CN110474713B - 一种改进rrns码编译码过程的通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改进RRNS码编译码过程的通信系统，包括发射节点和接收节点，所述发射节点对信源二进制信息序列进行RRNS编码；针对现有技术RRNS编码中出现的2→1映射问题，本发明改进了RRNS码的编码过程，还籍此极大地提高了后续的译码性能。在改进了编码过程的通信系统基础上，还对通信系统的译码过程进行适应性改进，使得译码过程变得更加简单、有效，减少了译码复杂度，进一步地提升了译码性能。最后，本发明还将RRNS码运用在分子扩散通信系统中，在元件的大小和编码/解码复杂性严格受限的情况下，提升其通信可靠性。

Description

一种改进RRNS码编译码过程的通信系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种改进RRNS码编译码过程的通信系统。

背景技术

在常见的通信系统中，RRNS码被作为一种信道码使用，RRNS码定义如下：一个码长为n的RRNS码定义为n个两两互素的正数m_i(i＝1,2,......,n)，其中每个mi命名为moduli。对于(n，k)系统RRNS码，前k个moduli，m₁,m₂,......,m_k，称为非冗余moduli，而附加的r＝(n-k)个moduli，m_k+1,m_k+2,......,m_n，称为冗余moduli。[0,MM_R)是RRNS码的状态范围，其中

[0,M)称为RRNS码的合法范围，[M，MR]称为RRNS码的非法范围。

范围在[0,M)中的任何整数X，可由n-重余数序列唯一表示为：

其中，

表示X由m_i(i＝1,2,......,n)整除后的余数。而对于任意给定的n-重冗余序列(x₁,x₂,......,x_n)，范围在[0,M)中的任何整数X，可以从这n-重余数唯一恢复，公式如下：

其中，M_i＝M/m_i，整数T_i为M_i的乘法逆元，T_i可由如下全等式获得：

在现有编码方法中，以本申请称为Upper-Mapping方法进行映射，用K_i个二进制符号表示m_i的余数{x_i}＝{0,1,......,m_i-1}，而

是大于log₂m_i的最小整数。将范围在

的整数

映射到m_i的余数{x_i}＝{0,1,......,m_i-1}的规则如下：如果0≤L_i≤m_i-1，则x_i＝L_i；如果

中，则

但是，上述Upper-Mapping映射方法会导致2→1映射问题，即两个相同比特数的二进制序列可能会映射到相同的余数，例如，当moduli为m_i＝5时，要用

个比特数表示m_i的余数。在下表中可以看到由3位二进制表示的整数[0，7]映射到余数的情况。如下表所示，若信源为000/111，其映射的余数都为0。这意味着发送端发送二进制序列111，接收端即使正确解码，译码得到的结果0也会译成二进制000，而不是所传输的111。如果接收节点在译码过程仅使用汉明判决而没有使用第2阶译码方法，这将导致译码错误，但第2阶译码会增加译码复杂度，同样是极力避免的问题。图1显示了仅采用汉明判决的Upper-Mapping方法的RRNS码在AWGN信道上的BER结果，表明该方法并没有提高BER的性能。

发明内容

本发明的目的解决现有技术的瓶颈，提供一种改进RRNS码编译码过程的通信系统，由以下技术方案实现：

一种改进RRNS码编译码过程的通信系统，包括发射节点和接收节点；所述发射节点对信源二进制信息序列进行RRNS编码，包括以下步骤：

将信源二进制信息序列分组，每组码字长度相等，为

比特；每组码字有k个码元，长度分别为K₁,K₂,......,K_k比特，将每个长度为K_i的二进制码元转换为十进制整数L_i；

根据预设的映射规则，由L₁,L₂,......,L_k得到非冗余余数序列(x₁,x₂,......,x_k)；其中，m_i(i＝1,2,......,n)为RRNS码的moduli；对K_i取小于log₂m_i的最大整数，

即

i＝1,...,k；

为K_i个比特对应的十进制整数，{L_i}的范围在[0,m_i-1]内；与m_i相对应的二进制序列K_i的余数为x_i，由x_i＝L_i得到非冗余余数序列(x₁,x₂,......,x_k)；

对非冗余余数序列(x₁,x₂,......,x_k)进行RRNS编码，得到冗余余数序列(x_k+1,x_k+2,......,x_n)并用二进制形式表示；

将冗余余数序列的二进制序列附加到非冗余余数序列的二进制序列之后。

相较于现有技术，本发明的通信系统改进了RRNS码的编码过程，不但解决了现有技术RRNS编码中出现的2→1映射问题，还籍此极大地提高了后续的译码性能。

作为对上述通信系统的改进，所述接收节点对接收到的信号经RRNS译码算法译码为二进制序列，通过删除译码二进制序列中信息位部分的码元的最高位获得译码结果。

在改进了编码过程的通信系统基础上，对通信系统的译码过程进行适应性改进，通过删除译码二进制序列中信息位部分的码元的最高位即可获得正确的译码结果，使得译码过程变得更加简单、有效，减少了译码复杂度，进一步地提升了译码性能。

进一步的，对非冗余余数序列(x₁,x₂,......,x_k)进行RRNS编码，得到冗余余数序列(x_k+1,x_k+2,......,x_n)，可包括以下步骤：

由

a₁＝x₁,

......

得到

通过

(j＝k+1,k+2,......,n)得到冗余余数序列(x_k+1,x_k+2,......,x_n)。

进一步的，所述发射节点可包括编码器和调制器，所述编码器用于对信源二进制信息序列进行RRNS编码，所述调制器用于对RRNS编码后获得的二进制序列进行调制；

所述接收节点可包括解调器及译码器；所述解调器对所述接收节点接收到的信号进行解调，所述译码器用于对解调后的信号进行译码。

在一种实施例中，所述发射节点通过向信道发送信息分子与所述接收节点进行通信，所述信息分子以布朗运动的形式在信道中传播。

在这种实施例中的通信系统属于由纳米级部件组成的分子扩散通信系统，信息以分子作为载体在信道环境中进行扩散传播，无需额外提供能源，是一种微观环境下高效、节能的通信系统；采用RRNS码作为信道码，在元件的大小和编码/解码复杂性严格受限的情况下，提升了通信可靠性。

进一步的，所述调制器用于对RRNS编码后获得的二进制序列进行调制，在每个符号周期t_s的起始时刻发送信息分子，比特‘1’发送N_TX个信息分子，比特‘0’不发送信息分子；

所述接收节点从信道接收N'_RX(t,t+t_s)个信息分子，所述解调器根据阈值τ进行解调，在每个t_s周期内，若N'_RX(t,t+t_s)>τ，则将对应周期内接收到的信息分子识别为比特‘1’，否则识别为比特‘0’。

进一步的，所述接收节点还包括包括ISI滤波器；所述接收节点从信道接收N'_RX(t,t+t_s)个信息分子后，先通过所述ISI滤波器进行滤波来消除上一个t_s周期内接收到的分子所带来的ISI效应，再进行解调和译码。

通过ISI滤波器进行滤波，可以有效消除符号间干扰，提高译码准确度。

附图说明

图1是现有技术与本发明实施例1的仿真结果对比图；

图2是本发明实施例1的编码流程图；

图3是本发明实施例1的仿真结果图；

图4是本发明实施例2的通信系统构成示意图；

图5是本发明实施例2的分子扩散信道模型；

图6是本发明实施例2的分子扩散信道中RRNS码的译码仿真结果图；

图7是本发明实施例2的分子扩散信道中RRNS码的译码仿真结果图。

具体实施方式

实施例1

一种改进RRNS码编译码过程的通信系统，包括发射节点和接收节点；所述发射节点对信源二进制信息序列进行RRNS编码，请参阅图2，包括以下步骤：

C01，将信源二进制信息序列分组，每组码字长度相等，为

比特；每组码字有k个码元，长度分别为K₁,K₂,......,K_k比特，将每个长度为K_i的二进制码元转换为十进制整数L_i；

C02，根据预设的映射规则，由L₁,L₂,......,L_k得到非冗余余数序列(x₁,x₂,......,x_k)；其中，m_i(i＝1,2,......,n)为RRNS码的moduli；对K_i取小于log₂m_i的最大整数，

即

i＝1,...,k；

为K_i个比特对应的十进制整数，{L_i}的范围在[0,m_i-1]内；与m_i相对应的二进制序列K_i的余数为x_i，由x_i＝L_i得到非冗余余数序列(x₁,x₂,......,x_k)；

C03，对非冗余余数序列(x₁,x₂,......,x_k)进行RRNS编码，得到冗余余数序列(x_k+1,x_k+2,......,x_n)并用二进制形式表示；

C04，将冗余余数序列的二进制序列附加到非冗余余数序列的二进制序列之后。

相较于现有技术，本发明的通信系统改进了RRNS码的编码过程，不但解决了现有技术RRNS编码中出现的2→1映射问题，还籍此极大地提高了后续的译码性能。

具体的，在本实施例的编码过程中，由于{L_i}的范围在[0,m_i-1]内，

相当于直接把

分配给x_i，由此完成编码过程中的映射。相对应现有技术，可将本实施例中的映射方法称为Lower-Mapping方法；由图1可知，本实施例的通信系统相较于现有技术，仅以现有的译码方法进行译码，就已经能够极大地提高译码性能。

对非冗余余数序列(x₁,x₂,......,x_k)进行RRNS编码，得到冗余余数序列(x_k+1,x_k+2,......,x_n)，可包括以下步骤：

由

a₁＝x₁,

......

得到

通过

(j＝k+1,k+2,......,n)得到冗余余数序列(x_k+1,x_k+2,......,x_n)。

在一种可选的实施例中，所述接收节点对接收到的信号经RRNS译码算法译码为二进制序列，通过删除译码二进制序列中信息位部分的码元的最高位获得译码结果。

在改进了编码过程的通信系统基础上，对通信系统的译码过程进行适应性改进，通过删除译码二进制序列中信息位部分的码元的最高位即可获得正确的译码结果，使得译码过程变得更加简单、有效，减少了译码复杂度，进一步地提升了译码性能。

现有通信系统在译码过程中采用汉明判决进行译码；而在由本实施例的通信系统进行编码时，例如，当moduli＝7时，

发送节点要将2位二进制数映射到范围在

的余数上。在接收节点，根据RRNS码的译码算法，接收到的余数在[0,moduli-1]＝[0，6]的范围内，该余数映射到二进制比特的例子如下表所示。

余数v若是十进制整数4，5或6，不在发送端发送的数字范围[0，1，2，3]内，需用3位二进制表示。这种情况下，删除译码二进制序列中信息位部分的码元的最高位1便可获得译码结果，由此可减少译码复杂度。相对应现有译码过程中的汉明判决方法，可将本实施例改进后的译码过程中的对应部分称为直接判决方法.

对本实施例的通信系统进行仿真，对分别以moduli＝[5，13，29，113]的(2，4)RRNS码和moduli＝[5，13，29，31，37，41，43，113]的(2，6)RRNS码编码后的结果分别以现有译码技术及本实施例改进后的译码技术进行译码，如图3的仿真结果表明，本实施例的对译码过程进行改进后不会影响译码准确度，因此是能够在保证译码准确度的前提下减少译码复杂度。

具体的，在一种可选的实施例中，所述接收节点在接收到信号后，对接收到的二进制序列进行分组，每组码字长度相等，为

比特，每组码字有n个码元，长度分别为K₁,K₂,......,K_n比特，将每个长度为K_i的二进制码元转换为十进制接收码元y_i,i＝1,2,…,n；令

其中，

表示删除第i个余数x_i后的序列。

X的M_∧投影定义为

其中，

∧＝i₁,i₂,......,i_λ，λ≤n-k；X序列中，

被删除。码字

使用M_∧投影算法从接收序列(y₁,y₂,......,y_n)译码获得，在一种可选的实施例中，译码方法如下：

步骤1：由

(j＝k+1,k+2,......,n)得到(y₁,y₂,......,y_n)对应的Y，并且当M_∧＝1时，将Y视为M_∧投影；由

得到剩下的n-k位余数；

根据Δ_j＝y'_j-y_j,j＝k+1,k+2,......,n，得到校正子Δ_k+1,Δ_k+2,......,Δ_n。如果非零校正子的个数至多为

则转至步骤5，否则，执行步骤2。

步骤2：由余数(y₁,y₂,......,y_k+1)得到M_Λ投影和它们对应的奇偶校验位的校正子

其中，M_Λ＝m_i,i＝1,2,......,k；如果存在合法的M_Λ投影，使得相应的非零校正子的个数至多为

则转至步骤5，否则，继续执行步骤3。

步骤3：由余数(y₁,y₂,......,y_k+2)得到M_Λ投影及其相应的奇偶校正子

其中

(i₁,i₂＝1,2,...,k+1,i₁≠i₂)。如果存在合法的M_Λ投影，使得相应的非零校正子的个数至多为

则转至步骤5；否则，余数序列扩展为(y₁,y₂,...,y_k+i),i>2，并由此得到M_Λ投影和它们相应的校正子；重复以上过程，当

时，则继续执行步骤4。

步骤4：由余数(y₁,y₂,...,y_k+t)得到M_Λ投影和它们相应的奇偶校正子

其中

(i₁,i₂,...,i_t＝1,2,...,k+t-1,i₁≠i₂≠...≠i_t)；如果存在合法的M_Λ投影，使得相应的非零校正子个数至多为

则执行步骤5；否则，声明检测到超过

个余数错误，超出该码的纠错能力，停止译码。

步骤5：根据

调用合法的M_Λ投影纠正对应非零校正子的错误余数，并将译码结果表示为

进一步的，所述发射节点可包括编码器和调制器，所述编码器用于对信源二进制信息序列进行RRNS编码，所述调制器用于对RRNS编码后获得的二进制序列进行调制；

所述接收节点可包括解调器及译码器；所述解调器对所述接收节点接收到的信号进行解调，所述译码器用于对解调后的信号进行译码。

实施例2

实施例2为实施例1基础上的一种改进，主要针对本发明在分子扩散通信系统上的应用，请参阅图5，所述发射节点通过向信道发送信息分子与所述接收节点进行通信，所述信息分子以布朗运动的形式在信道中传播。

分子扩散通信系统由纳米级部件组成的，信息以分子作为载体在信道环境中进行扩散传播，无需额外提供能源，是一种微观环境下高效、节能的通信系统；其信道环境可称为分子扩散信道，具体可参阅图5分子扩散信道模型；但是，分子扩散通信系统在元件的大小和编码/解码复杂性的要求上极为严苛，本实施例在分子扩散通信系统中采用RRNS码作为信道码，能够在元件的大小和编码/解码复杂性严格受限的情况下，提升通信可靠性。

进一步的，所述调制器用于对RRNS编码后获得的二进制序列进行调制，在每个符号周期t_s的起始时刻发送信息分子，比特‘1’发送N_TX个信息分子，比特‘0’不发送信息分子；

所述接收节点从信道接收N'_RX(t,t+t_s)个信息分子，所述解调器根据阈值τ进行解调，在每个t_s周期内，若N'_RX(t,t+t_s)>τ，则将对应周期内接收到的信息分子识别为比特‘1’，否则识别为比特‘0’。

进一步的，所述接收节点还包括包括ISI滤波器；所述接收节点从信道接收N'_RX(t,t+t_s)个信息分子后，先通过所述ISI滤波器进行滤波来消除上一个t_s周期内接收到的分子所带来的ISI效应，再进行解调和译码。

通过ISI滤波器进行滤波，可以有效消除符号间干扰，提高译码准确度。

具体的，本实施例以仿真模型的形式作进一步说明：仿真模型中的发射节点和接收节点一个点发射节点和一个具有完全吸收功能的3D接收节点。其中，

发射节点：发射节点随机产生二进制符号，并将其编码为RRNS码，采用二元浓度移键控(binary concentration shift keying，BCSK)调制，即比特‘0’不发送分子，比特‘1’发送NTX个分子，在每个符号周期ts的起始时刻发送分子。

分子扩散信道：分子信道为三维环境，如图6所示。发射节点是一个半径为0的点光源，距离接收节点表面最近点的距离为d。接收节点是一个具有完全吸收边界的半径为r_r的三维球体。传播过程完全依赖于布朗运动。

布朗运动可由维纳过程描述的。维纳过程W_t具有以下特性:

W₀＝0；

W_t看作一个连续时间随机过程；

W_t-W_s～Ν(0,t-s)，0≤s≤t；

其中，Ν(μ,σ²)表示均值为μ，方差为σ²的高斯分布。

为仿真分子扩散信道中的布朗运动过程，假设每个步进时间上的每一维的位移是独立的且遵循高斯分布，即

其中，Δχ_i表示分子在第i维上的位移。

接收节点：解调器模块从分子扩散信道接收到N′_RX(t,t+t_s)个分子，并与ISI滤波消除模块连接，通过滤波来消除前一个符号周期内接收到的分子所带来的ISI效应。滤波后的符号进入信道译码器模块试图译码出所发送的符号。整个接收过程详细描述如下。

在三维环境中，点源发送的扩散粒子在指定时间第一次到达指定地点的第一次击中概率为：

其中，d和D分别对应收发信机的距离和扩散系数，r_r表示球形接收节点的半径，f_hit是t时间内完全吸收机吸收到的分子的比例。t2-t1时间内接收到的分子比例为

P_hit(t+t₁,t+t₂)＝f_hit(d,t+t₂)-f_hit(d,t+t₁)

因此，在采样间隔[t,t+t_ss]中，接收节点接收到的分子数目可以通过下式计算得到。

N_RX(t,t+t_ss)＝N_TX×P_hit(t,t+t_ss)

在持续时间[t,t+t_s]中，分子撞击接收机的估计数可以通过下式计算得到。

N_RX(t,t+t_s)＝N_TX×P_hit(t,t+t_ss)+N_TX×P_hit(t_ss,t+t_s)

在接收端，扩散信道的输出

N'_RX(t,t+t_s)＝N_RX(t,t+t_s)+ω(t,t+t_s)

其中t_s是符号持续时间、ω(t,t+t_s)服从

的高斯分布。将输出信号可表示为

其中，

是估计的分子数，N_RX(t,t+t_s)可以被看作是两个接收信号的向量和，这两个接收信号，一个是当前周期内接收到的估计符号数，另一个是前一周期接收到的估计符号数。

消除前一周期接收到的符号带来的ISI，如下所示：

因此，ISI滤波器将

应用于接收信号，进一步运用符号检测功能δ(·)，获得当前周期内的估计分子数

然后用解调器接收信号并对RRNS码进行译码。解调器使用阈值进行解调，如果在一个周期内，信息分子到达接收节点的数量超过阈值τ，则将接收符号译为1，否则译为0。

分子扩散信道中的RRNS译码仿真结果如下：

本部分给出了在分子扩散信道上的RRNS编码和解码方法的纠错概率的仿真结果。下表给出了仿真环境参数，d是分子的初始位置(发射机节点的中心点)和接收机球心之间的距离，t_s是符号持续时间，t_ss是采样间隔。r_r是接收机半径，D是分子扩散系数。p_react是接收机的吸收概率。

其中，仿真参数如下：

在分子扩散通信系统中使用RRNS编码和ISI消除滤波的仿真结果如图6所示，其中，k＝2，n＝4，moduli＝[3，11，17，67]，释放分子数N_sym＝800。

图7显示了在moduli＝[23，25，27，29，31，32，37，41]时不同码率的RRNS码的BER性能，其中，k＝2或k＝6，释放分子数N_sym＝800。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变形。

Claims (7)

1.一种改进RRNS码编译码过程的通信系统，包括发射节点和接收节点；其特征在于，所述发射节点对信源二进制信息序列进行RRNS编码，包括以下步骤：

将信源二进制信息序列分组，每组码字长度相等，为

比特；每组码字有k个码元，长度分别为K₁,K₂,......,K_k比特，将每个长度为K_i的二进制码元转换为十进制整数L_i；

根据预设的映射规则，由L₁,L₂,......,L_k得到非冗余余数序列(x₁,x₂,......,x_k)；其中，m_i(i＝1,2,......,n)为RRNS码的moduli；对K_i取小于log₂m_i的最大整数，

即

i＝1,...,k；

为K_i个比特对应的十进制整数，{L_i}的范围在[0,m_i-1]内；与m_i相对应的二进制序列的余数为x_i，由x_i＝L_i得到非冗余余数序列(x₁,x₂,......,x_k)；

对非冗余余数序列(x₁,x₂,......,x_k)进行RRNS编码，得到冗余余数序列(x_k+1,x_k+2,......,x_n)并用二进制形式表示；

将冗余余数序列的二进制序列附加到非冗余余数序列的二进制序列之后。

2.根据权利要求1所述的改进RRNS码编译码过程的通信系统，其特征在于，所述接收节点对接收到的信号经RRNS译码算法译码为二进制序列，通过删除译码二进制序列中信息位部分的码元的最高位获得译码结果。

3.根据权利要求1或2所述的改进RRNS码编译码过程的通信系统，其特征在于，对非冗余余数序列(x₁,x₂,......,x_k)进行RRNS编码，得到冗余余数序列(x_k+1,x_k+2,......,x_n)，包括以下步骤：

由

a₁＝x₁,

......

得到

通过

得到冗余余数(x_k+1,x_k+2,......,x_n)。

4.根据权利要求1或2所述的改进RRNS码编译码过程的通信系统，其特征在于，所述发射节点包括编码器和调制器，所述编码器用于对信源二进制信息序列进行RRNS编码，所述调制器用于对RRNS编码后获得的二进制序列进行调制；

所述接收节点包括解调器及译码器；所述解调器对所述接收节点接收到的信号进行解调，所述译码器用于对解调后的信号进行译码。

5.根据权利要求4所述的改进RRNS码编译码过程的通信系统，其特征在于，所述发射节点通过向信道发送信息分子与所述接收节点进行通信，所述信息分子以布朗运动的形式在信道中传播。

6.根据权利要求5所述的改进RRNS码编译码过程的通信系统，其特征在于，

所述调制器用于对RRNS编码后获得的二进制序列进行调制，在每个符号周期t_s的起始时刻发送信息分子，比特‘1’发送N_TX个信息分子，比特‘0’不发送信息分子；

所述接收节点从信道接收N'_RX(t,t+t_s)个信息分子，所述解调器根据阈值τ进行解调，在每个t_s周期内，若N'_RX(t,t+t_s)>τ，则将对应周期内接收到的信息分子识别为比特‘1’，否则识别为比特‘0’。

7.根据权利要求6所述的改进RRNS码编译码过程的通信系统，其特征在于，所述接收节点还包括ISI滤波器；所述接收节点从信道接收N'_RX(t,t+t_s)个信息分子后，先通过所述ISI滤波器进行滤波来消除上一个t_s周期内接收到的分子所带来的ISI效应，再进行解调和译码。

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