CN103067136A - 协同编码的通信方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种协同编码的通信方法及系统，所述方法包括初始化步骤：信宿生成并将LDPC校验矩阵信息广播给每个信源；广播步骤：所有信源都接收到LDPC校验矩阵信息后，每个信源经过正交的信道发送信息包到信宿，同时，其余信源接收所述LDPC校验矩阵信息对应指定的信源信息包；及中继步骤：每个信源将正确接收的信源信息逐比特异或，并将计算得到的中继包R'(i)发送到信宿。本发明实施例的协同编码的通信方法及系统通过开始通信之前预先生成并将LDPC校验矩阵信息广播给每个信源，每个信源都获得并存储需要接收信源信息的索引，进而达到了系统性能好，误码率低的技术效果。

Description

协同编码的通信方法及系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种协同编码的通信方法及系统。
背景技术
以移动通信、无线局域网等为代表的无线网络已成为世界各国重要的高新技术支柱产业。目前，商业化的第三代移动通信系统（3G）在稳步推进；以微波存取全球互通（WorldInteroperability for Microwave Access，简称WiMA）为代表的宽带无线接入系统的高速发展已经成为了电信产业发展的一大亮点；面向多媒体业务的地面无线数字电视广播系统进入实施阶段。
随着频谱资源紧张的问题日益突出，传统的基于资源独立优化的无线通信体系架构往往受到“边界效应”的制约，不能很好地满足不断增长的业务需求。协同编码便应运而生，其是将协同传输和信道编码相结合，不同的用户传输码字的一部分，在目的端同时获得分集和编码增益，从根本上提高无线资源利用的有效性，实现无线资源与用户需求之间最大程度的匹配。设计好的编码协同，具有很强的应用前景。下面分别对相关联的两个概念进行说明。
1、无线网络编码
在无线协同网络中，借用网络编码的思想，中继节点将接收的信息混合起来，把编过码的符号传输出去。下面介绍下如何将无线网络编码运用到无线编码协同中。
图1展示了一种现有的无线协同网络模型，第一个时隙，每个节点(如T1,T2)广播自己的信息；第二个时隙，中继节点(如R1,R2)将自己收到的信息包发送给目的节点。显然，这种协同方式需要4个时隙以及2个中继点，从而使得每个源节点的协同度为2。图2展示了另一种现有的无线协同网络编码模型，由2个源节点，1个中继节点和1个目的节点组成，这跟著名的蝴蝶结构类似。在第一个时隙，其中一个源节点(如T1)广播自己的信息c1；在第二个时隙，另一个源节点(如T2)广播自己的信息包c2；在最后一个时隙，中继节点把c1和c2的线性组合(如校验和
Figure BDA00002729573000011
)发送到目的节点。毫无疑问，目的节点只要恢复以上任何2个信息包就可以正确接收c1和c2，与前一种协同方式相比，这种方式节省了1个时隙和1个中继节点，而达到了相同的协同度。
2、自适应网络编码协同
从上述分析可以得到，无线协同网络的协同增益通过分布式编码得到。同样地，更加复杂的校验码可以用在更大规模的网络，比如BCH码，Turbo码和低密度奇偶校验码（LowDensity Parity Check Code，LDPC）。
利用了网络编码技术，自适应网络编码协同是在目的节点形成对应于瞬间网络拓扑结构的随机网络码字，此技术对抗无线衰落非常有效。
由于现有的自适应网络编码协同是随机选择信息包来计算中继包，因此在信宿中所形成的LDPC校验矩阵是随机的，存在很多短环(如图3的方框所示)，严重影响系统性能，导致误码率较高。
发明内容
本发明实施例所要解决的一个技术问题在于，提供一种系统性能好，误码率低的协同编码的通信方法。
本发明实施例所要解决的另一个技术问题在于，提供一种系统性能好，误码率低的协同编码的通信系统。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种协同编码的通信方法，包括初始化步骤：信宿生成并将LDPC校验矩阵信息广播给每个信源；广播步骤：所有信源都接收到LDPC校验矩阵信息后，每个信源经过正交的信道发送信息包到信宿，同时，其余信源接收所述LDPC校验矩阵信息对应指定的信源信息包；及中继步骤：每个信源将正确接收的信源信息逐比特异或，并将计算得到的中继包R'(i)发送到信宿。
为了解决上述技术问题，本发明实施例还提出了一种协同编码的通信系统，所述系统包括：由一个信宿组成的信宿端：生成并将LDPC校验矩阵信息广播给每个信源；及由多个信源组成的信源端：所有信源都接收到LDPC校验矩阵信息后，每个信源经过正交的信道发送信息包到信宿，同时，其余信源接收所述LDPC校验矩阵信息对应指定的信源信息包，且每个信源将正确接收的信源信息逐比特异或，并将计算得到的中继包R'(i)发送到信宿。
本发明实施例的协同编码的通信方法及系统的有益效果是：通过开始通信之前预先生成并将LDPC校验矩阵信息广播给每个信源，每个信源都获得并存储需要接收信源信息的索引，进而达到了系统性能好，误码率低的技术效果。
附图说明
图1是一种现有的无线协同网络模型。
图2是另一种现有的无线协同网络模型。
图3是自适应网络编码协同过程中生成的LDPC校验矩阵存在的短环示意图。
图4是自适应网络编码协同方法对应的传输过程示意图。
图5是自适应网络编码协同方法在广播阶段后信源之间接收信息状况示意图。
图6是本发明实施例的协同编码的通信方法的流程示意图。
图7是本发明实施例的协同编码的通信方法基校验矩阵Hb扩展流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例的通信系统包含m个信源和1个信宿，下面介绍一种自适应网络编码协同方法（下称方法一），其包括：
①广播阶段，每个信源经过正交的信道，发送自己的信息包到信宿，同时，其余信源保持接收信息，将信源正确接收的信息集合记为
Figure BDA00002729573000038
。
②中继阶段，信源i从随机选取几个信息包，相互逐比特异或，将计算后的中继包R(i)发送到信宿。中继包R(i)包括数据部分和携带有误码的信源索引的包头部分；对应的传输过程如图4所示，在信宿端，信宿收集完所有从信源发送的信息。根据R(i)的包头信息，信宿可以知道每个信息包和中继包之间的关系，将这些信息看成一个LDPC码字。在解码时，可以用LDPC解码方法来进行整体解码。
为了更加清楚地描述自适应网络编码协同与形成LDPC校验矩阵的对应关系，在这里我们假定一个通信系统有6个信源，1个信宿，经过广播阶段后，信源之间接收信息状况如图5所示，图中信源i到信源j的箭头表示信源j正确接收信源i的信息。因此，我们可以得到：
Figure BDA00002729573000031
Figure BDA00002729573000032
Figure BDA00002729573000033
Figure BDA00002729573000034
Figure BDA00002729573000036
如果在中继阶段，所有信源都全部选择
Figure BDA00002729573000037
中信息来计算校验位，在信宿中形成的LDPC校验矩阵左边元素hij，当信源i正确时信源j就设为1，否则就为0；当i等于j时，矩阵右边的元素设为1，否则为0，那么形成的LDPC校验矩阵也如图3所示。
由上可知，采用自适应网络编码协同，在信宿所形成的LDPC码性能跟中继阶段信源选择其他信源信息包密切相关，即中继阶段信源如何选择其他信源信息包，决定了形成的LDPC校验矩阵H。
本发明提供了一种协同编码的通信方法的实施例，其可在清华同方PC机用软件实现，如图6所示，包括以下步骤：
初始化步骤：信宿生成并将LDPC校验矩阵信息广播给每个信源；所述初始化步骤包括如下三个子步骤：
基校验矩阵获得子步骤S1：随机产生一个mb×mb的矩阵Hl，进而得到基校验矩阵Hb＝[Hl,Hr]，其中mb是m的因子，Hr是单位矩阵；
LDPC校验矩阵获得子步骤S2：基于GF(2p)，将Hl中的非零元素扩展成L×L子矩阵π(i,j)，Hr中的非零元素扩展成L×L的单位矩阵，其余的零元素全部扩展成L×L的零矩阵，进而得到一个m×2m的LDPC校验矩阵，其中，L×L子矩阵π(i,j)表示为第k行第f(αi·(αj)k)列的元素为1，其他元素为0，0≤k≤L-1，L＝m/mb，α是伽罗华域GF(2p)的本原元，α相应函数值为f(α)；具体地，请参考图7，基校验矩阵Hb扩展流程为：设置参数cycle等于100，RL等于2p-1；从Hl的第一个非零元素开始扩展，i=0，j=0；判断是否i=RL，是则cycle=cycle-2，否则将非零元素扩展成π(i,j)；判断矩阵中的最短环是否小于cycle，是则删除π(i,j)，j=j+1，判断是否j=RL，是则i=i+1，j=0，重新搜索，否则将非零元素扩展成π(i,j)；判断最短环是否不小于cycle，且矩阵中所有非零元素都已经扩展完毕，是则程序结束，否则扩展下一个非零元素。及
LDPC校验矩阵信息传输子步骤S3：应用ARQ握手协议，信宿将前两个子步骤产生的LDPC校验矩阵信息广播给每个信源，每个信源存储需要接收信源信息的索引。
广播步骤：所有信源都接收到LDPC校验矩阵信息后，每个信源经过正交的信道发送信息包到信宿，同时，其余信源接收所述LDPC校验矩阵信息对应指定的信源信息包；具体地，广播步骤包括判断子步骤S4：判断是否所有信源都接收到LDPC校验矩阵信息，是则进行下一步骤，否则重复上一步骤；广播步骤还包括发送接收子步骤S5：每个信源经过正交的信道发送自己的信息包到信宿，同时，其余信源接收所述LDPC校验矩阵信息对应指定的信源信息包，例如第1个信源发送信息到信宿、第2个信源发送信息到信宿、第3个信源发送信息到信宿……第m-2个信源发送信息到信宿、第m-1个信源发送信息到信宿、第m个信源发送信息到信宿。
中继步骤S6：每个信源将自己正确接收的信源信息逐比特异或，并将计算得到的中继包R'(i)发送到信宿，例如第1个信源计算并发送中继包R'(i)、第2个信源计算并发送中继包R'(i)、第3个信源计算并发送中继包R'(i)……第m-2个信源计算并发送中继包R'(i)、第m-1个信源计算并发送中继包R'(i)、第m个信源计算并发送中继包R'(i)。所述中继包R'(i)包括数据部分和携带有误码的信源索引的包头部分。
解码步骤S7：信宿用误差反向传播（Error Back Proragation，简称BP）对接收到的信息进行解码。
假设在中继步骤S6(对应于自适应网络编码协同的中继阶段)，每个信源选择D个信息包来计算中继包。作为一个例子，表1分别列出了不同D的优化网络编码协同(即本发明实施例的协同编码)和自适应网络编码协同在瑞利信道下的误码率性能。
表1
Eb/N0(dB) 2 4 6 8 10 12 14
方法一(D=4) 4.70e-002 1.45e-002 6.02e-003 2.70e-003 1.35e-003 7.94e-004 4.39e-004
本发明(D=4) 5.49e-002 1.08e-002 1.80e-003 2.92e-004 4.20e-005 5.40e-006 9.27e-007
方法一(D=5) 4.82e-002 7.28e-003 2.70e-003 1.18e-003 5.41e-004 2.99e-004 1.54e-004
本发明(D=5) 4.95e-002 4.22e-003 5.90e-004 7.45e-005 7.98e-006
方法一(D=6) 7.38e-002 4.73e-003 1.32e-003 4.78e-004 2.40e-004 1.11e-004 4.80e-005
本发明(D=6) 5.56e-002 2.09e-003 2.00e-004 1.93e-005 1.13e-006 2.02e-007
方法一(D=7) 1.14e-001 6.78e-003 6.09e-004 2.14e-004 8.99e-005 3.95e-005 2.78e-005
本发明(D=7) 8.11e-002 2.07e-003 6.70e-005 4.48e-006 2.02e-007
其中，Eb/N0(dB)表示信噪比，指每比特能量与信道噪声功率之比，表格中的如4.70e-002等数据，表示误码率。从表1可以看出，优化网络编码协同的误码率性能比自适应网络编码协同的性能好的多。如D=7时，在误码率10-5时，本发明实施例比方法一获得将近8dB的增益。
在广播步骤(对应于自适应网络编码协同的广播阶段)，信源不一定能正确接收其他信源的信息包。因此，实际在信宿中形成的LDPC校验矩阵，跟初始阶段信宿产生的校验矩阵，有一定的差别。因此表2也列出了本发明在信源之间的不同差错率p下的误码率性能。
表2
Eb/N0(dB) 2 4 6 8 10
方法一(D=7) 1.14e-001 6.78e-003 6.09e-004 2.14e-004 8.99e-005
本发明(p=0) 8.11e-002 2.07e-003 6.70e-005 4.48e-006 2.02e-007
本发明(p=0.01) 1.44e-001 1.93e-002 3.20e-005
本发明(p=0.05) 1.34e-001 1.53e-002 9.48e-006
本发明(p=0.1) 1.26e-001 8.87e-003 3.35e-006 3.63e-007
本发明(p=0.3) 8.56e-002 3.69e-003 3.06e-004 1.24e-004 5.67e-005
本发明(p=0.5) 6.99e-002 1.69e-002 5.11e-003 2.16e-003 1.01e-003
表2和表1中的参数一致，从表2中可以看出，在p≤0.1时，本发明的性能稳定，远远优于方法一。当0.1≤p≤0.3时，本发明性能虽恶化，但仍然优于方法一；当p＝0.5时，本发明的性能差于方法一；而使得信源之间的差错率p≤0.1，这在点对点通信系统中是非常容易实现的。可见，相比方法一，本发明几乎以忽略不计的事前通信代价，获得了很好的纠错性能，大大提高了协同编码的通信方法的实用性。
由于协同编码方法在中继步骤，信源选择哪些其他信源信息包，决定了在信宿形成的LDPC校验矩阵，通过利用这个特性，在系统开始通信之前，信宿让每个信源知道自己该接收哪些节点的信息，进而达到了系统性能好，误码率低的技术效果。
本发明实施例还提供了一种协同编码的通信系统，所述系统包括：
由一个信宿组成的信宿端：用于生成并将LDPC校验矩阵信息广播给每个信源；
由多个信源组成的信源端：用于所有信源都接收到LDPC校验矩阵信息后，每个信源经过正交的信道发送信息包到信宿，同时，其余信源接收所述LDPC校验矩阵信息对应指定的信源信息包，且每个信源将正确接收的信源信息逐比特异或，并将计算得到的中继包R'(i)发送到信宿。所述中继包包括数据部分和携带有误码的信源索引的包头部分。
所述信宿端包括初始化模块，所述初始化模块包括：
基校验矩阵获得子模块：随机产生一个mb×mb的矩阵Hl，进而得到基校验矩阵Hb＝[Hl,Hr]，其中mb是m的因子，Hr是单位矩阵；
LDPC校验矩阵获得子模块：将Hl中的非零元素扩展成L×L子矩阵π(i,j)，Hr中的非零元素扩展成L×L的单位矩阵，其余的零元素全部扩展成L×L的零矩阵，进而得到一个m×2m的LDPC校验矩阵，其中，L×L子矩阵π(i,j)表示为第k行第f(αi·(αj)k)列的元素为1，其他元素为0，0≤k≤L-1，L＝m/mb，α是伽罗华域GF(2p)的本原元，α相应函数值为f(α)；及
LDPC校验矩阵信息传输子模块：应用ARQ握手协议，信宿将前两个子步骤产生的LDPC校验矩阵信息广播给每个信源，每个信源存储需要接收信源信息的索引。
信宿端还包括：解码模块：信宿用误差反向传播对接收到的信息进行解码。
信源端还包括广播模块，所述广播模块包括：
判断子模块：判断是否所有信源都接收到LDPC校验矩阵信息，是则进行下一步骤，否则重复上一步骤；及
发送接收子模块：每个信源经过正交的信道发送自己的信息包到信宿，同时，其余信源接收所述LDPC校验矩阵信息对应指定的信源信息包。
另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）或随机存储记忆体（Random AccessMemory，RAM）等。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (10)

1.一种协同编码的通信方法，其特征在于，所述方法包括：
初始化步骤：信宿生成并将LDPC校验矩阵信息广播给每个信源；
广播步骤：所有信源都接收到LDPC校验矩阵信息后，每个信源经过正交的信道发送信息包到信宿，同时，其余信源接收所述LDPC校验矩阵信息对应指定的信源信息包；及
中继步骤：每个信源将正确接收的信源信息逐比特异或，并将计算得到的中继包R'(i)发送到信宿。
2.如权利要求1所述的协同编码的通信方法，其特征在于，所述初始化步骤包括：
基校验矩阵获得子步骤：随机产生一个mb×mb的矩阵Hl，进而得到基校验矩阵Hb＝[Hl,Hr]，其中mb是m的因子，Hr是单位矩阵；
LDPC校验矩阵获得子步骤：将Hl中的非零元素扩展成L×L子矩阵π(i,j)，Hr中的非零元素扩展成L×L的单位矩阵，其余的零元素全部扩展成L×L的零矩阵，进而得到一个m×2m的LDPC校验矩阵，其中，L×L子矩阵π(i,j)表示为第k行第f(αi·(αj)k)列的元素为1，其他元素为0，0≤k≤L-1，L＝m/mb，α是伽罗华域GF(2p)的本原元，α相应函数值为f(α)；及
LDPC校验矩阵信息传输子步骤：应用ARQ握手协议，信宿将前两个子步骤产生的LDPC校验矩阵信息广播给每个信源，每个信源存储需要接收信源信息的索引。
3.如权利要求1所述的协同编码的通信方法，其特征在于，所述方法还包括：解码步骤：信宿用误差反向传播对接收到的信息进行解码。
4.如权利要求1所述的协同编码的通信方法，其特征在于，所述广播步骤包括：判断子步骤：判断是否所有信源都接收到LDPC校验矩阵信息，是则进行下一步骤，否则重复上一步骤；及
发送接收子步骤：每个信源经过正交的信道发送信息包到信宿，同时，其余信源接收所述LDPC校验矩阵信息对应指定的信源信息包。
5.如权利要求1所述的协同编码的通信方法，其特征在于，所述中继包R'(i)包括数据部分和携带有误码的信源索引的包头部分。
6.一种适用于如权利要求1所述方法的协同编码的通信系统，其特征在于，所述系统包括：
由一个信宿组成的信宿端：生成并将LDPC校验矩阵信息广播给每个信源；及
由多个信源组成的信源端：所有信源都接收到LDPC校验矩阵信息后，每个信源经过正交的信道发送信息包到信宿，同时，其余信源接收所述LDPC校验矩阵信息对应指定的信源信息包，且每个信源将正确接收的信源信息逐比特异或，并将计算得到的中继包R'(i)发送到信宿。
7.如权利要求6所述的协同编码的通信系统，其特征在于，所述信宿端包括初始化模块，所述初始化模块包括：
基校验矩阵获得子模块：随机产生一个mb×mb的矩阵Hl，进而得到基校验矩阵Hb＝[Hl,Hr]，其中mb是m的因子，Hr是单位矩阵；
LDPC校验矩阵获得子模块：将Hl中的非零元素扩展成L×L子矩阵π(i,j)，Hr中的非零元素扩展成L×L的单位矩阵，其余的零元素全部扩展成L×L的零矩阵，进而得到一个m×2m的LDPC校验矩阵，其中，L×L子矩阵π(i,j)表示为第k行第f(αi·(αj)k)列的元素为1，其他元素为0，0≤k≤L-1，L＝m/mb，α是伽罗华域GF(2p)的本原元，α相应函数值为f(α)；及
LDPC校验矩阵信息传输子模块：应用ARQ握手协议，信宿将前两个子步骤产生的LDPC校验矩阵信息广播给每个信源，每个信源存储需要接收信源信息的索引。
8.如权利要求6所述的协同编码的通信系统，其特征在于，信宿端还包括：
解码模块：信宿用误差反向传播对接收到的信息进行解码。
9.如权利要求6所述的协同编码的通信系统，其特征在于，信源端包括广播模块，所述广播模块包括：
判断子模块：判断是否所有信源都接收到LDPC校验矩阵信息，是则进行下一步骤，否则重复上一步骤；及
发送接收子模块：每个信源经过正交的信道发送信息包到信宿，同时，其余信源接收所述LDPC校验矩阵信息对应指定的信源信息包。
10.如权利要求6所述的协同编码的通信系统，其特征在于，所述中继包R'(i)包括数据部分和携带有误码的信源索引的包头部分。
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