CN103001735A - 一种用于中继系统的编码与译码方法及信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线中继通信系统领域，本发明为解决现有中继系统因硬编码导致信息丢失和错误传播的技术问题，提出了一种结合LDPC和中继稀疏生成矩阵的中继软编码与译码方法及信号处理方法。本发明充分利用中继端接收的基站的信号，结合中继生成矩阵实现中继软编码，以得到发送给终端的校验比特软信息；而终端能则根据中继端的校验比特软信息和基站信号，基于本发明的联合码校验矩阵再次进行译码恢复出原信息序列。本发明无需对中继系统的基站发射机做任何改动，仅需对中继端的编码方法进行改进即可实现有效的避免现有硬编码造成的错误信息传播，有效地提高通信的通信质量，具有兼容性强、传输效率高及可靠性高等优点。

Description

一种用于中继系统的编码与译码方法及信号处理方法

技术领域

本发明涉及无线中继通信系统中用于中继端的编码方法，特别涉及一种结合低密度奇偶校验码LDPC和稀疏生成矩阵的软编码与译码方法及信号处理方法。

背景技术

中继是一种可以有效提高蜂窝系统中系统性能和网络覆盖率，特别是提高小区边缘的吞吐量、扩大较小功率基站的覆盖率的技术。两种主要的中继方案是模拟转发（Amplify-and-Forward,AF）方案和译码转发（Decode-and-Forward,DF）方案。

AF方案中，中继对收到的符号进行放大处理后转发，处理复杂度低，延时小，但中继在放大有用信号的同时也放大了噪声，从而影响接收端的接收。

DF方案中依据循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check,CRC）的使用与否可以分为两种方案：采用CRC的DF方案中，中继对收到的信号进行译码和CRC检测并选择其中接收正确的信号进行转发，对错误的信号不进行处理；无CRC的DF方案中，中继对收到的信号进行译码后全部转发。DF方案中继转发的信号没有引入噪声，但DF方案要求基站发出的信息进行信道纠错码编码的保护，中继进行译码、再编码或转发，复杂度较高，转发延时长，且在信道差时中继会丢弃大量错误数据从而引起链路中断和数据重传。

DF方案下，如在中继端采用再编码方案，例如采用低密度奇偶校验码(LowDensity Parity Check,LDPC)、turbo码编码方案可以进一步提高频谱效率和网络吞吐量。在两跳的中继模型中，基站端采用LDPC码，中继端对收到的信号再进行编码而产生基站码的校验比特，基站码和中继码的联合码可以达到DF中继技术的理论码率，并依据中继和终端两个信道条件选择两个最优码率。文献“B.Zhao and M.C.Valenti,“Distributed turbo coded diversity for relaychannel,”Electronics Letters,vol.39,no.10,pp.786-787,May 2003.”提出由两个递归码组成的应用于中继系统的分布式的turbo码能获得联合分集和编码增益，其中两个递归码为：基站广播的递归码和中继对收到的从基站发出的递归码进行译码、交织、重新编码后得到的递归码。在多址中继接入信道中，文献“Z.Lin,Y.Li and B.Vucetic,“Distributed network channel codingfor multiple access relay interference channels,”IEEE VehicularTechnology Conference,pp.1-5,May 2010.”提出一种联合的分布式信道码可以同时获得网络编码增益和信道编码增益。文献“G.Song,Y.Li and J.Cheng,“Network low density parity check codes designed for multiple-accessrelay channel,”IEEE Pacific Rim Conference on Communications,Computersand Signal Processing,pp.521-526,Aug.2009.”提出一种在两个基站、一个中继、一个终端的系统中，基站采用LDPC码、中继对收到的来自两个基站的信息进行联合编码以提高总体传输性能的方法。

上述传输技术中，中继都是对收到的信息进行硬编码，这样会导致有用的信息丢失和错误信息的传播的问题。

发明内容

本发明为解决现有中继系统因硬编码导致信息丢失和错误传播的技术问题，提出了一种结合低密度奇偶校验码LDPC和中继稀疏生成矩阵的中继软编码与译码方法及信号处理方法。

本发明的用于中继系统的编码方法，包括以下步骤：

S1、中继端对接收的基站信号进行解调后，进行低密度奇偶校验码LDPC译码，并保存译码后的基站码信息，通常将基站码信息保存于中继端的寄存器中；

S2、中继端根据所述基站码信息和中继LDPC生成矩阵G_r进行中继软编码，生成校验码软信息，每个校验比特c_i'的生成式为：

$c_i^{\′}=\ln \frac{1-\underset{j=1}{\overset{d}{\mathrm{\Π}}}(1-2P(b_{T(i,j)}=1))}{1+\underset{j=1}{\overset{d}{\mathrm{\Π}}}(1-2P(b_{T(i,j)}=1))}$

上式中，T(i，j)为矩阵G_r中第i列中第j个“1”对应的行数，P(b_T(i，j)=1)为基站码信息中第T(i，j)比特为“1”的概率，它可以通过中继对从基站接收到信号进行LDPC软译码得到，所述矩阵G_r为每列中“1”的个数固定为d的二元稀疏矩阵。

本发明的编码方法无需对中继系统的基站发射机做任何改动，仅需对中继端的编码方法进行改进即可实现。本发明的编码方法充分利用中继端接收的来自基站的信息，结合中继LDPC生成矩阵（该矩阵为列重固定的二元稀疏矩阵）实现中继软编码，以得到发送给终端的校验比特软信息，能有效的避免现有硬编码造成的错误信息传播，这将有效地提高通信的可靠性，有效地提升中继系统的传输容量、效率和通信质量。

进一步的，可通过下列步骤确定所述LDPC生成矩阵G_r的列重：首先，构造联合码校验矩阵 $H_c=\left[\begin{array}{cc}{H}_s& O\\ G_r^T& I\end{array}\right],$ 所述H_s为基站的LDPC奇偶校验矩阵，I为单位矩阵，O为全零矩阵；

然后，选择和H_s的行重相当的n（n≥2，通常可取值在10个左右）个整数作为中继端生成矩阵的试用列重，根据H_c计算n个试用列重下和积译码算法中高斯近似密度的均值，选择其中均值最大的试用列重作为矩阵G_r的列重，依据数值“1”在此稀疏矩阵中随机均匀分布的原则构造矩阵G_r。

为了实现对本发明的每个校验比特c_i'的便捷计算，保存的基站码信息为每个基站码比特b_k为“1”的概率与b_k为0的概率比值的对数值的数据形式存储。

对应本发明的中继端编码方法，本发明公开了一种用于中继系统的译码方法，包括以下步骤：

S1、终端对接收的基站信号进行解调、解交织处理后送入步骤S2，并保存处理后的基站信息；

S2、终端对信号进行LDPC译码，若译码成功，则通过反馈信道向基站和中继端发送要求继续传输下一信息包的信号；否则向中继端反馈要求重传的信号，并进入步骤S3；

S3、终端对接收的中继端信号进行解调、解交织处理后，并保存处理后的中继信息；

将中继信息的中继码与步骤S1的基站信息的基站码合并成一个联合码，构成联合软信息；根据来自中继端的联合码校验矩阵 $H_c=\left[\begin{array}{cc}{H}_s& O\\ G_r^T& I\end{array}\right]$ 对所述联合软信息进行LDPC译码，若译码成功，则通过反馈信道向基站和中继发送要求继续传输下一信息包的信号；否则向基站反馈要求重传的信号；

所述联合码校验矩阵H_c中，H_s为基站的LDPC奇偶校验矩阵，G_r为中继LDPC生成矩阵，I为单位矩阵，O为全零矩阵。

基于本发明的编码和译码方法，本发明还公开了一种用于中继系统的信号处理方法，包括基站、中继端和终端，所述基站用于对信息包进行LDPC编码、调制及发送处理，其特征在于，

a．所述中继端对接收的信号处理步骤为：

Sa1、对接收的基站信号进行解调后，进行低密度奇偶校验码LDPC译码，并保存软译码后的基站码信息；

Sa2、若收到来自终端的要求继续传输下一信息包的信号，则丢弃保存的基站码信息，返回步骤Sa1；若收到来自终端的要求重传的信号，则进入步骤Sa3；

Sa3、构造联合码校验矩阵 $H_c=\left[\begin{array}{cc}{H}_s& O\\ G_r^T& I\end{array}\right],$ 所述H_s为基站的LDPC奇偶校验矩阵，G_r为中继LDPC生成矩阵，I为单位矩阵，O为全零矩阵；

根据中继LDPC生成矩阵Gr和步骤Sa1中的基站码信息进行中继软编码，生成校验码软信息，每个校验比特c_i'的生成式为：

$c_i^{\′}=\ln \frac{1-\underset{j=1}{\overset{d}{\mathrm{\Π}}}(1-2P(b_{T(i,j)}=1))}{1+\underset{j=1}{\overset{d}{\mathrm{\Π}}}(1-2P(b_{T(i,j)}=1))}$

上式中，T(i，j)为矩阵G_r中第i列中第j个“1”对应的行数，P(b_T(i，j)=1)为基站码信息中第T(i，j)比特为“1”的概率，所述矩阵G_r为每列中“1”的个数固定为d的二元稀疏矩阵；

Sa4、将步骤Sa3校验码软信息发送给终端；

b．所述终端对接收的信号处理步骤为：

Sb1、对接收的基站信号进行解调、解交织处理后送入步骤Sb2，并保存处理后的基站信息；

Sb2、对信号进行LDPC译码，若译码成功，则通过反馈信道向基站和中继端发送要求继续传输下一信息包的信号，返回步骤Sb1；否则向中继端反馈要求重传的信号，并进入步骤Sb3；

Sb3、对接收的中继端信号进行解调、解交织处理后，并保存处理后的中继信息；将中继信息的中继码与步骤S1的基站信息的基站码合并成一个联合码，构成联合软信息；根据联合码校验矩阵H_c对所述联合软信息进行LDPC译码，若译码成功，则通过反馈信道向基站和中继发送要求继续传输下一信息包的信号；否则向基站反馈要求重传的信号。

在本发明中，通信中采用的信道编码为LDPC码，基站与终端的通信过程可以分成两个时隙：第一时隙通信中，基站通过无线信道发送数据给终端和中继，若终端未能正确接收基站信号（即译码失败），则终端通过反馈信道通知中继端进行第二时隙通信；第二时隙通信中，发送端变为中继端，而接收端仍为终端，中继按照中继LDPC生成矩阵和第一时隙通信收到并译码得到的基站码信息进行中继软编码，以得到校验比特码软信息，之后中极端将该校验比特码软信息发送给终端，而终端再根据两次接收信息（来自第一时隙通信的基站信息和来自第二时隙通信的中继信息），根据本发明的联合码校验矩阵H_c再次进行LDPC译码恢复出原信息序列。本发明信号处理方法，提高了中继码的协作能力，并有效的避免了硬编码会造成的错误的传播，从而有效地提高通信的可靠性，提升系统传输容量、效率和通信质量。

综上，本发明的有益效果在于，无需对中继系统的基站发射机做任何改动，仅需对中继端的编码方法进行改进即可实现有效的避免现有硬编码造成的错误信息传播，有效地提高通信的通信质量，具有兼容性强、传输效率高及可靠性高等优点。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

本实施例的中继系统包含一个基站、一个中继端和一个终端，基站在中继端的协助下向终端发送信息。

基站对信号的处理为：首先基站将需要传输的信息包按照常规的LDPC码的编码方式进行编码，产生码字，并经过调制之后送入无线信道；若收到从终端反馈信道传来的要求继续传输下一信息包的信号，则进行下一信息包的编码、调制及发送处理；若收到终端要求重传的信号，则重传该信息包对应的调制符号。基站的发射机对信号的编码、调制过程如下具体如下所述：

步骤S101：LDPC编码，产生规则LDPC的校验矩阵G_s，行重为6、列重为3，LDPC码的码率为1/2，将由基站发出的长度为1000比特的原始数据s送入编码处理模块，利用规则的LDPC公式(1)进行编码获得码长为2000的码字C_s，进入步骤S102；

C_s=s×G_s                公式(1)

步骤S102：调制与发送处理，将经过编码处理后的信号经其常规的调制之后送至信道发送。

中继端处理步骤如下：

第一时隙通信：解调、译码

接收来自无线信道的基站信号，并相应地进行解调，指根据接收信号获取调制符号映射对应比特的可靠性信息；解调后的信号被送入常规的LDPC码译码器进行译码处理，即指根据输入译码器的比特可靠性信息对编码处理的数据进行错误纠正过程，并输出纠正后比特的可靠性，并将译码后的基站码信息保存在寄存器中，为了便于第二时隙通信的中继软编码，本实施中，以每个基站码比特b_k为“1”的概率与该比特为0的概率比值的对数值的形式将基站码信息保存至寄存器中，称为基站码软信息（本发明中，中继既可以在其第一时隙通信时计算获得基站码软信息，也可以在第二时隙通信时计算，本实施为在第二时隙通信处理计算。）；

若收到来自终端反馈信道的要求继续传输下一信息包的信号，则丢弃储存在寄存器中的基站码软信息，并准备对下一次接收的基站信号的解调、译码等的护理；若收到来自终端的信号为要求重传信号，则中继端进入第二时隙通信。

第二时隙通信：

步骤S201：中继端收到来自终端的要求重传的信号，将第一时隙通信存储的基站码信息取出来，对每一个比特b_k求似然值，即此信道输出的条件下比特b_k发送值为“1”的条件概率；

步骤S202：确定中继端LDPC生成矩阵G_r的列重，生成矩阵G_r是一个列重（即矩阵列向量中“1”的个数）固定，矩阵中“1”为随机、均匀分布的二元稀疏矩阵，矩阵G_r的全部列重相等。

首先构造联合码的校验矩阵H_c，如公式(2)所示：

$H_c=\left[\begin{array}{cc}{H}_s& O\\ G_r^T& I\end{array}\right]$ 公式(2)

其中，其中，H_s为基站LDPC奇偶校验矩阵，G_r为中继LDPC生成矩阵，I为单位矩阵，O为全零矩阵。

然后选择和矩阵H_s的行重相当的n个整数（如2到10的整数）作为矩阵G_r的试用列重，利用公式（2）计算这8个试用列重下和积译码算法中高斯近似密度的均值，选择其中均值最大的试用列重（本实施均值最大的试用列重为2）作为矩阵G_r的列重，依据数值“1”在矩阵中随机、均匀分布的原则构造中继LDPC生成矩阵。

步骤S203：中继软编码，利用矩阵G_r，对步骤S201中求出的似然值进行中继软编码，其结果是一组连续值。一个校验比特c_i'是对收到的基站码中某几个特定比特（b_T(i,j)）的似然值进行软编码得到，b_T(i,j)的选择是依照该校验比特c_i'在矩阵G_r中的对应列中“1”的位置选择，其值可以通过公式(3)获得：

$c_i^{\′}=\ln \frac{1-\underset{j=1}{\overset{d}{\mathrm{\Π}}}(1-2P(b_{T(i,j)}=1))}{1+\underset{j=1}{\overset{d}{\mathrm{\Π}}}(1-2P(b_{T(i,j)}=1))}$ 公式(3)

上式中，T(i，j)矩阵G_r中第i列中的第j个“1”对应的行数，P(b_T(i，j)=1)为基站码信息中第T(i，j)比特为“1”的概率，它可通过中继对从基站接收到信号进行LDPC软译码得到，矩阵G_r为每列中“1”的个数固定为d的二元稀疏矩阵；

步骤S204：信号发送，将上一步骤输出的校验比特软信息发送给终端。

终端对收到的信号处理步骤如下：

第一时隙通信：

步骤S301：基站信号接收及常规处理，终端的接收机收到基站发出的采用规则LDPC编码的信号后，进行解调、解交织处理后，送入步骤S302；

步骤S302：将步骤S301送来的信号存储到存储器，再进行常规的LDPC译码，若译码成功，则向基站和中继端发送确认信号；否则向中继端反馈重传信号；

第二时隙通信：

接收来自无线信道的中继端信号，对接收的中继端信号进行解调、解交织处理后，并保存处理后的中继信息；将中继信息的中继码与步骤S302保存的基站信息的基站码合并成一个联合码，构成联合软信息；再根据来自中继端的联合码的校验矩阵Hc对所述联合软信息进行LDPC译码，若译码成功，则通过反馈信道向基站和中继发送要求继续传输下一信息包的信号；否则向基站反馈要求重传的信号。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种用于中继系统的编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、中继端对接收的基站信号进行解调后，进行低密度奇偶校验码LDPC译码，并保存译码后的基站码信息；

S2、中继端根据所述基站码信息和中继LDPC生成矩阵G_r进行中继软编码，生成校验码软信息，每个校验比特_c′i的生成式为：

$G_i^{\′}=\ln \frac{1-\underset{j=1}{\overset{d}{\mathrm{\Π}}}(1-2P(b_{T(i,j)}=1))}{1+\underset{j=1}{\overset{d}{\mathrm{\Π}}}(1-2P(b_{T(i,j)}=1))}$

上式中，T(i，j)为矩阵G_r中第i列中第j个“1”对应的行数，P(b_T(i，j)＝1)为基站码信息中第T(i，j)比特为1的概率，所述矩阵G_r为每列中“1”的个数固定为d的二元稀疏矩阵。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述中继LDPC生成矩阵G_r的列重为：

构造联合码校验矩阵 $H_c=\left[\begin{array}{cc}{H}_s& O\\ G_r^T& I\end{array}\right],$ 所述H_s为基站的LDPC奇偶校验矩阵，I为单位矩阵，O为全零矩阵；

选择和H_s的行重相当的n个整数作为中继端生成矩阵的试用列重，根据H_c计算n个试用列重下和积译码算法中高斯近似密度的均值，选择其中均值最大的试用列重作为矩阵G_r的列重，依据数值“1”在矩阵中随机均匀分布的原则构造矩阵G_r。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，保存的基站码信息为每个基站码比特b_k为1的概率与b_k为0的概率比值的对数值。

4.一种用于中继系统的译码方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、终端对接收的基站信号进行解调、解交织处理后送入步骤S2，并保存处理后的基站信息；

S2、终端对信号进行LDPC译码，若译码成功，则通过反馈信道向基站和中继端发送要求继续传输下一信息包的信号；否则向中继端反馈要求重传的信号，并进入步骤S3；

S3、终端对接收的中继端信号进行解调、解交织处理后，并保存处理后的中继信息；

将中继信息的中继码与步骤S1的基站信息的基站码合并成一个联合码，构成联合软信息；根据来自中继端的联合码校验矩阵 $H_c=\left[\begin{array}{cc}{H}_s& O\\ G_r^T& I\end{array}\right]$ 对所述联合软信息进行LDPC译码，若译码成功，则通过反馈信道向基站和中继发送要求继续传输下一信息包的信号；否则向基站反馈要求重传的信号；

所述联合码校验矩阵H_c中，H_s为基站LDPC奇偶校验矩阵，G_r为中继LDPC生成矩阵，I为单位矩阵，O为全零矩阵。

5.一种用于中继系统的信号处理方法，包括基站、中继端和终端，所述基站用于对信息包进行LDPC编码、调制及发送处理，其特征在于，

a.所述中继端对接收的信号处理步骤为：

Sa1、对接收的基站信号进行解调后，进行低密度奇偶校验码LDPC译码，并保存软译码后的基站码信息；

Sa2、若收到来自终端的要求继续传输下一信息包的信号，则丢弃保存的基站码信息，返回步骤Sa1；若收到来自终端的要求重传的信号，则进入步骤Sa3；

Sa3、构造联合码校验矩阵 $H_c=\left[\begin{array}{cc}{H}_s& O\\ G_r^T& I\end{array}\right],$ 所述H_s为基站LDPC奇偶校验矩阵，G_r为中继LDPC生成矩阵，I为单位矩阵，O为全零矩阵；

根据中继LDPC生成矩阵Gr和步骤Sa1中的基站码信息进行中继软编码，生成校验码软信息，每个校验比特c′_i的生成式为：

$G_i^{\′}=\ln \frac{1-\underset{j=1}{\overset{d}{\mathrm{\Π}}}(1-2P(b_{T(i,j)}=1))}{1+\underset{j=1}{\overset{d}{\mathrm{\Π}}}(1-2P(b_{T(i,j)}=1))}$

上式中，T(i，j)为矩阵G_r中第i列中第j个“1”对应的行数，P(b_T(i，j)＝1)为基站码信息中第T(i，j)比特为1的概率，所述矩阵G_r为每列中“1”的个数固定为d的二元稀疏矩阵；

Sa4、将步骤Sa3校验码软信息发送给终端；

b.所述终端对接收的信号处理步骤为：

Sb1、对接收的基站信号进行解调、解交织处理后送入步骤Sb2，并保存处理后的基站信息；

Sb2、对信号进行LDPC译码，若译码成功，则通过反馈信道向基站和中继端发送要求继续传输下一信息包的信号，返回步骤Sb1；否则向中继端反馈要求重传的信号，并进入步骤Sb3；

Sb3、对接收的中继端信号进行解调、解交织处理后，并保存处理后的中继信息；将中继信息的中继码与步骤S1的基站信息的基站码合并成一个联合码，构成联合软信息；根据联合码校验矩阵H_c对所述联合软信息进行LDPC译码，若译码成功，则通过反馈信道向基站和中继发送要求继续传输下一信息包的信号；否则向基站反馈要求重传的信号。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述中继端在步骤Sa3中，还包括构造中继LDPC生成矩阵的步骤，具体为：

选择和H_s的行重相当的n个整数作为中继端生成矩阵的试用列重，根据H_c计算n个试用列重下和积译码算法中高斯近似密度的均值，选择其中均值最大的试用列重作为矩阵G_r的列重，依据数值1在矩阵中随机均匀分布的原则构造矩阵G_r。