CN105554813B - 一种在无线中继系统基于随机映射码的数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在无线中继系统基于随机映射码的数据传输方法，包括以下步骤：S1：给定权重向量w，源节点根据随机映射码构建方法由w和二进制信息序列得到RPC符号，并广播RPC符号x；S2：中继节点接收源节点经信道广播的RPC符号y_sr，并对y_sr进行Coset编码得到量化取模后RPC符号l_r，并转发给目的节点；S3：目的节点接收源节点经信道广播的RPC符号y_sd，以及中继节点经信道广播的RPC符号y_rd，再对y_sd和y_rd进行联合译码得到二进制信息序列。与现有技术相比，本发明不仅在中继节点处通过量化压缩降低了信号的峰值信噪比，同时也实现了基于随机映射码的接收端链路自适应中继策略，取得了较高的系统吞量。

Description

一种在无线中继系统基于随机映射码的数据传输方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信中协作通信方法，尤其是涉及一种在无线中继系统基于随机映射码的数据传输方法。

背景技术

协作中继传输是近年来无线通信领域关注的热点问题之一，在协作通信中，中继信道可以说是源节点与目的节点之间直接信道的一个辅助信道。通过无线中继可以有效对抗衰落，提高频谱效率，增强无线网络的可靠性，也可以提高无线网络系统功耗、误码特性、中断概率以及覆盖范围等方面的性能。在协作中，一个非常关键的方面就是中继节点对来自源节点的信息处理。不同的处理方案导致不同的协作通信协议。

最基本的中继协作技术有放大转发(AF)、解码转发(DF)，如下：

1、AF是一种线性中继方式，即中继处理函数为线性函数，中继不对接收信号作任何处理，仅放大接收信号。目的端接收后按照采取适当的合并准则/方法(选择合并、最大比合并或等增益合并等)合并两个时隙接收到的信号，并进行解调与解码。AF是众多分集模式中最简单的一种，其理论分析相对简单一些，但在目的端为了实现最佳译码，需要知道源端、中继、目的端三者之间的信道状态信息。

2、解码转发模式(DF)是有记忆性的非线性中继方式，即指中继处理函数是非线性的。第一时隙从源端发送数据，中继和目的端都将接收到经信道衰落并叠加了噪声的信号；中继解码第一时隙接收到的从源端发送来的数据，并重新编码与调制，在第二时隙将其转发给目的端。目的端接收后按照采取适当的合并方法合并两个时隙接收到的信号，并进行解调与解码。然而在DF模式下，当源端与中继之间的信道质量较差时，中继解码容易出错，并将错误信息转发给目的端，严重影响了系统性能。

除了两种最常用的放大转发AF和译码转发DF技术外，压缩转发也是目前值得关注的一种中继技术。与译码/放大转发不同的是在中继采用压缩转发策略时，中继转发的是接收信号量化及压缩后的版本。因此，目的节点将由源发送的信息和中继发送的量化取模后的版本进行联合操作。

中继节点的量化取模过程是进行信源编码的过程，即将每个可能接收到的信息用一系列符号进行表示。在目的节点，通过对接收到的一系列比特进行解码来得到量化取模后信息的估计值。这个译码操作只是简单地将接收到的比特映射为一系列的值，从而估计出发送的信息。映射过程通常会引入失真(与量化和压缩操作有关)，失真可以被看作一种噪声。

由信息论我们知道，一个随机变量的熵可以被认为是随机变量的所有样本实现所提供的信息均值。另外，熵也提供了一种标准来衡量信源编码器的性能。从这种意义上来讲，在对等通信网络下，熵提供了中继节点信源编码的速率下界。协作的使用及目的节点处源和中继发送信号的合并，改变了上述观点。在目的节点处对中继发送过来的信息进行解码时，可以将接收到的源节点信息作为边信息，这就允许更低的信源编码速率。

在无线通信中的另一个根本问题就是如何通过设计编码和调制策略在时变的信道环境中取得高的传输率，链路自适应是提高无线网络系统性能的一种重要技术，可分为发送端链路自适应和接收端链路自适应。发送端链路自适应根据信道条件动态调整信道编码和调制，达到优化的无线通信系统性能的目的。实现的主要技术有AMC、HARQ和两种方法的混合模式来实现。但是，发送端实现的链路自适应有其固有的缺陷：

一是需要接收端反馈准确的信道状态信息；

二是速率动态调整范围有限，而且其速率调整呈阶梯状。

接收端链路自适应方案克服了以上缺点，其工作原理是发送端连续不断的发送调制信息，接收端每收到一定数量的新的数据后进行所有接收数据的解调。随着接收的数据越多，解调的可靠性越高。接收端链路自适应从根本上解决了反馈信道的延时和出错问题，在卫星通信和移动通信中具有广阔的应用前景。

现有的协作通信方案中大部分的有关协作通信的研究都是基于二进制信道编码，常用的包括LDPC码(Low Density Parity Check Code，低密度奇偶校验码)和Turbo码。然而这些二进制编码方式存在明显的门限效应。

中国专利CN102891688A公开了一种随机映射码的构造方法，随机映射码是一种在接收端进行链路自适应的快速解调机制，分为发送端和接收端。发送端构造生成矩阵G并产生调制信号，具体步骤如下：

(1)通过多层随机循环方法或多层随机排列方法，用权重向量w＝[-a₁,-a₁,-a₂,-a₃,a₃,a₂,a₁,a₁]构造大小为N×N的随机映射矩阵G。

(2)按式u＝G·b，对一组基带信号b＝{b_i,i＝1,2,…,N}进行编码，得到u；

(3)将两个相邻的符号按公式u_2k+j·u_2k+1，k＝(0,1,…,N/2-1)组成一个调制信号，j表示复数，以w＝[-4,-4,-2,-1,1,2,4,4]为例，使用23×23QAM的星座调制，最后发送信号。

(4)接收端采用的RPC(Remote Procedure Call，远程过程调用)解调算法，借签置信传播算法(BP算法)框架，在水平迭代中使用概率卷积，而LDPC采用log(tanh)操作。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种在无线中继系统基于随机映射码的数据传输方法，采用了一种速率自适应的中继策略，不仅在中继节点处通过量化压缩降低了信号的峰值信噪比，同时也实现了基于随机映射码的接收端链路自适应中继策略，取得了较高的系统吞量。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种在无线中继系统基于随机映射码的数据传输方法包括以下步骤：

S1：给定权重向量w，源节点根据随机映射码构建方法由w和二进制信息序列得到RPC符号，并广播RPC符号x；

S2：中继节点接收源节点经信道广播的RPC符号y_sr，并对y_sr进行Coset编码得到量化取模后RPC符号l_r，并转发给目的节点；

S3：目的节点接收源节点经信道广播的RPC符号y_sd，以及中继节点经信道广播的RPC符号y_rd，再对y_sd和y_rd进行联合译码得到二进制信息序列。

所述步骤S1包括以下步骤：

11：源节点给定权重向量w，通过多层随机循环方法或多层随机排列方法将权重向量构造成大小为N×N的随机映射矩阵G；

12：根据G对二进制信息序列b＝{b_j,j＝1,2,…,N}进行编码，得到u，u＝G·b＝{u_j,j＝1,2,…,N}；

13：将u中两个相邻的符号按公式a＝(0,1,…,N/2-1)，组成一个调制符号；

14：向中继节点和目的节点广播RPC符号x，a＝(0,1,…,N/2-1)。

所述步骤S2中量化取模后RPC符号l_r满足以下公式：

l_r＝y_sr modΔ

其中，Δ为量化取模的大小。

所述量化取模的大小Δ满足2＜Δ＜23。

所述步骤S3包括以下步骤：

31：初始化：

设置从比特b_j到符号y_i的初始概率消息q⁽⁰⁾，其中，b_j表示二进制信息序列b中第j个比特，y_i表示目的节点收到的第i个符号，q^(t)表示第t次迭代的从b_j到y_i的概率消息；

32：水平迭代：

321：根据RPC符号和Coset编码中量化取模的大小Δ，得到对于每个的所有可能的量化取模前RPC符号k＝1,2,...,n，n为符号经Coset编码的量化取模后被划分的区间数，表示y_rd中第i个RPC符号；

322：在第t次迭代中，以每一个可能的作为y_i，根据q^(t-1)得到从到b_j的概率消息

323：以y_sd作为边信息，得到每个的概率 表示y_sd中第i个RPC符号；

324：令

33：垂直迭代：

在第t次迭代中，根据R^(t)获得从b_j到y_i的概率消息q^(t)；

34：判断迭代次数是否达到设定的迭代阈值T，若是，则执行步骤35，若否，则跳转步骤32；

35：硬判决：

根据R^(T)得到硬判决时b_j的概率Q，并根据Q获得二进制信息序列。

所述步骤S1中源节点广播RPC符号采用链路自适应方法，所述链路自适应方法具体为：当源节点在一个完整中继传输结束后没有收到目的节点反馈的ACK信号时，源节点以增量的形式再次广播Δk个符号，Δk为设定值，而中继节点也将转发Δk个符号给目的节点，直到源节点收到来自目的节点反馈的ACK信号停止。

与现有技术相比，本发明结合随机映射码提出了一种速率自适应的中继策略，在中继节点采用了量化压缩的方法处理来自源节点的信号，实现发送端增量式的发送数据，而接收端进行联合译码，从而实现了接收端链路自适应，本发明具有以下优点：

1)相比中继仅放大接收信号而不作其他任何处理的通信策略，本发明方法不仅在中继节点处通过量化压缩降低了信号的峰值信噪比。

2)相比中介解码转发的通信策略，本发明方法无需重新解码与调制，而是采用处理效率高的量化压缩方式，进行中继转发，而目的节点将源节点发送的信号结合中继转发的信号进行联合译码来获取信号，获得的信号精度高。

3)本发明实现了基于随机映射码的接收端链路自适应中继策略，具有采用随机映射码的优势，取得了较高的系统吞量，从根本上解决了反馈信道的延时和出错问题，在卫星通信和移动通信中具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为简化的三个节点中继模型；

图3为中继节点的Coset编码示意图；

其中，(3a)为Coset编码前RPC符号的取值范围，(3b)为Coset编码后RPC符号的取值范围；

图4为目的节点获取可能的量化取模前RPC符号的示意图；

图5为目的节点联合译码过程的示意图；

图6为传统RPC译码过程的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图2所示，本发明考虑简化的三个节点组成的高斯中继系统模型。该模型中中继信道(relay channel)仅有一个发送器和一个接收器，中继信道仅有一个中继站。通常一个中继策略可以被建模成两个正交的阶段，以避免两个阶段之间产生干扰。假设整个系统工作在半双工模式下。整个传输从时间上分为两个阶段：阶段1，源节点广播信息给中继节点和目的节点；阶段2，中继节点通过转发或者重新发送源的信息给目的节点来帮助源。

如图1所示，一种在无线中继系统基于随机映射码的数据传输方法包括以下步骤：

S1：给定权重向量w，源节点根据随机映射码构建方法由w和二进制信息序列得到RPC符号，并广播RPC符号x，具体包括：

11：源节点给定权重向量w，通过多层随机循环方法或多层随机排列方法将权重向量构造成大小为N×N的随机映射矩阵G；

12：根据G对二进制信息序列b＝{b_j,j＝1,2,…,N}进行编码，得到u，u＝G·b＝{u_j,j＝1,2,…,N}，L表示w中权重的总个数，l表示L个权重中第l个权重，表示第l个权重对应的比特b_j；

13：将u中两个相邻的符号按公式a＝(0,1,…,N/2-1)，组成一个调制符号；

14：向中继节点和目的节点广播RPC符号x，a＝(0,1,…,N/2-1)。

由于RPC在链路自适应中表现出的特性，在中继系统中可采用链路自适应的策略。所以步骤S1中，在给定的SNR下，源节点首先在第一个广播时隙广播k₁个编码调制的RPC符号，k₁根据不同SNR会不同，因此，针对每一个SNR下设定了一个k₁的阈值，中继节点在第一个转发时隙转发相同的符号给目的节点，目的节点只有解码成功才会给源节点反馈一个ACK确认信号。当源节点在一个完整中继传输结束后没有收到目的节点反馈的ACK信号时，源节点以增量的形式再次广播Δk个符号，Δk为设定值，而中继节点也将转发Δk个符号给目的节点，直到源节点收到来自目的节点反馈的ACK信号停止。此时源节点将开始下一帧数据(即下一组二进制信息序列)的传输。

S2：中继节点将来自源节点的RPC符号y_sr进行Coset(陪集)编码得到量化取模后RPC符号l_r，并转发给目的节点。

其中，量化取模后RPC符号l_r满足以下公式：

l_r＝y_sr modΔ

其中，Δ为量化取模的大小，Δ满足2＜Δ＜23。

S3：目的节点对来自源节点的RPC符号y_sd和来自中继节点的量化取模后RPC符号y_rd进行联合译码得到二进制信息序列。

如图6所示，RPC采用置信传播译码算法，其过程包括初始化、水平迭代、垂直迭代和硬判决，联合译码除水平迭代以外的处理过程同RPC译码过程同理。b_j表示二进制信息序列b中第j个比特，y_i表示目的节点收到的第i个符号，下标i表示符号序列，下标j表示比特序列，b_j与y_i连接的连接边上权重为w_l，w_l即w中的权重。整个迭代译码过程实际上是几个矩阵之间的数据计算，主要包括q^(t)、Q、r^(t)和R^(t)四个矩阵，每个矩阵又分为两类，分别对应b_j＝0和b_j＝1时的情况，上标(t)表示第t次迭代。

q^(t)：是二维矩阵，记录的是垂直迭代的结果，大小为N×N，对应为N个比特对应N个符号，是由R^(t)计算得到，q^(t)中元素是第t次迭代中的b_j发送给y_i的概率消息。

Q：是一维矩阵，记录每个比特为0和1的概率，用于硬判决，大小为N，Q中元素Q_j(·)是硬判决时b_j的概率。

r^(t)：是二维矩阵，记录的是水平迭代的结果，大小为N×N，对应为N个比特对应N个符号，是由q^(t-1)计算得到，r^(t)中元素是第t次迭代y_i的传递给b_j的概率消息，对于每个y_i的可能值都对应一组这样的矩阵。

表示y_i的可能值，是由和Δ推算得到的，表示y_rd中的一个RPC符号，上标i表示符号序列。

R^(t)：是二维矩阵，是对r^(t)加权后的结果。

下面具体说明联合译码的各个过程：

31：初始化：

设置从比特b_j到符号y_i的初始概率消息q⁽⁰⁾，q^(t)表示第t次迭代的从b_j到y_i的概率消息，q⁽⁰⁾为q^(t)中初始时t＝0的取值，即可得：

从比特b_j＝0到符号y_i的初始概率消息

从比特b_j＝1到符号y_i的初始概率消息p₀是b_j＝0的先验概率。

32：如图5所示，水平迭代：

321：根据RPC符号和Coset编码中量化取模的大小Δ，得到对于每个的所有可能的量化取模前RPC符号k＝1,2,...,n，n为符号经Coset编码的量化取模后被划分的区间数。

322：在第t次迭代中，以每一个可能的作为y_i，根据q^(t-1)得到从到b_j的概率消息具体为：

定义其中，R_i表示与符号节点y_i相连的比特节点集合，R_i\j表示除b_j外的比特与符号y_i相连的比特节点集合，m为一个循环变量，b_m表示属于R_i\j的比特，w_lm表示y_i与b_m相连的连接边上权重，w_lm∈w，下标lm为w_lm在w中的编号，n_i表示叠加在b_m上的信道噪声。

在第t次迭代中，从y_i到b_j的概率消息为：

P(·)表示取(·)情况下的概率分布，该式涉及到加权和，所以Y_ij的概率分布应该是R_i\j中每个比特的概率分布函数与信道噪声的卷积，即：

其中，是概率分布函数卷积操作，权重变量的分布为：以及P(n_i)～N(0，σ²)，n_i是 零均值的高斯信道噪声，为q^(t-1)中的具体取值，表示第t-1次迭代中从b_m到y_i的概 率消息。

假设y_i为每一个可能的通过以上公式以及q^(t-1)，可获得从到b_j的 概率消息

323：以y_sd作为边信息，得到每个的概率 表示y_sd中一个RPC符号，满足以下公式：

其中，σ_sd为源节点到目的节点的噪声方差。

324：令其中，为R^(t)的元素，对应y_i 到b_j时的取值，

33：垂直迭代：

在第t次迭代中，根据R^(t)获得从b_j到y_i的概率消息q^(t)，满足以下公式：

其中，K_ji是归一化因子，K_ji使得C_j表示与b_j相连的RPC符号集合，m为一个循环变量，的表示在第T次迭代中从b_j到y_m的概率消息，该y_m在上式中表示属于C_j\i的RPC符号。

34：判断迭代次数是否达到设定的迭代阈值T，若是，则执行步骤35，若否，则跳转步骤32。

35：硬判决：

根据R^(T)得到硬判决时b_j的概率Q，满足以下公式：

其中，Q_j(0)表示b_j＝0的概率，Q_j(1)表示b_j＝1的概率，C_j\i表示除y_i外与比特b_j相连的RPC符号集合，m为一个循环变量，表示在第T次迭代中从b_j到y_m的概率消息，该y_m在上式中表示属于C_j的RPC符号；

再根据Q获得二进制信息序列，若Q_j(0)＞Q_j(1)则b_j＝0，反之，b_j＝1。

以权重集w＝{±1,±2,±4,±4}，共8个权重，Δ＝9为例，如图1所示，本发明的实现过程具体步骤如下：

1)源节点广播编码调制后的RPC符号。

11)根据给定权重集w和待传输的二进制信息比特串b＝{b₁,b₂,…,b_N}，由w通过多层随机循环方法或多层随机排列方法将权重向量构造成大小为N×N的随机映射矩阵G，N为400，得到编码符号序列为u，u∈[-11,11]。

12)源节点广播。将步骤11)得到的符号序列u中每相邻的2个符号组成一个调制符号(复信号)，即：

则RPC符号x满足：

RPC符号x_l经过高斯白噪声信道发送到中继节点和目的节点：

其中，y_sr为中继节点收到来自源节点的信号，c_sr为源节点到中继节点的信道增益，n_sr为源节点到中继节点链路的高斯噪声，y_sd为目的节点收到来自源节点的信号，c_sd为源节点到目的节点的信道增益，n_sd为源节点到目的节点链路的高斯噪声，下标s表示源节点，下标r表示中继节点，下标d表示目的节点，三个节点中继传播链路如图2所示。

2)中继节点处理来自源节点信号后转发给目的节点。

21)中继节点将接收到的信号y_sr根据公式l_r＝y_sr modΔ进行Coset编码的量化压缩得到l_r，如图3所示，经过Coset编码的量化取模，图(3a)中部分黑色原点变为图(3b)中的灰色原点，灰色原点的RPC符号会被重新编码为对应正下方或正上方的黑色原点的值，l_r∈[-4,4]。

22)中继节点将量化取模后RPC符号l_r发送给目标节点：

其中，y_rd为目的节点收到来自中继节点的量化取模后RPC符号，c_rd为中继节点到目的节点的信道增益，n_rd为中继节点到目的节点链路的高斯噪声。

3)目的节点联合译码，如图5所示，进行RPC译码的迭代，包括初始化、水平迭代、垂直迭代和硬判决。

如图3和图4所示，由于Δ＝9，u∈[-11,11]变为l_r∈[-4,4]，所以原RPC符号取值 因为求模被划分成三个区间，n＝3，因此，目的节点D计算对应的所有可能的3个点k＝1,2,3。如图4所示，若某个则对应的

以上所述，仅是本发明的某一实例，本发明所主张的权利范围并不局限于此。本发明还有其他多种实施实例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种在无线中继系统基于随机映射码的数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：给定权重向量w，源节点根据随机映射码构建方法由w和二进制信息序列得到RPC符号，并广播RPC符号x；

S2：中继节点接收源节点经信道广播的RPC符号y_sr，并对y_sr进行Coset编码得到量化取模后RPC符号l_r，并转发给目的节点；

S3：目的节点接收源节点经信道广播的RPC符号y_sd，以及中继节点经信道广播的RPC符号y_rd，再对y_sd和y_rd进行联合译码得到二进制信息序列；所述步骤S3包括以下步骤：

31：初始化：

设置从比特b_j到符号y_i的初始概率消息q⁽⁰⁾，其中，b_j表示二进制信息序列b中第j个比特，y_i表示目的节点收到的第i个符号，q^(t)表示第t次迭代的从b_j到y_i的概率消息；

32：水平迭代：

321：根据RPC符号和Coset编码中量化取模的大小Δ，得到对于每个的所有可能的量化取模前RPC符号k＝1,2,...,n，n为符号经Coset编码的量化取模后被划分的区间数，表示y_rd中第i个RPC符号；

322：在第t次迭代中，以每一个可能的作为y_i，根据q^(t-1)得到从到b_j的概率消息

323：以y_sd作为边信息，得到每个的概率 表示y_sd中第i个RPC符号；

324：令

33：垂直迭代：

在第t次迭代中，根据R^(t)获得从b_j到y_i的概率消息q^(t)；

34：判断迭代次数是否达到设定的迭代阈值T，若是，则执行步骤35，若否，则跳转步骤32；

35：硬判决：

根据R^(T)得到硬判决时b_j的概率Q，并根据Q获得二进制信息序列。

2.根据权利要求1所述的一种在无线中继系统基于随机映射码的数据传输方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

11：源节点给定权重向量w，通过多层随机循环方法或多层随机排列方法将权重向量构造成大小为N×N的随机映射矩阵G；

12：根据G对二进制信息序列b＝{b_j,j＝1,2,…,N}进行编码，得到u，u＝G·b＝{u_j,j＝1,2,...,N}；

13：将u中两个相邻的符号按公式a＝(0,1,…,N/2-1)，组成一个调制符号；

14：向中继节点和目的节点广播RPC符号x，a＝(0,1,…,N/2-1)。

3.根据权利要求1所述的一种在无线中继系统基于随机映射码的数据传输方法，其特征在于，所述步骤S2中量化取模后RPC符号l_r满足以下公式：

l_r＝y_sr modΔ

其中，Δ为量化取模的大小。

4.根据权利要求3所述的一种在无线中继系统基于随机映射码的数据传输方法，其特征在于，所述量化取模的大小Δ满足2＜Δ＜23。

5.根据权利要求1所述的一种在无线中继系统基于随机映射码的数据传输方法，其特征在于，所述步骤S1中源节点广播RPC符号采用链路自适应方法，所述链路自适应方法具体为：当源节点在一个完整中继传输结束后没有收到目的节点反馈的ACK信号时，源节点以增量的形式再次广播Δk个符号，Δk为设定值，而中继节点也将转发Δk个符号给目的节点，直到源节点收到来自目的节点反馈的ACK信号停止。