CN102412935A - 多址中继接入信道基于软比特信息的网络编码系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多址中继接入信道基于软比特信息的网络编码系统，其特征在于，包括：源节点传输模块，用于将数据信息进行初始化，传送给中继模块；中继模块，用于将数据信息解码操作后，利用所接收到的数据信息的软比特信息计算网络编码后比特的对数似然比值，也就是网络编码的软比特信息，并将该软比特信息传送至收端模块；收端模块，用于将中继模块所传输的软比特信息进行解网络编码操作。

Description

多址中继接入信道基于软比特信息的网络编码系统与方法

技术领域

本发明针对无线通信系统上行多址中继接入信道，设计了一种基于软比特信息的网络编码中继技术和在目的节点解网络编码的迭代消息传递方法。

背景技术

网络编码是一种融合了路由和编码的信息交换技术，它的核心思想是在网络中的各个节点上对各条信道上收到的信息进行线性或者非线性的处理，然后转发给下游节点，中间节点扮演着编码器或信号处理器的角色。根据图论中的最大流-最小割定理，数据的发送方和接收方通信的最大速率不能超过双方之间的最大流值(或最小割值)，如果采用传统多播路由的方法，一般不能达到该上界。R Ahlswede等人以蝴蝶网络的研究为例，指出通过网络编码，可以达到多播路由传输的最大流界，提高了信息的传输效率，从而奠定了网络编码在现代网络通信研究领域的重要地位。

无线信道的广播特性和无线网络业务流的双向性非常适合使用网络编码。目前，网络编码的研究热点已经由传统的有线网络场景下的网络编码技术转向了无线网络场景下的网络编码技术，原来在网络层处理的网络编码技术下降到物理层跟物理层信号处理算法相结合，比如，物理层网络编码、基于网络编码的协作方案设计以及实际编码协议性能评估等。相对于传统的合作方案，基于网络编码的方案在同等的频谱效率下可达到更高的分集增益。

传统中继的做法主要有两种方式，放大转发(Amplify-Forward，简记为AF)和解码转发(Decode-Forward，简记为DF)，放大转发又称之为非再生中继，解码转发又称之为再生中继。放大转发对收到的信号仅进行一定功率因子的放大就转发给目的节点，不需要解码恢复，操作简单，性能良好，但它也有噪声放大效果。解码转发需要对发端的信号进行解码恢复，由于无线信道的恶劣性和不确定性，解码后的比特信息往往具有错误，若将这些错误的比特再进行编码转发给目的节点，将导致错误传播现象，影响最后系统性能。解码转发策略在信道条件较好的情况下性能不错，但在信道条件较差的情况时，错误传播现象比较严重，性能将快速极度恶化。

由于软比特信息不但具有硬判决后的比特信息，同时还保留了比特的可靠度信息，具有比硬判决结果更多的信息量，能获得比硬判决方法更好的性能，特别适合较低信噪比的环境。利用软比特信息进行网络编码是最近出现的比较新颖的适合无线信道传输和处理的网络编码技术。基于软比特信息的网络编码技术的研究目前还集中在由2个源节点、1个中继节点和1个目的节点组成的典型多址接入中继信道场景。该类网络编码策略是为了克服传统基于硬判决类网络编码协议和方法的一个重大缺点，即中继必须正确接收来自两个源节点的信息。

针对典型多址接入中继信道场景，对基于软比特信息网络编码技术进行深入研究的基础上，本发明提出了一种分离式的网络信道编码系统方案，目的节点采用迭代信息传递算法(Message Passing Algorithm，简记为MPA)从中继通道传送的网络编码软比特信息中提取合并源节点发送的信息，仿真结果表明该方案优于传统的基于硬判决的网络编码策略，并且该方案可以很容易地推广到一般的由多个源节点、多个中继和单个目的节点组成的多址接入中继信道场景。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开一种多址中继接入信道基于软比特信息的网络编码系统，其特征在于，包括：

源节点传输模块，用于将数据信息进行初始化，传送给中继模块；

中继模块，用于将数据信息解码操作后，利用所接收到的数据信息的软比特信息计算网络编码后比特的对数似然比值，也就是网络编码的软比特信息，并将该软比特信息传送至收端模块；

收端模块，用于将中继模块所传输的软比特信息进行解网络编码操作。

所述的网络编码系统，其特征在于，所述中继模块还包括软中继策略模块，用于计算从源节点传输模块发送的数据信息的对数似然比值，将其中一路进行比特交织操作。

所述的网络编码系统，其特征在于，所述软中继策略模块，还用于软解调获取每软比特信息对数似然比值，所述对数似然比值L₁，L₂分别为：

其中，

为软解调函数；其中

和

分别表示中继接收到的来自源节点1和2的信息；

对其中一路软比特信息进行交织，

L′₂＝π(L₂)

其中，π(·)为交织函数，交织长度为信道编码后包的比特数，L′₂为对另一路软比特信息交织之后的结果；

根据从两源节点信息的LLR值直接计算网络编码后软比特的对数似然比值，所述对数似然比值L_r为：

其中，运算符

为软比特信息合并操作，L_r即为网络编码后比特的对数似然比值，若l，l₁，l₂分别为比特u，u₁，u₂的软比特信息，若其中

表示网络编码操作(模2加运算)，也就是异或操作，则有

其中e为自然对数。

所述的网络编码系统，其特征在于，所述中继模块还包括限幅操作模块，用于对网络编码后发送到收端模块以前的软比特信息进行非线性函数限幅，

$x_r=\stackrel{\‾}{\mathrm{\Ξ}}\left(L_r\right)$

其中，

为非线性限幅函数，x_r为限符后的结果，即为中继转发给收端模块的网络编码。

所述的网络编码系统，其特征在于，所述收端模块还包括迭代消息传递模块，用于进行迭代消息传递策略，进行解网络编码操作，

初始化从校验节点A到变量节点节点的外信息，校验节点是一个虚拟节点，校验节点一共收到三路信息，分别来自源节点1、中继节点和源节点2，这里的变量节点指代的就是这三个节点；

L_cv(A，i)＝0，i∈{1，2，3}，

其中，0为与软比特序列等长的0序列，i为下标标记；

计算从变量节点i传递给校验节点A的外信息，为

L_vc(i，A)＝L_i+L_cv(A，i)，i∈{1，2，3}；

计算从校验节点A传递给变量节点的外信息，为

其中， ${\tilde{L}}_{\mathrm{vc}}(3,A)=\mathrm{\π}\left(L_{\mathrm{vc}}(3,A)\right),$ ${\tilde{L}}_{\mathrm{cv}}(A,A)=\mathrm{\π}\left(L_{\mathrm{cv}}(A,3)\right),$ π(·)表示交织操作；

在经过1次或多次完整迭代过程后，对软比特信息序列{L₁＝L_cv(A，1)}和{L₂＝L_cv(A，3)}进行信道解码，恢复出源节点发送的数据，L_vc(1，A)为从变量节点1(也就是源节点1)到校验节点A的外信息，L_cv(A，1)为从校验节点A到变量节点1(也就是源节点1)的外信息。

所述的网络编码系统，其特征在于，所述收端模块还包括迭代消息传递模块，还用于在进行迭代消息传递策略以前，根据各条链路信道质量进行加权，得到相应各路软比特信息的对数似然比值，所述对数似然比值L₁，L₂，L_r分别为，

其中，ξ_sd为从源节点到目的节点链路的信噪比(线性值)，ξ_srd为从源节点经中继节点到目的节点链路的等价信噪比(线性值)；

为软解调函数；其中y₁，y₂，y_r分别表示目的节点接收到的来自源节点1，源节点2和中继的信息；若对数似然比值L₁的信噪比为ξ₁，对数似然比值L₂的信噪比为ξ₂，软比特信息合并对数似然比值的信噪比为ξ，则有关系

ξ≤min(ξ₁，ξ₂)

由此，ξ_srd可简单取为min(ξ_sr，ξ_rd)。

一种多址中继接入信道基于软比特信息的网络编码方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤100，将将数据信息进行初始化，执行步骤200；

步骤200，用于将数据信息解码操作后，利用所接收到的数据信息的软比特信息计算网络编码后比特的对数似然比值，也就是网络编码的软比特信息，并将该软比特信息传送至收端模块，执行步骤300；

步骤300，将步骤200用于将中继模块所传输的软比特信息进行解网络编码操作。

所述的网络编码方法，其特征在于，所述步骤200还包括：

步骤201，计算从步骤100发送的数据信息的对数似然比值，将其中一路进行比特交织操作。

所述的网络编码方法，其特征在于，所述步骤201，还包括：

步骤202，软解调获取每软比特信息对数似然比值，所述对数似然比值L₁，L₂分别为：

其中，

为软解调函数；其中

和

分别表示中继接收到的来自源节点1和2的信息；

步骤203，对其中一路软比特信息进行交织，

L′₂＝π(L₂)

其中，π(·)为交织函数，交织长度为信道编码后包的比特数.L′₂为对另一路软比特信息交织之后的结果；

步骤204，根据从两源节点信息的LLR值直接计算网络编码后软比特的对数似然比值，所述对数似然比值L_r为：

其中，运算符

为软比特信息合并操作，L_r即为网络编码后比特的对数似然比值，若l，l₁，l₂分别为比特u，u₁，u₂的软比特信息，

若

其中

表示网络编码操作，也就是异或操作，则有

其中e为自然对数。

所述的网络编码方法，其特征在于，所述步骤200，还包括：

步骤205，对网络编码后发送到步骤300以前的软比特信息进行非线性函数限幅，

$x_r=\stackrel{\‾}{\mathrm{\Ξ}}\left(L_r\right)$

其中，

为非线性限幅函数，x_r为限符后的结果，即为中继转发给收端模块的网络编码。

所述的网络编码方法，其特征在于，所述步骤300，还包括：

步骤302，进行迭代消息传递策略，进行解网络编码操作，

初始化从校验节点A到变量节点节点的外信息，校验节点是一个虚拟节点，校验节点一共收到三路信息，分别来自源节点1、中继节点和源节点2，这里的变量节点指代的就是这三个节点，

L_cv(A，i)＝0，i∈{1，2，3}，

其中，0为与软比特序列等长的0序列，i为下标标记；

步骤303，计算从变量节点i传递给校验节点A的外信息，为

L_vc(i，A)＝L_i+L_cv(A，i)，i∈{1，2，3}；

步骤304，计算从校验节点A传递给变量节点的外信息，为

其中， ${\tilde{L}}_{\mathrm{vc}}(3,A)=\mathrm{\π}\left(L_{\mathrm{vc}}(3,A)\right),$ ${\tilde{L}}_{\mathrm{cv}}(A,A)=\mathrm{\π}\left(L_{\mathrm{cv}}(A,3)\right),$ π(·)示交织操作；在经过1次或多次完整迭代过程后，对软比特信息序列{L₁＝L_cv(A，1)}和{L₂＝L_cv(A，3)}进行信道解码，恢复出源节点发送的数据，L_vc(1，A)为从变量节点1(也就是源节点1)到校验节点A的外信息，L_cv(A，1)为从校验节点A到变量节点1(也就是源节点1)的外信息。

所述的网络编码方法，其特征在于，执行所述步骤302之前，还包括：

步骤305，根据各条链路信道质量进行加权，得到相应各路软比特信息的对数似然比值，所述对数似然比值L₁，L₂，L_r分别为，

其中，ξ_sd为从源节点到目的节点链路的信噪比(线性值)，ξ_srd为从源节点经中继节点到目的节点链路的等价信噪比(线性值)，

为软解调函数；其中y₁，y₂，y_r分别表示目的节点接收到的来自源节点1，源节点2和中继的信息；若对数似然比值L₁的信噪比为ξ₁，对数似然比值L₂的信噪比为ξ₂，软比特信息合并对数似然比值

的信噪比为ξ，则有关系

ξ≤min(ξ₁，ξ₂)

由此，ξ_srd可简单取为min(ξ_sr，ξ_rd)。

选定非线性限幅函数为tanh(αx)，在本发明的通信场景中，源节点S到中继节点R的链路的信噪比(Signal to Noise Ratio，简记为SNR)记为：SNR_sr，同理可以得到中继节点到目的节点的信噪比为SNR_rd，源节点到目的节点的信噪比为SNR_sd。MPA算法的迭代次数(number of iterative)简记为niter.。图5在SNRsr＝5dB，SNRrd＝5dB和SNRsd＝1dB，MPA迭代次数niter＝1的环境下给出了不同伸缩因子α对系统性能的影响，其中α＝0为无限幅操作场景。有图可见，通过优化伸缩因子α，可以提高系统性能。

附图说明

图1为典型由2个源节点、1个中继节点和1个目的节点组成的多址接入中继信道；

图2为分离网络信道编码系统原理框图；

图3A为硬判决中继策略；

图3B为软比特信息中继策略；

图4为迭代消息传递算法(MPA)因子图；

图5为非线性限幅函数限幅因子优化；

图6为网络编码系统误比特率(BER)性能比较，软中继，MPA接收机，不同迭代次数；

图7为网络编码系统误比特率(BER)性能比较、3次迭代、软中继策略vs硬中继策略；

图8为更一般多址接入中继网络场景，由多个MS(mobile station)作为源节点(大于2)、多个中继(大于1)和单个目的节点组成的上行多址接入中继场景；

图9为更一般多址接入中继网络场景因子图，可根据因子图很容易实现其对应的迭代MPA算法；

图10为本发明多址中继接入信道基于软比特信息的网络编码系统框图。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施方式，结合附图对本发明做出进一步的描述。

(一)本申请提案要解决的技术问题

本发明的目的是提出一种切实可行的基于软比特信息的网络编码方法和系统方案，以克服传统硬判决网络编码方案要求完全正确接收源信息的缺陷。同时，软比特信息保留了比硬判决结果更多的信息，即包含了可靠度信息，因此在目的节点进行联合信号检测和迭代译码，可获得更好的性能。然后，在中继节点怎样将软比特信息传递给目的节点是需要面对的新的问题，软比特信息具有更大的信息量，而从中继到目的节点链路的信道容量是有限的，怎样在有限的信道容量限制下，将具有更大信息量的软比特信息传递给目的节点是需要进一步研究和解决的问题。

本发明在中继上采用了一种简单的软中继策略，中继根据收到的编码后的软比特信息直接计算得到网络编码后的软比特信息，并直接将该软比特信息转发给目的节点。由于中继转发的是信道编码后的网络编码信息对应的软比特信息，具有一定的冗余度，由此对原始的信息具有一定的保护，对中继到目的节点的链路质量的要求可以放松。然而，由于中继到目的节点链路的信道容量有限，而软比特信息具有较大的信息量，那些具有很高可靠度的比特将消耗更多的传输能量，从而降低了低可靠度软比特信息的传输，将降低系统最后的联合解码性能。本发明在中继上引入了软比特信息非线性限幅操作，从而可以在高可靠度软比特信息和低可靠度软比特信息间取得一个较好的折中，获得一个优化的传输功率分配，可进一步提高系统性能。在目的节点，通过消息迭代算法进行软比特信息提取与合并，最后进行信道解码操作。该方法具有简单与较好性能的特点，较好地降低了错误传播的影响，比较适宜较低中继链路质量的场景。

(二)简要说明欲保护的关键点及对应的技术效果

软中继策略，中继首先计算从不同源节点来的信息的对数似然比值(Log-Likelihood Ratio，简记为LLR)，将其中一路进行比特交织操作，然后根据该两路信道编码后比特信息的LLR值计算网络编码后比特的LLR值；该操作可以较好地降低误码传播的影响，将表现出比硬中继策略更好的性能。

中继软比特信息限幅操作，中继采用一定的非线性限幅函数(比如tanh(αx)函数，分段函数，等)对网络编码后发送前的软比特信息进行限幅操作。通过选取恰当的限幅函数和缩放因子，可以在高可靠度软比特信息和低可靠度软比特信息之间获得一种优化的功率分配效果，可进一步提高系统整体性能。

目的节点利用迭代消息传递算法(MPA)进行解网络编码操作；该算法可以充分提取网络编码的冗余信息并进行有效的软比特信息合并，提高系统性能，目的节点复杂度低，方法适用性广，可适用于一般上行多址中继接入信道场景(多个(大于2个)源节点即多个MS(Mobile Station)，多个(大于1个)中继、单个目的节点)。

(三)网络编码系统及方法

图1为典型由2个源节点、1个中继和1个目的节点组成的多址接入中继信道网络场景，两源节点S1和S2均有数据要发送至目的节点D，中继节点R可帮助源节点进行信息传送。若不采用网络编码技术，中继节点R在某一个时间里只能要么帮助源节点S1传送，要么帮助源节点S2进行信息传输，只能2选1协作传输。若采用网络编码技术，中继节点可以同时帮助两个源节点进行信息传送，比如传统网络编码技术，中继传输源节点S1和源节点S2所传输比特信息的模2加信息，所谓模2加运算是简单的按位进行异或操作运算，目的节点可以从该中继传输的冗余信息中提取出各自有用的信息，帮助并改善源节点到目的节点的传输质量。传统网络编码方案中，中继节点需要对收到的源节点信息首先进行硬判决，再进行网络编码(模2加)操作，并转发给目的节点。由于无线信道的不可靠性，中继恢复出的源节点传送的比特信息将不可避免地出现一些错误，若对这些错误比特信息进一步进行网络编码并传送给目的节点，不但不能改善源节点到目的节点的传输质量，反而甚至会进一步恶化系统性能。由此，另外一种思路是，中继不对接收到的数据进行硬判决，而是根据接收到的比特数据的软比特信息(对数似然比值，LLR值)计算网络编码后比特的LLR值，并将该软比特信息或其变化版本传送至目的节点，如图1所示，从而避开了硬判决操作，保留了比特的可靠度信息，在目的节点采用软比特信号处理方法可以更好地恢复出源端发送的数据，特别是在低中继链路质量的场景下。

由于软比特信息LLR值保留了比特可靠度信息，由此各个比特LLR的幅度将呈较大差异，那些具有较高可靠度比特的LLR值将具有较大的幅度，在能量受限的中继到目的节点链路传输中将占据很大比例的能量，从而进一步降低传输那些不够可靠比特的能量，使得它们到达目的节点更加不可靠，从而恶化系统性能。本发明将引入非线性限幅函数来处理软中继策略方法中继到目的节点的软比特信息传输，以获得优化的软比特信息间能量分配，提高系统性能。

图2给出了所提网络编码系统原理框图，多址中继接入系统网络编码传输分为两个阶段，第一阶段为源节点传输阶段，源节点S1和S2分别在两个正交信道里发送数据，中继和目的节点接收；第二个阶段为中继转发数据，中继将网络编码操作后的信号发送给目的节点。

对源节点S1，用户待传送的原始比特信息序列为{u₁}，信道编码后的序列为{v₁}，调制后的信号序列为{x₁}，并将调制后的信号传送出去。对源节点S2，用户待传送的原始比特信息序列为{u₂}，信道编码后的序列为{v₂}，调制后的信号序列为{x₂}，并将调制后的信号传送出去。

在中继节点，传统的网络编码信号处理方式需要首先恢复出源节点发送的数据，由此需要解调、比特判决等操作，并对判决后的比特信息进行网络编码(模2加)操作，最后对网络编码后的比特信息进行调制并转发给目的节点，如图3(a)所示。这种处理方式的缺点是，判决会带来误比特的错误传播，并且对误比特的网络编码转发反而会恶化系统性能。因此，在中继节点，传统的网络编码需要对接收到的数据进行循环冗余校验(Cyclic RedundancyCheck，简记为CRC)，若接收到的从两个源节点来的用户数据包都正确才进行网络编码转发，以保证充分获得网络编码增益。本发明在中继节点提出一种软比特信息中继策略，以避免硬判决带来的错误传播问题。其基本特征有三点：一是在中继节点的操作中避开比特硬判操作，根据收到比特的LLR值直接计算网络编码后比特的LLR值；二是进行网络编码信息合并前，对其中一路信息进行交织操作，以减少两路信息间的相关性；三是采用非线性限幅函数处理网络编码后比特的LLR值以获得软比特间能量的优化分配，如图3(b)所示。

中继信号处理可以用公式表述如下：

$y_1^{\left(r\right)}=x_1+n_{\mathrm{sr}}---\left(1\right)$

$y_2^{\left(r\right)}=x_2+n_{\mathrm{sr}}^{\′}---\left(2\right)$

其中分别为中继接收到的来至源节点S1和S2的信息，n_sr、n′_sr分别为S1、S2到中继链路的加性高斯白噪声(AWGN噪声)。

对于本发明软判决中继策略，如图3(b)所示，旨在简化中继节点的操作并保留尽可能多的信息到达目的节点。由于考虑的为对称网络拓扑结构，在中继节点计算LLR值时不需对接收信号进行缩放，最后在目的端对整个从源节点经中继节点到达目的节点的链路质量进行整体加权，并产生最后经中继传输信息的LLR值。

步骤1：软解调获取每比特信息LLR值L₁，L₂分别为：

其中，

为软解调函数，

分别为中继接收到的来至源节点S1和S2的信息。对二进制相移键控(BPSK)调制而言，直接为收到的高斯噪声叠加后的信号。

步骤2：对其中一路软比特信息进行交织，

L′₂＝π(L₂)                    (5)

其中，π(·)为交织函数，交织长度为信道编码后包的比特数.L′₂为对第二路软比特信息交织之后的结果。

步骤3：根据从两源节点信息的LLR值直接计算网络编码(模2加)后比特的LLR值L_r为：

其中，运算符

为软比特信息合并操作(软网络编码操作)，L_r即为网络编码(模2加)后比特的LLR值。若l，l₁，l₂分别为比特u，u₁，u₂的软比特信息，若其中

表示网络编码操作(模2加运算)，也就是异或操作，

则有

其中e为自然对数。

步骤4：非线性函数限幅，

$x_r=\stackrel{\‾}{\mathrm{\Ξ}}\left(L_r\right)---\left(8\right)$

其中，为非线性限幅函数，例如可以取为

其中α为需要优化的伸缩因子；也可以为其它分段函数，但需要恰当设计和优化分段的拐点。x_r为限符后的结果，即为中继转发给目的节点的信号。

在目的节点端，一共接收到3个信号版本，分别是来自源节点S1，源节点S2，和中继节点R，这3个信号可以分别表示为，

y₁＝x₁+n_sd        (9)

y₂＝x₂+n′_sd      (10)

y_r＝x_r+n_rd        (11)

步骤1：根据各条链路信道质量进行加权，得到相应各路软比特LLR值L₁，L₂，L_r分别为，

其中，ξ_sd为从源节点到目的节点链路的信噪比(线性值)，ξ_srd为从源节点经中继节点到目的节点链路的等价信噪比(线性值)。为软解调函数；其中y₁，y₂，y_r分别表示目的节点接收到的来自源节点1，源节点2和中继的信息。若LLR序列L₁的信噪比为ξ₁，LLR序列L₂的信噪比为ξ₂，软比特信息合并序列

的信噪比为ξ，则有关系

ξ≤min(ξ₁，ξ₂)                  (15)

由此，ξ_srd可简单取为min(ξ_sr，ξ_rd)

步骤2：迭代消息传递算法解网络编码

由于中继转发的为冗余信息，目的节点需要充分利用该冗余信息提升对源节点信息的解码性能。迭代消息传递算法(MPA)可用来从具有一定冗余信息的多路信号中提取合并相关有用信息。图4为迭代消息传递(MPA)算法的因子图(factor graph)，圆形圈代表变量节点，方形框代表校验节点，在边上传递的为外信息。L_vc(1，A)为从变量节点1到校验节点A的外信息，L_cv(A，1)为从校验节点A到变量节点1的外信息，其它类似。变量节点是指MPA算法输入信息的来源点，这里的变量节点指的分别是源节点1、中继节点和源节点2。校验节点是一个虚拟节点，没有实际指代，仅仅是为了方便迭代信息的传递。具体迭代计算过程为：

步骤2.1：初始化从校验节点A到变量节点的外信息

L_cv(A，i)＝0，i∈{1，2，3}                 (16)

其中，0为与软比特序列等长的0序列，i为小标。

步骤2.2：计算从变量节点传递给校验节点A的外信息，为

L_vc(i，A)＝L_i+L_cv(A，i)，i∈{1，2，3}          (17)

步骤2.3：计算从校验节点A传递给变量节点的外信息，为

其中， ${\tilde{L}}_{\mathrm{vc}}(3,A)=\mathrm{\π}\left(L_{\mathrm{vc}}(3,A)\right),$ ${\tilde{L}}_{\mathrm{cv}}(A,A)=\mathrm{\π}\left(L_{\mathrm{cv}}(A,3)\right).$ 并返回步骤2.1

一次完整迭代过程可定义为某一个出去的外信息遍历了每个边的来回两个方向。

步骤3：解信道编码

在经过1次或多次完整迭代过程后，对软比特信息序列{L₁＝L_cv(A，1)}和{L₂＝L_cv(A，3)}进行信道解码，恢复出源节点S1和S2发送的数据。

如图10所示，一种多址中继接入信道基于软比特信息的网络编码系统，其特征在于，包括：

源节点传输模块10，用于用于将数据信息进行初始化，传送给中继模块；

中继模块20，用于将数据信息解码操作后，利用所接收到的数据信息的软比特信息计算网络编码后比特的对数似然比值，也就是网络编码的软比特信息，并将该软比特信息传送至收端模块；

收端模块30，

用于将中继模块所传输的软比特信息进行解网络编码操作。

所述中继模块还包括软中继策略模块，用于计算从源节点传输模块发送的数据信息的对数似然比值，将其中一路进行比特交织操作。

所述软中继策略模块，还用于软解调获取每软比特信息对数似然比值，所述数似然比值L₁，L₂分别为：

其中，

为软解调函数；其中

和

分别表示中继接收到的来自源节点1和2的信息。

对其中一路软比特信息进行交织，

L′₂＝π(L₂)

其中，π(·)为交织函数，交织长度为信道编码后包的比特数，L′₂为对另一路软比特信息交织之后的结果；

根据从两源节点信息的LLR值直接计算网络编码后软比特的对数似然比值，所述对数似然比值L_r为：

其中，运算符为软比特信息合并操作，L_r即为网络编码后比特的对数似然比值，若l，l₁，l₂分别为比特u，u₁，u₂的软比特信息，

若

其中

表示网络编码操作(模2加运算)，也就是异或操作，则有

其中e为自然对数。

所述中继模块还包括限幅操作模块，用于对网络编码后发送到收端模块以前的软比特信息进行非线性函数限幅，

$x_r=\stackrel{\‾}{\mathrm{\Ξ}}\left(L_r\right)$

其中，

为非线性限幅函数，x_r为限符后的结果，即为中继转发给收端模块的网络编码。

所述收端模块还包括迭代消息传递模块，用于进行迭代消息传递策略，进行解网络编码操作，

初始化从校验节点A到变量节点节点的外信息，校验节点是一个虚拟节点，校验节点一共收到三路信息，分别来自源节点1、中继节点和源节点2，这里的变量节点指代的就是这三个节点。

L_cv(A，i)＝0，i∈{1，2，3}，

其中，0为与软比特序列等长的0序列，i为下标标记。

计算从变量节点i传递给校验节点A的外信息，为

L_vc(i，A)＝L_i+L_cv(A，i)，i∈{1，2，3}；

计算从校验节点A传递给变量节点的外信息，为

其中， ${\tilde{L}}_{\mathrm{vc}}(3,A)=\mathrm{\π}\left(L_{\mathrm{vc}}(3,A)\right),$ ${\tilde{L}}_{\mathrm{cv}}(A,A)=\mathrm{\π}\left(L_{\mathrm{cv}}(A,3)\right),$ π(·)表示交织操作。

在经过1次或多次完整迭代过程后，对软比特信息序列{L₁＝L_cv(A，1)}和{L₂＝L_cv(A，3)}进行信道解码，恢复出源节点发送的数据，L_vc(1，A)为从变量节点1(也就是源节点1)到校验节点A的外信息，L_cv(A，1)为从校验节点A到变量节点1(也就是源节点1)的外信息。

所述收端模块还包括迭代消息传递模块，还用于在进行迭代消息传递策略以前，根据各条链路信道质量进行加权，得到相应各路软比特信息的对数似然比值，所述对数似然比值L₁，L₂，L_r分别为，

其中，ξ_sd为从源节点到目的节点链路的信噪比(线性值)，ξ_srd为从源节点经中继节点到目的节点链路的等价信噪比(线性值)。

为软解调函数；其中y₁，y₂，y_r分别表示目的节点接收到的来自源节点1，源节点2和中继的信息。若对数似然比值L₁的信噪比为ξ₁，对数似然比值L₂的信噪比为ξ₂，软比特信息合并对数似然比值

的信噪比为ξ，则有关系

ξ≤min(ξ₁，ξ₂)

由此，ξ_srd可简单取为min(ξ_sr，ξ_rd)。

(三)总的技术效果

我们对提出的方法进行了仿真和性能验证，系统和仿真参数见表1。

表1系统参数

选定非线性限幅函数为tanh(αx)，在本发明的通信场景中，源节点S到中继节点R的链路的信噪比(Signal to Noise Ratio，简记为SNR)记为：SNR_sr，同理可以得到中继节点到目的节点的信噪比为SNR_rd，源节点到目的节点的信噪比为SNR_sd。MPA算法的迭代次数(number of iterative)简记为niter.。图5在SNRsr＝5dB，SNRrd＝5dB和SNRsd＝1dB，MPA迭代次数niter＝1的环境下给出了不同伸缩因子α对系统性能的影响，其中α＝0为无限幅操作场景。有图可见，通过优化伸缩因子α，可以提高系统性能。

图6给出了所提网络编码系统在不同中继信道质量下迭代次数niter分别为1和3下的误比特率(Bit Error Probability，简记为BER)性能比较。由图可见，恰当增加迭代次数可以进一步改进系统性能。

图7为在迭代niter＝3的情况下，软中继策略与传统硬判决网络编码中继转发策略的性能比较，由图可见，无论中继信道质量的好坏，软中继策略可以一直获得比硬中继策略更好的性能，特别在中继信道质量较差或中等的情况，软中继策略的增益较大。

针对多址无线接入中继信道，发明了一种基于软信息操作的分离式网络信道编码系统方案，中继采用软比特信息合并传送策略，并通过非线性限幅函数来获得优化的软比特能量分配；目的节点采用迭代软信息传递算法解网络编码信息获取分集增益，最后进行信道解码，恢复源节点发送的比特信息。并根据仿真结果进一步总结为：

软中继策略与迭代信息传递算法接收，使得中继节点和目的节点信息处理简单，且软比特信息处理能保证较好的系统性能，具有较好的实际应用价值；

软比特信息合并中继策略可以获得比传统硬判决网络编码转发中继策略更好的性能，特别是在中继信道质量较差的情况下；

恰当优化限幅函数可获得优化的软比特间能量分配，提高系统性能；

恰当增加目的节点信息传递算法的迭代次数可进一步提升系统性能；

该方法具有很好的适应性，可自然扩展到多个源节点(大于2个)，多个中继节点(大于1个)，单个目的节点的更一般上行多址接入中继网络场景(如图8，图9所示)

图8是一个更一般的上行多址接入中继网络场景，在该场景中外围的小的空心圆表示移动基站(Mobile Station，简记为MS)，实心圆表示中继，最内层的大的空心圆表示基站(Base Station，简记为BS)。本图中有8个移动终端需要同时发送数据到基站。任意2个相邻移动终端，1个中继以及基站就构成了一个最简单的2源、1中继和1目的节点的多址接入中继网络场景。就可以作为一个基本单元进行基于软信息的网络编码策略，源节点和中继节点操作与2源、1中继和1目的节点的策略相同，只不过最后到达目的节点使用MPA策略来解网络编码的规模有所扩大。

图9是对应于图8场景的接收端MPA策略对应的因子图。MS1到MS8表示移动基站，也就是源节点，R12到R81表示中继节点。图中A到G表示校验节点。图中箭头表示信息流的传递，π与π^-1分别表示交织和接交织操作。目的节点MPA策略的方法与本发明中2源、1中继和1目的节点的基本方法相同。

本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。

Claims (12)

1.一种多址中继接入信道基于软比特信息的网络编码系统，其特征在于，包括：

源节点传输模块，用于将数据信息进行初始化，传送给中继模块；

中继模块，用于将数据信息解码操作后，利用所接收到的数据信息的软比特信息计算网络编码后比特的对数似然比值，也就是网络编码的软比特信息，并将该软比特信息传送至收端模块；

收端模块，用于将中继模块所传输的软比特信息进行解网络编码操作。

2.如权利要求1所述的网络编码系统，其特征在于，所述中继模块还包括软中继策略模块，用于计算从源节点传输模块发送的数据信息的对数似然比值，将其中一路进行比特交织操作。

3.如权利要求2所述的网络编码系统，其特征在于，所述软中继策略模块，还用于软解调获取每软比特信息对数似然比值，所述对数似然比值L₁，L₂分别为：

其中，为软解调函数；其中和

分别表示中继接收到的来自源节点1和2的信息；

对其中一路软比特信息进行交织，

L′₂＝π(L₂)

其中，π(·)为交织函数，交织长度为信道编码后包的比特数.L′₂为对另一路软比特信息交织之后的结果；

根据从两源节点信息的LLR值直接计算网络编码后软比特的对数似然比值，所述对数似然比值L_r为：

其中，运算符

为软比特信息合并操作，L_r即为网络编码后比特的对数似然比值，若l，l₁，l₂分别为比特u，u₁，u₂的软比特信息，若

其中表示网络编码操作，也就是异或操作，则有

其中e为自然对数。

4.如权利要求1所述的网络编码系统，其特征在于，所述中继模块还包括限幅操作模块，用于对网络编码后发送到收端模块以前的软比特信息进行非线性函数限幅，

$x_r=\stackrel{\‾}{\mathrm{\Ξ}}\left(L_r\right)$

其中，

为非线性限幅函数，x_r为限符后的结果，即为中继转发给收端模块的网络编码。

5.如权利要求1所述的网络编码系统，其特征在于，所述收端模块还包括迭代消息传递模块，用于进行迭代消息传递策略，进行解网络编码操作，

初始化从校验节点A到变量节点节点的外信息，校验节点是一个虚拟节点，

L_cv(A，i)＝0，i∈{1，2，3}，

其中，0为与软比特序列等长的0序列，i为下标标记；

计算从变量节点i传递给校验节点A的外信息，为

L_vc(i，A)＝L_i+L_cv(A，i)，i∈{1，2，3}；

计算从校验节点A传递给变量节点的外信息，为

其中， ${\tilde{L}}_{\mathrm{vc}}(3,A)=\mathrm{\π}\left(L_{\mathrm{vc}}(3,A)\right),$ ${\tilde{L}}_{\mathrm{cv}}(A,A)=\mathrm{\π}\left(L_{\mathrm{cv}}(A,3)\right),$ π(·)表示交织操作；在经过1次或多次完整迭代过程后，对软比特信息序列{L₁＝L_cv(A，1)}和{L₂＝L_cv(A，3)}进行信道解码，恢复出源节点发送的数据，L_vc(1，A)为从变量节点1到校验节点A的外信息，L_cv(A，1)为从校验节点A到变量节点1的外信息。

6.如权利要求5所述的网络编码系统，其特征在于，所述收端模块的迭代消息传递模块，还用于在进行迭代消息传递策略以前，根据各条链路信道质量进行加权，得到相应各路软比特信息的对数似然比值，所述对数似然比值L₁，L₂，L_r分别为，

其中，ξ_sd为从源节点到目的节点链路的信噪比，ξ_srd为从源节点经中继节点到目的节点链路的等价信噪比；

为软解调函数；其中y₁，y₂，y_r分别表示目的节点接收到的来自源节点1，源节点2和中继的信息；若对数似然比值L₁的信噪比为ξ₁，对数似然比值L₂的信噪比为ξ₂，软比特信息合并对数似然比值

的信噪比为ξ，则有关系

ξ≤min(ξ₁，ξ₂)

由此，ξ_srd可简单取为min(ξ_sr，ξ_rd)。

7.一种多址中继接入信道基于软比特信息的网络编码方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤100，将数据信息进行初始化，传送给中继模块，执行步骤200；

步骤200，中继模块将数据信息解码操作后，利用所接收到的数据信息软比特信息进行计算，得到网络编码之后比特信息的对数似然比值，也就是网络编码的软比特信息，并将该软比特信息传送到收端模块，执行步骤300；

步骤300，将步骤200所传输的软比特信息进行解网络编码操作。

8.如权利要求7所述的网络编码方法，其特征在于，所述步骤200还包括：

步骤201，计算从步骤100发送的数据信息的对数似然比值，将其中一路进行比特交织操作。

9.如权利要求8所述的网络编码方法，其特征在于，所述步骤201，还包括：

步骤202，软解调获取每软比特信息对数似然比值，所述对数似然比值L₁，L₂分别为：

其中，

为软解调函数；

和

分别表示中继接收到的来自源节点1和2的信息；

步骤203，对其中一路软比特信息进行交织，

L′₂＝π(L₂)

其中，π(·)为交织函数，交织长度为信道编码后包的比特数.L′₂为对另一路软比特信息交织之后的结果；

步骤204，根据从两源节点信息的LLR值直接计算网络编码后软比特的对数似然比值，所述对数似然比值L_r为：

其中，运算符为软比特信息合并操作，L_r即为网络编码后比特的对数似然比值，若l，l₁，l₂分别为比特u，u₁，u₂的软比特信息，若

其中

表示网络编码操作，也就是异或操作，则有

其中e为自然对数。

10.如权利要求7所述的网络编码方法，其特征在于，所述步骤200，还包括：

步骤205，对网络编码后发送到步骤300以前的软比特信息进行非线性函数限幅，

$x_r=\stackrel{\‾}{\mathrm{\Ξ}}\left(L_r\right)$

其中，

为非线性限幅函数，x_r为限符后的结果，即为中继转发给收端模块的网络编码。

11.如权利要求7所述的网络编码方法，其特征在于，所述步骤300，还包括：

步骤302，进行迭代消息传递策略，进行解网络编码操作，

初始化从校验节点A到变量节点节点的外信息，校验节点是一个虚拟节点，

L_cv(A，i)＝0，i∈{1，2，3}，

其中，0为与软比特序列等长的0序列，i为下标标记；

步骤303，计算从变量节点i传递给校验节点A的外信息，为

L_cv(i，A)＝L_i+L_cv(A，i)，i∈{1，2，3}；

步骤304，计算从校验节点A传递给变量节点的外信息，为

其中， ${\tilde{L}}_{\mathrm{vc}}(3,A)=\mathrm{\π}\left(L_{\mathrm{vc}}(3,A)\right),$ ${\tilde{L}}_{\mathrm{cv}}(A,A)=\mathrm{\π}\left(L_{\mathrm{cv}}(A,3)\right),$ π(·)表示交织操作；

在经过1次或多次完整迭代过程后，对软比特信息序列{L₁＝L_cv(A，1)}和{L₂＝L_cv(A，3)}进行信道解码，恢复出源节点发送的数据，L_vc(1，A)为从变量节点1到校验节点A的外信息，L_cv(A，1)为从校验节点A到变量节点1的外信息。

12.如权利要求11所述的网络编码方法，其特征在于，执行所述步骤302之前，还包括：

步骤305，根据各条链路信道质量进行加权，得到相应各路软比特信息的对数似然比值，所述对数似然比值L₁，L₂，L_r分别为，

其中，ξ_sd为从源节点到目的节点链路的信噪比，ξ_srd为从源节点经中继节点到目的节点链路的等价信噪比，

为软解调函数；其中y₁，y₂，y_r分别表示目的节点接收到的来自源节点1，源节点2和中继的信息；若对数似然比值L₁的信噪比为ξ₁，对数似然比值L₂的信噪比为ξ₂，软比特信息合并对数似然比值

的信噪比为ξ，则有关系

ξ≤min(ξ₁，ξ₂)

由此，ξ_srd可简单取为min(ξ_sr，ξ_rd)。

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