專利名稱：無線網(wǎng)絡(luò)中多接入信道的分布式物理層網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具體涉及適用于無線網(wǎng)絡(luò)中多接入信道的分布式物理層網(wǎng)絡(luò)的編碼及調(diào)制方法。
背景技術(shù)：
分布式編碼作為一種特殊的信道編碼協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)開發(fā)模式，吸引了大量研究者的關(guān)注。分布式編碼的構(gòu)造理念已應(yīng)用于傳統(tǒng)的通道編碼，如文獻B. Zhao and Μ. C. Valentij “Distributed turbo codes: towards the capacity of the relay channel,，， IEEE VTC^ 03-Fall, vol. 1，pp. 322 - 326，Oct. 2003.公幵的分布式 Turbo 碼、文獻 [S· Yiuj R. Schober and L Lampej "Distributed space-time block coding,，，IEEE Trans. Commun.，vol. 54，no. 7，pp. 1195 - 2006，Jul. 2006.公幵的分布式空時碼、文獻A· Chakrabarti，A. Baynastj Α. Sabharwal and B. Aazhangj “Low density parity check codes for the relay channel,，，IEEE JSACj vol. 25，no. 2，pp. 280 - 291， Feb. 2007.公開的分布式低密度奇偶校驗(LDPC)碼。實驗結(jié)果表明，上述分布式編碼方案可以提高點至點的無線通道傳輸?shù)目煽啃?。上述分布式編碼方案是針對小規(guī)模的單播中繼網(wǎng)絡(luò)，信息是通過單/多跳無線中繼網(wǎng)絡(luò)，從單個源節(jié)點到單個目的地節(jié)點進行傳輸。例如在圖1所示的場景下，一個源移動終端(MT)與其他移動終端(MT)合作，通過一個中繼節(jié)點(RN)向基站(BS)傳輸數(shù)據(jù)。傳遞這種信息的傳統(tǒng)方式是通過路由，中繼節(jié)點簡單的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)接收到的數(shù)據(jù)包到目的地。文獻R.Ahlswede, N. Cai, S. Y. R. Li, and R. W. Yeung, "Network Information Flow, ” IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 46, no. 4, pp. 1204 - 1216, July 2000.提出了一種網(wǎng)絡(luò)編碼(NC)方法來替代路由算法。在網(wǎng)絡(luò)編碼中，中繼節(jié)點可以把從多個源移動終端收到的數(shù)據(jù)包進行編碼。編碼后的信息隨后被發(fā)送到目的地。實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的路由算法相比，網(wǎng)絡(luò)編碼可提高網(wǎng)絡(luò)容量和吞吐量。由于這種分布式網(wǎng)絡(luò)通道碼的研究設(shè)計(DNCC)理念最近才開始，許多在分布式編碼的設(shè)計和實施過程中遇到的問題都還沒有得到解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種全新的無線網(wǎng)絡(luò)中多接入信道的分布式物理層網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方法。該方法基于穿刺卷積碼，采用協(xié)作式上行傳輸分布式編碼碼。本發(fā)明還在此基礎(chǔ)上分析了系統(tǒng)的性能，推導(dǎo)出本發(fā)明的誤碼率理論分析上限。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種無線網(wǎng)絡(luò)中多接入信道的分布式物理層網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方法，包括如下步驟
1)源移動終端通過穿刺卷積編碼器將信息包編碼為傳輸碼字，然后廣播給中繼節(jié)點和協(xié)作移動終端；
2)中繼節(jié)點把接收到的來自源移動終端的信號波形和來自協(xié)作移動終端的信號波形，按照符號間隔分離，而后交替串聯(lián)生成新的信號波形；
3)形成的新的信號波形通過在中繼節(jié)點的解碼器進行解調(diào)和譯碼，輸出針對源移動終端和協(xié)作移動終端的聯(lián)合編碼器的估計碼字；
4)所述估計碼字被送入中繼節(jié)點的遞歸系統(tǒng)卷積編碼器進行網(wǎng)絡(luò)編碼并進行無記憶調(diào)制，然后被發(fā)送到基站；
5)基站接收到從中繼節(jié)點發(fā)射的信號波形后先作軟解調(diào)然后進行解碼。所述步驟2)中，若中繼節(jié)點可以正確的把源移動終端的數(shù)據(jù)解碼，則不用協(xié)作移動終端進行協(xié)作傳輸；如果中繼節(jié)點不能正確的把源移動終端的數(shù)據(jù)解碼，則中繼節(jié)點就會向協(xié)作移動終端發(fā)送要求傳輸相同數(shù)據(jù)的指令，協(xié)作移動終端收到指令后把來自源移動終端的數(shù)據(jù)解碼后，利用不同的穿刺卷積編碼器進行編碼，然后發(fā)送到中繼節(jié)點。所述步驟3)中，中繼節(jié)點的解碼器是針對源移動終端和協(xié)作移動終端的聯(lián)合編碼器的解碼器。所述步驟5)中，軟解調(diào)是讓接收到的信號波形經(jīng)過一組波形匹配濾波器，從該組濾波器輸出的值被送到基站的解碼器進行譯碼，所述基站的解碼器是針對分布在源移動終端和協(xié)作終端的穿刺卷積編碼器和中繼節(jié)點的遞歸系統(tǒng)卷積編碼器組成的超級格型編碼器的解碼器。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是
本發(fā)明針對無線網(wǎng)絡(luò)提出一種協(xié)作式的上行鏈路傳輸方案，本發(fā)明采用分布式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方式，利用穿刺卷積編碼數(shù)字相位調(diào)制技術(shù)來實現(xiàn)。本發(fā)明同時推導(dǎo)出了一個針對該分布式系統(tǒng)的理論極限。仿真結(jié)果顯示這個理論推導(dǎo)極限符合仿真結(jié)果值，當(dāng)信噪比增加的時候，仿真結(jié)果漸近理論極限值，從而驗證推導(dǎo)的理論值的準(zhǔn)確性。


圖1是帶有一個源移動終端，一個協(xié)作移動終端，一個中繼節(jié)點和一個基站的上行傳輸系統(tǒng)框圖。圖2是本發(fā)明的比特誤碼率的仿真結(jié)果和理論分析上限的比較圖。
具體實施例方式下面通過具體實施方式
對發(fā)明做進一步說明。本發(fā)明考慮的是無線蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)中的上行鏈路傳輸系統(tǒng)。參見圖1，圖1示出了帶有一個源移動終端MT (A)，一個協(xié)作移動終端MT (B)，一個中繼節(jié)點RN (R)和一個基站BS (C)的上行傳輸系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)中有一個源移動終端MT通過中繼節(jié)點RN發(fā)送數(shù)據(jù)包到基站BS。此處，本發(fā)明僅以蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)作為實施例，實際上本發(fā)明可以應(yīng)用到所有的無線網(wǎng)絡(luò)中，比如無線傳感網(wǎng)、ad hoc (點對點)、無線局域網(wǎng)等，不應(yīng)視作限定。協(xié)作傳輸階段
源移動終端可以與其他移動終端協(xié)作來進行數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)文獻K. Doppler and Μ. Xiao, “ Innovative concepts in peer-to-peer and network coding,，，Tech. Rep. Dl. 3，CELTIC Telecommunication Solutions, 2009.，假設(shè)源移動終端MT和協(xié)作移動終端MT之間存在直接鏈路，但基站BS和移動終端之間沒有直接鏈路。一個數(shù)據(jù)包的傳輸可分為兩個時隙。在第一個時隙，源移動終端MT先對信息利用穿刺卷積編碼器進行編碼，然后向中繼節(jié)點RN和協(xié)作移動終端MT廣播編碼后的數(shù)據(jù)包。中繼節(jié)點RN和協(xié)作移動終端 MT開始解碼。當(dāng)協(xié)作移動終端MT正確地把來自源移動終端MT的信息的解碼后，再利用不同的穿刺卷積編碼器對已經(jīng)解碼的該信息進行再編碼。當(dāng)需要的時候，從協(xié)作移動終端來的碼字，將在第二時隙發(fā)送給中繼節(jié)點RN。如圖1所示，源移動終端MT使用穿刺卷積編碼器C1，而協(xié)作移動終端MT使用穿刺卷積編碼器C2。如果中繼節(jié)點RN可以正確的把源移動終端MT的數(shù)據(jù)解碼，那么中繼節(jié)點RN就把譯碼后的來自源移動終端MT的數(shù)據(jù)信息重新編碼調(diào)制，然后發(fā)射給基站BS。在這種情況下，源移動終端MT不用協(xié)作移動終端MT的協(xié)作傳輸。如果中繼節(jié)點RN不能正確的把源移動終端MT的數(shù)據(jù)解碼，那么中繼節(jié)點RN就會向協(xié)作移動終端MT發(fā)送要求傳輸相同數(shù)據(jù)的指令，協(xié)作移動終端MT收到指令后會把來自源移動終端MT的數(shù)據(jù)用不同的編碼器進行編碼然后發(fā)送到中繼節(jié)點RN。假設(shè)在源移動終端和協(xié)作移動終端的每個編碼器都具有相同的碼率k/n。那么對于一個帶有一個源移動終端和k-Ι個協(xié)作移動終端的系統(tǒng)，k個聯(lián)合編碼器的聯(lián)合碼率將為1/n。假設(shè)所有移動終端的卷積編碼器具有相同的如文獻J. G. Proakis, Digital Communication, McGraw-Hill, New York, third edition, 1995.@ : 白勺 @ 胃 (constraint length)。根據(jù)文獻A. J. Viterbi and L. K. Omura, Principles of Digital Communication and Coding, McGraw-Hill, New York, 1979.,對于碼率為 1/n 的卷積編碼器，生成多項式矩陣
，這里
σ! (D) = gi+對 D+…+_§‘ Dw ^ e《0，-·-, —1}
Oi JfS 時的參數(shù)屬于集合{0，1}。高碼率穿刺卷積碼(PCC)可通過穿刺其上一級
別(父級)l/n的二進制卷積碼來獲得。通過使用(nXp)穿刺矩陣，Pmat，其中P是穿刺周期， 來實現(xiàn)擊穿一些編碼符號的操作。這里設(shè)s為穿刺周期為ρ時總共的傳輸比特數(shù)，PCC編碼率為r = p/s。中繼節(jié)點階段
中繼節(jié)點RN把收到的來自源移動終端MT的信號波形和來自協(xié)作移動終端MT的信號波形在空中混合，然后聯(lián)合解碼。這個具體的空中混合操作過程如下中繼節(jié)點RN把兩個信號波形按照符號間隔分離，而后交替串聯(lián)生成新的波形，該新的波形通過在中繼節(jié)點RN 的解碼器來解調(diào)和譯碼。這種方法有別于傳統(tǒng)的物理層網(wǎng)絡(luò)情況把接收到的信號波形疊加的方法。中繼節(jié)點RN的解碼器針對的是源移動終端MT和協(xié)作移動終端MT的聯(lián)合編碼器 C1和C2。該解碼器輸出的是針對源移動終端MT和協(xié)作移動終端MT的聯(lián)合編碼器C1和C2 的估計碼字。該估計碼字然后被送入到中繼節(jié)點RN的一個遞歸系統(tǒng)卷積(RSC)編碼器進行網(wǎng)絡(luò)編碼并進行無記憶調(diào)制。這里所說的通過RSC進行網(wǎng)絡(luò)編碼是指將來自于源移動終端MT和協(xié)作移動終端MT的兩個數(shù)據(jù)流通過RSC混合在一起，形成一個新的數(shù)據(jù)流，和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)編碼中的異或(XOR)操作不同，本發(fā)明是采用RSC來進行網(wǎng)絡(luò)編碼操作。RSC編碼器和無記憶調(diào)制器可以被看成一個數(shù)字編碼連續(xù)相位調(diào)制(CPM)器。在中繼節(jié)點RN，RSC編碼
Oif(D):
Cf(D)
G^1(D)器將來自聯(lián)合移動終端解碼器中的一個輸出符號作為一個輸入并生成一個向量，無記憶調(diào)制器將用此向量來產(chǎn)生一個信道傳輸?shù)牟ㄐ?。基站階段
譯碼后的碼字經(jīng)過遞歸系統(tǒng)卷積(RSC)編碼器并進行無記憶調(diào)制后，被發(fā)送到基站BS (也被稱作目標(biāo)節(jié)點)。基站BS接收到從中繼節(jié)點RN發(fā)射的信號波形后先作軟解調(diào)(Soft demodulation)然后開始解碼，這里所說的軟解調(diào)是指讓接收到的信號波形經(jīng)過一組波形匹配濾波器，從該組濾波器輸出的值被送到解碼器來進行譯碼，該解碼器針對的是分布在源移動終端MT和協(xié)作終端MT的穿刺卷積編碼器和中繼節(jié)點RN的RSC編碼器組成的超級格型編碼器。下文將給出一個在加性高斯白噪聲(AWGN)的通道條件以及采用極大似然檢測 (MLSD)算法的情況下的系統(tǒng)性能理論上限。理論分析上限
在中繼節(jié)點，分布在源移動終端和協(xié)作移動終端的穿刺卷積編碼器和中繼節(jié)點的RSC
組成了一個超級格型編碼器。定義離散時間為j時，超級格型編碼器的狀態(tài)O)為(Of1Ofs)
，這里of和Ofi分別表示在離散時間為j時，聯(lián)合分布卷積編碼器(JDCE)的狀態(tài)和RSC
的狀態(tài)。對于一個具有m個元素的聯(lián)合分布卷積編碼器，和一個帶有合理又不可約的調(diào)制指數(shù)h= K/P的二進制全響應(yīng)CPM系統(tǒng)，超級格形編碼器的狀態(tài)總數(shù)為2M. P。聯(lián)合終端編
碼器的輸入決定了狀態(tài)轉(zhuǎn)換巧^Sw。與這個轉(zhuǎn)換過程相關(guān)的還有RSC編碼器的輸入符
號/ie(ai)及一個平均向量，這個平均向量是通過使傳輸?shù)腃PM波形經(jīng)過一組復(fù)雜的濾波
器處理來獲得的，這些濾波器是與發(fā)射信號相匹配的。上述內(nèi)容可參見文獻Z. Lin, Joint Source-Channel Coding using Trellis Coded CPMj Ph. D Thesis, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden, Jan. 2006, http://www. ce. chalmers. se/TCT.。在本發(fā)明中，假設(shè)源節(jié)點和協(xié)作節(jié)點具有相同的發(fā)射功率。設(shè)&為信息比特功率， N0/2為雙面加性高斯白噪聲的功率譜密度。一個穿刺格型編碼CPM系統(tǒng)的無記憶信息源序列的錯誤的概率，將遵循以下的定理1。定理1 在極大似然檢測(MLSD)和源信息塊無無限長的條件下，一個擁有離散無記憶的等概率分布數(shù)字源序列的分布式穿刺卷積編碼的數(shù)字相位調(diào)制CPM系統(tǒng)的比特錯誤碼率的上限由下式給出上限
權(quán)利要求
1.一種無線網(wǎng)絡(luò)中多接入信道的分布式物理層網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方法，其特征在于，包括如下步驟1)源移動終端通過穿刺卷積編碼器將信息包編碼為傳輸碼字，然后廣播給中繼節(jié)點和協(xié)作移動終端；2)中繼節(jié)點把接收到的來自源移動終端的信號波形和來自協(xié)作移動終端的信號波形， 按照符號間隔分離，而后交替串聯(lián)生成新的信號波形；3)形成的新的信號波形通過在中繼節(jié)點的解碼器進行解調(diào)和譯碼，輸出針對源移動終端和協(xié)作移動終端的聯(lián)合編碼器的估計碼字；4)所述估計碼字被送入中繼節(jié)點的遞歸系統(tǒng)卷積編碼器進行網(wǎng)絡(luò)編碼并進行無記憶調(diào)制，然后被發(fā)送到基站；5)基站接收到從中繼節(jié)點發(fā)射的信號波形后先作軟解調(diào)然后進行解碼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述無線網(wǎng)絡(luò)中多接入信道的分布式物理層網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方法，其特征在于所述步驟2)中，若中繼節(jié)點可以正確的把源移動終端的數(shù)據(jù)解碼，則不用協(xié)作移動終端進行協(xié)作傳輸；如果中繼節(jié)點不能正確的把源移動終端的數(shù)據(jù)解碼，則中繼節(jié)點就會向協(xié)作移動終端發(fā)送要求傳輸相同數(shù)據(jù)的指令，協(xié)作移動終端收到指令后把來自源移動終端的數(shù)據(jù)解碼后，利用不同的穿刺卷積編碼器進行編碼，然后發(fā)送到中繼節(jié)點。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述無線網(wǎng)絡(luò)中多接入信道的分布式物理層網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方法，其特征在于所述步驟3)中，中繼節(jié)點的解碼器是針對源移動終端和協(xié)作移動終端的聯(lián)合編碼器的解碼器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述無線網(wǎng)絡(luò)中多接入信道的分布式物理層網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方法，其特征在于所述步驟5)中，軟解調(diào)是讓接收到的信號波形經(jīng)過一組波形匹配濾波器，從該組濾波器輸出的值被送到基站的解碼器進行譯碼，所述基站的解碼器是針對分布在源移動終端和協(xié)作終端的穿刺卷積編碼器和中繼節(jié)點的遞歸系統(tǒng)卷積編碼器組成的超級格型編碼器的解碼器。
全文摘要
本發(fā)明公開一種無線網(wǎng)絡(luò)中多接入信道的分布式物理層網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方法。采用分布式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方式，利用穿刺卷積編碼數(shù)字相位調(diào)制技術(shù)來實現(xiàn)。本發(fā)明同時推導(dǎo)出了一個針對該分布式系統(tǒng)的理論極限。仿真結(jié)果顯示這個理論推導(dǎo)極限符合仿真結(jié)果值，當(dāng)信噪比增加的時候，仿真結(jié)果漸近理論極限值，從而驗證推導(dǎo)的理論值的準(zhǔn)確性。
文檔編號H04L1/00GK102255697SQ20111023542
公開日2011年11月23日 申請日期2011年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月17日
發(fā)明者劉揚, 林子懷 申請人:劉揚, 林子懷