一種基于信道-網(wǎng)絡(luò)編碼的雙中繼傳輸方案

譚杜坤

（西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院,陜西 西安710072）

一種基于信道-網(wǎng)絡(luò)編碼的雙中繼傳輸方案

譚杜坤

（西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院,陜西 西安710072）

研究了聯(lián)合信道編碼與網(wǎng)絡(luò)編碼的中繼傳輸技術(shù)，提出了一種雙中繼轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸模型。該模型有效結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)-信道編碼的糾錯(cuò)能力，采用雙中繼進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即利用了路徑的多樣性避免突變信道的影響又利用了數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜哂啵诮邮斩瞬捎眠x舉算法進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)。仿真研究表明本文提出的聯(lián)合信道-網(wǎng)絡(luò)編碼的雙中繼傳輸機(jī)制能夠有效降低接收端的誤比特率。

信道編碼；網(wǎng)絡(luò)編碼；LDPC碼；雙中繼傳輸

隨著人們對通信系統(tǒng)需求的增長，對數(shù)據(jù)速率和服務(wù)質(zhì)量的要求不斷提高［1］。如何實(shí)現(xiàn)更高傳輸速率、更高帶寬的無線傳輸?shù)葐栴}日益重要。這些問題的根源是如何提高信道容量。而中繼傳輸技術(shù)的出現(xiàn)解決了信號的傳輸距離問題，能擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)容量，成為了近年來的研究熱點(diǎn)之一。

信道編碼又稱為信道糾錯(cuò)編碼或差錯(cuò)控制編碼，旨在降低誤碼率，提高通信系統(tǒng)的可靠性。LDPC信道編碼技術(shù)是當(dāng)今信道編碼領(lǐng)域的最令人矚目的研究熱點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)編碼打破了傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)只能對接收到的信號進(jìn)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)的限制，允許網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)信息前對輸入的信息進(jìn)行編碼操作，終端用戶節(jié)點(diǎn)再通過譯碼算法將所需的信息進(jìn)行譯碼，這樣不同的信息就可以同時(shí)通過有限鏈路，從而提高網(wǎng)絡(luò)的流量［2］。

聯(lián)合信道-網(wǎng)絡(luò)編碼就是將信道編碼和網(wǎng)絡(luò)編碼相結(jié)合，利用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)所產(chǎn)生的冗余信息來協(xié)助信道編碼，來抵抗信道噪聲和衰落帶來的失真，實(shí)現(xiàn)更好的系統(tǒng)性能［2］。因此，在保證無線中繼網(wǎng)絡(luò)傳輸效率的前提下，將網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼相結(jié)合，從而進(jìn)一步改善無線網(wǎng)絡(luò)中的傳輸可靠性。

文獻(xiàn)［3］在研究無線網(wǎng)絡(luò)中物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了一種聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)利用LDPC碼和網(wǎng)絡(luò)編碼的線性特性以及軟輸入軟輸出模塊設(shè)計(jì),減少了編譯碼的復(fù)雜度。文獻(xiàn)［4］提出了將信道編碼、網(wǎng)絡(luò)編碼同時(shí)引入到協(xié)作通信系統(tǒng)而建立了基于聯(lián)合信道-網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)作通信機(jī)制，研究了能量分配、碼率分配對系統(tǒng)性能的影響。文獻(xiàn)［5］基于LDPC編碼和網(wǎng)絡(luò)編碼的線性編碼特性,利用了中繼節(jié)點(diǎn)處物理層接收到的疊加電磁波信號中包含的信息,提出了雙向中繼系統(tǒng)中匹配物理層網(wǎng)絡(luò)編碼-LDPC信道譯碼方案。文獻(xiàn)［6］提出了適用于雙向中繼信道的聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)-信道編碼協(xié)作通信方案，從理論上分析了該方案的吞吐量。文獻(xiàn)［7］中的方案結(jié)合了多進(jìn)制LDPC碼和隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼，并采用高階調(diào)制，有效提高頻帶利用率。文獻(xiàn)［8］提出了具有簡單聯(lián)合信道編碼-網(wǎng)絡(luò)編碼級聯(lián)結(jié)構(gòu)的協(xié)作中繼傳輸方案,證明了聯(lián)合信道編碼-網(wǎng)絡(luò)編碼結(jié)合迭代譯碼能夠有效提供高可靠無線通信。

本文提出了一種雙中繼轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸模型。該模型有效結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)-信道編碼的糾錯(cuò)能力，采用雙中繼進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即利用了路徑的多樣性避免突變信道的影響又利用了數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜哂啵诮邮斩瞬捎眠x舉算法進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)。

1　單中繼傳輸技術(shù)

在圖1所示的單中繼傳輸場景中，終端用戶N1和N3不能直接進(jìn)行通信。若要進(jìn)行信息的傳輸，需借助中繼節(jié)點(diǎn)N2的中繼轉(zhuǎn)發(fā)。中繼節(jié)點(diǎn)可以實(shí)施轉(zhuǎn)發(fā)的策略有3種：第一種是放大轉(zhuǎn)發(fā)，第二種是編碼轉(zhuǎn)發(fā)，第三種是結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼的轉(zhuǎn)發(fā)。

中繼節(jié)點(diǎn)的3種轉(zhuǎn)發(fā)策略涉及兩種傳輸模式。分別為傳統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)模式和基于網(wǎng)絡(luò)編碼的轉(zhuǎn)發(fā)模式。其中，傳統(tǒng)模式是指當(dāng)N1和N3有信息需進(jìn)行交互時(shí)，如圖1所示，N1先將信號發(fā)送給N2，接著N2將其轉(zhuǎn)發(fā)給N3。之后，N3經(jīng)歷相同的過程將自己的信息發(fā)送給N1，這樣就完成了N1與N3之間的信息交互。這個(gè)過程中每一次交付都占據(jù)一個(gè)相應(yīng)的傳輸時(shí)隙。其中，中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)策略包含了放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF）和編碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）兩種方式。

圖1　單中繼傳輸模型

基于網(wǎng)絡(luò)編碼的轉(zhuǎn)發(fā)模式是指，如圖1所示，N1將先將信號發(fā)送給N2，之后N3也將信號發(fā)送給N2，N2節(jié)點(diǎn)在收到N1和N3的信號之后，重新做映射處理，實(shí)施網(wǎng)絡(luò)編碼策略。并通過廣播信道轉(zhuǎn)發(fā)給N1和N3，N1和N3收到這個(gè)混合信號后，利用本地已有的信號，根據(jù)相應(yīng)算法得到對方信號。

在上述兩種傳輸模式中，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)模式需要4個(gè)時(shí)隙的時(shí)間才能完成終端用戶N1和N3之間的信息交互，基于網(wǎng)絡(luò)編碼的轉(zhuǎn)發(fā)模式只需要3個(gè)時(shí)隙時(shí)間。

2　雙中繼轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

為了進(jìn)一步提高用戶端的誤比特率性能，對終端用戶可直接通信的場景模型提出一種雙中繼雙向轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸模型。該傳輸模型中，N1節(jié)點(diǎn)和N3節(jié)點(diǎn)為終端用戶，N1節(jié)點(diǎn)和N3節(jié)點(diǎn)需要相互交互數(shù)據(jù)。N2節(jié)點(diǎn)和N4節(jié)點(diǎn)為中繼節(jié)點(diǎn)。如圖2所示，一次數(shù)據(jù)傳輸過程需要4個(gè)時(shí)隙時(shí)間。

圖2　雙中繼模型

時(shí)隙1階段，終端用戶N1對自身的數(shù)據(jù)包a經(jīng)LDPC編碼后廣播，中繼節(jié)點(diǎn)N2、N4和用戶節(jié)點(diǎn)N3都可以接收該數(shù)據(jù)包。

時(shí)隙2階段，終端用戶N3對自身的數(shù)據(jù)包b經(jīng)LDPC編碼后廣播，同理，中繼節(jié)點(diǎn)N2、N4和用戶N1節(jié)點(diǎn)接收該數(shù)據(jù)包。

時(shí)隙3和時(shí)隙4階段，中繼節(jié)點(diǎn)N2和N4，對接收到的來自源節(jié)點(diǎn)N1和N3的數(shù)據(jù)包，進(jìn)行解調(diào)，譯碼，并對源節(jié)點(diǎn)N1和N3的數(shù)據(jù)包進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，并將編碼后數(shù)據(jù)包C=X or（a，b）廣播出去。

此時(shí)，終端用戶N1和N3分別收到了來自對方的數(shù)據(jù)包和經(jīng)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼后的數(shù)據(jù)包。終端用戶節(jié)點(diǎn)首先對接收的數(shù)據(jù)包分別進(jìn)行解調(diào)和譯碼操作。以終端用戶N1為例，分別收到終端用戶N3直接廣播的數(shù)據(jù)包估計(jì)b0，中繼節(jié)點(diǎn)N2廣播的數(shù)據(jù)包和中繼節(jié)點(diǎn)N4廣播的數(shù)據(jù)包。終端用戶N1分別將中繼節(jié)點(diǎn)N2,N4廣播的數(shù)據(jù)包和本次存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼的解碼操作（本文采用異或方式解碼）,分別得到解碼后數(shù)據(jù)包b1,b2。終端用戶節(jié)點(diǎn)N1對接收到數(shù)據(jù)包b0,b1,b2采用選舉算法得到最終的解調(diào)結(jié)果，即當(dāng)有兩個(gè)數(shù)據(jù)包序列對應(yīng)的比特位相同時(shí)，認(rèn)為該比特值為數(shù)據(jù)包對應(yīng)的正確值。

3　性能仿真

3.1單中繼傳輸系統(tǒng)性能仿真

本仿真研究了直接轉(zhuǎn)發(fā)，編碼轉(zhuǎn)發(fā)和結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼的雙向中繼轉(zhuǎn)發(fā)的用戶端誤比特率性能，采用BPSK調(diào)制方式，高斯白噪聲信道，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3　直接轉(zhuǎn)發(fā)，編碼轉(zhuǎn)發(fā)，網(wǎng)絡(luò)編碼轉(zhuǎn)發(fā)性能對比

仿真結(jié)果圖3表明，編碼轉(zhuǎn)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)編碼轉(zhuǎn)發(fā)的性能優(yōu)于直接轉(zhuǎn)發(fā)性能。由于直接轉(zhuǎn)發(fā)過程中引入了鏈路上的噪聲，導(dǎo)致通信性能降低。編碼轉(zhuǎn)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)編碼轉(zhuǎn)發(fā)克服了噪聲的影響，但不可避免的存在解碼錯(cuò)誤的影響。網(wǎng)絡(luò)編碼轉(zhuǎn)發(fā)的性能與編碼轉(zhuǎn)發(fā)的性能接近，但網(wǎng)絡(luò)編碼是對編碼轉(zhuǎn)發(fā)的進(jìn)一步處理，也會(huì)引入部分錯(cuò)誤，導(dǎo)致其性能的降低。網(wǎng)絡(luò)編碼轉(zhuǎn)發(fā)較前兩種轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的節(jié)省了一個(gè)時(shí)隙的傳播時(shí)間。

仿真結(jié)果圖4對比研究了直接轉(zhuǎn)發(fā)，編碼轉(zhuǎn)發(fā)，網(wǎng)絡(luò)編碼結(jié)合LDPC編碼的雙向單中繼轉(zhuǎn)發(fā)的用戶端誤比特率性能，采用BPSK調(diào)制方式，高斯白噪聲信道。在網(wǎng)絡(luò)編碼轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)了進(jìn)一步結(jié)合LDPC信道編碼，降低了中繼節(jié)點(diǎn)編碼錯(cuò)誤帶來的錯(cuò)誤，提高用戶端的誤比特率性能。仿真結(jié)果圖4表明，當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)能夠有效的降低解碼的錯(cuò)誤時(shí)，用戶端的誤比特性能明顯提升。

仿真結(jié)果圖5，對比研究了結(jié)合LDPC編碼的直接轉(zhuǎn)發(fā)，編碼轉(zhuǎn)發(fā)，網(wǎng)絡(luò)編碼單中繼轉(zhuǎn)發(fā)的用戶端誤比特率性能，采用BPSK調(diào)制方式，高斯白噪聲信道。仿真結(jié)果圖4表明，編碼轉(zhuǎn)發(fā)和結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼的單中繼轉(zhuǎn)發(fā)在信噪比為8dB時(shí)，用戶端的誤比特率為10-3。直接轉(zhuǎn)發(fā)方式用戶端的誤比特率為10-1，在3種轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)上結(jié)合LDPC編碼，如仿真結(jié)果如圖5所示，3種轉(zhuǎn)發(fā)方式用戶端性能均有所提升，但直接轉(zhuǎn)發(fā)方式只提高了一個(gè)數(shù)量級。對于編碼轉(zhuǎn)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)編碼轉(zhuǎn)發(fā)方式，由于中繼節(jié)點(diǎn)能夠有效的降低重新編碼中存在的錯(cuò)誤，用戶端的誤比特率性能明顯提高，當(dāng)信噪比達(dá)到4 dB以后，誤碼率為零。

圖4　網(wǎng)絡(luò)編碼結(jié)合LDPC編碼的性能對比

圖5　結(jié)合LDPC編碼的性能對比

3.2雙中繼傳輸系統(tǒng)性能仿真

本節(jié)仿真研究了雙中繼傳輸模型下的用戶端誤比特性能，采用BPSK調(diào)制方式，高斯白噪聲信道。仿真結(jié)果圖6，對比研究了直接傳輸和雙中繼雙向傳輸模型下，終端用戶N3處的誤比特率性能。仿真結(jié)果圖6表明，相對于直接轉(zhuǎn)發(fā)和單中繼轉(zhuǎn)發(fā)，雙中繼傳輸模型雖然在時(shí)隙數(shù)量上和傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)模型一樣，但在誤比特率性能上有著明顯提升。這是因?yàn)槲闹刑岢龅碾p中繼傳輸模型能夠有效的利用信道的廣播特性，結(jié)合了信道-網(wǎng)絡(luò)編碼的糾錯(cuò)能力和多路徑帶來的數(shù)據(jù)包冗余，采用了LDPC編碼降低了中繼節(jié)點(diǎn)處的重新編碼引入的誤差，接收節(jié)點(diǎn)處采用選舉算法進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)。

圖6　雙中繼傳輸模型誤比特性能

4　結(jié)束語

文中研究了基于信道與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合編碼的無線中繼傳輸技術(shù)，仿真對比了3種中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略的性能，和引入LDCP編碼后的無線中繼傳輸性能。在此基礎(chǔ)上，提出了一種雙中繼轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸模型。該模型有效結(jié)合了信道-網(wǎng)絡(luò)編碼的糾錯(cuò)能力和多路徑冗余傳輸，接收端采用選舉算法進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)編碼和LDPC編碼的糾錯(cuò)性能。仿真研究表明本文提出的聯(lián)合信道-網(wǎng)絡(luò)編碼的雙中繼傳輸機(jī)制能夠有效提高該傳輸網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)誤比特率，從而提高了網(wǎng)絡(luò)有效吞吐量。

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Scheme of double relay transmission based on network—channel coding

TAN Du-kun
（Northwestern Polytechnical University School of Marine Science and Technology，Xi′an 710072,China）

In this paper,we study a relay transmission technology based on network-channel coding and propose a double relay transmission model.This model effectively enhances the ability of error correction by network-channel coding.It adopts a double relay model for data transmission that avoids the influence of mutation channel by the diversity of multi-path.It also can get redundancy transmission data.Then,the receiver recovers data by the election algorithm.Simulation results show that the proposed double relay transmission model can reduce the bit error rate.

channel coding；network coding；LDPC Code；double relay transmission

TN925

A

1674－6236（2016）13-0110-03

2015-07-01稿件編號：201507006

譚杜坤（1983—），男，陜西西安人，碩士研究生。研究方向：信息與信號處理。