CN104052578A - 一种适用于全双工物理层网络编码系统中多次译码检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全双工物理层网络编码系统中多次译码检测的方法。在本发明方法中，两路信源将编码调制后待发送的一组复数域符号在同一时隙发送到中继，中继端接收到包含高斯白噪声和残余自干扰信号的叠加的两路信号。中继端将接收到的信号分别进行若干离散偏置，然后分别进行译码检测，根据译码检测输出码字的伴随式，统计伴随式中比特1数量最小的那一路，作为最终译码检测的码字输出。该方法适用于全双工无线双向中继系统的各种使用场景，适用于各种编码和调制方案，适用于多种中继接收方案，可以有效的降低自干扰的影响，提高系统的鲁棒性。

Description

一种适用于全双工物理层网络编码系统中多次译码检测的方法

技术领域

本发明给出了一种适用于全双工物理层网络编码系统的译码检测方法，属于通信与信息系统中的数字通信数据链路层技术领域。

背景技术

无线双向中继系统由两路信源节点和一个中继节点组成。由于无线通信传输链路限制，两个信源节点和必须要通过中继节点来交换数据，待发送的数据分别通过编码和调制转换为发送符号序列。传统的无线双向中继系统工作在四时隙工作模式，采用网络编码技术将工作时隙减少为三个，采用物理层网络编码技术可进一步将工作时隙减少为两个。如果无线双向中继系统的信源节点与中继节点均工作在全双工模式下，那么通过“流水线”式收发可以将工作时隙降低为一个，具体参见图1(a)至图1(d)。

中继节点R如果按照传统的双向中继机制工作，即工作在四时隙工作模式，如图1(a)。首先在时隙1接收来自S₁的数据X₁之后，对X₁做译码检测得到C₁，对C₁进行调制得到X_1→2，然后在时隙2内，将X_1→2发送给S₂；在时隙3内接收来自S₂的数据X₂之后，对X₂做译码检测得到C₂，对C₂进行调制得到X_2→1，然后在时隙4内，将X_2→1发送给S₁。

如果中继节点R按照网络编码机制工作，即工作在三时隙模式，如图1(b)。首先在时隙1和时隙2中继R分别接收来自S₁和S₂的数据X₁和X₂，分别对X₁和X₂做译码检测得到C₁和C₂，再进行比特异或的网络编码得到并对其进行调制得到在时隙3内同时向S₁和S₂广播数据

如果中继节点R按照物理层网络编码机制工作，即工作在两时隙模式，如图1(c)。在时隙1内，信源S₁和S₂同时发送数据X₁和X₂，中继节点R根据接收到的叠加信号进行解调解码直接得到网络编码的数据再进行调制得到在时隙2内，同时向S₁和S₂广播数据

如果无线双向中继系统内的所有信源节点与中继节点均工作在同时同频接发全双工模式下，并且按照物理层网络编码的机制工作，即工作在单时隙模式，如图1(d)。对于中继节点R，时隙T内，接收到来自信源S₁和S₂同时发送的数据和的叠加信号，进行解调译码检测得到再进行调制得到在时隙T+1内将广播给信源S₁和S₂，中继节点R仍然同时接收时隙T+1内来自信源S₁和S₂的数据和的叠加信号；对于信源S₁和S₂，时隙T+1内接收时隙T的网络编码数据包并且，同时发送时隙T+1的数据和

采用物理层网络编码的无线双向中继系统如果所有节点均工作在全双工模式，如图1(d)，可以有效的降低系统的发射功率和提高频谱利用效率。网络编码机制与物理层网络编码机制相比，在带宽需求和传输时隙分配上已不再占优势，而工作在同时同频全双工模式下的物理层网络编码则可以进一步地提升时隙利用率。而强烈的自干扰则是同时同频全双工收发机目前面临的一个严重的问题，如何在自干扰的影响下尽可能提升全双工无线双向中继性能是一个急需解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种全双工物理层网络编码系统中多次译码检测的方法，其能够显著降低自干扰对中继端译码性能的影响。

为达到上述目的，本发明适用于全双工物理层网络编码系统的译码检测方法包括以下步骤：

步骤1：第T+1个时隙，信源节点S₁,S₂分别对各自待发送的长度为K的信息数据序列做编码率为R的信道编码，得到长度为N＝K/R的编码序列再分别进行Q阶调制形成一个复数域符号，得到长度为L＝N/Q的已调符号序列信源节点S₁,S₂分别同时发送X₁,X₂；

步骤2：第T+1个时隙，中继R将分析得到的时隙T的网络编码数据包进行Q阶调制得到长度为L＝N/Q的已调符号序列 $X_{1\⊕2}=\{x_{1\⊕2}^1,x_{1\⊕2}^2,...,x_{1\⊕2}^L\},$ 中继R发送

步骤3：第T+1个时隙，中继R接收到包含X₁,X₂的叠加信号并对进行κ路偏置E＝{ξ₁,ξ₂,…，ξ_k}，得到 $Y_{R,E}^{T+1}=\{Y_R^{T+1}-{\mathrm{\ξ}}_1{x}_1,Y_R^{T+1}-{\mathrm{\ξ}}_2{x}_1,...,Y_R^{T+1}-{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{\κ}}{x}_{\mathrm{\κ}}\},$ 然后将分别送进κ个信道译码及网络编码译码器；

步骤4：第T+2个时隙，κ个信道译码及网络编码译码器输出κ个译码输出码字对每一个码字乘以信道编码的校验矩阵得到伴随式得到包含比特1数量最小的伴随式及其序列号i，将作为最终译码输出重复步骤2中工作。

较佳地，在上述适用于全双工物理层网络编码系统的译码检测方法中，中继R接收的信号模型为： $Y_R^{T+1}=X_1^{T+1}+X_2^{T+1}+h_R{X}_{1\⊕2}^T+N$

其中h_R为中继端经过模拟及数字的自干扰消除技术之后残余的自干扰成分系数，Ν为接收机处叠加的高斯白噪声。

较佳地，中继端所使用的信道译码及网络编码译码器是SCD译码器、JCNC译码器或GJCNC译码器之中的一种。

较佳地，在对接收到的Y_R ^T+1进行K路偏置时，偏置量的集合E＝{ξ_I,ξ_I,…,ξ_k}，ξ_i可以是一个均匀的等差数列，也可以是符合均与随机分布的随机数序列，集合内的元素最大、最小值及元素的个数由所在自干扰环境的情况决定。

较佳地，当中继端最终解码得到包含比特1数量最小的伴随式及其序列号i，将作为最终译码输出时，如果中包含的比特1的数量不为0，表明解码失败，通知用户1与用户2重传。

本发明的增益效果主要体现在以下两个方面：

第一，通过适当增加所需时间资源或面积资源，进行多次译码检测，可以有效的降低自干扰对中继端译码性能的影响，并且在强自干扰的情形下，也可以显著的降低误码率平层。

第二，即使提高原始的单次译码检测方案的迭代次数，也不能显著的改善译码性能，如果将提高迭代次数所需要的资源换做进行多次译码检测，在不耗费更多资源的情况下，可以获得更显著的增益。

附图说明

图1(a)示出的是传统四时隙的双向中继工作模式；

图1(b)示出的是采用网络编码，三时隙传输的双向中继工作模式；

图1(c)示出的是采用物理层网络编码，两时隙传输的双向中继工作模式；

图1(d)示出的是工作全双工模式，采用物理层网络编码，单时隙传输的双向中继工作模式；

图2为信源与中继均工作在全双工模式下的无线双向中继系统，采用物理层网络编码机制工作，即单时隙传输方案；

图3为本发明方法的中继采用多次译码的方案框图；

图4为传统单次译码检测和多次译码检测方案的均采用同样的迭代译码次数的性能比较；

图5为传统单次译码检测和多次译码检测方案的均采用不同的迭代译码次数的性能比较。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

请参阅图2，工作在全双工模式下的基于物理层网络编码的无线双向中继系统是典型的多址接入，考虑到自干扰的存在，本发明将中继端所接收信号的模型建立为：

$Y_R^{T+1}=X_1^{T+1}+X_2^{T+1}+h_R{X}_{1\⊕2}^T+N$

其中h_R为中继端经过模拟及数字的自干扰消除技术之后残余的自干扰成分系数，Ν为接收机处叠加的高斯白噪声。

对于残余的自干扰成分，可以将其看作干扰信号，不予特殊处理，这种解码方式与传统的物理层网络编码机制相同。不过随着信噪比的提高，噪声的能量越来越小，自干扰信号会是制约中继端迭代译码性能的主要因素。

传统的物理层网络编码的具体工作模式，如图1(c)所示。中继节点R有三种方式解得网络编码数据比特。

第一种是分离式信道译码(SCD)译码器，中继R试图解出每一路信号，然后将解得的两路数据比特进行异或，即可得到所需要的网络编码后的数据比特。

$X_1^l\→\{L\left(c_1^{l_1}\right),L\left(c_1^{l_2}\right),...,L\left(c_1^{l_Q}\right)\},X_2^l\→\{L\left(c_2^{l_1}\right),L\left(c_2^{l_2}\right),...,L\left(c_2^{l_Q}\right)\}$

其中L定义为编码比特检测出来的似然比软量。中继节点再将网络编码后的比特软量信息做一次标准的解码得到再映射成广播给两个信源节点S₁和S₂。

第二种是联合的信道译码和网络编码(JCNC)译码器，根据信道编码的一般特性，两路信道编码块的线性编码组合也是有效的编码序列。因此将多址接入后叠加的信号波形，根据具体的调制方式，推导网络编码后比特的似然比信息，然后直接以网络编码和的比特序列为目标完成解码，

$X_1^l+X_2^l\→\{L(c_1^{l_1}\⊕c_2^{l_1}),L(c_1^{l_2}\⊕c_2^{l_2}),...,L(c_1^{l_Q}\⊕c_2^{l_Q})\}$

其中L定义为编码比特检测出来的似然比软量。中继节点再将网络编码后的比特软量信息做一次标准的解码得到再映射成广播给两个信源节点S₁和S₂。

第三种是广义的信道译码和网络编码(GJCNC)译码器，它将两路信号的数据比特C₁,C₂的组合看作多元域码C_1,2，通过具体的调制方式推导得到每个多元域元素的概率信息，然后以多元域的译码算法解得多元域码C_1,2，再根据两路信号的数据比特的组合与网络编码的对应关系将C_1,2得到网络编码比特再映射成广播给两个信源节点S₁和S₂。

图3是中继R采用多次译码的方案框图。本发明所提出的全双工物理层网络编码系统中多次译码检测的方法，主要是关于中继R的信号译码检测方案，具体步骤如下：

步骤1：第T+1个时隙，信源节点S1、S2分别对各自待发送的长度为K的信息数据序列做编码率为R的信道编码，得到长度为N＝K/R的编码序列再分别进行Q阶调制，即每Q个比特组合形成一个复数域符号，得到长度为L＝N/Q的已调符号序列 $X_1=\{x_1^1,x_1^2,...,x_1^L\},X_2=\{x_2^1,x_2^2,...,x_2^L\},$ 信源节点S₁,S₂分别同时发送X₁,X₂；

步骤2：第T+1个时隙，中继R将分析得到的上一时隙、即时隙T的网络编码数据包进行Q阶调制得到长度为L＝N/Q的已调符号序列 $X_{1\⊕2}=\{x_{1\⊕2}^1,x_{1\⊕2}^2,...,x_{1\⊕2}^L\},$ 中继R发送

步骤3：第T+1个时隙，中继R接收到包含噪声及自干扰的叠加信号 $Y_R^{T+1}=X_1^{T+1}+X_2^{T+1}+h_R{X}_{1\⊕2}^T+N.$ 中继R分别对进行κ路偏置E＝{ε₁，ε₂，...，ε_κ}，得到然后将分别送进κ个信道译码及网络编码译码器；其中偏置量的集合E＝{ξ₁,ξ₂,…,ξ_k}，ξ_i可以是一个均匀的等差数列，也可以是符合均与随机分布的随机数序列，集合内的元素最大值、最小值及元素的个数由所在自干扰环境的情况决定。

步骤4：第T+2个时隙，κ个信道译码及网络编码译码器输出κ个译码输出码字对每一个码字乘以信道编码的校验矩阵得到伴随式得到包含比特1数量最小的伴随式及其序列号i，将作为最终译码输出重复步骤2中工作。其中，如果中包含的比特1的数量不为0，表明解码失败，通知信源节点S1、S2重传。

本发明的效果可以通过仿真来进一步说明。具体仿真条件说明如下：

偏置系数集合：E＝{-1，-0.8，-0.6，-0.4，-0.2，0，0.2，0.4，0.6，0.8，1}，K＝11；

信道模型：零均值，单位方差的高斯白噪声(AWGN)信道；

编码方案：码率R＝0.4，K＝400，N＝1000，非规则低密度奇偶校验(LDPC)码；

调制方案：二进制相移键控(BPSK)；

译码方案：联合的信道译码和网络编码(JCNC)。

图4给出了基于JCNC译码的中继节点R解码误比特率与信道信噪比的关系，对比传统的单次译码检测与多次译码检测的误比特率性能，均进行10次迭代译码处理。多次译码检测的偏置路数记为RD，RD＝k。残余自干扰成分的系数h_R是服从均值为0、方差为δ的高斯随机变量，我们观察了不同强度自干扰情况下的中继端解码误比特率性能，分别取δ＝0,0.25,0.5,0.75,1。

图4的仿真结果表明，传统的单次译码性能十分的差，随着信道信噪比的逐渐提升，译码性能出现误比特率平层，增加信噪比已不能改善性能。而多次译码检测方案则可以很有效的改善性能。δ＝0表示自干扰成分不存在，我们可以发现在这种情况下，多次译码检测方案并不会比传统方案有任何改善，而当δ增大至0.25时，传统方案在信噪比大于10dB之后就出现误码率平层，当δ继续增大，平层显著上升，多次译码检测方案可以显著的拉低误码率平层，改善了性能。

图5是为了公平对比多次检测译码方案与传统单次译码方案。多次译码检测用资源换取了性能，我们记多次译码检测的偏置路数记为RD，RD＝K，记JCNC译码算法的迭代次数为It，如果多次译码方案仍然采用RD＝11、It＝10的迭代译码检测参数，那么相应的单次检测方案可以采用RD＝1、It＝110来保证两者的RD×It相等。

图5的仿真结果表明，在公平的资源利用的前提下，在残余自干扰成分存在时多次译码检测方案的性能依然优于单次译码检测方案的性能，在δ＝0自干扰强度为0的情形下，单次译码方案由于迭代次数的增加会比多次译码方案略有增益。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种适用于全双工物理层网络编码系统的译码检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：第T+1个时隙，信源节点S₁,S₂分别对各自待发送的长度为K的信息数据序列做编码率为R的信道编码，得到长度为N＝K/R的编码序列再分别进行Q阶调制形成一个复数域符号，得到长度为L＝N/Q的已调符号序列信源节点S₁,S₂分别同时发送X₁,X₂；

步骤2：第T+1个时隙，中继R将分析得到的时隙T的网络编码数据包进行Q阶调制得到长度为L＝N/Q的已调符号序列 $X_{1\⊕2}=\{x_{1\⊕2}^1,x_{1\⊕2}^2,...,x_{1\⊕2}^L\},$ 中继R发送

步骤3：第T+1个时隙，中继R接收到包含X₁,X₂的叠加信号并对进行κ路偏置E＝{ξ_I,ξ_I,…,ξ_k}，得到 $Y_{R,E}^{T+1}=\{Y_R^{T+1}-{\mathrm{\ξ}}_1{x}_1,Y_R^{T+1}-{\mathrm{\ξ}}_2{x}_1,...,Y_R^{T+1}-{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{\κ}}{x}_{\mathrm{\κ}}\},$ 然后将分别送进κ个信道译码及网络编码译码器；

步骤4：第T+2个时隙，κ个信道译码及网络编码译码器输出κ个译码输出码字对每一个码字乘以信道编码的校验矩阵得到伴随式得到包含比特1数量最小的伴随式及其序列号i，将作为最终译码输出重复步骤2中工作。

2.根据权利要求1所述的适用于全双工物理层网络编码系统的译码检测方法，其特征在于，中继R接收的信号模型为：

$Y_R^{T+1}=X_1^{T+1}+X_2^{T+1}+h_R{X}_{1\⊕2}^T+N$

其中h_R为中继端经过模拟及数字的自干扰消除技术之后残余的自干扰成分系数，Ν为接收机处叠加的高斯白噪声。

3.根据权利要求1所述的适用于全双工物理层网络编码系统的译码检测方法，其特征在于，中继端所使用的信道译码及网络编码译码器是SCD译码器。

4.根据权利要求1所述的适用于全双工物理层网络编码系统的译码检测方法，其特征在于，中继端所使用的信道译码及网络编码译码器是JCNC译码器。

5.根据权利要求1所述的适用于全双工物理层网络编码系统的译码检测方法，其特征在于，中继端所使用的信道译码及网络编码译码器是GJCNC译码器。

6.根据权利要求1所述的适用于全双工物理层网络编码系统的译码检测方法，其特征在于，对接收到的Y_R ^T+1进行K路偏置，其中偏置系数的集合E＝{ξ_I,ξ_I,…,ξ_k}，ξ_i可以是一个均匀的等差数列，也可以是符合均与随机分布的随机数序列，集合内的元素最大、最小值及元素的个数由所在自干扰环境的情况决定。

7.根据权利要求1所述的全双工物理层网络编码系统中多次译码检测的方法，其特征在于，当中继R最终解码得到包含比特1数量最小的伴随式及其序列号i、将作为最终译码输出时，如果中包含的比特1的数量不为0，则表明解码失败，通知用户1与用户2重传。