基于補償校正的網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼聯(lián)合設(shè)計

朱 虹，黃學(xué)軍，鄔 可

(南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210003)

基于補償校正的網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼聯(lián)合設(shè)計

朱 虹，黃學(xué)軍，鄔 可

(南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210003)

將信道編譯碼中性能較優(yōu)的LDPC碼運用到網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼聯(lián)合設(shè)計，提出一種接收端補償校正的網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼聯(lián)合設(shè)計方案，該方案在中繼節(jié)點進行解調(diào)和譯碼后硬判決，以降低中繼節(jié)點處理數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，然后進行網(wǎng)絡(luò)編碼而不考慮編碼數(shù)據(jù)中存在的誤碼，通過接收節(jié)點對中繼硬判決信息的錯誤概率進行補償和校正來獲取最大似然接收。仿真實驗表明，提出的網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼聯(lián)合設(shè)計方案不但降低了中繼節(jié)點處理數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，同時提高了傳輸系統(tǒng)的可靠性。

信道編碼；網(wǎng)絡(luò)編碼；協(xié)作中繼模型；LDPC碼；聯(lián)合迭代譯碼

Ahlswede等人在2000年提出了網(wǎng)絡(luò)編碼[1](Network Coding，NC)概念。網(wǎng)絡(luò)編碼指出：對于網(wǎng)絡(luò)組播中節(jié)點而言，增加相應(yīng)的編碼操作可使源節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點間達到最大流最小割[2]定理給出的傳輸速率。通過對網(wǎng)絡(luò)編碼研究，人們發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編碼是一種接近容量極限的通信網(wǎng)絡(luò)工具。網(wǎng)絡(luò)編碼思想挑戰(zhàn)了只能對信息進行轉(zhuǎn)發(fā)和存儲的限制，文獻[3]表明網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用可以使傳輸信道達到最大傳輸容量。將網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用到無線通信網(wǎng)絡(luò)中，在改善負載均衡、節(jié)點能耗、網(wǎng)絡(luò)吞吐量方面有較大性能優(yōu)勢，已經(jīng)引起專家和學(xué)者的關(guān)注。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用范圍，Zhang等人[4]將網(wǎng)絡(luò)編碼分為有限域中物理層網(wǎng)絡(luò)編碼和無限域中物理層網(wǎng)絡(luò)編碼。文獻[5]針對信道編碼和網(wǎng)絡(luò)編碼在雙向中繼信道中的應(yīng)用，提出了Turbo網(wǎng)絡(luò)編碼方法，研究結(jié)果顯示該方法可以顯著提高網(wǎng)絡(luò)編碼在通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的可靠性。為了獲得編碼增益或者空間分集增益，人們對網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼聯(lián)合方案進行了深入研究。Hausl等人[5-6]設(shè)計了一種碼率兼容的網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼聯(lián)合方案，在這種方案里中繼網(wǎng)絡(luò)對兩個源節(jié)點的數(shù)據(jù)進行估計來提供冗余信息。Hou等人[7]根據(jù)對分布式Turbo碼的研究，在雙向中繼信道中提出了3種基于Turbo碼的網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼聯(lián)合設(shè)計方案，分別是信道編碼后進行網(wǎng)絡(luò)編碼方案、信道編碼前進行網(wǎng)絡(luò)編碼方案和調(diào)制后疊加方案。

在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼聯(lián)合設(shè)計方案中，通常中繼節(jié)點需要對接收數(shù)據(jù)進行解調(diào)和譯碼操作后進行基于軟信息的網(wǎng)絡(luò)編碼操作，該方案的缺點是增大了中繼節(jié)點處理數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，使得對中繼節(jié)點的處理復(fù)雜度和能量損耗提出了更高的要求。針對該方案存在的問題，有文獻提出將Turbo碼與網(wǎng)絡(luò)編碼聯(lián)合設(shè)計用于協(xié)作通信中，取得了較好的效果。根據(jù)對信道編碼中的Turbo碼和低密度校驗(Low Density Parity Check，LDPC)碼的學(xué)習(xí)，本文將信道編碼中性能較優(yōu)的LDPC運用到網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼聯(lián)合設(shè)計，提出一種接收端補償校正的網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼聯(lián)合設(shè)計方案，該方案與上面介紹文獻方案的不同之處是，本方案信道編譯碼采用性能較優(yōu)的LDPC碼。在本文提出的方案中信道編譯碼采用LDPC碼，中繼節(jié)點對接收數(shù)據(jù)進行解調(diào)和譯碼操作后硬判決，降低中繼節(jié)點處理數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，然后進行網(wǎng)絡(luò)編碼操作而不考慮網(wǎng)絡(luò)編碼中存在的誤碼，通過接收節(jié)點對中繼硬判決信息的錯誤概率進行校正和補償來獲取最大似然接收。本文提出的方案不但可以降低中繼節(jié)點處理數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，而且可以提高傳輸系統(tǒng)的可靠性。

1 雙向中繼系統(tǒng)模型

本文無線通信網(wǎng)絡(luò)的雙向中繼信道模型中，由2個源節(jié)點A，B和1個中繼節(jié)點R組成，如圖1所示。

圖1 雙向中繼系統(tǒng)模型

在圖1所示的雙向中繼系統(tǒng)模型中，本文提出的基于補償校正的網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼聯(lián)合設(shè)計的實現(xiàn)過程為：

1)源節(jié)點A和B將需要傳送的原始數(shù)據(jù)UA和UB進行信道編碼(此處采用性能較優(yōu)的LDPC碼)、BPSK調(diào)制之后變?yōu)閄A和XB，將XA和XB廣播到其他節(jié)點。

2)中繼節(jié)點R對接收數(shù)據(jù)解調(diào)和LDPC譯碼后硬判決，然后進行網(wǎng)絡(luò)編碼操作得到UR，調(diào)制后廣播到源節(jié)點A和源節(jié)點B。

3)在源節(jié)點A處(以源節(jié)點A為例)，將接收數(shù)據(jù)XR進行最大似然解調(diào)獲得LRA，將LRA與源節(jié)點A自身數(shù)據(jù)XA進行解網(wǎng)絡(luò)編碼來獲得關(guān)于源節(jié)點B發(fā)送的數(shù)據(jù)；將源節(jié)點B發(fā)送的數(shù)據(jù)和源節(jié)點B直接傳送過來的數(shù)據(jù)進行最大比合并來獲得信息位，將該信息位和源節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)的校驗位送入迭代譯碼器中，來獲得源節(jié)點B發(fā)送到源節(jié)點A的數(shù)據(jù)。

下面來詳細介紹本文提出的基于補償校正的網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼聯(lián)合設(shè)計方法。

2 基于補償校正的網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼聯(lián)合設(shè)計

1)源節(jié)點處理操作

將源節(jié)點數(shù)據(jù)包UA和UB經(jīng)過LDPC編碼器分別進行信道編碼為

VA=Γ(UA)

(1)

UB=Γ(UB)

(2)

圖2 源節(jié)點處理操作示意圖

在第1個時隙過程中，源節(jié)點A同時將XA發(fā)送到源節(jié)點B和中繼節(jié)點R；在第2個時隙過程中，源節(jié)點B同時將XB發(fā)送到源節(jié)點A和中繼節(jié)點R。在該雙向中繼系統(tǒng)模型中，設(shè)定信號發(fā)射功率相同，系統(tǒng)完全同步，信道中存在的干擾類型為高斯白噪聲，噪聲方差值是σ2。

2)中繼處理操作

(3)

在第3個時隙過程中，中繼節(jié)點R將編碼之后的數(shù)據(jù)UR進行調(diào)制之后變?yōu)閄R，將XR廣播到源節(jié)點中，該中繼節(jié)點R的處理操作過程如圖3所示。

3)基于補償校正的最大似然解調(diào)算法

在本文提出的基于補償校正的最大似然解調(diào)算法中，中繼節(jié)點為了降低處理數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，只是對接收數(shù)據(jù)進行硬判決，沒有考慮網(wǎng)絡(luò)編碼中存在的誤碼。因此，需要源節(jié)點對中繼節(jié)點硬判決數(shù)據(jù)的錯誤概率進行補償校正，來改善傳輸系統(tǒng)的可靠性。

圖3 中繼節(jié)點操作過程示意圖

本文以源節(jié)點A為例進行校正補償?shù)睦碚撨^程為：

當UR=0時，信號YRA的概率密度函數(shù)(PDF)為

p(YRA|hRA,UR=0)=[(1-εAR)(1-εBR)+εARεBR]·

p(YRA|hRA,UAR=UBR)+[εAR(1-εBR)+εBR·

(1-εAR)]·p(YRA|hRA,UAR≠UBR)

(4)

當UR=1時，信號YRA的概率密度函數(shù)(PDF)為

p(YRA|hRA,UR=1)=[(1-εAR)(1-εBR)+εARεBR]·

p(YRA|hRA,UAR≠UBR)+[εAR(1-εBR)+εBR(1-εAR)]·

p(YRA|hRA,UAR=UBR)

(5)

從而求得YRA的對數(shù)似然比為

(6)

式(6)為信道特性對接收端的性能貢獻，在接收節(jié)點計算中繼節(jié)點傳輸過來的軟信息時，根據(jù)信道誤碼率εij進行了較好補償。

一種較為簡單的數(shù)據(jù)判決算法是：計算信道YRA的對數(shù)似然比為

(7)

由于f(t)函數(shù)計算復(fù)雜度較高，文獻[8]證明可用一個線性分段函數(shù)fPL(t)來近似，即

(8)

同理，參照本方案可以對源節(jié)點B的接收數(shù)據(jù)進行校正補償。

4)聯(lián)合迭代譯碼處理

此處聯(lián)合迭代譯碼處理還是以源節(jié)點A為例，在源節(jié)點A處會有3個數(shù)據(jù)信號進入到聯(lián)合迭代譯碼器中，分別是源節(jié)點A自身數(shù)據(jù)XA，從中繼接收到的數(shù)據(jù)YRA和源節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)YBA。此處聯(lián)合迭代譯碼操作的處理過程如圖4所示。

圖4 聯(lián)合迭代譯碼過程示意圖

在圖4所示的聯(lián)合迭代譯碼操作過程示意圖中，YRA進行最大似然解調(diào)變?yōu)長RA，YBA進行最大似然解調(diào)變?yōu)長BA，計算過程為

(9)

(10)

式中：hRA和hBA分別表示R-A信道特性和R-B信道特性。

將XA和LRA進行解網(wǎng)絡(luò)編碼操作后與LBA進行聯(lián)合迭代譯碼操作，獲得數(shù)據(jù)UBA，此處聯(lián)合迭代譯碼操作的處理過程為：

(1)將XA和LRA進行解網(wǎng)絡(luò)編碼操作，獲得源節(jié)點B發(fā)送的數(shù)據(jù)(LS,RA,LP2)。

(2)因LBA含有源節(jié)點B的信息位數(shù)據(jù)和校驗位數(shù)據(jù)，即為LBA=(LS,BA,LP1)，故需要將源節(jié)點B的數(shù)據(jù)進行最大比合并，即

LS=LS,RA+LS,BA

(11)

(3)將LS和LP1進行聯(lián)合迭代譯碼操作，從而譯碼出源節(jié)點B發(fā)送到源節(jié)點A的數(shù)據(jù)。

3 仿真結(jié)果分析

通過仿真實驗來分析本文提出的接收端補償校正的網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼聯(lián)合設(shè)計方案的誤碼率性能。本文仿真參數(shù)設(shè)置為：含有瑞利衰落的高斯白噪聲信道，幀長為100bit，幀數(shù)為100 000。同時，仿真實驗中增加了對比方案來比較本文所提方案的誤碼率性能，采用的兩種對比方案是：1)基于硬信息中繼的聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼方案，該方案在中繼節(jié)點R處采用“硬信息”遞歸卷積系統(tǒng)解碼和“硬信息”遞歸卷積系統(tǒng)編碼，在源節(jié)點A和B采用聯(lián)合分布式Turbo譯碼和解網(wǎng)絡(luò)編碼；2)基于Turbo碼的校正補償方案，該方案在信道編譯碼中采用Turbo碼，在中繼節(jié)點對接收數(shù)據(jù)進行解調(diào)和Turbo譯碼操作后硬判決，然后進行網(wǎng)絡(luò)編碼操作，通過接收節(jié)點對中繼硬判決信息的錯誤概率進行校正和補償來獲取最大似然接收。

以源節(jié)點A為例進行仿真實驗，將本文方案和兩種對比方案進行誤碼率性能比較，仿真實驗如圖5所示。

圖5 3種編碼方案的誤碼率性能對比圖

根據(jù)圖5中仿真結(jié)果可知，本文提出的信道編碼采用LDPC碼的接收端補償校正的網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼聯(lián)合設(shè)計方案在誤碼率性能方面優(yōu)于第1種方案，和第2種方案相近。同時，通過圖5a和圖5b對比可知，隨著聯(lián)合迭代譯碼次數(shù)的增加，本文信道編碼采用LDPC碼的方案優(yōu)于信道編碼采用Turbo碼的方案，較好地改善了系統(tǒng)的誤碼率。因此，本文提出方案不但降低了中繼節(jié)點處理數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，同時提高了傳輸系統(tǒng)的可靠性。

4 小結(jié)和研究展望

本文提出了一種接收端補償校正的網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼聯(lián)合設(shè)計方案，該方案在中繼節(jié)點對接收數(shù)據(jù)解調(diào)和譯碼后硬判決，然后進行網(wǎng)絡(luò)編碼而不考慮編碼數(shù)據(jù)中存在的誤碼，以降低中繼節(jié)點處理數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，通過接收節(jié)點對中繼硬判決信息的錯誤概率進行補償和校正來獲取最大似然接收。

通過仿真實驗可知，本文提出的方案不但降低了中繼節(jié)點處理數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，同時提高了傳輸系統(tǒng)的可靠性。

本文研究的是無線通信網(wǎng)絡(luò)下3節(jié)點的雙向中繼系統(tǒng)的誤碼率性能，但實際通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)下不可能只存在1個中繼節(jié)點、系統(tǒng)不可能完全同步等問題。在這種網(wǎng)絡(luò)場景下，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型如何建立和分析將是接下來的研究工作重心。

[1]AHLSWEDER，CAIN，LIS-YR，etal.Networkinformationflow[J].IEEETrans.InformationTheory, 2000, 46(4): 1204-1216.

[2]AHUJARK,MAGNANTITL,ORLINJB.Networkflows:theory,algorithmsandapplications[M].EnglewoodCliffs,NJ:PrenticeHall, 1993.

[3]KATTIS,RAHULH,HUWJ,etal.XORsintheair:practicalwirelessnetworkcoding[J].IEEE/ACMTrans.Networking, 2008, 16(3): 487-510.

[4]ZHANGS,LIEWS,LUL.Physicallayernetworkcodingschemesoverfiniteandinfinitefields[EB/OL]. [2014-03-20].http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0804.

[5]HAUSLC,HAGENAUERJ.Iterativenetworkandchanneldecodingforthetwo-wayrelaychannel[C]//Proc.IEEEInternationalConferenceonCommunications.Istanbul：IEEEPress，2006：1568-1573.

[6]HAUSLC.Improvedrate-compatiblejointnetworkchannelcodeforthetwo-wayrelaychannel[C]//Proc. 15thJointConferenceonCommunicationandCoding. [S.l.]：IEEEPress，2006：102-107.

[7]HOUJ，HAUSLC，KOTTERR.Distributedturbocodingschemesforasymmetrictwo-wayrelaycommunication[C]//Proc. 5thInternationalSymposiumTurbocodesandRelatedTopics.Lausanne,Switzerland：[s.n.]，2008：237-242.

[8]CHENDQ,LANEMANJN.Modulationanddemodulationforcooperativediversityinwirelesssystems[J].IEEETrans.WirelessCommunication, 2006, 5(7)：1785-1794.

朱 虹(1990— )，女，碩士生，主研協(xié)作通信、網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼；

黃學(xué)軍(1967— )，副教授，碩士生導(dǎo)師，主研現(xiàn)代無線通信及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)；

鄔 可(1988— )，女，碩士生，主研協(xié)作通信、網(wǎng)絡(luò)編碼。

責(zé)任編輯：薛 京

Joint Design of Network and Channel Coding Based on Compensation and Correction

ZHU Hong, HUANG Xuejun, WU Ke

(NanjingUniversityofPostsandTelecommunications,Nanjing210003,China)

In this paper, the optimum channel coding performance LDPC codec is applied to joint network-channel coding and a joint network-channel coding scheme is proposed which compensation and correction in the received nodes in the two-way relay channels. The scheme uses received data that have demodulated and decoded to realize network coding, without considering network coding errors, to reduce the complexity of the relay node data processing, compensation and correction hard decision error probability information at the received node to obtain maximum likelihood. The simulation confirms that the joint network-channel coding method can improve the bit error rate performance.

channel coding; network coding; cooperative relay model; LDPC code; joint iterative decoding

國家“973”計劃項目(2013CB329005)；國家科技重大專項(2012ZX03001008-003；2011ZX03005-004-03)；江蘇省“973”計劃項目(BK2011027)

TN911.22

A

10.16280/j.videoe.2015.01.020

2014-03-27

【本文獻信息】朱虹，黃學(xué)軍，鄔可.基于補償校正的網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼聯(lián)合設(shè)計[J].電視技術(shù),2015，39(1).