CN114337924B - 一种物理层网络编码下映射设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种物理层网络编码下映射设计方法。通过该方法可以获得高性能的映射方案，可被用于联合物理层网络编码和卷积码的系统中。在两个终端节点A、B通过中继节点C进行信息交换时，两个终端同时将信息发送给中继节点C，C同时接收到两个终端的消息，并对这个叠加了两组数据进行解码处理得到新的信息，最后在第二个时隙将这个叠加的消息广播给两个终端节点A、B，中继节点各自从接收的消息出译码出对方终端的信息，从而提高网络的吞吐量。

Description

一种物理层网络编码下映射设计方法

技术领域

本发明涉及通信领域中联合信道编码与物理层网络编码系统的映射方案设计，具体涉及一种物理层网络编码下映射设计方法。

背景技术

随着移动互联网的快速发展，特别是近年来5G的出现，越来越多的智能设备开始接入通信网，因而通信网所需要承受的负载越来越大。面对日益增长对信息吞吐量和短时延的要求，如何改善通信网的吞吐量以及降低时延成为未来通信网发展的重要方向。

高阶调制可以有效提高系统的速率，通过设计合适的映射方案可以给系统带来极大的性能增益。F.Schreckenbach在“Optimization of symbol mappings for bit-interleaved coded modulation with iterative decoding”一文中提出二进制交换算法用于寻找点对点系统任意调制方式的最优映射方案。而Zhixing Yang在“LabelingOptimization for BICM-ID Systems”一文中改进了二进制交换算法，提出了自适应二进制交换算法用于寻找点对点系统中迭代性能最优的映射方案。Jun Tan则在他的论文“Analysis and Design of Symbol Mappers forIteratively Decoded BICM”中，通过映射传输函数来获得迭代性能优秀的映射方案，并利用掺杂技术来使系统达到预期的性能。

网络编码最先由Ahlswede R在Network Information Flow中提出，网络编码中的中继器不能像传统路由器一样只进行存储转发而不对数据做任何处理，它要求中继器对接收到的数据进行简单的处理，从而可以显著提高系统的吞吐量。物理层网络编码则是网络编码演化的一个分支，研究人员发现这种中继器对信息的处理可以用于物理层。在无线通信中，利用通信过程中电磁波叠加的特性以及下行通信的广播通信，可以将信息交换的时隙减少到原来的一半。在2006年，Zhang S、Liew S C等学者发表论文《Hot Topic:PhysicalLayer Network Coding》，论文在双向中继系统模型中提出了可以采用物理层的网络编码，系统的理论吞吐量比传统提升了一倍。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在缺陷，提供一种物理层网络编码下映射设计方法，设计得到一个高性能的映射方案。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种物理层网络编码下映射设计方法，首先构建一个可以进行迭代的系统，对于需要进行数据交换的终端A和B，将数据依次输入卷积码编码器、交织器和调制器；两个终端将调制完成的信息同时发送给中继节点C；

在中继节点C处，将得到信息利用对应的解调器将原本信息解调，再经过解交织器和软输出维特比译码器进行解码；之后，信息将在解调器和软输出维特比译码器之间进行联合迭代，当满足迭代停止条件，迭代停止获得终端A和B的叠加信息；最后中继节点C将叠加信息经过与终端A和B相同的编码操作，并将信息广播给终端A和B；

终端A和B各自接收到叠加信号，对叠加信号进行与中继节点C相同的解码操作，并将译码出的信息与自己原先发送的信息做异或得到对方终端发送的信息。

在本发明一实施例中，所述调制器采用脉冲幅度调制，映射方式具体如下：

先获得一个低阶映射即基映射，对低阶映射进行拓展得到多个目标阶数的映射方案，利用公式(1)来筛选映射方案；

w_j⊕w_k＝w_f⊕w_h (1)

其中，w_j表示第j个映射符号，j+k＝f+h；j≠k≠f≠h，(j+k-1)/2＝2，4，……，M-1，M表示调制方式的阶数；

对于通过公式(1)筛选的映射方案，利用映射传输函数选择剩余映射方案中最小欧氏距离参数最大的映射方案即最后获得的映射方案。

在本发明一实施例中，所述对低阶映射进行拓展的公式如下：

其中表示高阶映射的符号，w_j表示低阶映射的符号，二者均采用二进制0、1来表示，b_j表示为w_j转化为/>的过程中的额外位，等于0或1；之后由公式(1)和映射传输函数决定b_j的值。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明可以被用于物理层网络编码系统中，使得物理层网络编码系统可以只采用两个时隙就可以完成一次信息交换可以极大的提高系统的吞吐量。

本发明提出的映射设计方案所得到的映射，具有高迭代译码性能的特点，相对于目前传统的用于物理层网络编码系统的映射在迭代时效果更好，通过迭代译码可以保证性较高的迭代性能。

附图说明

图1为高斯信道下的A、B信息交换的示意图；

图2为终端A和B信号的处理过程；

图3为映射方案设计过程；

图4为中继端点C的译码过程。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明一种物理层网络编码下映射设计方法，首先构建一个可以进行迭代的系统，对于需要进行数据交换的终端A和B，将数据依次输入卷积码编码器、交织器和调制器；两个终端将调制完成的信息同时发送给中继节点C；

在中继节点C处，将得到信息利用对应的解调器将原本信息解调，再经过解交织器和软输出维特比译码器进行解码；之后，信息将在解调器和软输出维特比译码器之间进行联合迭代，当满足迭代停止条件，迭代停止获得终端A和B的叠加信息；最后中继节点C将叠加信息经过与终端A和B相同的编码操作，并将信息广播给终端A和B；

终端A和B各自接收到叠加信号，对叠加信号进行与中继节点C相同的解码操作，并将译码出的信息与自己原先发送的信息做异或得到对方终端发送的信息。

以下为本发明具体实现过程。

如图1所示，物理层网络编码系统有两个时隙，第一个时隙两个终端A、B同时向中继C发送消息；第二个时隙中继C向两个终端A、B广播消息。在进行信息交互时，信息受到信道的影响，这个信道为高斯噪声。由于物理层网络编码系统的性能主要由第一个时隙来决定，因此将主要描述第一个时隙的各个终端的行为。如图2所示，两个终端A、B分别对自己需要发送的信息进行处理，首先将信息输入卷积码编码器，经由交织器在进入调制器。此处的调制器采用脉冲幅度调制，映射方式采用图3方案获得的映射方式，星座点坐标采用非归一化坐标。最后两个终端A、B同时将信息发送给中继C。如图4所示，中继C获得终端A、B发送的叠加信号以及信号中叠加的噪声，先利用异或解调器将叠加信号解出，经过解交织器进入输出维特比译码器，输出维特比译码器输出先验信息提供给异或解调器作为下一次译码的输入辅助下一次异或解调器解调，同时软输出维特比译码器判断停止迭代条件，当停止迭代成立，将叠加信息输出。图3所示流程是对图2中调制器的映射方式的设计过程。先获得一个低阶映射(基映射)，对低阶映射进行拓展得到多个目标阶数的映射方案，利用公式(1)来筛选映射方案；

w_j⊕w_k＝w_f⊕w_h (1)

其中，w_j表示第j个映射符号，j+k＝f+h；j≠k≠f≠h，(j+k-1)/2＝2，4，……，M-1，M表示调制方式的阶数。

对于通过公式(1)筛选的映射方案，利用映射传输函数选择剩余映射方案中最小欧氏距离参数最大的映射方案即最后获得的映射方案。

基映射的主要作用是为了保证目标映射可以通过后续的方案获得基映射高迭代性能的特点。公式(1)主要将备选映射中会出现星座模糊问题的映射筛除。

其中基映射的方案获得主要有两种，第一种是从4阶脉冲调制开始依次按上述方式得到基映射，一种是采用穷举方案获得较目标映射低一阶的方案。本实例是采用第一种方案获取。对低阶映射的拓展需要按照公式(2)、(3)处理。所述对低阶映射进行拓展的公式如下：

其中表示高阶映射的符号，w_j表示低阶映射的符号，二者均采用二进制0、1来表示，b_j表示为w_j转化为/>的过程中的额外位，等于0或1；之后由公式(1)和映射传输函数决定b_j的值。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种物理层网络编码下映射设计方法，其特征在于，首先构建一个能够进行迭代的系统，对于需要进行数据交换的终端A和B，将数据依次输入卷积码编码器、交织器和调制器；两个终端将调制完成的信息同时发送给中继节点C；

在中继节点C处，将得到信息利用对应的解调器将原本信息解调，再经过解交织器和软输出维特比译码器进行解码；之后，信息将在解调器和软输出维特比译码器之间进行联合迭代，当满足迭代停止条件，迭代停止获得终端A和B的叠加信息；最后中继节点C将叠加信息经过与终端A和B相同的编码操作，并将信息广播给终端A和B；

终端A和B各自接收到叠加信号，对叠加信号进行与中继节点C相同的解码操作，并将译码出的信息与自己原先发送的信息做异或得到对方终端发送的信息；

所述调制器采用脉冲幅度调制，映射方式具体如下：

先获得一个低阶映射即基映射，对低阶映射进行拓展得到多个目标阶数的映射方案，利用公式(1)来筛选映射方案；

w_j⊕w_k＝w_f⊕w_h (1)

其中，w_j表示第j个映射符号，j+k＝f+h；j≠k≠f≠h，(j+k-1)/2＝2，4，……，M-1，M表示调制方式的阶数；

对于通过公式(1)筛选的映射方案，利用映射传输函数选择剩余映射方案中最小欧氏距离参数最大的映射方案即最后获得的映射方案；

所述对低阶映射进行拓展的公式如下：

其中表示高阶映射的符号，w_j表示低阶映射的符号，二者均采用二进制0、1来表示，b_j表示为w_j转化为/>的过程中的额外位，等于0或1；之后由公式(1)和映射传输函数决定b_j的值。