降低基于网络编码的双向中继节点计算复杂度的传输方法

摘要

本发明公开了一种降低基于网络编码的双向中继节点计算复杂度的传输方法。在双向协作中继通信中，前两个时隙由两信源分别将自身信息进行卷加码编码向中继发出，中继分别检测得到解码前的估计值。运用网络编码处理两路估计值，再将其进行联合解码直接得到其网络编码形式。第三时隙中继将获得的信息重新编码调制发送出去，接收端根据网络编码的内在机理，将前一时隙自身数据与收到数据联合处理，获取所需信息。本发明能够在获得与现有DF方式下的网络编码双向中继信道相同误码率的同时，由于中继的处理只进行了一次卷积码解码操作，而卷积码解码的计算复杂度很高，故计算复杂度降低了接近一半，节约了中继节点的能量消耗，提高了通信系统的功率效率。

说明书

技术领域

本发明涉及无线网络编解码的通信传输技术，尤其涉及一种降低基于网络编码的双向中继节点计算复杂度的传输方法。

背景技术

网络编码的思想是Ahlswede等人在2000年基于网络信息流的概念提出的，他们从信息论的角度严格证明了网络编码可以最大限度利用网络现有资源达到网络通信的最大容量。由于能够显著地提高无线网络的吞吐量和鲁棒性，网络编码已经成为了网络信息理论最受瞩目的研究热点之一。

网络编码实际上就是指在多播通信网络中，中间节点对信息进行一定的编码处理后再传出去。传统的中继通信网络中，作为中间节点的中继只是将接收到的信息进行放大转发(Amplify and Forward)或者解码转发(Decode and Forward)，然后信宿通过一定的译码方式获得信息。而通过网络编码，中间节点可以将它收到的各数据流进行编码再发送出去，从而提高网络的吞吐率和健壮性。

网络编码虽然起源于有线网络的多播传输，但随着研究得深入，网络编码同其他技术的研究越来越受到人们的关注，尤其是在无线通信系统中崭露头角，并显现巨大的应用空间。在双向中继信道中，利用无线信道广播的特性，中继节点通过对来自双向链路的数据包进行网络编码处理，然后再以广播的形式发出；从而双向通信中相应的两个接收端均可以通过中继节点广播信息，与自身上一周期发出的信息联合解码，利用网络编码的内在机制，获取所需的有用信息。

在双向中继系统中，用户终端通过中继向基站发送上行信号，基站通过中继向用户发送下行信号。假设基站和用户之间没有直接通道。传统通信中，以上过程需要4个时隙完成。即基站发送到中继，中继转发到用户，用户发送信息到中继，中继转发到基站。

采用线性网络编码只需要3个时隙即可完成信息的双向传输，即基站发送信息到中继，用户发送信息到中继，假设中继能对这两个信息进行正确判决，中继将判决后的信息进行异或运算(XOR)后广播出去。用户端收到该广播信息后，将它与自己的信息进行异或即可得到基站发送的下行信息。基站收到广播信息后同样与自己的信息进行异或得到用户发送的上行信息。

中继采用网络编码虽然减少了一个时隙，但需要进行两次检测和两次解码操作，计算复杂度仍然较高。

图1列出了传统的双向中继传输方案和本发明提出的传输方案。

图1中A、C为信源，B为中继，(1.1)表示传统的中继信道，需要四个时隙。(1.2)是基于解码转发(DF)的方式，需要三个时隙，其中b_a和b_c分别表示A发送给C的比特信息和C发送给A的比特信息。中继B将解码得到A和C的比特信息序列后进行模2加(XOR)的网络编码处理，再经过信道编码、调制、广播发送。(1.3)是一种基于放大转发(AF)的方式，只需要两个时隙。第一个时隙是信源A、C同时发送信息，第二时隙中继B将接收到的叠加信号进行放大转发，不进行其他处理，虽然这种形式直观并占用时间开销小，但由于转发过程中噪声被二次放大影响了性能，制约了应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低基于网络编码的双向中继节点计算复杂度的传输方法，该方法在保持了相同的误码率性能的同时，降低了中继的计算复杂度和时延，提高了系统吞吐率。

本发明提供的一种降低基于网络编码的双向中继节点计算复杂度的传输方法，该方法包括下述步骤：

(1)在双向中继传输系统中，设当前时隙为3*t+1，t＝0，1，……；第一信源A的原始信息序列经过卷积码编码和BPSK调制后得到基带信号X_a；第一信源A将基带信号X_a通过锐利衰落信道发送出去，中继节点B对接收到的衰落信号进行最大似然检测并进行硬判决得出对信源A的已编码信息的估计值V_a，V_a∈{0，1}；

(2)在3*t+2时隙，第二信源C的原始信息序列经过卷积码编码和BPSK调制后得到基带信号X_c，第二信源C将基带信号X_c通过锐利衰落信道发送出去，同时中继节点B将接收到的衰落信息进行最大似然检测并进行硬判决得到对第二信源C的已编码信息的估计值V_c，V_c∈{0，1}；

(3)在3*t+3时隙，由中继节点B将上面两个时隙检测到的信息估计值进行网络编码，即V＝V_aXOR V_c，V∈{0，1}；然后将V进行卷积码解码得到对两信源原始信息序列的估计值的叠加信息b＝b_aXORb_c，中继节点B再将叠加信息重新编码调制通过广播发送出去；

(4)第一、第二信源A、C分别解码解调得到两信源原始信息序列的估计值的叠加信息b＝b_aXORb_c，然后第一、第二信源A、C分别依据自身已有的信息，通过b_c＝bXORb_a和b_a＝bXORb_c得到各自所需的信息。

本发明方法将网络编码和信道解码结合起来应用于双向中继信道，通过联合解码，该方法降低了中继的计算复杂度和时延，提高了系统吞吐率。本发明有别于图1中(1.1)、(1.2)和(1.3)的三种传输方式，同样是采用DF方式下三个时隙的传输方案，不同于图(1.2)的是中继节点仅仅进行检测得到解码前的符号信息估计值，并未进行解码得到信息序列，将得到的检测信息进行网络编码的相应处理，然后再联合解码得到两路信息序列的模2加的网络编码形式，即b_aXORb_c，从而降低了中继节点的计算复杂度和处理时延，提高系统的功率效率。

本发明不是通过直接译码将得出的信息序列进行异或操作，而是将通过检测得到信道解码前的符号进行网络编码，然后联合解出异或的信息，这样中继就减少了一次信道译码的过程。由于卷积码解码过程的计算复杂度很高，中继减少一次卷积码译码就可以降低接近一半的计算功耗，从而提高了功率利用率，降低了处理时延。具体而言，本发明具有以下技术特点：

(1)不同于上述DF方式下网络编码之处在于，图1.2所示的中继的处理方式是先分别将接收到的信息通过解码解调得到信息序列b_a和b_c，然后将它们进行异或处理，再编码调制广播发送出去；而本发明不需要完全解出两路信息序列，只是对其进行检测得到解码前的信号，然后将检测信息进行网络编码合并，再联合解码得到b_aXORb_c。

(2)本发明采用的卷积码编解码方法，由于卷积码是线性码，可以在解码前进行叠加再联合解码。因此，只要是基于线性码的编解码，均可以进行上述操作。这样就可以节省了能耗，提高功率效率。

(3)信息检测采用硬判决(Hard Detection)。首先采用最大似然检测(ML)方法进行检测、解调得到解码前的信号。然后采用维特比硬解码方式解出原始信息。

(4)中继信道发送的是b_aXORb_c经过编码调制后的信息，源端A和C可以消去自身的信息部分得到所需信息。

附图说明

图1是经典的双向中继传输方案和本发明提及的中继方案示意图；

图2是经典的双向中继信道中，信源A、C以及中继B对信息处理的过程示意图；

图3是本发明中信源A、C和中继B处理信息的过程示意图；

图4是本发明的双向中继系统的信息处理的流程图；

图5是本发明的误码率和传统网络编码操作误码率；

图6是本发明和传统网络编码处理时延。

具体实施方式

本发明使用图1.4所示的模型来加以说明。设信源要发送的信息比特数据包b＝(b[1]，b[2]，…，b[K])，b[i]∈{0，1}代表第i个信息比特，i＝1，…，K，K表示数据包的大小。信息比特经过编码后(比如卷积码)得到已编码信息序列V＝(v[1]，v[2]，…v[N])，v[i]∈{0，1}代表编码后的第i个符号，N表示编码后符号的个数。此时信道编码速率为K/N，将已编码信息序列V经过调制后得到基带信号X，设采用BPSK(二相相移键控)调制，则X＝(x[1]，x[2]，…，x[N])，x[i]∈{-1，1}。

在第3*t+1时隙，t＝0，1，…，信源A的基带信号X_a发送到中继B，则中继B接收到的经过瑞利信道衰落后的信息Y_a为

$Y_a=h_1·\sqrt{E}·V_a+\mathrm{Na}---\left(1\right)$

其中h₁是从A到B的瑞利信道的信道增益，E为信源A的发射功率，Na是满足N(0，1)分布的循环对称复高斯白噪声。同时中继B对接收信号Y_a进行检测，采用最大似然检测方式(ML)。设X_a[i]为0或者1的概率均为0.5，(其中i表示第i个符号，以后所有i均表示第i个符号)，则最大后验概率检测等于最大似然检测。利用对数似然比(LLR)检测，即

$y_a\left[i\right]=\ln \left(\frac{P\left(y_a\right[i\left]\right|x_a\left[i\right]=1)}{P\left(y_a\right[i\left]\right|x_a\left[i\right]=0)}\right)=\ln \left(\frac{P\left(x_a\right[i]=1|y_a\left[i\right])}{P\left(x_a\right[i]=0|y_a\left[i\right])}\right)---\left(2\right)$

其中y_a[i]表示信源A的第i个已编码符号的对数似然比。然后根据BPSK调制方式，对y_a[i]进行硬判决(H_D，Hard Detection)，得出检测到的信源A的第i个已编码的符号v_a[i]，

$v_a\left[i\right]=\left(\begin{array}{cc}1,& y_a\left[i\right]>0\\ 0,& y_a\left[i\right]<0\end{array}\right)---\left(3\right)$

在第3*t+2时隙，信源C与信源A采用同样的编码和调制方式，与上面处理方式一样，即首先利用对数似然比检测得出信源C的第i个已编码符号的对数似然比：

$y_c\left[i\right]=\ln \left(\frac{P\left(y_c\right[i\left]\right|x_c\left[i\right]=1)}{P\left(y_c\right[i\left]\right|x_c\left[i\right]=0)}\right)=\ln \left(\frac{P\left(x_c\right[i]=1|y_c\left[i\right])}{P\left(x_c\right[i]=0|y_c\left[i\right])}\right)---\left(4\right)$

然后进行硬判决，得出检测到的信源C的第i个已编码的符号v_c[i]，

$v_c\left[i\right]=\left(\begin{array}{cc}1,& y_c\left[i\right]>0\\ 0,& y_c\left[i\right]<0\end{array}\right)---\left(5\right)$

需要说明的是，这里解出的v_a[i]和v_c[i]均是信道编码后的第i个符号，并未经过信道解码得出原始信息。现有的方案中，设信道解码函数为F，对v_a[i]和v_c[i]分别进行信道解码得出原始信息比特，即b_c[i]＝F(V_c[i])和b_c[i]＝F(V_c[i])，然后将得到的信息比特进行异或操作，得到两列比特信息的异或形式b[i]＝b_a[i]XOR b_c[i]。

与现有方案不同的是，本发明在这里直接对检测到的关于信源A和C的已编码符号v_a[i]和v_c[i]进行异或操作，得两列已编码符号序列的异或形式

v[i]＝v_a[i]XOR v_c[i](6)

然后对两列已编码符号序列的异或形式v[i]整体进行信道解码，即b[i]＝F(v[i])可直接得到信源A和C的两列原始信息比特序列b_a[i]和b_c[i]的异或形式b[i]。

接着在第3*t+3时隙，中继节点B对两列比特信息的异或形式b[i]进行编码调制后，利用广播发送出去。而信源A、C分别对接收到的信息进行解码判决得出两列比特信息的异或形式b[i]，然后分别依据

b_c[i]＝b[i]XOR b_a[i]

b_a[i]＝b[i]XOR b_c[i](7)

得到各自所需信息。

针对以上改进方案进行了仿真实验。仿真编解码采用(4，1，3)的卷积码，信息序列长度为K＝1000，则编码后输出序列长度为N＝4000。信道为满足N(0，1)分布的锐利平衰落信道，噪声为满足N(0，1)分布的高斯加性白噪声。一般的网络编码方案和改进后的方案数据信息完全一样，按照上述的操作步骤，实验结果如图5、图6所示。

性能分析

由仿真结果可以看出，改进的网络编码方案(改进NC)与原来的方案(一般NC)具有几乎相同的误比特率，但是新方案的中继处理的平均时延约为4.1，而原方案的中继平均处理时延约为2.6，即减小到原来的63.4％，等效为吞吐量提高了57.7％。

由于卷积码是线性码，可以在解码前进行叠加再联合解码。因此，只要是基于线性码的编解码，均可以进行上述操作。这样就可以节省了能耗，提高功率效率。

中继不是通过直接译码将得出的信息序列进行异或操作，而是将通过检测得到信道解码前的符号进行网络编码，联合解出异或的信息，这样中继就减少了一次信道译码的过程。由于卷积码解码过程的计算复杂度很高，中继减少一次卷积码译码就可以降低接近一半的计算功耗，从而提高了功率利用率，降低了处理时延。

解码采用采用的是维特比硬解码。对于(n，k，v)的卷加码，n表示输出符号数目，k表示输入比特个数，v表示寄存器的个数。维特比解码算法每个时间单元必须执行2^v个ACS(加-比较-选择)操作，每个状态一个操作，且每个ACS涉及2^k+v个加法和2^k-1次二进制比较。因此，维特比的计算复杂度正比于译码网格的分支复杂度(branch complexity)2^k+v。本文仿真采用的是(4，1，3)的卷积码。而本发明提出的方法增加了一项模2加的操作，计算复杂度与n成正比。因此，理论上当信息序列无限长时，在误码率相同的情况下降低的功率损耗接近一半。