交织后作为中继节点译码器组的输入先验信息

中继节点译码器组的输入信道软信息

为解调后的中继节点软信息，译码后的输出外信息

经过解交织后反馈到用户节点译码器组，作为下一次迭代译码的输入先验信息所有译码器先验输入信息和后验输出信息均只包括系统位的信息，等效于每次只对系统位的信息进行更新。重复上述迭代过程直到达到一定的迭代次数或满足一定的迭代停止条件为止。最后，根据用户节点译码器组输出的后验概率软信息进行硬判决，即得到译码输出。目的节点(基站端)采用联合迭代译码，通过在两个译码器组之间传递软信息以完成迭代操作，极大地增加了译码的可靠度。

下面对本发明的技术方案进行数值仿真以评估其系统误码性能。在实际的无线传感器网络上行系统中，用户节点(SN)通过中继节点(RN)接入网络，这时可以假设SN的位置距离RN相比于目的节点(BN)较近。如图8所示，位置相近从而具有近似相等SNR的N-1个相邻用户节点组成一个节点簇，该用户簇通过RN接入网络。

定义SN-RN链路的信噪比为SNR_SR，SN-BN链路的信噪比为SNR_SB，RN-BN链路的信噪比为SNR_RB。评估以下两种场景下的系统性能，场景一：所有用户节点到目的节点的信噪比和中继节点到目的节点的信噪比相同，即SNR_RB＝SNR_SB；场景二：所有用户节点到目的节点的信噪比，低于中继节点到目的节点的信噪比10dB，即SNR_RB＝SNR_SB+10dB。假设三条链路的信道均为准静态单径瑞利衰落信道，仿真系统的主要仿真参数见表1所示。

表1

为了评估所提出的分布式级联信道编码方案的误码性能，对比两种场景下的方案性能，图9和图10对应于场景一，图11和图12对应于场景二。从仿真结果中可以得出：

(1)随着用户数目的增加，会带来误码性能增益的提升，说明编码增益和信道改造获得的时间分集增益越明显。

(2)多用户协同簇距离目的节点越远，这种多用户带来的性能增益越明显，说明功率效率更高，因此可以降低发射功率。

(3)低码率时，较少用户带来的系统增益较明显；高码率时，较多用户带来的系统增益较明显。

综上所述，本发明可以灵活应用于各种用户数目的场景，且随着用户数目的增加获得更高的误码率性能提升。在给定的误码率或误帧率条件下，本发明方案可以降低SNR要求，即降低了发射功率，从而提高了系统的功率效率。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims

1.一种基于分布式级联的信道编码系统，其特征在于，包括：

多个用户节点，用于分别对采集到的原始信息进行基于分组码的信道编码处理得到第一阶段编码信息，并将所述第一阶段编码信息广播至中继节点和目的节点，其中，所述多个用户节点属于同一用户协同簇；

所述中继节点，用于将接收到的第一阶段编码信息进行解码处理得到原始信息，对所述原始信息进行基于分组码的联合信道编码处理得到第二阶段编码信息，并将所述第二阶段编码信息发送至所述目的节点；

所述目的节点，用于根据所述第一阶段编码信息和所述第二阶段编码信息进行基于turbo译码原理的多用户联合迭代译码处理，从而得到多个用户节点的原始信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个用户节点包括：

第一编码模块，用于对所述原始信息进行基于分组码的信道编码处理，得到包括原始信息和第一校验信息的第一阶段编码信息；

第一调制模块，用于对第一阶段编码信息进行调制处理；

第一发送模块，用于将经过调制处理的第一阶段编码信息广播至所述中继节点和所述目的节点。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述中继节点具体包括：

第一接收模块，用于接收来自所述多个用户节点的第一阶段编码信息；

第一解调模块，用于对所述第一阶段编码信息进行解调处理；

译码模块，用于对经过解调处理的数据进行译码处理，得到所述多个用户节点的原始信息；

第一交织模块，用于对得到的原始信息进行交织处理；

第二编码模块，用于对经过交织处理的数据进行基于分组码的联合信道编码处理，得到包括第二校验信息的第二阶段编码信息；

第二调制模块，用于对所述第二校验信息进行调制处理；

第二发送模块，用于将包括所述第二校验信息的第二阶段编码信息发送至所述目的节点。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述目的节点具体包括：

第二接收模块，用于接收来自所述多个用户节点的第一阶段编码信息、以及来自所述中继节点的第二阶段编码信息；

第二解调模块，用于对所述第一阶段编码信息进行解调处理得到多个用户节点的信道软信息、并对所述第二阶段编码信息进行解调处理得到中继节点的信道软信息；

第一译码器组模块，包括多个成员译码器，用于根据多个用户节点的先验信息和多个用户节点的信道软信息依次进行迭代译码处理，得到多个用户节点的外信息和后验概率软信息，其中，多个用户节点的先验信息在首次迭代译码处理时为0；

第二交织模块，用于对所述多个用户节点的外信息进行交织处理，得到中继节点的先验信息；

第二译码器组模块，包括多个成员译码器，用于根据中继节点的先验信息和中继节点的信道软信息依次进行迭代译码处理，得到中继节点的外信息；

解交织模块，用于对所述中继节点的外信息进行解交织处理，得到多个用户节点的先验信息；

判决模块，用于在所述第一译码器组模块和所述第二译码器组模块的联合迭代译码处理满足预定的迭代停止条件时，对所述第一译码器组模块输出的后验概率软信息进行硬判决，从而得到多个用户节点的原始信息。

5.一种基于分布式级联的信道编码方法，其特征在于，包括：

每个用户协同簇中的多个用户节点分别对采集到的原始信息进行基于分组码的信道编码处理得到第一阶段编码信息，并将所述第一阶段编码信息广播至中继节点和目的节点；

所述中继节点将接收到的第一阶段编码信息进行解码处理得到原始信息，对所述原始信息进行基于分组码的联合信道编码处理得到第二阶段编码信息，并将所述第二阶段编码信息发送至所述目的节点；

所述目的节点根据所述第一阶段编码信息和所述第二阶段编码信息进行基于turbo译码原理的多用户联合迭代译码处理，从而得到多个用户节点的原始信息。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，每个用户协同簇中的多个用户节点分别对采集到的原始信息进行基于分组码的信道编码处理得到第一阶段编码信息，包括：

所述多个用户节点分别对所述原始信息进行基于分组码的信道编码处理，得到包括原始信息和第一校验信息的第一阶段编码信息，并对所述第一阶段编码信息进行调制处理。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述中继节点将接收到的第一阶段编码信息进行解码处理得到原始信息，并对所述原始信息进行基于分组码的联合信道编码处理得到第二阶段编码信息，包括：

所述中继节点依次对所述第一阶段编码信息进行解调处理和译码处理，得到所述多个用户节点的原始信息；

所述中继节点对所述多个用户节点的原始信息进行交织处理；

所述中继节点对交织处理后的数据进行基于分组码的联合信道编码处理，得到包括第二校验信息的第二阶段编码信息，并对所述第二阶段编码信息进行调制处理。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述目的节点根据所述第一阶段编码信息和所述第二阶段编码信息进行基于turbo译码原理的多用户联合迭代译码处理，包括：

所述目的节点对所述第一阶段编码信息进行解调处理得到多个用户节点的信道软信息、并对所述第二阶段编码信息进行解调处理得到中继节点的信道软信息；

所述目的节点根据多个用户节点的先验信息和多个用户节点的信道软信息依次进行迭代译码处理，得到多个用户节点的外信息和后验概率软信息，其中，多个用户节点的先验信息在首次迭代译码处理时为0；

所述目的节点对所述多个用户节点的外信息进行交织处理，得到中继节点的先验信息；

所述目的节点根据中继节点的先验信息和中继节点的信道软信息依次进行迭代译码处理，得到中继节点的外信息；

所述目的节点对所述中继节点的外信息进行解交织处理，得到多个用户节点的先验信息；

在联合迭代译码处理满足预定的迭代停止条件时，所述目的节点对输出的后验概率软信息进行硬判决，得到多个用户节点的原始信息。