專利名稱：協(xié)同通信系統(tǒng)的中繼編碼構(gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及協(xié)同無線通信，具體為一種通信系統(tǒng)的中繼編碼構(gòu)造方法，用于中繼節(jié)點(diǎn)最佳編碼的構(gòu)造。
背景技術(shù)：
協(xié)同通信是無線通信中重要的一種方式。協(xié)同通信技術(shù)在不改變現(xiàn)有系統(tǒng)通信體制和設(shè)備天線數(shù)量的前提下，利用各終端間的中繼功能構(gòu)造虛擬的多輸入多輸出(MIMO) 系統(tǒng)，大大提高系統(tǒng)的性能和容量，因此在國內(nèi)外軍、民用通信領(lǐng)域得到高度重視。韓國的 Jaemin Han 在文獻(xiàn)，，A Simple Technique to Enhance Diversity Order in Wireless Fading Relay Channels”中提出了一種在三節(jié)點(diǎn)協(xié)同通信系統(tǒng)中的中繼異或編碼方案(中繼節(jié)點(diǎn)采用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方式)，中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)從源節(jié)點(diǎn)接收到的信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的前后比特異或編碼，然后再轉(zhuǎn)發(fā)出去；目的節(jié)點(diǎn)采用了最大似然迭代譯碼。在沒有增加額外資源消耗的前提下，系統(tǒng)在只有兩條分集路徑的情況下獲得了三重分集的性能。對(duì)該方案進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)源節(jié)點(diǎn)的信息與中繼節(jié)點(diǎn)異或編碼后的信息按比特重新進(jìn)行排列，構(gòu)成了由(2，1，1)卷積碼(2，[1 3])編碼器編碼后的信息，因此目的節(jié)點(diǎn)也可以采用維特比譯碼。但是，該方案沒有研究這種異或編碼是否最佳，也就是無法確定這種方式是否能使協(xié)同通信系統(tǒng)達(dá)到最佳性能；此外，對(duì)于更一般的協(xié)同通信系統(tǒng)，如存在多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和多個(gè)源節(jié)點(diǎn)時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)應(yīng)采用何種編碼方法才能獲得最佳的系統(tǒng)性能，均未研究。因此，對(duì)于具有多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和多個(gè)源節(jié)點(diǎn)的協(xié)同通信系統(tǒng)，需要對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)編碼方案，使系統(tǒng)獲得最佳性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是現(xiàn)有的協(xié)同通信系統(tǒng)中，一方面，一般中繼節(jié)點(diǎn)通過采用編碼轉(zhuǎn)發(fā)能夠提高系統(tǒng)性能，但是采用何種編碼方式能夠獲得最佳的系統(tǒng)性能還有待于研究；另一方面，中繼節(jié)點(diǎn)越多，提供的分集增益越大，但是，多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)分別如何進(jìn)行合作編碼才能獲得最佳的系統(tǒng)性能也有待于研究。本發(fā)明的技術(shù)方案為協(xié)同通信系統(tǒng)的中繼編碼構(gòu)造方法，對(duì)具體的協(xié)同通信系統(tǒng)進(jìn)行模型分析，從而確定卷積碼的碼率，然后根據(jù)協(xié)同通信系統(tǒng)的譯碼條件確定最佳卷積碼，最后根據(jù)最佳卷積碼確定協(xié)同通信系統(tǒng)中繼節(jié)點(diǎn)的編碼方案，構(gòu)造中繼編碼；其中， 協(xié)同通信系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的卷積碼編碼器的輸入序列為k，輸入序列的數(shù)目為n，Vi為有k個(gè)輸入序列的卷積碼編碼器中第i移位寄存器的長(zhǎng)度，i = 1，2，…，k，卷積碼編碼器的整體約束
長(zhǎng)度ν=Σκ， 具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下第1步根據(jù)給定協(xié)同通信系統(tǒng)模型確定協(xié)同通信系統(tǒng)源節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)k'、輸入鏈路個(gè)數(shù)η'，令卷積碼編碼器的k = k' ,n = n'，確定卷積碼的碼率k/n ；第2步羅列出碼率R = k/n的所有最佳卷積碼；
第3步根據(jù)給定協(xié)同通信系統(tǒng)譯碼條件，也就是其中繼節(jié)點(diǎn)的編碼存儲(chǔ)長(zhǎng)度 V'，令卷積碼編碼器的整體約束長(zhǎng)度V = V'，對(duì)應(yīng)第2步中羅列的所有最佳卷積碼，根據(jù)確定的卷積碼編碼器的整體約束長(zhǎng)度ν進(jìn)行選擇，得到用(n，k，g)表示的(n，k，v)最佳卷積碼，其中g(shù)為(n，k，ν)的生成矩陣；第4步根據(jù)(n，k，ν)最佳卷積碼確定協(xié)同通信系統(tǒng)的中繼節(jié)點(diǎn)的編碼方案，構(gòu)造中繼編碼。第3步中生成矩陣g是根據(jù)(n，k，ν)利用查表法直接得到的；或者根據(jù)(n，k，ν) 利用查表法得到校驗(yàn)矩陣h，再根據(jù)校驗(yàn)矩陣h推導(dǎo)得到。本發(fā)明對(duì)給定協(xié)同通信系統(tǒng)確定其適用的最佳卷積碼，然后通過最佳卷積碼反過來確定協(xié)同通信系統(tǒng)中繼節(jié)點(diǎn)的編碼構(gòu)造方案，本發(fā)明對(duì)協(xié)同通信系統(tǒng)進(jìn)行了研究，根據(jù)給定協(xié)同通信系統(tǒng)的η'，k' ,ν'，來逐步確定卷積碼編碼器對(duì)應(yīng)卷積碼的n、k、v，從而得到(n，k，ν)最佳卷積碼，而(n，k，ν)最佳卷積碼根據(jù)現(xiàn)有的卷積碼理論最大化自由距離準(zhǔn)則和最小化最鄰近碼字?jǐn)?shù)目準(zhǔn)則，是已經(jīng)確定其性能是最佳的；本發(fā)明方法簡(jiǎn)單，快速確定中繼節(jié)點(diǎn)編碼的構(gòu)造方法，并確保系統(tǒng)性達(dá)到最優(yōu)，因?yàn)樽罴丫矸e碼的編碼性能優(yōu)于其它卷積碼是現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)證明的，因此通過最佳卷積碼確定的協(xié)同通信系統(tǒng)的中繼編碼必然使協(xié)同通信系統(tǒng)的性能達(dá)到最好，而現(xiàn)有技術(shù)的中繼編碼方案未研究、也不能確定其編碼是否最佳，無法保證采用的編碼方法是否能提高協(xié)同通信系統(tǒng)的性能，而本發(fā)明直接就確定了使系統(tǒng)達(dá)到最佳性能的編碼方法，因此本發(fā)明通過卷積碼的理論開創(chuàng)性地提出了一種在協(xié)同通信系統(tǒng)中確定了最佳的中繼編碼構(gòu)造方式。


圖1為協(xié)同通信系統(tǒng)中的卷積碼編碼器示意圖。圖2為協(xié)同通信系統(tǒng)的示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例一的四節(jié)點(diǎn)協(xié)同通信模型。圖4為本發(fā)明實(shí)施例一羅列的碼率R = 1/2的卷積碼的所有最佳結(jié)構(gòu)。圖5為本發(fā)明實(shí)施例一的卷積碼編碼器結(jié)構(gòu)圖。圖6為本發(fā)明實(shí)施例一的編碼構(gòu)造方法示意圖。圖7為本發(fā)明實(shí)施例一的仿真，AWGN信道下(2，1,2)卷積碼不同生成矩陣的性能比較。圖8為本發(fā)明實(shí)施例一的仿真，Rayleigh快衰落信道下(2，1,2)卷積碼不同生成矩陣的性能比較.圖9為本發(fā)明實(shí)施例二的六節(jié)點(diǎn)協(xié)同通信模型。圖10為本發(fā)明實(shí)施例二羅列的碼率R = 2/3的卷積碼的所有最佳結(jié)構(gòu)。圖11為本發(fā)明實(shí)施例二的卷積碼編碼器結(jié)構(gòu)圖。圖12為本發(fā)明實(shí)施例二的編碼構(gòu)造方法示意圖。圖13為本發(fā)明實(shí)施例二的仿真，AWGN信道下(3，2，2)卷積碼不同生成矩陣的性能比較。圖14為本發(fā)明實(shí)施例二的仿真，Rayleigh快衰落信道下(3，2，2)卷積碼不同生成校驗(yàn)矩陣的性能比較。
具體實(shí)施例方式首先對(duì)協(xié)同通信系統(tǒng)中卷積碼編碼器中使用的術(shù)語進(jìn)行說明，如圖1所示k為卷積碼編碼器的輸入序列的數(shù)目，η為卷積碼編碼器的輸出序列的數(shù)目，Vi為有k個(gè)輸入序列
的卷積碼編碼器中第i移位寄存器的長(zhǎng)度，i = l，2，…，k，v= Σ 為卷積碼編碼器的整
\<i<k
體約束長(zhǎng)度，具有整體約束長(zhǎng)度V的碼率R = k/n卷積碼編碼器稱為(n，k，ν)卷積碼編碼
ο協(xié)同通信系統(tǒng)如圖2所示協(xié)同通信系統(tǒng)存在著至少一個(gè)源節(jié)點(diǎn)S、至少一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)R和一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)D。該協(xié)同通信系統(tǒng)可以劃分為兩個(gè)子信道從源節(jié)點(diǎn)S到中繼節(jié)點(diǎn)R和目的節(jié)點(diǎn)D的廣播信道；從源節(jié)點(diǎn)S和中繼節(jié)點(diǎn)R到目的節(jié)點(diǎn)D的多址信道，多址信道中，每一條由源節(jié)點(diǎn)S或中繼節(jié)點(diǎn)R到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D的信道稱為輸入鏈路。即協(xié)同通信系統(tǒng)可以看成是廣播信道和多址信道的組合。廣播信道采用的是廣播通信技術(shù)，多址信道采用的是多址接入技術(shù)。另外，中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼時(shí)，會(huì)把接收到的比特信息存儲(chǔ)在移位寄存器中，然后選擇其中的一些比特進(jìn)行異或編碼。這里，設(shè)k'為源節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，η'為多址信道中輸入鏈路的數(shù)目，ν'為中繼節(jié)點(diǎn)的編碼存儲(chǔ)長(zhǎng)度。當(dāng)協(xié)同通信系統(tǒng)只有單個(gè)源節(jié)點(diǎn)時(shí)，ν'表示所有中繼節(jié)點(diǎn)移位寄存器的合并長(zhǎng)度，即中繼節(jié)點(diǎn)中參與編碼的比特跨度；當(dāng)系統(tǒng)有k'個(gè)源節(jié)點(diǎn)時(shí)，對(duì)第i個(gè)源節(jié)點(diǎn)求得與之相對(duì)應(yīng)的所有中繼節(jié)點(diǎn)移位寄存器合并
長(zhǎng)度的最大值ν' i，此時(shí)中繼節(jié)點(diǎn)的編碼存儲(chǔ)長(zhǎng)度ν'=i>;。
i=\根據(jù)上述說明，協(xié)同中繼系統(tǒng)的源節(jié)點(diǎn)數(shù)目對(duì)應(yīng)卷積碼編碼器的輸入序列數(shù)目， 協(xié)同中繼系統(tǒng)的多址信道中輸入鏈路數(shù)目對(duì)應(yīng)卷積碼編碼器的輸出序列數(shù)目，協(xié)同中繼系統(tǒng)的編碼存儲(chǔ)長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)卷積碼編碼器的整體約束長(zhǎng)度。本發(fā)明為一種協(xié)同通信系統(tǒng)中繼節(jié)點(diǎn)最佳編碼的構(gòu)造方法，按照上述說明，(1)分析協(xié)同通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；( 確定其卷積碼編碼器對(duì)應(yīng)卷積碼的碼率；C3)枚舉出該種碼率的最佳卷積碼；(4)根據(jù)給定協(xié)同通信系統(tǒng)的譯碼要求，在枚舉的最佳卷積碼中確定一種最佳卷積碼；( 根據(jù)這種最佳卷積碼決定協(xié)同通信系統(tǒng)中繼節(jié)點(diǎn)的編碼方案。即，根據(jù)協(xié)同通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和譯碼條件，得到最佳卷積碼，進(jìn)而確定中繼節(jié)點(diǎn)的編碼構(gòu)造方法。根據(jù)本發(fā)明確定的中繼節(jié)點(diǎn)的編碼構(gòu)造方法，在給定η'，k' ,ν'的條件下，其對(duì)應(yīng)的(n，k，ν) 最佳卷積碼已經(jīng)確定，根據(jù)卷積碼理論的最大化自由距離準(zhǔn)則和最小化最鄰近碼字?jǐn)?shù)目準(zhǔn)則，最佳卷積碼的編碼性能最好，因而使得協(xié)同通信系統(tǒng)的性能達(dá)到最好，因此，這種中繼節(jié)點(diǎn)編碼構(gòu)造方法是最佳的編碼構(gòu)造方法。根據(jù)上述的技術(shù)方案，本發(fā)明首先要對(duì)具體的協(xié)同通信系統(tǒng)進(jìn)行模型分析，分析協(xié)同通信系統(tǒng)源節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、輸入鏈路個(gè)數(shù)，從而確定某種碼率的卷積碼，然后根據(jù)協(xié)同通信系統(tǒng)的譯碼條件確定所要采取的最佳結(jié)構(gòu)，最后根據(jù)最佳卷積碼確定協(xié)同通信系統(tǒng)中繼節(jié)點(diǎn)的編碼方案，具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下第1步根據(jù)給定協(xié)同通信系統(tǒng)模型確定協(xié)同通信系統(tǒng)源節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)k'、輸入鏈路個(gè)數(shù)η'，令卷積碼編碼器的k = k' ,n = n'，確定卷積碼的碼率k/n ；第2步羅列出碼率R = k/n的一系列最佳卷積碼，這里最佳卷積碼的羅列可參考 Shu Lin等編著的《差錯(cuò)控制編碼(原書第2版)》；
第3步根據(jù)給定協(xié)同通信系統(tǒng)譯碼條件，也就是其中繼節(jié)點(diǎn)的編碼存儲(chǔ)長(zhǎng)度 V'，令卷積碼編碼器的整體約束長(zhǎng)度V = V'，對(duì)應(yīng)第2步中羅列的所有最佳卷積碼，根據(jù)確定的卷積碼編碼器的整體約束長(zhǎng)度ν進(jìn)行選擇，得到用(n，k，g)表示的(n，k，v)最佳卷積碼，其中g(shù)為生成矩陣；第4步根據(jù)(n，k，ν)最佳卷積碼確定協(xié)同通信系統(tǒng)的中繼節(jié)點(diǎn)的編碼方案，構(gòu)造中繼編碼。以下給出本實(shí)施例一，如圖3所示的四節(jié)點(diǎn)協(xié)同通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)存在一個(gè)源節(jié)點(diǎn)S，二個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)Rl和R2，一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)D。該系統(tǒng)可以劃分為兩個(gè)子信道從源節(jié)點(diǎn)S 到中繼節(jié)點(diǎn)Rl和R2的廣播信道；從中繼節(jié)點(diǎn)Rl和R2到目的節(jié)點(diǎn)D的多址信道。每個(gè)發(fā)射周期分為三個(gè)時(shí)隙，在第一時(shí)隙里，源節(jié)點(diǎn)S廣播一幀信息給中繼節(jié)點(diǎn)Rl和R2 ；在第二時(shí)隙里，中繼節(jié)點(diǎn)Rl發(fā)射一幀信息給目的節(jié)點(diǎn)；在第三時(shí)隙里，中繼節(jié)點(diǎn)R2發(fā)射一幀信息給目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)D對(duì)第二、三時(shí)隙里收到的信息進(jìn)行合并。按照上述步驟分析如下第1步源節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)k' = 1、輸入鏈路個(gè)數(shù)n' = 2，使卷積碼編碼器的輸入序列數(shù)k = k' 二丨，輸出序列數(shù)!! = !!' = 2，從而確定卷積碼的碼率k/n = 1/2 ；第2步羅列出碼率1/2的一系列最佳卷積碼，該碼率的最佳卷積碼以生成矩陣的形式給出，如圖4所示；第3步若協(xié)同通信系統(tǒng)的譯碼條件要求ν' = 2，則在第2步中羅列的最佳卷積碼中確定(2，1，幻最佳卷積碼，生成矩陣為[5 7]，該最佳卷積碼表示為(2，1，[5 7])，其對(duì)應(yīng)的卷積碼編碼器結(jié)構(gòu)如圖5所示；設(shè)輸入序列為a，b，c, d，e, f，移位寄存器的初始狀態(tài)為0，按照卷積碼編碼規(guī)則，輸出序列為a，a，b，b十a(chǎn)，c十a(chǎn)，c十b十a(chǎn)，d十b，d十c十b，e十c，e十d十c，f十
d，f十e十do第4步按照(2，1，[5 7])最佳卷積碼，確定中繼節(jié)點(diǎn)Rl的編碼規(guī)則是相隔的兩個(gè)比特進(jìn)行異或編碼；中繼節(jié)點(diǎn)R2的編碼規(guī)則是三個(gè)連續(xù)比特進(jìn)行異或編碼。如圖6 所示。表1源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射，目的節(jié)點(diǎn)接收合并信息表
權(quán)利要求
1.協(xié)同通信系統(tǒng)的中繼編碼構(gòu)造方法，其特征是對(duì)具體的協(xié)同通信系統(tǒng)進(jìn)行模型分析，從而確定卷積碼的碼率，然后根據(jù)協(xié)同通信系統(tǒng)的譯碼條件確定最佳卷積碼，最后根據(jù)最佳卷積碼確定協(xié)同通信系統(tǒng)中繼節(jié)點(diǎn)的編碼方案，構(gòu)造中繼編碼；其中，協(xié)同通信系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的卷積碼編碼器的輸入序列為k，輸入序列的數(shù)目為n，Vi為有k個(gè)輸入序列的卷積碼編碼器中第i移位寄存器的長(zhǎng)度，i = 1,2,…，k，卷積碼編碼器的整體約束長(zhǎng)度
全文摘要
協(xié)同通信系統(tǒng)的中繼編碼構(gòu)造方法，根據(jù)協(xié)同通信系統(tǒng)中的源節(jié)點(diǎn)數(shù)目和目的節(jié)點(diǎn)的輸入鏈路數(shù)目以及系統(tǒng)譯碼要求，確定最佳卷積碼，然后通過最佳卷積碼反過來確定協(xié)同通信系統(tǒng)中繼節(jié)點(diǎn)的編碼構(gòu)造方案，構(gòu)造中繼編碼。本發(fā)明解決了協(xié)同通信系統(tǒng)中繼節(jié)點(diǎn)的編碼問題，對(duì)于給定的協(xié)同通信系統(tǒng)，通過最佳卷積碼確定中繼節(jié)點(diǎn)的最佳編碼構(gòu)造方案，從而使給定的協(xié)同通信系統(tǒng)獲得最佳性能。
文檔編號(hào)H04B7/06GK102299733SQ20111026547
公開日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月8日
發(fā)明者張亞軍, 張偉明, 張宏蘇, 徐坤, 房務(wù)將, 楊保峰, 江天明, 江順, 沈越泓, 臧國珍, 蘇世彬, 郭明喜, 陳麗花, 高媛媛, 魏以民, 黃葆華, 龍彥汕 申請(qǐng)人:中國人民解放軍理工大學(xué)