專利名稱：無線網(wǎng)絡中多接入信道的分布式物理層網(wǎng)絡編碼調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及蜂窩移動網(wǎng)絡技術(shù)，具體涉及適用于無線網(wǎng)絡中多接入信道的分布式物理層網(wǎng)絡的編碼及調(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，信息是通過單/多跳無線中繼網(wǎng)絡，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)絡編碼(NC)方法來替代路由算法。在網(wǎng)絡編碼中，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)絡編碼可提高網(wǎng)絡容量和吞吐量。由于這種分布式網(wǎng)絡通道碼的研究設計(DNCC)理念最近才開始，許多在分布式編碼的設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)絡中多接入信道的分布式物理層網(wǎng)絡編碼調(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)絡中多接入信道的分布式物理層網(wǎng)絡編碼調(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極限符合仿真結(jié)果值，當信噪比增加的時候，仿真結(jié)果漸近理論極限值，從而驗證推導的理論值的準確性。


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)絡作為實施例，實際上本發(fā)明可以應用到所有的無線網(wǎng)絡中，比如無線傳感網(wǎng)、ad hoc (點對點)、無線局域網(wǎng)等，不應視作限定。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)絡編碼并進行無記憶調(diào)制。這里所說的通過RSC進行網(wǎng)絡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巍；倦A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 (也被稱作目標節(jié)點)?；綛S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，假設源節(jié)點和協(xié)作節(jié)點具有相同的發(fā)射功率。設&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)絡中多接入信道的分布式物理層網(wǎng)絡編碼調(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)絡中多接入信道的分布式物理層網(wǎng)絡編碼調(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)絡中多接入信道的分布式物理層網(wǎng)絡編碼調(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)絡中多接入信道的分布式物理層網(wǎng)絡編碼調(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)絡中多接入信道的分布式物理層網(wǎng)絡編碼調(diào)制方法。采用分布式的物理層網(wǎng)絡編碼調(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極限符合仿真結(jié)果值，當信噪比增加的時候，仿真結(jié)果漸近理論極限值，從而驗證推導的理論值的準確性。
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