CN102811120A - 基于网络编码的双向中继harq控制系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网络编码的双向中继HARQ控制系统与方法，主要解决现有HARQ技术需要独立配置重传帧而引起吞吐量不高的问题。本发明包括用户端、基站端和中继端三部分，其实现步骤包括：（1）基站与用户发送数据；（2）中继节点接收基站与用户发送的数据；（3）中继节点将接收到的以及缓存中的数据进行网络编码；（4）中继节点将网络编码后的数据传输出去；（5）基站接收中继节点与用户的数据；（6）基站对接收到的以及缓存中的数据进行联合解调；（7）基站对解调后的数据进行最大似然译码，并对译码后的数据进行校验；（8）用户判断传输状态。本发明具有传输时延低、吞吐量高和实用性强的优点，适用于双向中继系统中的HARQ控制。

Description

基于网络编码的双向中继HARQ控制系统与方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种基于网络编码的双向中继混合自动重传请求HARQ控制系统与方法，可用于下一代宽带无线中继通信系统中，实现对网络编码双向中继系统HARQ流程的控制。

背景技术

随着第四代无线通信系统的发展，用户对通信系统性能的要求越来越高，同第三代等已有的数字移动通信系统相比，第四代无线通信系统应该具有更高的数据率，更好的服务质量，更高的频谱利用率、安全性、智能性、灵活性和更好的传输质量，因此在提高系统资源利用率的同时提高数据的吞吐量成为无线通信系统的研究热点。将中继引入无线通信网络，可带来容量增益和覆盖面扩展等优势，而双向中继系统比单向中继系统具有更高的频谱效率，因此双向中继系统正在获得越来越多的关注。网络编码理论打破了传统的信息处理方式，它要求传输链路上的中间节点不仅仅转发接收到的信号，而是对接收到的信号进行处理后再转发出去。由于增加了中间节点的信号处理，且目标接收节点能够恢复出这些处理后的信息，已经证明通过网络编码可以实现网络的最大流传输，从而有效提高系统的吞吐量和能量效率。对于无线中继通信系统来说，如果能够联合网络编码技术，把多个无线用户的数据合并在一起同时传输，并在中继节点处进行必要的信号处理，可以有效减少多用户传输的资源开销，提高系统传输的频谱效率，降低多用户场景调度的复杂度，从而增强无线传输性能，达到提高无线传输频谱效率的目标。HARQ技术将前向纠错和自动请求重传两种差错控制方案相结合，充分利用两者的优点，是一种高效的差错控制方案。HARQ技术通过数据的重传来处理数据传输出错的问题，它可以有效的提高系统的吞吐量性能，并已经在第三代移动通信系统中得到广泛应用，充分体现了它的高效性和可靠性。因此将HARQ和网络编码技术引入到双向中继系统之中具有广泛的应用价值。

北京邮电大学“泛网无线通信教育部重点实验室”陈吉学等人，在2008年发表了题为“2种中继协同HARQ协议”，将HARQ协议引入中继系统，证明了HARQ协议可以带来系统性能的提升。该方法的不足之处为，在重传过程中需要独立配置重传帧，导致系统重传时延过长，不能满足下一代无线通信系统的实时性的需求。

北京邮电大学提出的专利申请“网络编码与星座叠加编码的结合在移动通信中的应用”（申请日：2008年10月13日，申请号：200810223779.8，公开号：CN 101394299A）中公开了一种网络编码与叠加调制相结合的方法，来解决广播信道中差错重传的问题。该方法的实现步骤为：基站向各个接收机发送广播信号，各接收机接收广播信号并进行译码。接收机对译码结果进行校验，并根据校验结果向基站反馈应答信号，基站根据应答信号，记录每个接收机的接收情况，并构造反馈信息表。基站根据构造的反馈信息表利用网络编码进行信息的传输。该方法的不足之处是：该方法只能改善下行信道的吞吐量性能，不能提升多用户上行信道的吞吐量性能；该方法只使用了基本的网络编码解调方法，即只能从单个接收信号中获得似然比，也只能对单个的接收信号做判决，导致重传的效率不高；该方法在重传过程中需要独立配置重传帧，导致系统重传时延过长，不能满足下一代无线通信系统的实时性的需求。

Chun Cheung等学者在“2009IEEE Pacific Rim Conference On Communications,Computers,And Signal Processing,2009,p.290-295”上发表文章“Network Code AssistedHARQ Scheme in Multi-User Systems with Cooperative Relay”，将网络编码和HARQ相结合首次运用到无线通信中。该方法不足之处是：该方法只是适用在单向协作中继环境，限制了其实用价值；该方法只能改善上行信道的吞吐量性能，不能提升多用户下行信道的吞吐量性能；该方法在重传过程中需要独立配置重传帧，导致系统重传时延过长，因此，该方法不能满足下一代宽带无线通信系统的实时性和高吞吐量的需求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出基于网络编码的双向中继HARQ控制系统与方法，以有效地降低重传延迟，并且提高传输吞吐量，满足下一代宽带无线通信系统对实时性和高吞吐量需求。

本发明的技术思路是：根据网络编码的特点，通过双向中继系统中的网络编码来实现数据的重传；通过联合检测，按照似然比合并的方法，获得多个网络编码信号的联合似然比；根据最大似然比准则对多次接收的网络编码信号做判决。

为实现上述目的，本发明系统包括用户端、基站端和中继端。

用户端数据接收模块用于接收来自于基站端和中继端的数据，其接收的数据参与用户端联合解调；

用户端数据缓存模块用于缓存用户的本地数据以及接收的来自于基站端与中继端的数据，参与用户端联合解调；

用户端数据编码调制模块用于将用户的本地数据通过编码调制变成适合在无线信道中传输的数据，并实现用户端数据的发射；

用户端联合解调模块用于对用户的本地数据以及接收到的来自于基站端和中继端数据进行联合似然比检测，以实现用户端数据的解调；

用户端最大似然译码模块用于用户按照最大似然准则对联合解调后的数据进行硬判决，实现用户端数据的译码，并将译码后的数据送至用户端数据校验模块；

用户端数据校验模块用于校验用户译码后的数据正确与否，并将根据校验结果产生的应答信号反馈至中继端控制信号生成模块；

基站端数据接收模块用于接收来自于用户端和中继端的数据，其接收的数据参与基站端联合解调；

基站端数据缓存模块，用于缓存接收到的来自于用户端与中继端的数据，参与基站端联合解调；

基站端数据编码调制模块用于将基站的本地数据通过编码调制变成适合在无线信道中传输的数据，并将编码后的数据发射出去；

基站端联合解调模块用于对基站接收到的来自于用户端和中继端数据进行联合解调，实现基站端数据的解调，并将解调后的数据送至基站端最大似然译码模块；

基站端最大似然译码模块用于基站按照最大似然准则对联合解调后的数据进行硬判决，实现基站端数据的译码，并将译码后的数据送至基站端数据校验模块；

基站端数据校验模块用于校验基站译码后的数据正确与否，并将根据校验结果产生的应答信号反馈至中继端控制信号生成模块；

中继端数据接收模块用于接收来自于基站端和用户端的数据，其接收的数据参与中继端网络编码；

中继端数据缓存模块用于缓存中继接收到的用户端和基站端的数据，根据校验结果产生的控制信号决定读取缓存区数据或丢弃缓存区数据；

中继端数据校验模块用于对接收到的用户和基站的数据进行校验，得到校验结果，其校验结果将传递到控制信号生生模块；

中继端的控制信号生成模块根据中继端数据校验结果及基站端和用户端反馈的应答信号产生控制信号，该控制信号用以控制中继端数据缓存模块的数据是否参与网络编码；

中继端的网络编码模块用于对中继接收到数据以及中继端数据缓存区的数据根据控制信号进行逐比特异或，实现网络编码，并将网络编码后的数据送至中继端调制模块；

中继端的调制模块用于将中继端经过网络编码后的数据通过脉冲幅度调制后发射出去。

为实现上述目的，本发明的方法包括如下步骤：

（1）用户与基站的数据发送步骤：

在第一时隙，用户将用户本地数据经过脉冲幅度调制后发送出去；

在第二时隙，基站将基站本地数据经过脉冲幅度调制后发送出去；

（2）中继节点数据处理步骤：

2a)中继节点接收基站与用户发送的数据，对接收到的数据进行脉冲幅度解调，并对解调后的数据进行译码，获得译码后的数据；

2b）中继节点对译码后的数据采用循环冗余校验CRC的方法进行校验，判断数据是否接收成功，如果循环冗余校验CRC后得到的错误图样为0，则认为数据接收成功，如果循环冗余校验CRC后得到的错误图样不为0，则认为数据接收失败，并根据校验结果产生应答信号与校验指示符；

2c）如果校验结果为数据接收成功，则在接收到的数据上通过循环冗余校验CRC编码添加校验信息，然后对添加过校验信息的数据进行编码，并将编码后的数据和校验指示符进行缓存；

2d）中继节点读取接收到的数据和缓存中待重传的数据以及对应的校验指示符，根据控制信号对读取的数据进行逐比特异或，完成网络编码，并将网络编码后的数据经过脉冲幅度调制后发送出去；

（3）基站数据处理步骤：

3a）基站接收中继以及用户发送的数据，并将接收到的数据存入数据缓存区；

3b)基站读取接收到的数据和缓存中待重传的数据，计算用户和中继节点在第k帧与第k-1帧数据的比特似然比

和

并根据得到的比特似然比计算联合似然比函数：

第一帧数据的联合似然比：

$L\left(S_A^k\right|C_1,C_2,C_3)$

$=L\left(S_A^k\right|C_1)+L\left(S_A^{k-1}\right|C_2)L(S_A^k\⊕S_A^{k-1}|(C_3,S_B^k,S_B^{k-1}))$

$=L\left(S_A^k\right|C_2)+L\left(S_A^{k-1}\right|C_1)L\left(S_B^k\right)L\left(S_B^{k-1}\right)L(S_A^k\⊕S_A^{k-1}\⊕S_B^{k-1}\⊕S_B^k|C_3)$

$\≈L\left(S_A^k\right|C_2)-\mathrm{sign}\left(S_B^k\right)\mathrm{sign}\left(S_B^{k-1}\right)\mathrm{sign}\left(L(S_A^k\⊕S_A^{k-1}|C_3)\right)\mathrm{sign}\left(L\left(S_A^{k-1}\right|C_1)\right)$

$\·\min \left(\right|L(S_A^k\⊕S_A^{k-1}|C_3)|,|L\left(S_A^{k-1}\right|C_1)\left|\right)$

第二帧数据的联合似然比：

$L\left(S_A^{k-1}\right|C_1,C_2,C_3)$

$\≈L\left(S_A^{k-1}\right|C_2)-\mathrm{sign}\left(S_B^k\right)\mathrm{sign}\left(S_B^{k-1}\right)\mathrm{sign}\left(L(S_A^k\⊕S_A^{k-1}|C_3)\right)\mathrm{sign}\left(L\left(S_A^k\right|C_1)\right)$

$\·\min \left(\right|L(S_A^k\⊕S_A^{k-1}|C_3)|,|L\left(S_A^k\right|C_1)\left|\right)$

其中，

和

分别表示和

的联合似然比，

分别表示用户的第k帧与第k-1帧数据，

分别表示中继节点的第k帧与第k-1帧数据，k表示当前数据帧的编号，C₁表示基站接收的用户的第k帧数据，C₂表示基站接收的用户的第k-1帧数据，C₃表示基站接收的中继节点的第k帧数据，sign表示取正负函数，

表示比特异或运算，min表示求最小值函数；

3c）基站根据最大似然比准则对联合解调后的数据作硬判决，获得判决后的数据；

3d）基站对判决后的数据采用循环冗余校验CRC的方法进行校验，得到校验结果，即如果循环冗余校验CRC后得到的错误图样为0，则认为数据接收成功，如果循环冗余校验CRC后得到的错误图样不为0，则认为数据接收失败；

3e)基站根据校验结果生成应答信号，并将应答信号反馈至中继节点；

（4）传输结束判断步骤：

如果用户没有传输完数据，则继续执行步骤（1）；如果用户传输完所有数据，则结束整个传输过程。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明通过网络编码来实现数据的重传，克服了现有技术需要独立配置重传帧的缺点，使得本发明具有时延低和吞吐量高的优点，可适用于下一代宽带无线通信系统。

第二，由于本发明使用了联合解调的方法，可对多路网络编码信号进行联合解调，克服了现有技术只能对一路网络编码信号进行解调的缺点，使得本发明具有高吞吐量的优点，可适用于下一代宽带无线通信系统。

第三，由于本发明运用最大似然比准则对多次接收的网络编码信号进行判决，克服了现有技术只能对单次接收的网络编码信号做判决的缺点，使得本发明具有高吞吐量的优点，可适用于下一代宽带无线通信系统。

第四，本发明适用于双向中继系统，相比于现有技术来说实用价值更强，应用范围更广。

附图说明

图1为本发明的系统示意图；

图2为本发明的方法流程图；

图3为本发明与现有中继系统HARQ控制方法的延时比较曲线图；

图4为本发明与现有中继系统HARQ控制方法的吞吐量比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

参照图1，本发明的系统包括用户端、基站端以及中继端三部分。其中：

用户端部分，包括用户端数据接收模块、用户端数据缓存模块、用户端数据校验模块、用户端编码调制模块、用户端联合解调模块以及用户端最大似然译码模块。

基站端部分，包括基站端数据接收模块、基站端数据缓存模块、基站端数据校验模块、基站端编码调制模块、基站端联合解调模块以及基站端最大似然译码模块。

中继端部分，包括中继端数据接收模块、中继端数据缓存模块、中继端数据校验模块、控制信号生成模块、网络编码模块以及数据调制模块。

各模块的功能及传输关系如下：

用户端数据接收模块1，用于接收来自于基站端和中继端的数据，其接收的数据将被送至用户端联合解调模块4，参与用户端联合解调。

用户端数据缓存模块2，用于缓存用户的本地数据以及接收到的来自于基站端与中继端的数据，其缓存的数据将被送至用户端联合解调模块4，参与用户端联合解调。

用户端数据编码调制模块3，用于将用户的本地数据通过编码调制变成适合在无线信道中传输的数据，以实现对用户数据的发射。

用户端联合解调模块4，用于将用户的本地数据、接收到的来自于基站端和中继端数据以及缓存中的数据进行联合似然比检测，以实现数据的解调，并将解调后的数据送至最大似然译码模块5。在双向中继系统中，基站与用户是对称的，对信号进行的处理是相同的，其联合似然比的计算可参照基站端联合解调模块10给出的公式进行。联合检测是根据多路信号的联合似然比进行的，可对多路网络编码信号进行联合解调，克服了现有技术只能对一路信号进行解调的缺点，使得本发明具有高吞吐量的优点。

用户端最大似然译码模块5，用于用户按照最大似然准则对经过联合解调模块4解调后的数据进行硬判决，以实现数据的译码，并将译码后的数据送至用户端数据校验模块6。在双向中继系统中，基站与用户是对称的，对信号进行的处理是相同的，其最大似然译码判决公式可参照基站端最大似然译码模块11所给出的公式进行。

用户端数据校验模块6，用于对用户最大似然译码模块5译码后的数据进行循环冗余校验CRC校验，如果校验成功就认为用户成功接收到数据，则将成功接收的数据存入用户端数据缓存模块2中；如果校验失败就认为用户接收到的数据是错误数据，则将其丢弃以避免错误数据的传播。

基站端数据接收模块7，用于基站接收来自于用户端和中继端的数据，其接收的数据将被送至基站端联合解调模块10，参与基站端联合解调。

基站端数据缓存模块8，用于缓存接收到的来自于用户端与中继端的数据，缓存中的数据将送至基站端联合解调模块10，参与基站端联合解调。

基站端数据编码调制模块9，用于将基站的本地数据通过编码调制变成适合在无线信道中传输的数据，并实现数据的发射。

基站端联合解调模块10，用于对基站接收到的来自于用户端和中继端数据以及缓存中的两帧数据进行联合似然比检测，计算两帧数据联合似然比，实现数据的解调，并将解调后的数据送至基站端最大似然译码模块11。其中：

第一帧数据的联合似然比：

$L\left(S_A^k\right|C_1,C_2,C_3)$

$=L\left(S_A^k\right|C_1)+L\left(S_A^{k-1}\right|C_2)L(S_A^k\⊕S_A^{k-1}|(C_3,S_B^k,S_B^{k-1}))$

$=L\left(S_A^k\right|C_2)+L\left(S_A^{k-1}\right|C_1)L\left(S_B^k\right)L\left(S_B^{k-1}\right)L(S_A^k\⊕S_A^{k-1}\⊕S_B^{k-1}\⊕S_B^k|C_3),$

$\≈L\left(S_A^k\right|C_2)-\mathrm{sign}\left(S_B^k\right)\mathrm{sign}\left(S_B^{k-1}\right)\mathrm{sign}\left(L(S_A^k\⊕S_A^{k-1}|C_3)\right)\mathrm{sign}\left(L\left(S_A^{k-1}\right|C_1)\right)$

$\·\min \left(\right|L(S_A^k\⊕S_A^{k-1}|C_3)|,|L\left(S_A^{k-1}\right|C_1)\left|\right)$

第二帧数据的联合似然比：

$L\left(S_A^{k-1}\right|C_1,C_2,C_3)$

$\≈L\left(S_A^{k-1}\right|C_2)-\mathrm{sign}\left(S_B^k\right)\mathrm{sign}\left(S_B^{k-1}\right)\mathrm{sign}\left(L(S_A^k\⊕S_A^{k-1}|C_3)\right)\mathrm{sign}\left(L\left(S_A^k\right|C_1)\right),$

$\·\min \left(\right|L(S_A^k\⊕S_A^{k-1}|C_3)|,|L\left(S_A^k\right|C_1)\left|\right)$

其中，和

分别表示

和

的联合似然比，

分别表示用户的第k帧与第k-1帧数据，

分别表示中继节点的第k帧与第k-1帧数据，k表示当前数据帧的编号，C₁表示基站接收的用户的第k帧数据，C₂表示基站接收的用户的第k-1帧数据，C₃表示基站接收的中继节点的第k帧数据，sign表示取正负函数，

表示比特异或运算。

联合检测是根据多路信号的联合似然比进行的，可对多路网络编码信号进行联合解调，克服了现有技术只能对一路网络编码信号进行解调的缺点，使得本发明具有高吞吐量的优点。

基站端最大似然译码模块11，用于基站按照最大似然准则对经过基站端联合解调模块10解调后的数据进行硬判决，实现数据的译码，并将译码后的数据送至基站端数据校验模块12。其最大似然准则采用比如下公式进行：

${\hat{S}}_A^k=\left\{\begin{array}{cc}1,& L\left(S_A^k\right|C_1,C_2,C_3)\&GreaterEqual;0\\ 0,& L\left(S_A^k\right|C_1,C_2,C_3)<0\end{array}\right.,$

${\hat{S}}_A^{k-1}=\left\{\begin{array}{cc}1,& L\left(S_A^{k-1}\right|C_1,C_2,C_3)\&GreaterEqual;0\\ 0,& L\left(S_A^{k-1}\right|C_1,C_2,C_3)<0\end{array}\right.,$

其中，

和

分别为

和

的判决值，

分别表示用户的第k帧与第k-1帧数据，

和为基站端联合解调模块10计算得到的联合似然比。

基站端数据校验模块12，用于对基站端最大似然译码模块11译码后的数据进行循环冗余校验CRC校验，如果校验成功就认为基站译码成功，则给中继端控制信号生成模块16反馈正确应答信号；如果校验失败就认为基站译码失败，则给中继端控制信号生成模块16反馈错误应答信号。

中继端数据接收模块13，用于接收来自于基站端和用户端的数据，其接收的数据被送至网络编码模块17，参与中继端网络编码。

中继端数据缓存模块14，用于缓存接收到的用户端和基站端的数据，其缓存的数据被送至网络编码模块17，参与中继端网络编码。

中继端数据校验模块15，用于对接收到的用户和基站的数据进行循环冗余校验CRC校验，得到校验结果，如果循环冗余校验CRC后得到的错误图样为0，则认为数据接收成功，如果循环冗余校验CRC后得到的错误图样不为0，则认为数据接收失败，并根据校验结果产生应答信号与校验指示符，并将应答信号与校验指示符送至控制信号生成模块16。

中继端的控制信号生成模块16，是根据循环冗余校验CRC校验结果、应答信号以及校验指示符产生控制信号，用以控制网络编码模块17中参加网络编码的信号。

中继端的网络编码模块17，用于将中继端数据接收模块13和中继端数据缓存模块14中的数据根据控制信号进行逐比特异或，实现网络编码。其具体实现方法是：比较两个数据帧对应位置的比特，如果对应位置的比特相同，则网络编码输出为0，如果不相同则输出1。通过网络编码可将待重传数据附加在新送传的数据上，克服了现有技术需要独立配置重传帧的缺点，使得本发明具有时延低和吞吐量高的优点。

中继端的调制模块18，用于将网络编码后的数据通过脉冲幅度调制发射出去。

参照图2，对本发明方法的具体步骤如下：

步骤1，发送数据

在第一时隙，用户将用户本地数据经过脉冲幅度调制后发送出去；在第二时隙，基站将基站本地数据经过脉冲幅度调制后发送出去。

步骤2，中继接收数据

2a）中继节点接收基站与用户发送的数据，对接收到的数据进行脉冲幅度解调，并对解调后的数据进行译码，获得译码后的数据。其中译码方法可选用线性分组码，卷积码，Turbo码，低密度校验码LDPC码和非编码方式中的任意一种；

2b）中继节点对译码后的数据采用循环冗余校验CRC的方法进行校验，如果循环冗余校验CRC后得到的错误图样不为0，则认为数据接收失败，将校验指示置为0；如果循环冗余校验CRC后得到的错误图样为0，则认为数据被成功接收，将校验指示置为1；

2c）如果校验结果为数据接收成功，则在接收到的数据上通过循环冗余校验CRC编码添加校验信息，然后对添加过校验信息的数据进行编码，并将编码后的数据和校验指示符进行缓存。其中编码方法选用线性分组码，卷积码，Turbo码，低密度校验码LDPC码和非编码方式中的任意一种。

步骤3，网络编码

中继节点读取接收到的数据和缓存中待重传的数据以及对应的校验指示符，根据控制信号对读取的数据进行逐比特异或，完成网络编码。网络编码的具体实现方法是：比较两个数据帧对应位置的比特，如果对应位置的比特相同，则网络编码输出为0，如果不相同则输出1。

步骤4，数据传输，即中继节点将网络编码后的数据经过脉冲幅度调制后发送出去。

步骤5，基站接收中继以及用户发送的数据，并将接收到的数据存入数据缓存区。

步骤6，联合解调

6a)基站读取接收到的数据和缓存中待重传的数据，计算用户和中继节点两帧数据的比特似然比：

当调制方式为二进制调制时，比特似然比通过以下公式计算：

$L\left(S_A^{k-1}\right|C_1)=4*h*C_1;$

当调制方式为多进制调制时，比特似然比通过如下公式计算：

$L\left(S_A^k\right|C_2)=\max [{|C_2-\frac{h*1}{\sqrt{5}}|}^2,{|C_2-\frac{h*3}{\sqrt{5}}|}^2]-\max [{|C_2+\frac{h*1}{\sqrt{5}}|}^2,{|C_2+\frac{h*3}{\sqrt{5}}|}^2],$

$L\left(S_A^{k-1}\right|C_1)=\max [{|C_1-\frac{h*1}{\sqrt{5}}|}^2,{|C_1+\frac{h*1}{\sqrt{5}}|}^2]-\max [{|C_1-\frac{h*3}{\sqrt{5}}|}^2,{|C_1+\frac{h*3}{\sqrt{5}}|}^2],$

其中，C₁表示基站接收的用户的第k帧数据，C₂表示基站接收的用户的第k-1帧数据，max表示求最大值函数，h表示信道衰落系数。

6b)基站根据计算得出的比特似然比,按照下面公式得到两帧的联合似然比函数：

第一帧数据的联合似然比：

$L\left(S_A^k\right|C_1,C_2,C_3)$

$=L\left(S_A^k\right|C_1)+L\left(S_A^{k-1}\right|C_2)L(S_A^k\&CirclePlus;S_A^{k-1}|(C_3,S_B^k,S_B^{k-1}))$

$=L\left(S_A^k\right|C_2)+L\left(S_A^{k-1}\right|C_1)L\left(S_B^k\right)L\left(S_B^{k-1}\right)L(S_A^k\&CirclePlus;S_A^{k-1}\&CirclePlus;S_B^{k-1}\&CirclePlus;S_B^k|C_3)$

$\&ap;L\left(S_A^k\right|C_2)-\mathrm{sign}\left(S_B^k\right)\mathrm{sign}\left(S_B^{k-1}\right)\mathrm{sign}\left(L(S_A^k\&CirclePlus;S_A^{k-1}|C_3)\right)\mathrm{sign}\left(L\left(S_A^{k-1}\right|C_1)\right)$

$\&CenterDot;\min \left(\right|L(S_A^k\&CirclePlus;S_A^{k-1}|C_3)|,|L\left(S_A^{k-1}\right|C_1)\left|\right)$

第二帧数据的联合似然比：

$L\left(S_A^{k-1}\right|C_1,C_2,C_3)$

$\&ap;L\left(S_A^{k-1}\right|C_2)-\mathrm{sign}\left(S_B^k\right)\mathrm{sign}\left(S_B^{k-1}\right)\mathrm{sign}\left(L(S_A^k\&CirclePlus;S_A^{k-1}|C_3)\right)\mathrm{sign}\left(L\left(S_A^k\right|C_1)\right)$

$\&CenterDot;\min \left(\right|L(S_A^k\&CirclePlus;S_A^{k-1}|C_3)|,|L\left(S_A^k\right|C_1)\left|\right)$

其中，

和

分别为

和

的联合似然比，

分别用户的第k帧与第k-1数据，

分别中继的第k帧与第k-1数据，k表示当前数据帧的编号，C₁表示基站接收的来自于用户的第k帧数据，C₂表示基站接收的来自于用户的第k-1帧数据，C₃表示基站接收的来自于中继的第k帧数据，

和

分别表示用户的第k帧与第k-1帧数据的比特似然比，sign表示取正负函数，

表示比特异或运算。

步骤7，最大似然译码

基站根据最大似然比准则对联合解调后的数据作硬判决，获得判决后的数据，最大似然比准则的判决式如下：

${\hat{S}}_A^k=\left\{\begin{array}{cc}1,& L\left(S_A^k\right|C_1,C_2,C_3)\&GreaterEqual;0\\ 0,& L\left(S_A^k\right|C_1,C_2,C_3)<0\end{array}\right.,$

${\hat{S}}_A^{k-1}=\left\{\begin{array}{cc}1,& L\left(S_A^{k-1}\right|C_1,C_2,C_3)\&GreaterEqual;0\\ 0,& L\left(S_A^{k-1}\right|C_1,C_2,C_3)<0\end{array}\right.,$

其中，

和

分别为

和

的判决值，

分别用户的第k帧与第k-1帧数据，

为第k帧数据的联合似然比，

为第k-1帧数据的联合似然比。

步骤8，数据校验

基站对判决后的数据采用循环冗余校验CRC的方法进行校验，得到校验结果，即如果循环冗余校验CRC后得到的错误图样为0，则认为数据接收成功，则对中继节点反馈正确应答信号；如果循环冗余校验CRC后得到的错误图样不为0，则认为数据接收失败，则对中继节点反馈错误应答信号。

步骤9，传输结束判断

如果用户没有传输完数据，则用户继续执行步骤（1）；如果用户传输完所有数据，则结束整个传输过程。

下面结合仿真对本发明的效果做进一步的阐述。

1.仿真条件：用户采用单天线半双工的双向中继系统，信道为平坦瑞利衰落信道，且用户与基站之间的信道是互异的，噪声环境为高斯白噪声。调制方式为2PAM，4PAM和8PAM，编码方式为非编码方式，每帧数据长度设为128比特。

2.仿真内容

仿真1，在不同比特信噪比下，对现有中继系统HARQ控制方法以及本发明方法在2PAM，4PAM和8PAM三种调制方式下，对其时延性能进行仿真，结果如图3所示。其中，点划线是本发明在2PAM，4PAM和8PAM三种调制方式下得到的时延性能曲线，虚线是现有中继系统HARQ控制方法在2PAM，4PAM和8PAM三种调制方式下得到的时延性能曲线。

从图3可以看出，现有中继系统HARQ控制方法的时延随着比特信噪比的减小而增加，随着调制阶数的提高而增加；而本发明在各种比特信噪比和调制方式下时延性能不变，都低于现有中继系统HARQ控制方法。

仿真2，在不同比特信噪比下，对现有中继系统HARQ控制方法以及本发明方案在2PAM，4PAM和8PAM三种调制方式下，对其吞吐量性能进行仿真，结果如图4所示。其中，实线是本发明在2PAM，4PAM和8PAM三种调制方式下得到的吞吐量性能曲线，虚线是现有中继系统HARQ控制方法在2PAM，4PAM和8PAM三种调制方式下得到的吞吐量性能曲线。

从图4可以看出，采用2PAM方式调制并且比特信噪比大于3dB时，本发明的吞吐量性能都明显地高于现有中继系统HARQ控制方法，其中在6dB的信噪比下达到近7%的最大吞吐量增益；采用4PAM和8PAM方式调制时，本发明的吞吐量性能在比特信噪比大于8dB时高于现有技术，当比特信噪比为16dB达到近9%的最大吞吐量增益。

Claims (6)

1.一种基于网络编码的双向中继混合自动重传请求HARQ控制系统，包括：

用户端数据接收模块（1），用于接收来自于基站端和中继端的数据，其接收的数据参与用户端联合解调；

用户端数据缓存模块（2），用于缓存用户的本地数据以及接收的来自于基站端与中继端的数据，参与用户端联合解调；

用户端数据编码调制模块（3），用于将用户的本地数据通过编码调制变成适合在无线信道中传输的数据，并实现用户端数据的发射；

用户端联合解调模块（4），用于对用户的本地数据以及接收到的来自于基站端和中继端数据进行联合似然比检测，以实现用户端数据的解调；

用户端最大似然译码模块（5），用于用户按照最大似然准则对联合解调后的数据进行硬判决，实现用户端数据的译码，并将译码后的数据送至用户端数据校验模块（6）；

用户端数据校验模块（6），用于校验用户译码后的数据正确与否，并将根据校验结果产生的应答信号反馈至中继端控制信号生成模块（16）；

基站端数据接收模块（7），用于接收来自于用户端和中继端的数据，其接收的数据参与基站端联合解调；

基站端数据缓存模块（8），用于缓存接收到的来自于用户端与中继端的数据，参与基站端联合解调；

基站端数据编码调制模块（9），用于将基站的本地数据通过编码调制变成适合在无线信道中传输的数据，并将编码后的数据发射出去；

基站端联合解调模块（10），用于对基站接收到的来自于用户端和中继端数据进行联合解调，实现基站端数据的解调，并将解调后的数据送至基站端最大似然译码模块（11）；

基站端最大似然译码模块（11），用于基站按照最大似然准则对联合解调后的数据进行硬判决，实现基站端数据的译码，并将译码后的数据送至基站端数据校验模块（12）；

基站端数据校验模块（12），用于校验基站译码后的数据正确与否，并将根据校验结果产生的应答信号反馈至中继端控制信号生成模块（16）；

中继端数据接收模块（13），用于接收来自于基站端和用户端的数据，其接收的数据参与中继端网络编码；

中继端数据缓存模块（14），用于缓存中继接收到的用户端和基站端的数据，根据校验结果产生的控制信号决定读取缓存区数据或丢弃缓存区数据；

中继端数据校验模块（15），用于对接收到的用户和基站的数据进行校验，得到校验结果，其校验结果将传递到控制信号生生模块（16）；

中继端的控制信号生成模块（16），根据中继端数据校验结果及基站端和用户端反馈的应答信号产生控制信号，该控制信号用以控制中继端数据缓存模块（14）的数据是否参与网络编码；

中继端的网络编码模块（17），用于对中继接收到数据以及中继端数据缓存区的数据根据控制信号进行逐比特异或，实现网络编码，并将网络编码后的数据送至中继端调制模块（18）；

中继端的调制模块（18），用于将中继端经过网络编码后的数据通过脉冲幅度调制后发射出去。

2.一种基于网络编码的双向中继HARQ控制方法，包括：

（1）用户与基站的数据发送步骤：

在第一时隙，用户将用户本地数据经过脉冲幅度调制后发送出去；

在第二时隙，基站将基站本地数据经过脉冲幅度调制后发送出去；

（2）中继节点数据处理步骤：

2a)中继节点接收基站与用户发送的数据，对接收到的数据进行脉冲幅度解调，并对解调后的数据进行译码，获得译码后的数据；

2b）中继节点对译码后的数据采用循环冗余校验CRC的方法进行校验，判断数据是否接收成功，如果循环冗余校验CRC后得到的错误图样为0，则认为数据接收成功，如果循环冗余校验CRC后得到的错误图样不为0，则认为数据接收失败，并根据校验结果产生应答信号与校验指示符；

2c）如果校验结果为数据接收成功，则在接收到的数据上通过循环冗余校验CRC编码添加校验信息，然后对添加过校验信息的数据进行编码，并将编码后的数据和校验指示符进行缓存；

2d）中继节点读取接收到的数据和缓存中待重传的数据以及对应的校验指示符，根据控制信号对读取的数据进行逐比特异或，完成网络编码，并将网络编码后的数据经过脉冲幅度调制后发送出去；

（3）基站数据处理步骤：

3a）基站接收中继以及用户发送的数据，并将接收到的数据存入数据缓存区；

3b)基站读取接收到的数据和缓存中待重传的数据，计算用户和中继节点在第k帧与第k-1帧数据的比特似然比

和

并根据得到的比特似然比计算联合似然比函数：

第一帧数据的联合似然比：

$L\left(S_A^k\right|C_1,C_2,C_3)$

$=L\left(S_A^k\right|C_1)+L\left(S_A^{k-1}\right|C_2)L(S_A^k\&CirclePlus;S_A^{k-1}|(C_3,S_B^k,S_B^{k-1}))$

$=L\left(S_A^k\right|C_2)+L\left(S_A^{k-1}\right|C_1)L\left(S_B^k\right)L\left(S_B^{k-1}\right)L(S_A^k\&CirclePlus;S_A^{k-1}\&CirclePlus;S_B^{k-1}\&CirclePlus;S_B^k|C_3)$

$\&ap;L\left(S_A^k\right|C_2)-\mathrm{sign}\left(S_B^k\right)\mathrm{sign}\left(S_B^{k-1}\right)\mathrm{sign}\left(L(S_A^k\&CirclePlus;S_A^{k-1}|C_3)\right)\mathrm{sign}\left(L\left(S_A^{k-1}\right|C_1)\right)$

$\&CenterDot;\min \left(\right|L(S_A^k\&CirclePlus;S_A^{k-1}|C_3)|,|L\left(S_A^{k-1}\right|C_1)\left|\right)$

第二帧数据的联合似然比：

$L\left(S_A^{k-1}\right|C_1,C_2,C_3)$

$\&ap;L\left(S_A^{k-1}\right|C_2)-\mathrm{sign}\left(S_B^k\right)\mathrm{sign}\left(S_B^{k-1}\right)\mathrm{sign}\left(L(S_A^k\&CirclePlus;S_A^{k-1}|C_3)\right)\mathrm{sign}\left(L\left(S_A^k\right|C_1)\right)$

$\&CenterDot;\min \left(\right|L(S_A^k\&CirclePlus;S_A^{k-1}|C_3)|,|L\left(S_A^k\right|C_1)\left|\right)$

其中，

和

分别表示

和

的联合似然比，

分别表示用户的第k帧与第k-1帧数据，

分别表示中继节点的第k帧与第k-1帧数据，k表示当前数据帧的编号，C₁表示基站接收的用户的第k帧数据，C₂表示基站接收的用户的第k-1帧数据，C₃表示基站接收的中继节点的第k帧数据，sign表示取正负函数，

表示比特异或运算；

3c）基站根据最大似然比准则对联合解调后的数据作硬判决，获得判决后的数据；

3d）基站对判决后的数据采用循环冗余校验CRC的方法进行校验，得到校验结果，即如果循环冗余校验CRC后得到的错误图样为0，则认为数据接收成功，如果循环冗余校验CRC后得到的错误图样不为0，则认为数据接收失败；

3e)基站根据校验结果生成应答信号，并将应答信号反馈至中继节点；

（4）传输结束判断步骤：

如果用户没有传输完数据，则继续执行步骤（1）；如果用户传输完所有数据，则结束整个传输过程。

3.根据权利要求2所述的基于网络编码的双向中继HARQ控制方法，其中步骤2a）中所述的对解调后的数据进行译码，是通过线性分组码，卷积码，Turbo码，低密度校验码和非编码方式中的任意一种方式完成。

4.根据权利要求2所述的基于网络编码的双向中继HARQ控制方法，其中步骤2c）中所述的对添加过校验信息的数据进行编码，选用线性分组码，卷积码，Turbo码，低密度校验码和非编码方式中的任意一种方式完成。

5.根据权利要求2所述的基于网络编码的双向中继HARQ控制方法，其中步骤3b）所述的计算用户和中继节点在第k帧与第k-1帧数据的比特似然比

和

根据不同调制方式进行计算，即：

当调制方式为二进制调制时，比特似然比通过以下公式计算：

$L\left(S_A^k\right|C_2)=4*h*C_2$

$L\left(S_A^{k-1}\right|C_1)=4*h*C_1;$

当调制方式为多进制调制时，比特似然比通过如下公式计算：

$L\left(S_A^k\right|C_2)=\max [{|C_2-\frac{h*1}{\sqrt{5}}|}^2,{|C_2-\frac{h*3}{\sqrt{5}}|}^2]-\max [{|C_2+\frac{h*1}{\sqrt{5}}|}^2,{|C_2+\frac{h*3}{\sqrt{5}}|}^2],$

$L\left(S_A^{k-1}\right|C_1)=\max [{|C_1-\frac{h*1}{\sqrt{5}}|}^2,{|C_1+\frac{h*1}{\sqrt{5}}|}^2]-\max [{|C_1-\frac{h*3}{\sqrt{5}}|}^2,{|C_1+\frac{h*3}{\sqrt{5}}|}^2],$

其中，C₁表示基站接收的用户的第k帧数据，C₂表示基站接收的用户的第k-1帧数据，h表示信道衰落系数。

6.根据权利要求2所述的基于网络编码的双向中继HARQ控制方法，其中步骤3c）所述的基站根据最大似然比准则对联合解调后的数据作硬判决，采用比如下

公式进行：

${\hat{S}}_A^k=\left\{\begin{array}{cc}1,& L\left(S_A^k\right|C_1,C_2,C_3)\&GreaterEqual;0\\ 0,& L\left(S_A^k\right|C_1,C_2,C_3)<0\end{array}\right.,$

${\hat{S}}_A^{k-1}=\left\{\begin{array}{cc}1,& L\left(S_A^{k-1}\right|C_1,C_2,C_3)\&GreaterEqual;0\\ 0,& L\left(S_A^{k-1}\right|C_1,C_2,C_3)<0\end{array}\right.,$

其中，

分别为的判决值，

和

分别表示和

的联合似然比，

分别表示用户的第k帧与第k-1帧数据，C₁表示基站接收的用户的第k帧数据，C₂表示基站接收的用户的第k-1帧数据，C₃表示基站接收的中继节点的第k帧数据。

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