專利名稱：基于多跳級聯(lián)卷積碼的編解碼裝置及其實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種無線通信技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種基于多跳級聯(lián)卷積碼 的編解碼裝置及其實現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)一般使用小區(qū)制蜂窩架構(gòu)，各小區(qū)用戶通過基站直接接入系 統(tǒng)，其無線鏈路中通常采用高存儲單元數(shù)的卷積碼，或者采用基于交織級聯(lián)結(jié)構(gòu)的Turbo 碼作為信道編碼。近年來，在傳統(tǒng)蜂窩通信系統(tǒng)中基站與用戶之間加入中繼節(jié)點來進行多 跳無線通信的模式受到了業(yè)界的較多關(guān)注。中繼節(jié)點將基站到用戶之間的較長鏈路分割成 了通信質(zhì)量較好的多段較短的鏈路，每段鏈路都具有較好的通信質(zhì)量，從而整體的差錯性 能也可以控制在較低的水平。具有中繼節(jié)點的通信系統(tǒng)中的每段鏈路都需要采用適當(dāng)?shù)男?道編碼來抑制信道中的噪聲和干擾帶來的影響。如何通過多跳網(wǎng)絡(luò)的特性選擇適當(dāng)?shù)男诺?編碼來降低誤碼率是研究的一個方向。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，Harold H. Sneessens, Jerome Louveaux, and Luc Vandendorpe, Turbo-Coded Decode-and—Forward Strategy Resilient to Relay Errors ( “Turbo編碼譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼的錯誤恢復(fù)”，比利時，2008) —文中提出了一種引入中 繼的通信系統(tǒng)糾錯的方法，該方法在中繼與發(fā)送端協(xié)同的情況下，接收端使用改進了的譯 碼算法，通過對收到的來自發(fā)送端和中繼的數(shù)據(jù)進行處理，從而達(dá)到恢復(fù)差錯的目的。然而 這種方法只能針對發(fā)送端與中繼協(xié)同工作的情況，并且在每段鏈路上的傳輸都需要采用復(fù) 雜的交織級聯(lián)結(jié)構(gòu)的Turbo編碼，并沒有充分利用多跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點，接收端對信 號譯碼的處理也較為復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于多跳級聯(lián)卷積碼的編解碼裝 置及其實現(xiàn)方法，在引入了中繼節(jié)點的輔助蜂窩通信系統(tǒng)中，利用多跳路徑自身的級聯(lián)特 性構(gòu)成分布式的級聯(lián)碼，從而獲得比單跳模式更好的差錯水平。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明涉及一種基于多跳級聯(lián)卷積碼的編解碼裝置，包括發(fā)送端、接收端以及η 個級聯(lián)的中繼節(jié)點，其中所述的發(fā)送端內(nèi)設(shè)有編碼器；所述的中繼節(jié)點由依次級聯(lián)的估計器、交織器及子編碼器組成，其中估計器與上 一級中繼節(jié)點的輸出端相連接，子編碼器與下一級中繼節(jié)點的輸入端相連接。所述的子編碼器采用遞歸系統(tǒng)卷積碼得以實現(xiàn)，其反饋生成多項式記為^3(D)，其 前饋生成多項式記為；所述的交織器采用偽隨機交織器實現(xiàn)；所述的子編碼器與所述發(fā)送端內(nèi)的編碼器具有相同的編碼算法；
所述的接收端包括一個硬判決器和n+1級子譯碼器以及η級去交織器，其中所 述的n+1級子譯碼器為Viterbi譯碼器組或加法SISO譯碼模塊組。所述的Viterbi譯碼器組由n+1個Viterbi譯碼器與η個去交織器依次交錯級聯(lián) 構(gòu)成，其中第一 Viterbi譯碼器的輸出端與硬判決器相連。所述的加法SISO譯碼模塊組由η級交織器和η個加法SISO譯碼模塊組成，其中η 個加法SISO譯碼模塊的第一輸出端與交織器相連并反饋至上一級加法SISO譯碼模塊的第 二輸入端，η個加法SISO譯碼模塊的第二輸出端與去交織器相連并輸出至下一級加法SISO 譯碼模塊的第一輸入端，第n+1加法SISO譯碼模塊的第一輸入端接收碼流的對數(shù)似然值， 第1加法SISO譯碼模塊的第二輸出端與硬判決器相連。本發(fā)明涉及上述裝置的編碼方法，包括以下步驟Al、發(fā)送端對原始數(shù)據(jù)進行初次編碼，生成發(fā)送碼流后輸出給接收端方向的第一 個中繼節(jié)點；A2、第一個中繼節(jié)點收到發(fā)送碼流，對發(fā)送碼流進行估計得到輸入估計碼流，并進 一步對輸入估計碼流進行交織編碼處理，生成編碼碼流后輸出至相鄰的接收端方向的下一 個中繼節(jié)點；A3、重復(fù)步驟A2直到接收端前的第η個中繼節(jié)點，η為發(fā)送端至接收端間隔中繼 節(jié)點的個數(shù)，該中繼節(jié)點直接將收到的編碼碼流轉(zhuǎn)發(fā)到接收端，接收端得到的就是途經(jīng)各 個中繼節(jié)點并經(jīng)若干次交織編碼處理的多跳級聯(lián)卷積碼。本發(fā)明涉及上述裝置的硬解碼方法，包括以下步驟Bl 接收端使用相鄰的發(fā)送多跳級聯(lián)卷積碼的中繼節(jié)點的子譯碼器對該多跳級聯(lián) 卷積碼進行譯碼去交織處理，得到輸出估計碼流；Β2 接收端重復(fù)步驟Bl的操作，直至獲得發(fā)送端的發(fā)送碼流；Β3 接收端使用發(fā)送端對應(yīng)的子譯碼器對其輸出的發(fā)送碼流進行與步驟Bl相同 的譯碼處理，獲得原始數(shù)據(jù)估計值。所述的子譯碼器是指能夠?qū)υ撝欣^節(jié)點進行交織編碼處理后的編碼碼流進行譯 碼的譯碼器。本發(fā)明涉及上述裝置的軟解碼方法，包括以下步驟Cl 初始化所有中繼節(jié)點的子譯碼器；所述的初始化是指將子譯碼器的輸入數(shù)據(jù)先驗似然值初始化為零。C2:接收端使用相鄰的發(fā)送多跳級聯(lián)卷積碼的中繼節(jié)點的子譯碼器對該多跳級聯(lián) 卷積碼進行SISO譯碼，得到輸入更新似然值，經(jīng)去交織處理后生成先驗似然值。C3 接收端采用前一個中繼節(jié)點的子譯碼器將先驗似然值再次進行SISO譯碼，并 將得到碼流更新似然值和輸入更新似然值分別經(jīng)去交織處理后反饋作為下一個子譯碼器 的迭代輸入以及前一個子譯碼器的先驗似然值；C4 接收端重復(fù)步驟C3的操作直到獲得第一個中繼對應(yīng)的子譯碼器，接收端使用 發(fā)送端對應(yīng)的子譯碼器進行SISO譯碼，并將結(jié)果送入硬判決器獲得發(fā)送的原始數(shù)據(jù)估計值。所述的SISO譯碼是指各級子譯碼器采用軟輸入軟輸出譯碼模塊對碼流進行譯碼。
所述的硬判決器是指解調(diào)器根據(jù)其判決門限對接收到的信號波形直接判決從而 獲得原始碼流。所述的軟輸入軟輸出譯碼模塊是指一種根據(jù)現(xiàn)有的信息不斷迭代以提高誤碼率 性能的譯碼模塊，即使用了多級譯碼器級聯(lián)的結(jié)構(gòu)，前一級譯碼器使用后一級譯碼器的輸 出作為輸入，從而降低其誤碼率水平。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明在對引入了中繼的鏈路上的數(shù)據(jù)進行編解碼時，采用 了串行級聯(lián)的結(jié)構(gòu)，各級中繼鏈路的編碼不再相互獨立，每一跳提供的冗余信息將逐級保 留在碼流中，到接收端后再進行級聯(lián)的譯碼處理。本發(fā)明級聯(lián)的子碼分布地存放在各中繼 節(jié)點中，每個中繼節(jié)點都采用的是簡單子碼，利用中繼輔助蜂窩網(wǎng)絡(luò)的多跳結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)一 種分布式的級聯(lián)編碼，每一級的信道編碼方式可以選擇更簡單的形式，從而簡化了實現(xiàn)，并 且與原有的單跳網(wǎng)絡(luò)中的信道編碼方式相比，能夠獲得更好的誤碼率性能。


圖1為本發(fā)明的編碼方法示意圖。圖2為本發(fā)明的硬解碼方法示意圖。圖3為本發(fā)明的軟解碼方法示意圖。圖4為實施例仿真結(jié)果比較示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行 實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。以下實施例中采用了兩級級聯(lián)的編譯碼結(jié)構(gòu)，各中繼節(jié)點的子譯碼器為相同結(jié) 構(gòu)、低存儲單元的卷積碼，各中繼節(jié)點的交織器的結(jié)構(gòu)相同，在這種情況下，接收端的子譯 碼模塊可以簡化成相同結(jié)構(gòu)的SISO譯碼單元，并采用基于對數(shù)似然值的最大后驗概率譯 碼(LogMAP)算法，具體步驟如下如圖1所示，本實施例包括發(fā)送端、η個級聯(lián)中繼節(jié)點以及接收端，發(fā)送端包括了 一個編碼器，每一個所述的中繼節(jié)點包括估計器、串聯(lián)的交織器以及子編碼器，其中估 計器與本中繼節(jié)點的接收端相連接，子編碼器與本中繼節(jié)點的發(fā)送端相連接。所述的發(fā)送端的子編碼器采用遞歸系統(tǒng)卷積碼得以實現(xiàn)，其反饋生成多項式記為 gb (D)，其前饋生成多項式記為；所述的中繼節(jié)點采用估計器、交織器及子編碼器的級聯(lián)得以實現(xiàn)；所述的中繼節(jié)點的交織器采用偽隨機交織器實現(xiàn)；所述的中繼節(jié)點的子編碼器采用與發(fā)送端相同的子編碼器得以實現(xiàn)；本實施例編碼過程如下Al、發(fā)送端對原始數(shù)據(jù)進行初次編碼，生成發(fā)送碼流后輸出給接收端方向的第一 個中繼節(jié)點；所述的初次編碼是指發(fā)送端使用其子編碼器首先計算原始數(shù)據(jù)的遞歸系統(tǒng)卷積 碼編碼器中的各延時器的輸出通過反饋生成多項式與輸入序列共同產(chǎn)生的反饋值；然后計算遞歸系統(tǒng)卷積碼編碼器中的各延時器的輸出通過前饋生成多項式產(chǎn)生的校驗值；A2、第一個中繼節(jié)點收到發(fā)送碼流，對發(fā)送碼流進行估計得到輸入估計碼流，并進 一步對輸入估計碼流進行交織編碼處理，生成編碼碼流后輸出至相鄰的接收端方向的下一 個中繼節(jié)點；所述的估計是指對接收機收到的受到干擾的信號通過概率統(tǒng)計的方法進行判 斷，以確定發(fā)送端所發(fā)送的實際碼流；所述的交織編碼處理是指首先使用中繼節(jié)點的交織器對碼流進行交織操作，即 對碼流傳輸?shù)捻樞蜻M行隨機的重排列的過程，然后使用中繼節(jié)點的子編碼器對交織后的數(shù) 據(jù)進行編碼操作，其編碼過程與發(fā)送相同；A3、重復(fù)步驟A2直到接收端前的第η個中繼節(jié)點，η為發(fā)送端至接收端間隔中繼 節(jié)點的個數(shù)，該中繼節(jié)點直接將收到的編碼碼流轉(zhuǎn)發(fā)到接收端，接收端得到的就是途徑各 個中繼節(jié)點并經(jīng)若干次交織編碼處理的多跳級聯(lián)卷積碼。如圖2所示，硬解碼接收端采用級聯(lián)的子譯碼器和去交織器與最后的硬判決器相 連得以實現(xiàn)；硬解碼接收端的子譯碼器采用Viterbi譯碼器得以實現(xiàn)；硬解碼接收端的解 交織器采用與發(fā)送端和各中繼節(jié)點相匹配的解交織器得以實現(xiàn)；本實施例解碼過程如下所述的硬解碼方法包括以下步驟Bl 接收端使用相鄰的發(fā)送多跳級聯(lián)卷積碼的中繼節(jié)點的子譯碼器對該多跳級聯(lián) 卷積碼進行譯碼去交織處理，得到輸出估計碼流；所述的譯碼是指使用Viterbi譯碼器對該級碼流進行譯碼處理；所述的去交織處理是指使用相應(yīng)的解交織器對交織后的數(shù)據(jù)進行處理，以恢復(fù) 其原來的碼流；Β2 接收端重復(fù)步驟Bl的操作，直至獲得發(fā)送端的發(fā)送碼流；Β3 接收端使用發(fā)送端對應(yīng)的子譯碼器對其輸出的發(fā)送碼流進行與步驟Bl相同 的譯碼處理，獲得原始數(shù)據(jù)估計值。所述的獲得原始數(shù)據(jù)估計值是指將數(shù)據(jù)送入硬判決器，以獲得估計得到的原始 數(shù)據(jù)。實施例2本實施例中接收端采用軟解碼方案實現(xiàn)；接收端的譯碼算法采用LogMAP算法得 以實現(xiàn)；接收端的Siso譯碼器采用加法SISO譯碼模塊得以實現(xiàn)；如圖3所示，本實施例采用軟解碼，具體過程如下Cl 初始化所有中繼節(jié)點的子譯碼器；所述的初始化是指將子譯碼器的輸入數(shù)據(jù)先驗似然值初始化為零。C2:接收端使用相鄰的發(fā)送多跳級聯(lián)卷積碼的中繼節(jié)點的子譯碼器對該多跳級聯(lián) 卷積碼進行SISO譯碼，得到輸入更新似然值，經(jīng)去交織處理后生成先驗似然值。所述的SISO譯碼是指使用加法SISO譯碼模塊進行譯碼操作，即向SISO譯碼模 塊輸入編碼符號概率的對數(shù)似然比和碼流符號概率對數(shù)似然比，輸出譯碼更新后的編碼符 號概率對數(shù)似然比和碼流符號概率對數(shù)似然比；所述的去交織處理是指使用解交織器對獲得的碼流進行解交織操作；
C3 接收端采用前一個中繼節(jié)點的子譯碼器將先驗似然值再次進行SISO譯碼，并 將得到碼流更新似然值和輸入更新似然值分別經(jīng)去交織處理后反饋作為下一個子譯碼器 的迭代輸入以及前一個子譯碼器的先驗似然值；所述的采用前一個中繼節(jié)點的子譯碼器將先驗似然值再次進行SISO譯碼是指 利用前一級譯碼模塊生成的判決信息進行譯碼處理，這樣可以獲得更好的誤碼率性能；C4 接收端重復(fù)步驟C3的操作直到獲得第一個中繼對應(yīng)的子譯碼器，接收端使用 發(fā)送端對應(yīng)的子譯碼器進行SISO譯碼，并將結(jié)果送入硬判決器獲得發(fā)送的原始數(shù)據(jù)估計值。所述的SISO譯碼是指與步驟C2中的相同的譯碼操作。所述的硬判決器是指該模塊對SISO譯碼后的輸出信號做N比特量化，分量高于 門限就認(rèn)為輸出為1，否則輸出為0。針對蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)單跳通信模式和引入一級中繼的兩跳通信模式進行仿真比較。 子編碼器采用存儲單元數(shù)為3、生成矩陣為G(7j)遞歸系統(tǒng)卷積碼，SISO譯碼模塊采用 LogMAP算法。仿真結(jié)果如圖4所示，可以看到，采用一級中繼多跳級聯(lián)卷積碼的系統(tǒng)誤碼率 明顯低于傳統(tǒng)單跳模式的蜂窩系統(tǒng)的誤碼率。
權(quán)利要求
1.一種基于多跳級聯(lián)卷積碼的編解碼裝置，包括發(fā)送端、接收端以及η個級聯(lián)的中繼 節(jié)點，其特征在于所述的發(fā)送端內(nèi)設(shè)有編碼器；所述的中繼節(jié)點由依次級聯(lián)的估計器、交織器及子編碼器組成，其中估計器與上一級 中繼節(jié)點的輸出端相連接，子編碼器與下一級中繼節(jié)點的輸入端相連接；所述的接收端包括一個硬判決器和η+1級子譯碼器以及η級去交織器，其中所述的 η+1級子譯碼器為Viterbi譯碼器組或加法SISO譯碼模塊組。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多跳級聯(lián)卷積碼的編解碼裝置，其特征是，所述的中繼 節(jié)點中子編碼器采用遞歸系統(tǒng)卷積碼得以實現(xiàn)，其反饋生成多項式記為&Φ)，其前饋生 成多項式記為^(D)；交織器采用偽隨機交織器實現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多跳級聯(lián)卷積碼的編解碼裝置，其特征是，所述的 Viterbi譯碼器組由η+1個Viterbi譯碼器與η個去交織器依次交錯級聯(lián)構(gòu)成，其中第一 Viterbi譯碼器的輸出端與硬判決器相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多跳級聯(lián)卷積碼的編解碼裝置，其特征是，所述的加法 SISO譯碼模塊組由η級交織器和η個加法SISO譯碼模塊組成，其中m個加法SISO譯碼模 塊的第一輸出端與交織器相連并反饋至上一級加法SISO譯碼模塊的第二輸入端，η個加法 SISO譯碼模塊的第二輸出端與去交織器相連并輸出至下一級加法SISO譯碼模塊的第一輸 入端，第η+1加法SISO譯碼模塊的第一輸入端接收碼流的對數(shù)似然值，第1加法SISO譯碼 模塊的第二輸出端與硬判決器相連。
5.一種根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述裝置的編碼方法，其特征在于，包括以下步驟Al、發(fā)送端對原始數(shù)據(jù)進行初次編碼，生成發(fā)送碼流后輸出給接收端方向的第一個中繼節(jié)點；Α2、第一個中繼節(jié)點收到發(fā)送碼流，對發(fā)送碼流進行估計得到輸入估計碼流，并進一步 對輸入估計碼流進行交織編碼處理，生成編碼碼流后輸出至相鄰的接收端方向的下一個中 繼節(jié)點；A3、重復(fù)步驟Α2直到接收端前的第η個中繼節(jié)點，η為發(fā)送端至接收端間隔中繼節(jié)點 的個數(shù)，該中繼節(jié)點直接將收到的編碼碼流轉(zhuǎn)發(fā)到接收端，接收端得到的就是途經(jīng)各個中 繼節(jié)點并經(jīng)若干次交織編碼處理的多跳級聯(lián)卷積碼。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的編碼方法，其特征是，所述的初次編碼是指發(fā)送端使用其子 編碼器首先計算原始數(shù)據(jù)的遞歸系統(tǒng)卷積碼編碼器中的各延時器的輸出通過反饋生成多 項式與輸入序列共同產(chǎn)生的反饋值；然后計算遞歸系統(tǒng)卷積碼編碼器中的各延時器的輸出 通過前饋生成多項式產(chǎn)生的校驗值。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的編碼方法，其特征是，所述的交織編碼處理是指首先使用中 繼節(jié)點的交織器對碼流進行交織操作，即對碼流傳輸?shù)捻樞蜻M行隨機的重排列的過程，然 后使用中繼節(jié)點的子編碼器對交織后的數(shù)據(jù)進行編碼操作，其編碼過程與發(fā)送相同。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一所述裝置的硬解碼方法，其特征在于，包括以下步驟Bl 接收端使用相鄰的發(fā)送多跳級聯(lián)卷積碼的中繼節(jié)點的子譯碼器對該多跳級聯(lián)卷積碼進行譯碼去交織處理，得到輸出估計碼流；Β2 接收端重復(fù)步驟Bl的操作，直至獲得發(fā)送端的發(fā)送碼流；B3 接收端使用發(fā)送端對應(yīng)的子譯碼器對其輸出的發(fā)送碼流進行與步驟Bl相同的譯 碼處理，獲得原始數(shù)據(jù)估計值。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一所述裝置的軟解碼方法，其特征在于，包括以下步驟 Cl 初始化所有中繼節(jié)點的子譯碼器；C2:接收端使用相鄰的發(fā)送多跳級聯(lián)卷積碼的中繼節(jié)點的子譯碼器對該多跳級聯(lián)卷積 碼進行SISO譯碼，得到輸入更新似然值，經(jīng)去交織處理后生成先驗似然值；C3 接收端采用前一個中繼節(jié)點的子譯碼器將先驗似然值再次進行SISO譯碼，并將得 到碼流更新似然值和輸入更新似然值分別經(jīng)去交織處理后反饋作為下一個子譯碼器的迭 代輸入以及前一個子譯碼器的先驗似然值；C4 接收端重復(fù)步驟C3的操作直到獲得第一個中繼對應(yīng)的子譯碼器，接收端使用發(fā)送 端對應(yīng)的子譯碼器進行SISO譯碼，并將結(jié)果送入硬判決器獲得發(fā)送的原始數(shù)據(jù)估計值。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的軟解碼方法，其特征是，所述的SISO譯碼是指使用加法 SISO譯碼模塊進行譯碼操作，即向SISO譯碼模塊輸入編碼符號概率的對數(shù)似然比和碼流 符號概率對數(shù)似然比，輸出譯碼更新后的編碼符號概率對數(shù)似然比和碼流符號概率對數(shù)似 然比。
全文摘要
一種無線通信技術(shù)領(lǐng)域的基于多跳級聯(lián)卷積碼的編解碼裝置及其實現(xiàn)方法，該裝置包括發(fā)送端、接收端以及n個級聯(lián)的中繼節(jié)點，其接收端包括一個硬判決器和n+1級子譯碼器以及n級去交織器，其子譯碼器為Viterbi譯碼器或加法SISO譯碼模塊。本發(fā)明在引入了中繼節(jié)點的輔助蜂窩通信系統(tǒng)中，利用多跳路徑自身的級聯(lián)特性構(gòu)成分布式的級聯(lián)碼，從而獲得比單跳模式更好的差錯水平。
文檔編號H04L1/00GK102088338SQ20111005045
公開日2011年6月8日 申請日期2011年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月2日
發(fā)明者劉文江, 劉濤, 崔高, 戎蒙恬, 潘晟 申請人:上海交通大學(xué)