一种基于低密度格码的中继协作编码方法及系统

摘要

本发明提供一种基于低密度格码的中继协作编码方法及系统，所述方法基于中继协作场景，提出一种基于低密度格码的协作编码传输方法，充分利用了LDLC校验矩阵的下三角结构特性，在源节点及中继节点处，可实现基于校验矩阵的逐行整形和编码，相比现有技术方法可以有效降低整形及编码的复杂度。此外，中继节点发送增强LDLC信息及LDPC编码码字，不仅在符号级可以提供LDLC编码保护，还可以在比特级提供LDPC编码保护，等效构成了一个高维度的增强LDLC码字。码字的一半通过源节点发送而另一半通过中继发送，从而经历不同的衰落。因此，提出新方法相比目前已有方法可以进一步提升系统的编码增益和分集增益，提升系统传输可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及数字通信技术领域，更具体地，涉及一种基于低密度格码的中继协作编码方法及系统。

背景技术

目前，未来5G密集用户接入场景中，极为有限的带宽需要支持高密度用户所产生的海量通信。与目前通信协议中采用的有限域编码不同，格码可视为欧氏空间上的编码，且已被证明具有可达加性高斯白噪声(additive white Gaussian noise，AWGN)信道容量的性能。借鉴低密度奇偶校验码(low density parity check code，LDPC)的思想，低密度格码(low density lattice code，LDLC)是一种高效实用的格型编码技术。中继协作通信不仅可以解决信号的传播距离问题还可以获得更高的分集增益和网络容量。因此，LDLC与中继协作技术在未来的无线通信领域有广泛的应用空间。

目前国内外对于LDLC编码的研究还处于初始阶段。Chen B,Dushantha N K J,Mark F F.Distributed low-density lattice codes[J].IEEE CommunicationsLetters,2016,20(1):77-80.中提出了一种分布式LDLC(D-LDLC)中继协作系统。然而，提出的DLDLC采用了魔方(Latin)LDLC，因此在源节点以及中继节点处，整形及编码需要进行矩阵分解等一系列操作，复杂度较高。此外，中继处的整形和编码操作与源节点发送的信息直接相关，若源节点与中继节点信道条件较差时，中继处错误的译码将会导致协作信息的整形和编码无法正确进行。

所以说，目前基于LDLC编码协作方案存在计算复杂度高，而且传输可靠性有待进一步提升等问题。

发明内容

本发明为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，提供一种基于低密度格码的中继协作编码方法及系统。

根据本发明的一个方面，提供一种中继协作编码方法，包括：

步骤1，将一个2N×2N维下三角校验矩阵H_eff划分成一个N×N维下三角校验矩阵H_S和一个N×2N维校验矩阵H_R；

步骤2，源节点利用所述H_S对原始用户信息序列进行编码，并将编码后获得的用户信息广播给中继节点和目的节点；

步骤3，中继节点利用所述H_R对接收到的所述编码后的用户信息进行编码，并将编码后获得的协作信息发送给目的节点；

步骤4，目的节点利用接收到的所述编码后的用户信息和所述协作信息进行联合译码，获得恢复后的所述用户信息序列。

根据本发明另一个方面，提供一种中继协作编码系统，包括矩阵生成模块、源节点、中继节点和目的节点：

所述矩阵生成模块分别与所述源节点、中继节点和目的节点相连，用于将一个2N×2N维下三角校验矩阵H_eff划分成一个N×N维下三角校验矩阵H_S和一个N×2N维校验矩阵H_R；

所述源节点分别与所述矩阵生成模块、中继节点和目的节点相连，用于利用所述H_S对原始用户信息序列进行编码，并将编码后获得的用户信息广播给中继节点和目的节点；

所述中继节点分别与所述矩阵生成模块、源节点和目的节点相连，用于利用所述H_R对接收到的所述编码后的用户信息进行编码，并将编码后获得的协作信息发送给目的节点；

所述目的节点分别与所述矩阵生成模块、源节点和中继节点，用于利用接收到的所述编码后的用户信息和所述协作信息进行联合译码，获得恢复后的所述用户信息序列。

本申请提出一种中继协作编码方法及系统，本申请基于中继协作场景，提出一种基于低密度格码的协作编码传输方法，充分利用了LDLC校验矩阵的下三角结构特性，在源节点及中继节点处，可实现基于校验矩阵的逐行整形和编码，相比现有技术中中方法可以有效降低整形及编码的复杂度。此外，中继节点发送增强LDLC信息及LDPC编码码字，不仅在符号级可以提供LDLC编码保护，还可以在比特级提供LDPC编码保护，等效构成了一个高维度的增强LDLC码字。码字的一半通过源节点发送而另一半通过中继发送，从而经历不同的衰落。因此，提出新方法相比目前已有方法可以进一步提升系统的编码增益和分集增益，提升系统传输可靠性。

附图说明

图1为根据本发明实施例一种中继协作编码方法的整体流程示意图；

图2为根据本发明实施例一种中继协作编码方法中源节点校验矩阵H_S，中继节点校验矩阵H_R和目的节点等效校验矩阵H_eff的关系示意图；

图3为根据本发明实施例一种中继协作编码方法步骤4中目的节点联合迭代译码因子图划分矩阵的示意图；

图4为根据本发明实施例一种中继协作编码方法在瑞利慢衰落信道下，本发明方法与传统无协作方案的误码率性能比较的示意图；

图5为根据本发明实施例一种中继协作编码方法基于的单中继协作传输场景及信号处理的示意图；

图6为根据本发明实施例一种中继协作编码系统的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1，本发明一个具体实施例中，示出一种中继协作编码方法整体流程示意图。总体上包括：步骤1，将一个2N×2N维下三角校验矩阵H_eff划分成一个N×N维下三角校验矩阵H_S和一个N×2N维校验矩阵H_R；步骤2，源节点利用所述H_S对原始用户信息序列进行编码，并将编码后获得的用户信息广播给中继节点和目的节点；步骤3，中继节点利用所述H_R对接收到的所述编码后的用户信息进行编码，并将编码后获得的协作信息发送给目的节点；步骤4，目的节点利用接收到的所述编码后的用户信息和所述协作信息进行联合译码，获得恢复后的所述用户信息序列。

该具体实施例中，源节点与中继节点LDLC校验矩阵构成高维下三角结构矩阵，协作方案充分利用了LDLC校验矩阵下三角结构在整形与编码上的特性。源节点和中继节点可实现低复杂度逐行整形与编码。此外，中继节点可以高效的引入增强校验信息。该增强校验信息不仅能够提供符号级LDLC编码校验保护，还可以进一步提供比特级LDPC编码校验保护。相应地，在目的节点提出联合迭代软译码算法。该算法建立了联合信源节点和中继节点信息LDLC译码与LDPC软译码之间的联系。相比采用LDPC硬译码可以取得显著性能增益。因此，本发明可以有效提升系统可靠性，具有很好的推广应用前景。

如图2，本发明另一个具体实施例中，一种中继协作编码方法，步骤1如图2所示，将一个2N×2N维的下三角校验矩阵H_eff分为N×N维的下三角校验矩阵H_S和N×2N维的校验矩阵H_R。源节点基于H_S对用户信息符号进行编码而中继节点基于H_R对LDPC校验位序列进行编码。利用校验矩阵的下三角结构特性，源节点和中继节点的LDLC码字可构成高维增强LDLC码字。

本发明另一个具体实施例中，一种中继协作编码方法，步骤2还包括：S21，源节点将原始用户信息序列b按照星座大小L映射为整数符号序列s；所述整数符号序列s进行超立方整形得到整形后的整数符号序列利用LDLC校验方程对所述进行LDLC编码，得到编码后的符号序列x_S；S22，源节点将所述x_S分别广播至中继节点和目的节点。

本发明另一个具体实施例中，一种中继协作编码方法，步骤3还包括：S31，中继节点对接收到的所述x_S进行LDLC译码，得到所述x_S的估计x′_S；利用LDLC校验方程计算得到所述的估计利用模型得到估计的原始用户信息序列；对所述估计的原始用户信息序列进行解映射，并将得到原始用户信息比特序列b′利用系统LDPC生成矩阵进行LDPC编码得到校验比特序列p；对所述p按星座大小L进行映射得到整数符号序列c；S32，利用所述校验矩阵H_R对所述c进行整形和编码获得符号序列x_R，并发送给目的节点。

本发明另一个具体实施例中，一种中继协作编码方法，步骤4还包括：S41，目的节点基于接收到源节点发送来的所述x_R和中继节点发送来的所述x_S，利用所述H_S、H_R和H_eff得到译码等效校验矩阵；S42，利用联合迭代软译码算法对所述译码等效校验矩阵进行译码获得恢复后的原始用户信息序列。

本发明另一个具体实施例中，一种中继协作编码方法，步骤S21还包括：S211，源节点按星座大小L将原始用户信息序列b映射为整数符号序列s＝(s₁,s₂,...,s_N)^T，其中s_i∈{0,1,...,L-1}；对所述s中的每个符号进行超立方整形操作，将符号s_i转换为另一个整数符号其中k_i为整数，为矩阵H_S中第i行第l列的非零元素值；S212，利用LDPC校验方程对所述进行LDLC编码，得到编码后的符号序列

随后，源节点将符号序列x_S广播至中继节点和目的节点。中继和目的节点处相应的接收符号可以表示为：

其中和为0均值，方差σ²的高斯随机变量。

本发明另一个具体实施例中，一种中继协作编码方法，步骤S31中将得到原始用户信息比特序列b′利用系统LDPC生成矩阵进行LDPC编码得到校验比特序列p包括如下：

其中，G_LDPC为系统LDPC生成矩阵，p为编码后的校验比特序列。

本发明另一个具体实施例中，一种中继协作编码方法，步骤S32中利用所述校验矩阵H_R对所述c进行整形和编码获得符号序列x_R还包括：利用所述校验矩阵H_R对所述c进行整形和编码获得符号序列x_R还包括：

其中，

中继节点将编码后的符号序列发送至目的节点。目的节点相应的接收符号表示为

本发明另一个具体实施例中，一种中继协作编码方法，步骤S41中译码等效校验矩阵还包括：

基于如图3所示的因子图，目的节点利用联合迭代软译码算法进行译码。如图3所示，N个校验节点与N个变量节点相连，i,k∈[1,N]，N个校验节点不仅与N个变量节点相连，还与另外N个变量节点相连。为了表述方便，定义与校验节点相连的变量节点的序号i构成的集合为类似的，和分别表示与校验节点相连的变量节点的序号和变量节点的序号构成的集合。和分别表示与变量节点相连的校验节点的序号和校验节点的序号构成的集合。表示与变量节点相连的校验节点的序号构成的集合。校验节点和传递给第i个相连的变量节点的信息分别记为和变量节点和传递给相连的第k个校验节点的信息分别记为和

本发明另一个具体实施例中，一种中继协作编码方法，步骤S42还包括：S421，将所述变量节点和所述变量节点传递给其相连的校验节点的信息进行初始化；S422，分别基于与各校验节点相连的变量节点信息、校验节点信息更新校验节点信息；S423，将与各校验节点相连的所有变量节点的信息进行卷积操作，得到整形后信息符号的概率密度函数的估计ρ_k(x)；以整数点τ为中心计算的概率P(τ)；基于所述P(τ)利用LDLC解整形的约束条件获得用户信息符号的后验概率P(s_k＝a|y^SD,y^RD)；基于所述P(s_k＝a|y^SD,y^RD)计算比特级对数似然比值将所述发送给LDPC译码器译码得到用户信息比特序列。

本发明另一个具体实施例中，一种中继协作编码方法，步骤S421还包括：将所述变量节点其中i∈[1,N]，和所述变量节点其中i∈[N+1,2N]传递给其相连的校验节点其中η∈{S,R}的信息进行初始化为：

本发明另一个具体实施例中，一种中继协作编码方法，步骤S422还包括：

首先，校验节点信息更新(水平扫描)。

利用与该校验节点相连的变量节点的信息来更新校验节点信息。校验节点信息和的更新包含以下三个子步骤。

(1)信息卷积：

(2)信息扩展：

(3)信息周期延拓：

其次，变量节点信息更新(垂直扫描)。

利用与该变量节点相连的校验节点的信息来更新变量节点信息。首先将变量节点信息和按照下式相乘：

随后对计算的变量节点信息进行归一化处理：

按照以上步骤不断迭代更新校验节点以及变量节点信息，直到达到预设的译码迭代次数。

本发明另一个具体实施例中，一种中继协作编码方法，步骤S423还包括：

在完成最后一次如上一具体实施例变量节点信息更新所述的迭代之后，将与校验节点相连的所有变量节点的信息进行卷积操作，得到整形后信息符号的概率密度函数的估计为：

随后以整数点τ(τ∈Z)为中心，按照下式计算的概率：

根据LDLC解整形的约束条件，可以进一步计算用户信息符号的后验概率为：

随后计算比特级对数似然比值。假设符号s_k对应的第i个比特为则比特的对数似然比值计算如下：

其中，表示符号集合中对应第i个比特的值为α∈{0,1}的符号a∈[0,L-1]所构成的子集合。

最后将比特级对数似然比值序列送给LDPC译码器进行译码，得到用户信息比特序列。

本发明另一个具体实施例中，一种中继协作编码方法，本具体实施例基于中继协作传输场景，中继对源节点广播的LDLC码字进行译码，并向目的节点转发基于LDPC和LDLC编码的增强校验信息。通过利用校验矩阵下三角结构特性，源节点和中继节点可以简单高效地通过各自的校验矩阵进行整形和编码。目的节点采用新型联合迭代软译码算法，建立了联合信源节点和中继节点信息的LDLC译码与LDPC软译码之间的联系。本发明方法可以显著提高系统编码增益和分集增益，提升传输可靠性。

下面以LDLC编码维度N＝50，星座大小L＝4为例阐述本发明的中继编码协作方法。

(1)LDLC编码构造。

首先构造100×100维的下三角校验矩阵H_eff。H_eff的前50行及前50列构成50×50维的下三角校验矩阵H_S，H_eff的倒数50行构成50×100维的校验矩阵H_R。源节点基于H_S对用户信息符号进行编码而中继节点基于H_R产生增强校验信息。

(2)时隙1：广播阶段

源节点首先按照星座大小L＝4将长度为100比特的信息序列b映射为长度为50符号的整数符号序列s＝(s₁,s₂,...,s₅₀)^T，其中s_i∈{0,1,2,3}。对于第i个符号，采用超立方整形操作将符号s_i转换为另一个整数符号其中k_i为整数，为矩阵H_S中第i行第l列的非零元素值。根据校验方程经过整形的符号序列随后进行LDLC编码。编码后的符号序列记为其中

随后，源节点将符号序列x_S广播至中继节点和目的节点。

(3)时隙2：协作阶段

中继节点对接收到的符号序列进行LDLC译码，得到对源节点发送的码字符号x_S的估计，记为x′_S。根据LDLC校验方程计算发送的整形后信息符号序列的估计。随后通过模运算恢复用户原始信息符号序列。对估计的用户信息符号序列进行解映射后，对恢复的用户信息比特序列b′进行码率为1/2的LDPC编码操作：其中，G_LDPC为系统LDPC生成矩阵，p为编码后的校验比特序列。

中继处仅对LDPC编码后的长度为100比特的校验序列p按照星座大小L＝4进行映射，映射后的整数符号序列记为c＝(c₁,c₂,...,c₅₀)^T，c_i∈{0,1,2,3}。随后基于校验矩阵H_R按照下式进行整形和编码：

其中，

中继节点将编码后的符号序列发送至目的节点。

(4)目的节点联合译码。

目的节点利用阶段1与阶段2中收到的源节点发送的LDLC码字以及中继发送的LDLC码字利用联合迭代软译码算法进行译码。联合迭代软译码步骤如下：

步骤1：初始化。变量节点和传递给其相连的校验节点的信息分别被初始化为：

步骤2：迭代。该迭代过程包括校验节点信息更新和变量节点信息更新，最大迭代次数为40次。

2。1校验节点信息更新(水平扫描)

利用与该校验节点相连的变量节点的信息来更新校验节点信息。校验节点信息和的更新包含以下三个子步骤。

首先，信息卷积：

其次，信息扩展：

最后，信息周期延拓：

2。2变量节点信息更新(垂直扫描)

利用与该变量节点相连的校验节点的信息来更新变量节点信息。首先将变量节点信息和按照下式相乘：

随后对计算的变量节点信息进行归一化处理：

按照以上步骤不断迭代更新校验节点以及变量节点信息，直到达到最大译码迭代次数40。

步骤三：软判决。

在完成最后一次如步骤二所述的迭代之后，将与校验节点相连的所有变量节点的信息进行卷积操作，得到整形后信息符号的概率密度函数的估计为：

随后以整数点τ(τ∈Z)为中心，按照下式计算的概率：

根据LDLC解整形的约束条件，可以进一步计算用户信息符号的后验概率为：

随后计算比特级对数似然比值。假设符号s_k对应的第i个比特为则比特的对数似然比值计算如下：

其中，表示符号集合中对应第i个比特的值为α∈{0,1}的符号a∈[0,3]所构成的子集合。

最后将比特级对数似然比值序列送给LDPC译码器进行译码，得到用户信息比特序列。

如图4，在本发明又一个具体实施例中，示出一种中继协作编码方法，在瑞利慢衰落信道条件下，仿真验证了本发明相比传统无中继协作传输系统的误码率性能。其中LDLC编码维度N＝50，最大度d＝5。LDLC的生成序列为对于本发明提出的LDLC编码协作方案，在中继处使用1/2码率规则LDPC码，其校验节点与变量节点的度分别为3和6。对于LDLC译码，传递的概率密度函数信息采用量化分辨率为量化区间长度为4，共计256个量化样点表示。LDLC和LDPC的最大译码迭代次数为40次。不失一般性，认为源节点至目的节点链路以及中继节点到目的节点链路的平均信噪比相同。对于理想源节点至中继节点链路，信息的传输是无差错的；对于非理想源节点至中继节点链路，假设源节点至中继节点链路的信噪比高于源节点至目的节点链路6dB，即为保证相同的总发射功率和频谱效率，作为对比的LDLC编码无协作传输系统采用2倍发送功率及相同的星座大小L。从图4可以看出，本发明提出的新型LDLC 编码协作系统相比传统LDLC编码无协作系统的误码率曲线具有更陡峭的斜率，这意味着本发明提出的新型LDLC编码协作系统具有更大的分集度。在理想源节点至中继节点链路的条件下，采用L＝4，即速率为1比特/符号时，本发明提出的新型LDLC编码协作系统相比传统LDLC编码无协作系统在BER＝1E-4处可以取得近4dB性能增益。当L＝16，即速率为2比特/符号时，本发明提出的新型LDLC编码协作系统相比传统LDLC编码无协作系统可以取得近5dB性能增益。在非理想源节点至中继节点链路情况下，本发明提出的新型LDLC编码协作系统相比理想链路情况下约有2dB性能损失，但相比传统LDLC编码无协作系统仍然可以取得显著的性能优势。

如图5，本发明一个具体实施例中，示出一种中继协作编码系统模型。该系统由1个源节点S，一个中继节点R和一个目的节点D构成。在第一个时隙，源节点S向中继节点R和目的节点D广播LDLC(低密度格码)编码后的信息。在第二个时隙，中继节点R向目的节点D发送协作信息。目的节点利用两个时隙收到的源节点与中继节点信息进行联合译码，恢复发送的信息序列。本具体实施例的创新点是：源节点与中继节点LDLC校验矩阵构成高维下三角结构矩阵，协作方案充分利用了LDLC校验矩阵下三角结构在整形与编码上的特性。源节点和中继节点可实现低复杂度逐行整形与编码。此外，中继节点可以高效的引入增强校验信息。该增强校验信息不仅能够提供符号级LDLC编码校验保护，还可以进一步提供比特级LDPC编码校验保护。相应地，在目的节点提出联合迭代软译码算法。该算法建立了联合信源节点和中继节点信息LDLC译码与LDPC软译码之间的联系。相比采用LDPC硬译码可以取得显著性能增益。因此，本发明可以有效提升系统可靠性，具有很好的推广应用前景。

如图6，示出本发明一个具体实施例中，一种中继协作编码系统，其特征在于，包括矩阵生成模块、源节点、中继节点和目的节点：所述矩阵生成模块分别与所述源节点、中继节点和目的节点相连，用于将一个2N×2N维下三角校验矩阵H_eff划分成一个N×N维下三角校验矩阵H_S和一个N×2N维校验矩阵H_R；所述源节点分别与所述矩阵生成模块、中继节点和目的节点相连，用于利用所述H_S对原始用户信息序列进行编码，并将编码后获得的用户信息广播给中继节点和目的节点；所述中继节点分别与所述矩阵生成模块、源节点和目的节点相连，用于利用所述H_R对接收到的所述编码后的用户信息进行编码，并将编码后获得的协作信息发送给目的节点；所述目的节点分别与所述矩阵生成模块、源节点和中继节点相连，用于利用接收到的所述编码后的用户信息和所述协作信息进行联合译码，获得恢复后的所述用户信息序列。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。