CN102724021A - 基于分布式交织与分组编码的协作传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信领域。为提供一种处理复杂度低、可适应协作网络节点数量动态变化且纠错性能卓越的编码协作传输方法，该方法包括信源节点对数据的发送处理、中继节点对数据的分布式交织编码转发以及目的节点的迭代译码。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：基于分布式交织与分组编码的协作传输方法，在物理层执行M个信源节点S＝{S₁，S₂，...，S_M}在K个候选中继节点R＝{R₁，R₂，...，R_k}的帮助下协作向目的节点D传输信息；其中，目的节点是基站或汇聚节点，目的节点具有较强的处理功能，目的节点还承担查询中继节点接收状态和控制中继节点编码的任务，或者查询、控制工作根据网络实际状况由信源或中继中的任一节点担任。本发明主要应用于无线通信。

Description

基于分布式交织与分组编码的协作传输方法

技术领域

基于分布式交织与分组编码的协作传输方法属于无线通信领域，特别涉及一种应用于包含多个信源节点与中继节点的无线网络的分布式编码协作传输方法。具体讲，涉及基于分布式交织与分组编码的协作传输方法。

背景技术

随着无线网络的迅速发展，网络中的节点或用户数不断增加，各种新的无线业务不断涌现，无线网络的使用范围也不断扩展，因此对通信系统的传输速率、传输可靠性等性能指标提出了更高的要求。但是，一方面，由于有限的无线频谱资源、用户终端的有限电源供应以及降低能耗的“绿色网络”的需求，无线网络的发展仍面临很大挑战。另一方面，无线通信的传播环境复杂，电波传播随传输距离的增加而产生路径损耗，在受到建筑物等物体遮挡时会产生阴影效应，受多径效应和多普勒频移的影响会产生各种衰落；而且无线网络的不同用户之间还会存在相互干扰。上述问题对无线网络的性能提高造成了很大的困难。

研究表明，可以采用多节点协作通信技术解决上述困难。从实现的角度，随着电路与软件技术的发展，无线网络中的终端节点的处理能力不断增强，网络节点允许应用更为复杂的传输策略，使得采用多个源节点与中继节点的协作传输成为可能。协作通信的原理具体如下：无线通信网络中包含大量的无线终端节点，由于通信业务的发生具有突发性，某一时刻部分节点会处于空闲状态；协作通信系统利用了网络中空闲节点的运算资源与硬件资源（如射频系统、天线等），使空闲节点参与协助在该时隙需要发送数据的节点；目的节点可接收到经历独立衰落的同一信号的多个副本，在不增加系统资源的条件下有效对抗无线衰落，提高无线网络资源的利用率，从而提高数据传输的可靠性和传输速率，满足新一代无线网络不断发展的需求。

在无线协作网络中，通信节点根据功能不同，可以分为三类：信源节点、中继节点和目的节点。信源节点首先将需传输的信息进行广播，中继节点对信源节点发送的信息进行一定处理，然后转发处理信息至目的节点。因此，中继节点如何处理和转发信源节点的数据，是影响无线协作通信系统性能的重要因素。根据中继节点对数据处理方式的不同，协作通信系统可分为透明中继系统和再生中继系统。在透明中继系统中，中继节点对接收到的信源节点数据进行简单处理后转发，典型方式是放大转发（AF），即中继节点将信源节点数据在模拟域进行放大后重新发送。对于再生中继系统，中继节点对信源节点数据进行再生后转发，典型方式是译码转发（DF），即中继节点对信源节点数据先进行信道译码，再重新进行信道编码后转发。但传统AF和DF中继方式都存在缺陷：AF中继协议中，中继节点将有用信号放大的同时也放大了链路上引入的噪声；对于DF中继方式，无线信道的衰落和噪声可能导致中继节点译码错误，错误的数据如果被中继节点转发至目的节点会引起错误传播；而且传统的AF和DF协议都是基于对原始数据的重复转发，系统资源利用率较低。

针对传统AF和DF中继协议的上述缺陷，编码协作（CC）技术将协作通信与信道编码充分融合，有效提高频谱和功率利用率，提高无线网络的性能。信道编码技术是无线通信系统中提高传输质量的重要手段，能够提供高效的纠错能力以满足无线通信系统对误码率性能的要求。编码协作技术联合设计信道编码和中继转发方式，采用分布式编码和分布式传输方式，同时获得分集增益和编码增益，提高了协作通信系统的性能。在编码协作中，信源节点首先广播数据，中继节点接收到数据后进行译码，进一步将正确译码的信源节点发送的数据（或者包括自己的数据）重新进行编码，将产生的新的校验数据发送至目的节点，从而避免对错误数据传输的同时也避免了对原始数据的重复发送，有效提高资源的利用率。针对无线协作网络中节点分布在不同位置的特点，编码协作将数据编码和数据传输通过分布式方式实现，降低了系统复杂度并且获得了分集增益。传统的信道编码例如率匹配删余卷积码、Turbo码、乘积码、低密度奇偶校验（LDPC）码都可以与协作传输技术相结合，设计出高性能的编码协作方案。

在无线协作网络中，参与协作传输的信源节点或中继节点数目可能会发生随机变化，编码协作方案设计需要充分考虑无线协作网络的这一特点。一方面，由于节点的移动性，当前时刻参与协作通信的信源节点或中继节点在下一时刻可能离开协作区域而无法继续参与协作，当前没有参与协作的节点在下一时刻也可能进入协作区域，因而节点的移动性会导致协作网络系统中参与协作通信的节点数目发生随机变化。另一方面，由于无线传播环境的复杂性，节点之间的通信链路会因衰落、噪声或突发事件的影响而中断，也会导致参与协作通信的节点数目发生变化。因此，编码协作方法需要具备灵活适应无线网络中节点变化的特性。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提出一种处理复杂度低、可适应协作网络节点数量动态变化且纠错性能卓越的编码协作传输方法，该方法包括信源节点对数据的发送处理、中继节点对数据的分布式交织编码转发以及目的节点的迭代译码。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：基于分布式交织与分组编码的协作传输方法，在物理层执行M个信源节点S＝{S₁,S₂,...,S_M}在K个候选中继节点R＝{R₁,R₂,...,R_K}的帮助下协作向目的节点D传输信息；其中，目的节点是基站或汇聚节点，目的节点具有较强的处理功能，目的节点还承担查询中继节点接收状态和控制中继节点编码的任务，或者查询、控制工作根据网络实际状况由信源或中继中的任一节点担任。

物理层协作传输过程依次包含下面的步骤：

步骤1所有信源节点S＝{S₁,S₂,...,S_M}处理各自待发送的数据，依次广播给所有候选中继节点R＝{R₁,R₂,...,R_K}和目的节点D；

步骤2目的节点D接收M个信源节点发送的数据，若成功接收则本次传输结束，否则查询K个候选中继节点R＝{R₁,R₂,...,R_K}的状态，执行步骤3；

步骤3集合R中的每个候选中继节点R_j,1≤j≤K接收M个信源节点的数据，并向目的节点D汇报接收成功与否的标志信息；

步骤4目的节点统计K个候选中继节点的接收标志信息，向正确接收的有效中继节点

广播中继控制帧；

步骤5集合R^e中的每个有效中继节点

根据中继控制帧对M个信源节点的信息进行分布式交织与分组编码，并将产生的校验信息发送至目的节点D；

步骤6目的节点D将来自M个信源节点和K_e个有效中继节点的信息构成码长较长的分组码，并进行迭代译码得到M个信源的发送数据，一次定义的物理层协作传输结束。

M个信源节点S＝{S₁,S₂,...,S_M}在步骤1具体执行如下操作：

步骤1.1信源节点S_i,1≤i≤M将待发送的数据按照预先设定的格式分成固定长度的数据包，并添加循环冗余校验CRC位，形成长度L的源数据帧

步骤1.2每个信源节点S_i,1≤i≤M对数据帧

进行调制形成符号序列

并依次占用不同的时隙广播发送给目的节点D和M个候选中继节点R＝{R₁,R₂,...,R_K}。

目的节点D在步骤2具体执行如下操作：

步骤2.1目的节点D接收、解调M个信源节点发送的数据帧，得到判决结果；

步骤2.2目的节点D依次对解调得到的M个信源节点的判决结果依次进行CRC校验，若所有信源节点的数据CRC校验均正确，则本次物理层协作传输结束；否则，目的节点向K个候选中继节点R＝{R₁,R₂,...,R_K}发送一个状态查询帧。

K个候选中继节点R＝{R₁,R₂,...,R_K}在步骤3具体执行如下操作：

步骤3.1集合R中的候选中继节点R_j接收并解调M个信源节点的数据，得到判决结果 $\hat{m}=\{{\hat{m}}_{S_1},{\hat{m}}_{S_2},...,{\hat{m}}_{S_M}\};$

步骤3.2候选中继节点R_j对M个信源节点的数据判决结果

分别进行CRC校验；

步骤3.3候选中继节点R_j收到目的节点发送的状态查询帧以后，若M个信源的CRC校验结果全部正确，则向目的节点D发送接收成功标志信息

否则中继节点R_j发送接收失败标志

完成对目的节点在步骤2中的状态查询帧的回复。

目的节点D接收到所有中继回复的状态信息以后，在步骤4执行具体执行如下操作：

步骤4.1目的节点D统计每个候选中继节点R_j的接收标志信息

得到能够正确接收所有信源节点数据的中继节点数量K_e，组成有效中继节点集合

步骤4.2目的节点D根据有效中继节点数量K_e，确定每个有效中继节点的编码模式C₀(n,k)、编码数量和交织图样，其中参数n和k分别表示分组码的信息位长度和码长，参数k需要满足k＝M，也即选用的分组码的信息位的长度等于信源节点的数目，该参数是系统预先设定的；

步骤4.3目的节点D将K_e个有效中继的编码模式、编码数量以及交织图样通过中继控制帧广播至各有效中继节点

所述的中继控制帧至少包括编码模式、编码数量以及交织图样字段。

有效中继节点接收到目的节点D发送的包含编码模式、编码数量以及交织图样的中继控制帧后，在步骤5具体执行如下操作：

步骤5.1根据目的节点D发送的中继控制帧，集合R^e中每个有效中继节点对正确接收的M个信源节点的数据

分别采用中继控制帧中预先确定的交织图样进行交织，得到交织后的M组数据

步骤5.2根据目的节点D发送的中继控制帧，集合R^e中每个有效中继节点对交织后的数据

采用预先确定的编码模式C₀(n,k)和编码数量进行分组编码，得到校验信息p_j；

步骤5.3集合R^e中有效中继节点

将分组编码后得到校验信息p_j进行调制，发送至目的节点D。

目的节点D在步骤6对接收到的M个信源节点发送的源数据

和K_e个有效中继节点发送的校验数据

进行合并，构成码长较长的纠错码c=[m,p]，目的节点D采用软输入软输出的迭代译码算法对该码进行译码，其译码步骤如下：

步骤6.1目的节点D根据该码的编码结构将该长码分解为J＝2个超码，并对超码中每个比特的信息进行初始化；

步骤6.2目的节点D对每个超码中的成员码进行并行译码，每个超码包含的成员码也即分组码C₀(n,k)采用软判决译码算法，其中软判决译码可以采用基于网格图的软判决译码算法，也可以采用其它软判决译码算法；

步骤6.3根据每个比特的先验信息以及两个超码的外信息，计算每个比特的后验信息并进行判决，判断判决结果是否满足校验方程，并对判断的结果做如下处理：

（a）若满足校验方程，则译码成功，译码过程结束；

（b）若不满足校验方程，判断此时的迭代次数是否达到设定的迭代最大值，如果小于最大迭代次数则将迭代次数加1，不同超码之间交换外信息并转向步骤6.2，如果迭代次数达到迭代最大值，则宣布译码失败，并结束译码。

本发明可带来技术效果如下：

本发明提出的基于分布式交织与分组编码的协作传输方法，信源节点和中继节点处理的复杂度低，可自适应于协作网络的动态变化，显著提高数据传输的可靠性。具体而言，第一，信源节点无需进行信道编码，降低了处理复杂度，同时有效中继节点只进行交织和简单的分组编码，处理复杂度低；第二，目的节点根据有效中继节点数量设计中继控制帧，灵活适应信源节点或中继节点的变化；第三，目的节点对接收到的整个长码进行迭代译码，同时获得编码增益和分集增益，显著提高通信质量。

本发明的主要特点是信源节点和中继节点具有较低的处理复杂度便于实现，可以自适应于协作网络节点数目的动态变化，并且显著提高无线网络的通信可靠性。

附图说明

图1是基于分布式交织与分组编码的协作传输原理图。

图2是信源节点S_i的处理过程。

图3是候选中继节点R_j的接收处理过程。

图4是候选中继节点向目的节点发送的接收状态帧的帧结构。

图5是目的节点的协调控制过程。

图6是目的节点向有效中继节点发送的中继控制帧的帧结构。

图7是有效中继节点

的交织与分组编码处理过程。

图8是J＝2的基矩阵示意图。

图9是目的节点的迭代译码流程图。

图10是基于分布式交织与分组编码的协作传输的性能。

具体实施方式

本发明针对由多个信源节点和中继节点构成的无线网络，设计了一种基于分布式交织和分组编码的协作传输方法。在该发明中，每个信源节点广播一定长度的数据帧，无需进行任何信道编码；能够正确接收每个信源数据的中继节点进行交织和简单的代数分组编码，并将校验信息发送给目的节点；目的节点将来自所有信源节点和中继节点的数据构成纠错能力卓越的信道编码，通过迭代译码同时获得编码增益和分集增益，提高无线网络的性能。该方法可以通过调整中继节点的编码方式，适应协作网络节点数量的动态变化。而且该方法的整体复杂度较低，适用于未来的无线网络。

在本发明提出的基于分布式交织与分组编码的协作传输方法中，M个信源节点在K个候选中继节点的帮助下，向目的节点D传输信息。在本发明中，目的节点因具有较强的处理能力，还承担查询和控制工作，从而使该协作传输方法适应网络动态变化。该发明中的协作传输过程依次按照下面的步骤进行实施。

第一，每个信源节点S_i首先将待发送的数据分成固定长度的数据包，并添加CRC位形成长度L的源数据帧

然后将数据帧

进行调制形成符号序列

最后各信源节点依次占用不同的时隙将调制后的数据广播给K个候选中继节点和目的节点D。

第二，目的节点D接收、解调M个信源节点发送的数据帧，并依次对解调得到的M个信源节点的判决结果进行CRC校验，若所有信源节点的数据CRC校验均正确，则本次物理层协作传输结束；否则，目的节点向K个候选中继节点R₁,R₂,...,R_K发送一个状态查询帧。

第三，每个候选中继节点R_j接收并解调所有信源节点的数据，并对M个信源节点的数据判决结果分别进行CRC校验。当候选中继节点R_j收到目的节点发送的状态查询帧以后，若M个信源的CRC校验结果全部正确，则该中继节点为有效中继，并向目的节点D发送接收成功标志信息

否则，中继节点R_j为无效中继且发送接收失败标志

完成对目的节点发送的状态查询帧的回复。

第四，目的节点D首先接收并统计所有中继节点回复的接收标志信息，得到能够正确接收所有信源节点数据的中继节点数量K_e，组成有效中继节点集合然后确定每个有效中继节点的编码模式C₀(n,k)、编码数量和交织图样，满足k＝M；最后将至少包含编码模式、编码数量以及交织图样等字段的中继控制帧发送至各有效中继节点。

第五，每个有效中继节点

首先接收目的节点D发送的中继控制帧；然后对正确接收的M个信源节点的数据分别采用中继控制帧中规定的交织图样进行交织；接着对交织后的数据采用规定的编码模式C₀(n,k)和编码数量进行分组编码，得到校验信息p_j；最后将分组编码后得到校验信息p_j进行调制后发送至目的节点D。

第六，目的节点D将接收到的M个信源节点发送的源数据和K_e个有效中继节点发送的校验数据进行合并，构成码长较长的纠错码；然后根据编码结构将该长码分解为J＝2个超码，并采用软输入软输出的迭代译码算法对该码进行译码，得到M个信源的发送数据，该发明中定义的一次物理层协作传输结束。

下面结合附图，对本发明提出的基于分布式交织与分组编码的协作传输方法的具体实施方式作进一步说明。

本发明提出的基于分布式交织和分组编码的协作传输方法的原理如图1表示。在图1中，多源多中继网络中的一次物理层传输中包含M个信源节点{S₁,S₂,...,S_M}、K个候选中继节点{R₁,R₂,...,R_K}和目的节点D。信源节点在中继节点的协助下采用本发明所提出的基于分布式交织与分组编码的协作传输方法向目的节点发送数据，整个数据传输过程分为信源广播和中继协作转发两个阶段，图中实线如101～109代表广播阶段信源节点的数据传输，虚线如110和111代表协作阶段中继节点的数据传输，最后目的节点基于两阶段的数据执行迭代译码，得到各信源节点的数据。

具体而言，在图1所示的协作传输方法中，各类节点的工作过程如下。在信源广播阶段，每个信源节点S_i,1≤i≤M占用不同时隙将数据分组广播给目的节点D和候选中继节点，例如广播后的数据分别经101～106被不同候选中继节点接收，经107～109被目的节点D接收。为了提高传输效率，在中继协作转发之前，目的节点D基于信源广播数据进行解调，若正确接收则本次传输结束；否则，目的节点D查询所有候选中继节点的接收状态，进入协作转发阶段。在协作转发阶段，首先每个候选中继节点对接收到的各信源节点的数据进行CRC校验，并将表明接收正确或错误的标志信反馈给目的节点D；然后，目的节点D收到候选中继节点回复的接收状态信息后，采用中继控制帧为每个能够正确接收信源节点数据的有效中继节点确定编码信息；最后，每个有效中继节点根据接收到的中继控制帧，对各信源节点的数据进行交织和分组编码，并将得到校验信息p_j调制后经110和111发送至目的节点D，而无法正确接收信源节点数据的无效中继节点会静默并退出本次协作。在协作转发阶段，目的节点承担查询、控制中继节点协作传输的角色。经过信源广播101～109和中继协作转发110～111，目的节点D接收到信源节点发送的源信息

和有效中继节点发送的校验信息构造码长较长且纠错能力强的分组码c=[m,p]，并采用软输入软输出的迭代译码算法恢复所有信源发送的信息。

图2表示每个信源节点S_i,1≤i≤M的处理过程。首先，信源节点S_i将需要发送的信息201，经步骤202分割为长为L比特的数据帧203；然后，在步骤204每个数据帧后加入CRC校验位，形成数据205；最后进行调制步骤206形成符号序列207，并广播至目的节点D和候选的中继节点R₁,R₂,...,R_K。如图2所示，每个信源节点对数据不进行信道编码，因此信源节点具有低的处理复杂度。

图3表示每个候选中继节点R_j,1≤j≤M的接收处理过程。首先，候选中继节点R_j进行步骤301接收并解调信源节点S₁的数据，并进行CRC校验步骤302，若CRC校验错误，则步骤308设R_j为无效中继节点并在步骤310令接收状态标志

在步骤311接收目的节点发送的状态查询帧后，执行步骤312将包含该节点标号和接收状态标志的接收状态帧发送至目的节点D。若步骤302CRC校验正确，则中继节点R_j继续进行步骤303接收并解调信源节点S₂的数据，并进行CRC校验步骤304，若CRC校验错误，则与步骤302校验错误的处理方式相同。若步骤304CRC校验正确，则中继节点R_j继续接收并校验其它信源节点的数据，直到完成步骤305和306接收并校验信源节点S_M的数据。如果所有M个信源数据CRC校验均正确，则步骤307设R_j为有效中继节点，并在步骤309令接收状态标志然后在步骤311接收目的节点发送的状态查询帧，并在步骤312将包含该节点标号和接收状态标志

的接收状态帧发送至目的节点D，作为对状态查询帧的回复；若至少出现一个信源节点的数据CRC校验错误，则R_j为无效中继节点，将静默退出本次协作，并将包含该节点标号和接收状态标志

的接收状态帧发送至目的节点D。

图4表示中继节点向目的节点发送的接收状态帧的帧结构。该数据帧至少包含以下几部分：目标地址401、源地址402、帧类型403、中继接收状态标志404和CRC校验位405。具体而言，目标地址401表示目的节点D的地址；源地址402表示相应的中继节点R_j的地址；帧类型403表示该帧为接收状态帧；中继接收状态标志404为当前中继节点R_j向目的节点D发送的表明接收状态的信息，即

表示该中继节点R_j接收失败，

表示该中继节点R_j接收成功。

图5表示目的节点D的协调控制过程。首先，目的节点D在步骤501接收所有候选中继节点的接收状态帧；然后，执行步骤502确定有效中继节点集合

接着根据信源节点和有效中继节点的数量在步骤503确定每个有效中继节点的交织图样、编码方式C₀(n,k)和编码数量，要求满足k＝M；最后，在步骤504将包含上述编码信息的中继控制帧广播至所有有效中继节点。在该发明中，通过目的节点的中继控制帧，实现该编码协作传输方法灵活适应信源和中继节点的动态变化的设计目标。

图6表示目的节点发送给有效中继节点的中继控制帧的帧结构。该数据帧至少包含目标地址601、源地址602、帧类型603、编码信息数据604和CRC校验位608。具体而言：目标地址601表示有效中继节点

的地址；源地址602表示目的节点D的地址；603表示该帧为中继控制帧；编码信息数据至少包含每个有效中继的交织图样605、编码方式C₀(n,k)606和编码数量607，编码信息与信源节点和有效中继节点的数量有关；608表示该中继控制帧添加的CRC校验位。其中，所述的交织图样、编码方式是系统预先设置的，这里的交织图样、编码方式仅从预先设定的选项中选择。

图7表示每个有效中继节点

的交织与分组编码处理过程，该处理过程根据目的节点发送的中继控制帧中的编码信息来完成。整体而言，该编码过程包含交织和简单的分组编码，具有较低的复杂度。具体编码过程如下：首先，有效中继节点

对M个信源节点的正确判决数据

采用M个不同的交织器

进行交织，例如信源节点S₁的数据701、S₂的数据702、S₃的数据703和S_M的数据704，依次采用交织器705、706、707和708进行交织；然后，将交织后的M个序列经开关709依次取出1比特构成M＝k长的比特序列，并将该序列在步骤710进行分组码C₀(n,k)编码，产生n-k比特的校验位；通过开关709不断地依次接通M个信源节点的数据进行编码，生成一定长度的校验信息p_j711。校验信息p_j711由中继节点

转发给目的节点。图中采用的交织器705～708、编码方式C₀(n,k)710以及产生的校验信息711的长度，均由目的节点发送的中继控制帧预先设定，通过上述参数的变化灵活适应协作网络的信源节点和目的节点的动态变化。

图8表示目的节点接收到的J＝2的长的分组码的基矩阵。目的节点D接收到信源节点直接发送的源信息和有效中继节点协作转发的校验信息

将两部分合并构造码长较长的分组码c=[m,p]。图中所示基矩阵H_b由左边的信源节点比特801和右边的中继节点比特802构成，且H_b的行重为n，左半部分的列重为2而右半部分的列重为1，该发明设计的基矩阵便于实现各中继节点的分布式编码，降低复杂度。将基矩阵H_b中每行的n个“1”元素分别替换为分组码C₀(n,k)的校验矩阵的n列向量，“0”元素替换为相应的0向量，可得到该长码的校验矩阵H，其中有效中继节点采用的分组码C₀(n,k)为该长码的分量码。目的节点基于校验矩阵H可以进行迭代译码，同时获得编码增益和分集增益。

图9表示目的节点D对接收到的码长较长的分组码进行迭代译码的流程图。具体步骤如下：

1)目的节点D自901开始，将译码程序初始化902；

2)步骤903将来自信源节点和中继节点的接收信号构成长码；

3)步骤904将该长码分解为两个超码；

4)步骤905对两个超码执行一次软判决译码，其中每个超码包含的多个分量码C₀(n,k)采用软判决译码算法并行译码；

5)步骤906计算后验信息得到译码判决结果

在907判断是否满足校验方程进行如下处理：

（a）若满足校验方程，则认为译码成功在908输出判决结果，程序结束909；

（b）若不满足校验方程，则继续执行912判断是否达到程序设定的最大迭代次数；如果尚未达到最大迭代次数，则执行911迭代次数加1，然后执行910两个超码间交换外信息，继续进行下一次迭代905；若当前达到最大迭代次数，则认为译码失败执行步骤908输出当前译码判决结果，程序结束909。

具体实施例

本发明的实施例以包含M＝11个信源节点的协作网络为例，有效中继节点的数量为K_e＝2或4，所有节点之间的信道为独立同分布的准静态瑞利衰落信道。结合具体的实施例，验证本发明设计的基于分布式交织与分组编码的协作传输方法的性能。

本发明提出的基于分布式交织与分组编码的协作传输方法的具体工作方式如下：

■在信源广播阶段，每个源节点将待发送数据分为长度为L＝22比特的数据帧，采用二进制相移键控（BPSK）调制后广播至目的节点和候选中继节点。

■在目的节点基于信源节点广播的数据无法正确译码情况下，根据信源节点数量M和有效中继节点的数量K_e设计中继控制帧。具体而言，交织方式选用随机交织；分组码C₀(n,k)采用BCH(15,11)，满足M＝k＝11；当K_e＝2时，每个有效中继节点的产生且转发的校验位数量为88比特，当K_e＝4时每个有效中继节点的校验位数量为44比特。

■在协作转发阶段，每个有效中继节点根据中继控制帧中规定的编码信息产生校验数据，然后采用BPSK调制后发送至目的节点。

■目的节点将来自信源节点直接传输和有效中继节点协作转发的数据构成码长为418比特的分组码，其中码率为11/19。采用软输入软输出的迭代译码算法进行译码，最大迭代次数设为10次。

作为与本发明对比的直接传输方法，每个信源节点将待发送的数据采用相同码长和码率的长码进行编码，经调制后直接传输给目的节点，目的节点也采用与协作方法中相同的迭代译码算法。

图10给出了本发明的方法和直接传输的误比特率（BER）性能，其中横坐标E_b/N₀表示信噪比。相对于直接传输，本发明所提出的基于分布式交织与分组编码的协作传输方法可以显著提高系统的BER性能，例如当BER等于10^-5时，包含2个有效中继节点的协作方法可以获得约29dB的性能增益，大大提高了系统的功率利用率。当有效中继节点个数增加到K_e＝4时，系统性能相对于K_e＝2的情况有进一步提升，但性能增益变化不大。除性能增益外，直接传输系统中的信源节点需要进行长码的编码，复杂度比较高；而本发明所提出的基于分布式交织与分组编码的协作方法，信源节点不需要编码，复杂度比较低，同时采用多个中继节点实现对长码的分布式编码，每个中继节点的复杂度比较低。

以上详细说明了本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，采用类似的交织和分组编码的协作传输方法，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可做些许更动与改进，但其均应属于本发明的权利要求的保护范围。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本发明针对无线通信领域，包括无线协作通信系统的传输均可采用本发明的方法，若采用则均受本发明的权利要求约束。

Claims (8)

1.一种基于分布式交织与分组编码的协作传输方法，其特征是，在物理层执行M个信源节点S＝{S₁,S₂,...,S_M}在K个候选中继节点R＝{R₁,R₂,...,R_K}的帮助下协作向目的节点D传输信息；其中，目的节点是基站或汇聚节点，目的节点具有较强的处理功能，目的节点还承担查询中继节点接收状态和控制中继节点编码的任务，或者查询、控制工作根据网络实际状况由信源或中继中的任一节点担任。

2.如权利要求1所述的基于分布式交织与分组编码的协作传输方法，其特征是，物理层协作传输过程依次包含下面的步骤：

步骤1所有信源节点S＝{S₁,S₂,...,S_M}处理各自待发送的数据，依次广播给所有候选中继节点R＝{R₁,R₂,...,R_K}和目的节点D；

步骤2目的节点D接收M个信源节点发送的数据，若成功接收则本次传输结束，否则查询K个候选中继节点R＝{R₁,R₂,...,R_K}的状态，执行步骤3；

步骤3集合R中的每个候选中继节点R_j,1≤j≤K接收M个信源节点的数据，并向目的节点D汇报接收成功与否的标志信息；

步骤4目的节点统计K个候选中继节点的接收标志信息，向正确接收的有效中继节点广播中继控制帧；

步骤5集合R^e中的每个有效中继节点1≤j≤K_e根据中继控制帧对M个信源节点的信息进行分布式交织与分组编码，并将产生的校验信息发送至目的节点D；

步骤6目的节点D将来自M个信源节点和K_e个有效中继节点的信息构成码长较长的分组码，并进行迭代译码得到M个信源的发送数据，一次定义的物理层协作传输结束。

3.如权利要求2所述的基于分布式交织与分组编码的协作传输方法，其特征是，M个信源节点S＝{S₁,S₂，...，S_M}在步骤1具体执行如下操作：

步骤1.1信源节点S_i,1≤i≤M将待发送的数据按照预先设定的格式分成固定长度的数据包，并添加循环冗余校验CRC位，形成长度L的源数据帧

步骤1.2每个信源节点S_i,1≤i≤M对数据帧

进行调制形成符号序列

并依次占用不同的时隙广播发送给目的节点D和M个候选中继节点R＝{R₁,R₂,...,R_K}。

4.如权利要求2所述的基于分布式交织与分组编码的协作传输方法，其特征是，目的节点D在步骤2具体执行如下操作：

步骤2.1目的节点D接收、解调M个信源节点发送的数据帧，得到判决结果；

步骤2.2目的节点D依次对解调得到的M个信源节点的判决结果依次进行CRC校验，若所有信源节点的数据CRC校验均正确，则本次物理层协作传输结束；否则，目的节点向K个候选中继节点R＝{R₁,R₂,...,R_K}发送一个状态查询帧。

5.如权利要求2所述的基于分布式交织与分组编码的协作传输方法，其特征是，K个候选中继节点R＝{R₁,R₂,...,R_K}在步骤3具体执行如下操作：

步骤3.1集合R中的候选中继节点R_j接收并解调M个信源节点的数据，得到判决结果 $\hat{m}=\{{\hat{m}}_{S_1},{\hat{m}}_{S_2},...,{\hat{m}}_{S_M}\};$

步骤3.2候选中继节点R_j对M个信源节点的数据判决结果

分别进行CRC校验；

步骤3.3候选中继节点R_j收到目的节点发送的状态查询帧以后，若M个信源的CRC校验结果全部正确，则向目的节点D发送接收成功标志信息否则中继节点R_j发送接收失败标志

完成对目的节点在步骤2中的状态查询帧的回复。

6.如权利要求2所述的基于分布式交织与分组编码的协作传输方法，其特征是，目的节点D接收到所有中继回复的状态信息以后，在步骤4执行具体执行如下操作：

步骤4.1目的节点D统计每个候选中继节点R_j的接收标志信息

得到能够正确接收所有信源节点数据的中继节点数量K_e，组成有效中继节点集合

步骤4.2目的节点D根据有效中继节点数量K_e，确定每个有效中继节点的编码模式C₀(n,k)、编码数量和交织图样，其中参数n和k分别表示分组码的信息位长度和码长，参数k需要满足k＝M，也即选用的分组码的信息位的长度等于信源节点的数目，该参数是系统预先设定的；

步骤4.3目的节点D将K_e个有效中继的编码模式、编码数量以及交织图样通过中继控制帧广播至各有效中继节点

所述的中继控制帧至少包括编码模式、编码数量以及交织图样字段。

7.如权利要求2所述的基于分布式交织与分组编码的协作传输方法，其特征是，有效中继节点接收到目的节点D发送的包含编码模式、编码数量以及交织图样的中继控制帧后，在步骤5具体执行如下操作：

步骤5.1根据目的节点D发送的中继控制帧，集合R^e中每个有效中继节点

对正确接收的M个信源节点的数据分别采用中继控制帧中预先确定的交织图样进行交织，得到交织后的M组数据

步骤5.2根据目的节点D发送的中继控制帧，集合R^e中每个有效中继节点

对交织后的数据

采用预先确定的编码模式C₀(n,k)和编码数量进行分组编码，得到校验信息p_j；

步骤5.3集合R^e中有效中继节点

将分组编码后得到校验信息p_j进行调制，发送至目的节点D。

8.如权利要求2所述的基于分布式交织与分组编码的协作传输方法，其特征是，目的节点D在步骤6对接收到的M个信源节点发送的源数据

和K_e个有效中继节点发送的校验数据

进行合并，构成码长较长的纠错码c=[m,p]，目的节点D采用软输入软输出的迭代译码算法对该码进行译码，其译码步骤如下：

步骤6.1目的节点D根据该码的编码结构将该长码分解为J＝2个超码，并对超码中每个比特的信息进行初始化；

步骤6.2目的节点D对每个超码中的成员码进行并行译码，每个超码包含的成员码也即分组码C₀(n,k)采用软判决译码算法，其中软判决译码可以采用基于网格图的软判决译码算法，也可以采用其它软判决译码算法；

步骤6.3根据每个比特的先验信息以及两个超码的外信息，计算每个比特的后验信息并进行判决，判断判决结果是否满足校验方程，并对判断的结果做如下处理：

（a）若满足校验方程，则译码成功，译码过程结束；

（b）若不满足校验方程，判断此时的迭代次数是否达到设定的迭代最大值，如果小于最大迭代次数则将迭代次数加1，不同超码之间交换外信息并转向步骤6.2，如果迭代次数达到迭代最大值，则宣布译码失败，并结束译码。

Images