联合网络编码与信道编码的用户协作方法

摘要

本发明揭示一种联合网络编码与信道编码的用户协作方法，所述用户拥有至少一个伙伴用户；各用户把自己的信息及其各伙伴用户的信息串接在一起形成一个更长的信息序列；对该序列进行信道编码并广播该编码后的数据，从而实现网络编码；基站根据用户广播的原数据及联合网络编码与信道编码后的数据、通过联合迭代译码获取用户的信息。本发明联合网络编码与信道编码的用户协作方法，由于网络编码把若干个伙伴用户的信息比特联合在一起，所以协作阶段只要占用传统的空时编码协作方案的一半时隙，从而减小了端到端时延，提高了传输效率。

说明书

技术领域

本发明属于通讯技术领域，涉及一种用户协作方法，尤其涉及一种联合网络编码与信道编码的用户协作方法。

背景技术

用户协作中继和网络编码是目前未来移动通信技术中比较热门的研究领域。如何把网络编码应用于用户协作场景得到切实可行的方案、进一步挖掘空间分集增益目前仍然是一个未解决的问题。

分集技术能够提高无线衰落信道的有效信噪比(SNR)[请参阅文献1《Microwave MobileCommunications，W.C.Jakes，Ed.，Wiley，New York，1974.》]。“用户协作”的概念早已提出，它通过移动用户互相作为对方的中继、转发对方的信息来获得上行传输分集[请参阅文献2《A.Sendonaris，E.Erkip，and B.Aazhang，“User cooperation diversity-Part I：System description，”IEEE Trans.Commun.，vol.51，pp.1927-1938，Nov.2003.》及文献3《A.Sendonaris，E.Erkip，andB.Aazhang，“User cooperation diversity-Part II：Implementation aspects and performanceanalysis，”IEEE Trans.Commun.，vol.51，pp.1939-1948，Nov.2003》]。特别是当移动终端由于尺寸、成本或其他约束而不能够支持多天线的情况下，“用户协作”则为多天线技术提供了一种分布式的实现方案。目前用户协作由于能够获得空间分集而获得越来越多的关注，已经提出了各种用户协作的不同实现方案，例如简单的重复中继[请参阅文献4《J.N.Laneman，G.W.Wornell，and D.N.C.Tse，“An efficient protocol for realizing cooperative diversity in wirelessnetworks，”in Proc.IEEE ISIT，2001，p.294.》]，用户编码协作[请参阅文献5《T.E.Hunter and A.Nosratinia，“Cooperation diversity through coding，”in Proc.Int.Symp.Inform.Theory，Laussane，Switzerland，2002，p.220.》]，分布式空时块码[请参阅文献6《Mohammad Janani，AhmadrezaHedayat，Todd E.Hunter，and Aria Nosratinia，“Coded Cooperation in Wireless Communications：Space-Time Transmission and Iterative Decoding”，IEEE Trans.on signal processing，vol.52，no.2，Feb.2004.》]等等。然而目前的方案仍然没有充分挖掘空间分集增益，并且现有的方案有一个共同的缺陷就是引入了额外的协作时隙，从而增加了端到端时延，降低了效率。

文献7《R.Ahlswede，N.Cai，S-Y.R.Li，and R.W.Yeung.Network Information Flow.IEEETrans.on Information Theory，46(4)：1204-1216，July 2000.》提出一个全新的网络编码的概念用于增加网络的吞吐量。网络编码的基本思想是网络中一段传输链路的中间节点除了基本的路由功能外还允许对输入的数据进行额外的操作后再进行转发。这一概念首先是在有线网络中提出的，对于无线衰落信道中如何把网络编码应用到无线网络目前正在引起广泛的兴趣。

以下通过列举现有的技术方案，介绍现有技术的不足之处。

用户协作的场景如图1所示：两个用户(UE)都有上行数据要传输给基站(BS)，它们相互之间的距离比它们各自到BS的距离要近，而两个UE各自到BS的距离可以相等也可以不等。

文献5《T.E.Hunter and A.Nosratinia，“Cooperation diversity through coding，”in Proc.Int.Symp.Inform.Theory，Laussane，Switzerland，2002，p.220.》提出一种编码协作的方案。编码协作通过一个用户向BS发送自己的信道编码数据，另一个用户接收译码后重新对前一用户的信息进行信道编码并优先转发前一用户未发送过的冗余信息给BS，反之亦然。最后BS把接收到的来自两个独立衰落信道的属于同一用户的信道编码数据进行合并后译码，得到两个用户的信息。为了简单起见，这里假设采用时分双工(TDD)方式并且两个用户的数据是时分复用(TDM)的，于是得到图2的两个用户发射机制图。

图2为编码协作方案的发射机制图，图2中S代表信道编码后得到的系统位(即信息比特)，P代表信道编码后得到的校验位(即校验比特)。下标表示用户编号，括号中的数字表示数据块编号。上标的单引号表示该用户转发的它的伙伴用户(即与所述用户协作的用户)传输数据中被打孔的校验位(增加冗余的编码协作)。BS收到两个用户传输的数据后，把属于同一用户的编码数据进行合并，例如图2中的S1(1)、P1(1)和P1(1)’合并译码的到UE1的第一个数据包，S2(1)、P2(1)和P2(1)’合并译码的到UE2的第一个数据包，往后同理类推。

文献6[Mohammad Janani，Ahmadreza Hedayat，Todd E.Hunter，and Aria Nosratinia，“CodedCooperation in Wireless Communications：Space-Time Transmission and Iterative Decoding”，IEEETrans.on signal processing，vol.52，no.2，Feb.2004.]中借用了传统的空时编码的概念用于编码协作系统，空时编码协作的发射机制图如图3所示。

不同于文献5中的编码协作机制中两个用户在协作阶段各自分别传输其伙伴用户的数据，空时编码协作方案在空时编码协作阶段，两个用户按照空时编码的方式同时传输经过空时编码的自己的和对方的数据。例如图3中，在协作时隙，UE1与UE2先用空时编码同时传输UE2的冗余信息P2(1)’，再用空时编码同时传输UE1的冗余信息P1(1)’。BS收到来自两个用户的数据后，先用空时码检测算法分别检测出UE1和UE2的冗余信息P2(1)’和P1(1)’，然后把属于同一个用户的数据合并后进行译码，即把S1(1)、P1(1)和P1(1)’合并译码的到UE1的第一个数据包，S2(1)、P2(1)和P2(1)’合并译码的到UE2的第一个数据包。往后同理类推。

从上述两个方案的描述可以看出现有的方案都需要一个额外的时隙作为协作阶段，从而导致了额外的时延开销，降低了效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种联合网络编码与信道编码的用户协作方法，通过联合网络编码和信道编码的概念用于实现用户协作，从而能够减小协作时延和进一步改善频谱效率等性能。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种联合网络编码与信道编码的用户协作方法，所述用户拥有至少一个伙伴用户；各用户把自己的信息及其各伙伴用户的信息串接在一起形成一个更长的信息序列；对该序列进行信道编码并广播该编码后的数据，从而实现网络编码；基站根据用户广播的原数据及联合网络-信道编码后的数据、通过联合迭代译码获取用户的信息。

作为本发明的一种优选方案，所述方法包括如下步骤：

步骤A、在第一个阶段，每个用户分别各自广播自己的数据，基站接收各用户数据，所述伙伴用户分别接收所述用户传输的数据；

步骤B、用户译码解出其伙伴用户的数据，该用户将各伙伴用户的数据与自己的数据串接在一起作为一个整体的联合数据，然后对该整体的联合数据进行信道编码；用户以此实现对其数据及其各伙伴用户数据的联合网络和信道编码；

步骤C、在第二个阶段，所述各用户把所述联合网络和信道编码后的数据进行转发；

步骤D、基站在第一个阶段收到每个用户的数据，在第二个阶段收到每个用户转发的联合网络和信道编码后的数据；

步骤E、基站利用步骤D中数据之间的内在联系对这些收到的数据采用联合迭代译码，获得用户的信息。

作为本发明的一种优选方案，所述用户及其伙伴用户的数据被分为若干数据块，上述步骤A至步骤E执行一次获得用户及其各伙伴用户中的一个数据块。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤B包括：

用户UE(i)拥有n个伙伴用户；用户UE(i)译码解出各伙伴用户的信息序列，UE(i)将各伙伴用户的信息比特与自己的信息比特串接在一起得到一个n+1倍长度的信息序列；串接后的信息序列送入信道编码器，编码后得到的校验比特将根据资源块所能容纳的长度进行打孔，打孔后的校验比特记作P。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤C包括：用户校验比特P采用空时编码的方式同时进行转发，供基站接收。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤D包括：基站在第一个阶段收到用户的信息比特及校验比特、该用户伙伴用户的信息比特及校验比特、在第二个阶段收到空时编码的校验比特P。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤E包括：基站首先进行空时码的检测得到校验比特P，而后对所述各数据分别进行联合迭代译码，译码解出两个用户信息中该数据块的信息。优选地，所述联合迭代译码选择软输入软输出子码译码，并在子码译码器之间相互传递软信息构成联合迭代。

作为本发明的一种优选方案，用户UE(i)、UE(j)互为伙伴用户；获得用户及其各伙伴用户中的一个数据块的方法包括如下步骤：

步骤A1、在第一个阶段，用户UE(i)、UE(j)分别各自广播自己的数据，包括信息比特和校验比特Si(k)及Pi(k)、Sj(k)及Pj(k)，，基站接收各用户数据，用户UE(i)、UE(j)分别接收对方传输的数据；

步骤B1、用户UE(i)译码解出UE(j)的信息序列，UE(i)将UE(j)的信息比特Sj(k)与自己的信息比特Si(k)串接在一起得到一个两倍长度的信息序列；串接后的信息序列送入信道编码器，编码后得到的校验比特将根据资源块所能容纳的长度进行打孔，打孔后的校验位记作Pij(k)；其中，i、j为用户编号，k为数据块编号；

用户UE(j)译码解出UE(i)的信息序列，将自己的信息比特Sj(k)与UE(i)的信息比特Si(k)串接在一起得到一个两倍长度的信息序列送入信道编码器，编码后得到的校验比特进行同样的打孔得到同样的Pij(k)。

步骤C1、用户UE(i)和UE(j)对Pij(k)采用空时编码的方式同时进行转发，供基站接收。

步骤D1、基站收到Si(k)及Pi(k)、Sj(k及Pj(k)、空时编码的Pij(k)。

步骤E1、基站首先进行空时码的检测得到Pij(k)，而后对所述三份数据分别进行联合迭代译码，译码解出两个用户信息中该数据块的信息。

作为本发明的一种优选方案，用户UE(i)、UE(j)互为伙伴用户；所述方法包括如下步骤：

步骤1、起始阶段，用户UE(i)把自己的信息比特Si(1)进行信道编码，得到校验比特按照资源块长度进行打孔后记作Pi(1)，然后UE(i)广播其数据信息比特Si(1)和校验比特Pi(1)；基站及用户UE(j)接收上述数据；其中，i、j为用户编号；

步骤2、UE(j)通过信道译码解出UE(i)的信息比特，UE(j)把UE(i)的信息比特Si(k)与自己的信息比特Sj(k)串接在一起得到一个两倍长度的信息序列；这个串接后的信息序列送入信道编码器编码后得到的校验比特将根据资源块所能容纳的长度进行打孔，打孔后的校验比特记作Pji(k)，然后UE(j)把自己的信息比特Sj(k)和网络编码得到的校验比特Pji(k)一起作为它要传输的数据进行广播；基站及UE(i)同时接收；其中，k表示数据块，其初始值为1；

步骤3、UE(i)收到上述数据包，由于UE(i)知道自己的信息比特Si(k)，所以它能够利用已知的信息对接收到的联合网络-信道编码数据Sj(k)+Pji(k)进行译码解出UE(j)的信息比特Sj(k)；然后UE(i)采取与上述UE(j)类似的操作，把UE(j)的信息比特Sj(k)和自己新的信息比特Si(k+1)串接在一起后送入信道编码器，得到联合编码的校验比特打孔后记作Pij(k+1)；然后UE(i)把自己的信息比特Si(k+1)和联合编码得到的校验比特Pij(k+1)一起作为其要传输的数据进行广播；基站及UE(j)同时接收；

步骤4、当基站收到头两个数据包，即Si(k)+Pi(k)和Sj(k)+Pji(k)时，基站对两个数据包分别进行联合迭代译码，最后解出Si(k)；当基站收到新的数据包Si(k+1)+Pij(k+1)，基站就把其与之前收到的数据包Sj(k)+Pji(k)分别进行联合迭代译码，最后解出Sj(k)；

步骤5、而后，UE(j)和UE(i)交替进行步骤2、步骤3、步骤4的操作；上述步骤每经过一次，k递增1；基站每次都把新收到的数据包与前一次收到的数据包进行联合迭代译码，解出前一次传输的数据包中包含的信息。

本发明的有益效果在于：本发明联合网络编码与信道编码的用户协作方法，由于网络编码把若干个伙伴用户的信息比特联合在一起，所以协作阶段只要占用传统的空时编码协作方案的一半时隙，从而减小了端到端时延，提高了传输效率。

附图说明

图1为用户协作系统的场景示意图。

图2为编码协作方案的发射机制图。

图3为空时编码协作的发射机制图。

图4为实施例一中协作机制示意图。

图5为实施例一中UE1采用的串接方式示意图。

图6为实施例一中UE2采用的串接方式示意图。

图7为实施例二中协作机制示意图。

图8为实施例二中采用的串接方式示意图。

图9为仿真曲线图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

本发明揭示了一种联合网络编码与信道编码的用户协作方法，所述用户拥有至少一个伙伴用户；各用户把自己的信息及其各伙伴用户的信息串接在一起形成一个更长的信息序列；对该序列进行信道编码并广播该编码后的数据，从而实现网络编码；基站根据用户广播的原数据及联合网络-信道编码后的数据、通过联合迭代译码获取用户的信息。

所述用户及其伙伴用户的数据被分为若干数据块。所述协作用户的数量可以为1个或多个，本实施例以一个为例做介绍。

请参阅图4至图6，用户UEI、UE2为伙伴用户，本发明的具体步骤如下：

1、起始阶段，UE1把自己的信息比特S1(1)进行信道编码，得到校验比特按照资源块长度进行打孔后记作P1(1)，然后UE1广播它自己的数据信息比特S1(1)和校验比特P1(1)；基站BS和UE2同时接收所述数据。

2、UE2通过信道译码解出UE1的信息比特，UE2把UE1的信息比特S1(k)与自己的信息比特S2(k)串接在一起得到一个两倍长度的信息序列(把两个用户的数据串接在一起实现网络编码的方式参见图5)。该串接后的信息序列送入信道编码器(例如RSC码、Turbo码等)编码后得到的校验比特将根据资源块所能容纳的长度进行打孔，打孔后的校验位记作P21(k)，然后UE2把自己的信息比特S2(k)和网络编码得到的校验位P21(k)一起作为它要传输的数据进行广播。BS和UE1同时接收该数据。其中，k表示数据块，其初始值为1，而后每循环一次k的值加1，直至所有数据块的均被计算得出。

3、UE1收到上述数据包，由于UE1知道自己的信息比特S1(k)，所以它能够利用已知的信息对接收到的联合网络-信道编码数据S2(k)+P21(k)进行译码解出UE2的信息比特S2(k)。然后UE1采取与上述UE2类似的操作，把UE2的信息比特S2(k)和自己新的信息比特S1(k+1)串接在一起后送入信道编码器，得到联合编码的校验比特打孔后记作P12(k+1)。然后UE1把自己的信息比特S1(k+1)和联合编码得到的校验位P12(k+1)一起作为它要传输的数据进行广播。BS和UE2同时接收。

4、当BS收到头两个数据包，即S1(k)+P1(k)和S2(k)+P21(k)时，BS对这两个数据包分别进行软输入软输出(SISO)子码译码，并在两个子码译码器之间相互传递软信息进行联合迭代，最后解出S1(k)。当BS收到新的数据包S1(k+1)+P12(k+1)，它就把它与之前收到的数据包S2(k)+P21(k)分别进行SISO子码译码，并在两个子码译码器之间相互传递软信息进行联合迭代，最后解出S2(k)。同理类推，BS每次都把新收到的数据包与前一次收到的数据包进行联合迭代译码，解出前一次传输的数据包中包含的信息。BS如何进行联合迭代译码的方法有多种，并不在本发明要求限定的范围。

5、而后，UE2和UE1在步骤2、步骤3、步骤4中的操作交替进行；执行一次获得用户及其各伙伴用户中的一个数据块，直至所有数据块的均被计算得出。

综上所述，方案一中的协作阶段并不占用额外的时隙，从而可以减小端到端的传输时延，提高传输效率。

实施例二

本实施例中，获得用户及其各伙伴用户中的一个数据块的方法包括如下步骤：

步骤A、在第一个阶段，每个用户分别各自广播自己的数据，基站接收各用户数据，所述伙伴用户分别接收所述用户传输的数据。

步骤B、用户UE(i)拥有n个伙伴用户；用户UE(i)译码解出各伙伴用户的信息序列，UE(i)将各伙伴用户的信息比特与自己的信息比特串接在一起得到一个n+1倍长度的信息序列；串接后的信息序列送入信道编码器，编码后得到的校验比特将根据资源块所能容纳的长度进行打孔，打孔后的校验比特记作P。

步骤C、在第二个阶段，用户校验比特P采用空时编码的方式同时进行转发，供基站接收。

步骤D、基站在第一个阶段收到每个用户的数据(包括用户的信息比特及校验比特、伙伴用户的信息比特及校验比特)，在第二个阶段收到每个用户转发的联合网络-信道编码后的数据(即空时编码的校验比特P)。

步骤E、基站利用步骤D中数据之间的内在联系对这些收到的数据采用联合迭代译码，获得用户的信息。具体为：基站首先进行空时码的检测得到校验比特P，而后对所述各数据分别进行联合迭代译码，译码解出两个用户信息中该数据块的信息。优选地，所述联合迭代译码选择软输入软输出子码译码，并在子码译码器之间相互传递软信息构成联合迭代。

请参阅图7、图8，以下以用户拥有一个伙伴用户为例做介绍，其他情形可根据本实施例推知。本实施例中，联合网络编码与信道编码的用户协作方法包括如下步骤：

步骤A1、UE1和UE2分别广播各自的编码数据，包括信息比特和校验比特S1(k)+P1(k)、S2(k)+P2(k)；BS接收来自两个UE的数据，同时两个UE都分别接收对方传输的数据。.

步骤B1、当UE1译码解出UE2的信息序列，UE1将UE2的信息比特S2(k)与自己的信息比特S1(k)串接在一起得到一个两倍长度的信息序列(把两个用户的信息比特串接在一起实现网络编码的方式参见图7)。这个串接后的信息序列送入信道编码器，编码后得到的校验比特将根据资源块所能容纳的长度进行打孔，打孔后的校验位记作P12(k)。UE2也将自己的信息比特S2(k)与UE1的信息比特S1(k)串接在一起得到一个两倍长度的信息序列送入信道编码器，编码后的到的校验比特进行能够同样的打孔得到同样的P12(k)。然后UE1和UE2对P12(k)采用空时编码的方式同时进行转发；BS进行接收。其中，k表示数据块，其初始值为1，而后每循环一次k的值加1，直至所有数据块的均被计算得出。

步骤C1、当BS收到S1(k)+P1(k)，S2(k)+P2(k)和空时编码的P12(k)，它首先进行空时码的检测得到P12(k)，然后对这三份数据分别进行SISO子码译码，并在子码译码器之间相互传递软信息构成联合迭代，译码解出两个用户的信息。以后每个数据块都进行类似的操作。BS如何实现联合迭代译码的方法有多种，不在本发明要求限定的范围。

步骤D1、上述步骤A1、B1、C1三个步骤交替进行。

由于网络编码把两个用户的信息比特联合在一起，所以协作阶段只要占用传统的空时编码协作方案的一半时隙，从而减小了端到端时延，提高了传输效率。

实施例三——两实施例比较

按照上述两个实施例进行的链路仿真，参数如表1所示。

表1.仿真参数1

仿真结果请参阅图9，由图9可知本发明提出的方案在信噪比较高的区域比传统的方案具有更高的频谱效率。上述各方案的时延比较如表2所示(不考虑混合自动请求重传(HARQ)的时延)：

 

传统编码协作传统空时编码协作        联合网络-信道编码协作(方案一)       联合网络-信道编码空时协作(方案二) 每个数据包传输所需时隙数1.51.511.25

表2.各方案时延比较

由上表可见，本发明提出的联合网络-信道编码能够有效减小数据包传输时延。

本发明存在的一个缺点是BS的译码复杂度比传统方案要高，因为要进行联合迭代译码。但是BS的复杂度并无特别限制，所以本发明的方案的缺点并不明显。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。

如，协作用户的数量可以为1个或多个，多个协作用户的方案本领域的技术人员可根据上述实施例的描述获得，在此不做赘述。