唐 玲，楊平先

(四川理工學(xué)院 自動(dòng)化與電子信息學(xué)院，四川 自貢 643000)

無線中繼協(xié)作中LDPC碼與網(wǎng)絡(luò)編碼聯(lián)合設(shè)計(jì)探討

唐 玲，楊平先

(四川理工學(xué)院 自動(dòng)化與電子信息學(xué)院，四川 自貢 643000)

在研究無線協(xié)作移動(dòng)通信的基礎(chǔ)上，利用LDPC(Low Density Parity Check)碼(多層LDPC碼或者速率兼容LDPC碼)，針對(duì)多接入?yún)f(xié)作系統(tǒng)，討論如何將其與網(wǎng)絡(luò)編碼(線性網(wǎng)絡(luò)編碼、隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼)結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，從而提高通信系統(tǒng)性能和吞吐量，具有極高的理論價(jià)值和應(yīng)用前景。

中繼協(xié)作；低密度檢驗(yàn)碼(LDPC)；網(wǎng)絡(luò)編碼

近年來，隨著LTE技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于通信速度的要求越來越高。由于移動(dòng)終端尺寸的限制，基于中繼的協(xié)作通信成為4G和WiMAX中的重要技術(shù)，并被寫入IEEE802.16系列標(biāo)準(zhǔn)的文檔中，是繼MIMO多天線技術(shù)之后無線通信與網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域內(nèi)又一前沿研究課題。如果將網(wǎng)絡(luò)編碼和LDPC碼應(yīng)用到多中繼的無線協(xié)作通信系統(tǒng)中，必然會(huì)很大程度上提高通信系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃?、安全性，使網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到最大流傳輸?shù)睦碚摌O限，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和數(shù)據(jù)傳輸速率，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性和糾錯(cuò)性能，這將是一個(gè)非常具有理論價(jià)值和應(yīng)用前景的研究方向。

網(wǎng)絡(luò)編碼自從2000年提出之后就得到了廣泛的關(guān)注，它融合了編碼和路由的概念，通過允許對(duì)來自不同鏈路的信息進(jìn)行編碼組合，使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)既實(shí)現(xiàn)路由功能又實(shí)現(xiàn)編碼功能。LDPC碼是一種線性分組碼，它于1962年由Gallager提出，是當(dāng)今信道編碼領(lǐng)域最受矚目的研究熱點(diǎn)。為提高編碼調(diào)制系統(tǒng)的整體增益，文獻(xiàn)[1]提出了一種分布優(yōu)化方法，從而改善誤碼性能；文獻(xiàn)[2]考慮在半雙工系統(tǒng)下，實(shí)現(xiàn)了單源、單中繼、單宿系統(tǒng)的LDPC碼設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[3]針對(duì)上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)出雙層LDPC碼，這樣設(shè)計(jì)的原因是為了保證達(dá)到系統(tǒng)的最大容量，并針對(duì)復(fù)雜模型設(shè)計(jì)了多層LDPC碼，將LDPC碼與協(xié)作系統(tǒng)完美地結(jié)合在一起；文獻(xiàn)[4]將多層LDPC碼應(yīng)用到多源多中繼多宿系統(tǒng)中，提出了針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的改良方案，采用的速率兼容LDPC碼是一類嵌套LDPC碼，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是只需一個(gè)解碼器就可以將所有不同速率的LDPC碼正確譯出。

Zhang等人在雙向中繼模型中提出了物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案[5]，利用無線電波的廣播特性，將電磁波信號(hào)在空間的疊加映射到調(diào)制符號(hào)集合中，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編碼的思想。文獻(xiàn)[6]研究了隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼與協(xié)作中繼傳輸?shù)慕Y(jié)合，即使網(wǎng)絡(luò)部分節(jié)點(diǎn)或鏈路失效，最終在目的節(jié)點(diǎn)仍然能恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性和魯棒性。利用信道編碼可以為網(wǎng)絡(luò)編碼提供一個(gè)良好可靠的通信環(huán)境，有助于信道編碼的成功應(yīng)用。但是如何在通信節(jié)點(diǎn)同時(shí)實(shí)施網(wǎng)絡(luò)與信道聯(lián)合編碼，使二者得以相輔相成，但目前的研究還處于起步階段。

1 問題的提出

考慮一個(gè)多用戶、多中繼的協(xié)作系統(tǒng)上行鏈路，如圖1所示。小區(qū)內(nèi)N個(gè)用戶終端(S1，S2，…，SN)通過M個(gè)用戶中繼向基站D發(fā)送數(shù)據(jù)，通信過程可以分為兩個(gè)階段：第一階段，N個(gè)用戶向中繼和基站廣播消息；第二個(gè)階段，中繼節(jié)點(diǎn)將用戶數(shù)據(jù)處理后發(fā)送到基站?；咀罱K根據(jù)用戶數(shù)據(jù)和中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取用戶信息。

圖1 多接入?yún)f(xié)作系統(tǒng)上行鏈路

假定每個(gè)用戶均采用LDPC信道編碼方式(多層LDPC碼或速率兼容LDPC碼)，中繼與用戶采用相同的信道編碼方式，中繼收到用戶數(shù)據(jù)后先進(jìn)行解碼，獲得用戶信息，并按照需求重新對(duì)所選擇的數(shù)據(jù)進(jìn)行LDPC信道編碼，隨后各個(gè)中繼再分別進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼(線性網(wǎng)絡(luò)編碼、物理層網(wǎng)絡(luò)編碼或隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼)，在基站設(shè)計(jì)最優(yōu)聯(lián)合譯碼方式，針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)編碼方式和LDPC信道編碼，最終譯出用戶信息。

2 設(shè)計(jì)方案

總體研究思路：1)依據(jù)中繼協(xié)作方式，建立系統(tǒng)模型，如圖1所示；2)采用統(tǒng)一LDPC碼，中繼處實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編碼和LDPC的聯(lián)合編碼；3)基站接收數(shù)據(jù)，并進(jìn)行聯(lián)合譯碼，計(jì)算誤碼率。

1)中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中，LDPC碼的速率可以逼近系統(tǒng)的容量極限，如果要達(dá)到這一要求需要將一部分校驗(yàn)碼由中繼發(fā)出，將校驗(yàn)碼分為不同的子集，分別由不同的中繼發(fā)出或在不同的時(shí)隙發(fā)出，通過信源、中繼和信宿的協(xié)同合作，最終成功解碼，然而多層LDPC碼與速率兼容LDPC碼的構(gòu)造方法是不一樣的，如圖2和圖3所示。

雙層LDPC碼應(yīng)用在單源、單宿、單中繼網(wǎng)絡(luò)中，單源首先廣播信息，中繼收到數(shù)據(jù)后，首先進(jìn)行解碼，然后針對(duì)部分信號(hào)重新進(jìn)行LDPC編碼，得到k2個(gè)校驗(yàn)碼，然后將k2個(gè)校驗(yàn)碼發(fā)送到信宿，并協(xié)助信宿解碼在信源廣播時(shí)隙中收到的數(shù)據(jù)。信源發(fā)送數(shù)據(jù)(LDPC碼)，在這個(gè)過程中，校驗(yàn)碼被分成了兩個(gè)子集φ(1)和φ(2)，分別代表了兩層數(shù)據(jù)，所以被稱為雙層LDPC碼。對(duì)于多中繼網(wǎng)絡(luò)來說，就需要將校驗(yàn)碼分成更多的子集，形成多層LDPC碼，如圖4所示，對(duì)于多源、多宿、多中繼模型，每個(gè)信源發(fā)出的LDPC碼都被分成了兩層，外層校驗(yàn)碼是根據(jù)S—R之間的信道速率優(yōu)化的，而內(nèi)層則是根據(jù)整個(gè)中繼網(wǎng)絡(luò)的容量極限優(yōu)化的，內(nèi)層校驗(yàn)碼用來幫助基站反方向譯碼，獲得信源發(fā)出信號(hào)中包含的全部信息。

圖2 雙層LDPC碼

圖3 速率兼容LDPC

速率兼容LDPC的構(gòu)造方式有別于多層LDPC碼，如圖3所示，二者設(shè)計(jì)理念相似，但前者將需要重傳的校驗(yàn)碼子集附在矩陣末端，通過單一解碼器反方向譯碼，子集的個(gè)數(shù)與中繼個(gè)數(shù)和需要重傳的次數(shù)有關(guān)。

2)中繼處對(duì)LDPC成功解碼后，按照需求對(duì)需要中繼傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，再將得到的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行LDPC信道編碼，發(fā)送到基站。

圖4 多源、多宿、多中繼中的多層LDPC模型

3)基站接收到數(shù)據(jù)后，反方向聯(lián)合譯碼，首先解碼LDPC，然后對(duì)解碼后的接收碼字進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解碼，得到原始信號(hào)，最后計(jì)算誤碼率。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

針對(duì)兩源兩宿一中繼模型，采取MATLAB和C++混合編程的方法，研究了LDPC碼與網(wǎng)絡(luò)編碼的聯(lián)合編解碼設(shè)計(jì)，如圖5所示。仿真條件：用戶1和用戶2的上行信道條件相同，分別發(fā)送長(zhǎng)度為512的原始碼字，經(jīng)過LDPC編碼和BPSK調(diào)制后通過AWGN信道，中繼節(jié)點(diǎn)通過線性網(wǎng)絡(luò)編碼后，將編碼后的碼字經(jīng)過調(diào)制之后再次發(fā)送出去，用戶1和用戶2通過解調(diào)、解碼得到相互的估計(jì)數(shù)據(jù)。

圖5 系統(tǒng)模型

仿真過程如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，應(yīng)用聯(lián)合編解碼的系統(tǒng)與傳統(tǒng)的中繼協(xié)作系統(tǒng)具有更低的誤碼率，如圖7所示。再者，如果假設(shè)兩種方案的誤碼率近似一致，那么在傳輸時(shí)間上，采用聯(lián)合編解碼所需的時(shí)隙數(shù)也就越少，因此該方案比傳統(tǒng)傳輸模式具有更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。將LDPC碼與網(wǎng)絡(luò)編碼的聯(lián)合技術(shù)應(yīng)用到無線中繼協(xié)作系統(tǒng)中，將會(huì)大大提高網(wǎng)絡(luò)的性能。

4 小結(jié)

網(wǎng)絡(luò)編碼融合了編碼和路由的概念，通過允許對(duì)來自不同鏈路的信息進(jìn)行編碼組合，使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)既實(shí)現(xiàn)路由功能又實(shí)現(xiàn)編碼功能。LDPC碼是一種線性分組碼，它相對(duì)Turbo碼來說，具有更低的編譯碼復(fù)雜度，也是當(dāng)今信道編碼領(lǐng)域最受矚目的研究熱點(diǎn)。本文重點(diǎn)討論如何將網(wǎng)絡(luò)編碼和LDPC碼相結(jié)合應(yīng)用到中繼無線協(xié)作通信系統(tǒng)中，從而提高網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，并在兩源兩宿一中繼的系統(tǒng)中進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了聯(lián)合設(shè)計(jì)方案的可行性，有效降低了系統(tǒng)的誤碼率，提高了性能。

圖6 仿真流程

圖7 BER仿真圖

[1]陳紫強(qiáng), 藏嵐，謝躍雷，等. 高階調(diào)制系統(tǒng)下LDPC碼優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 電視技術(shù)，2013, 37(17):193-196.

[2]CHAKRABARTIA, ERKIP E, SABHARWAL A, et al. Code Designs for cooperative Communication[J]. IEEE Signal Processing Magazine, 2007, 24(5):16-26.

[3]RAZAGHIP, YU W. Bilayer LDPC codes for the relay channel[C]//Proc. IEEE International Conference on Communications. Istanbul: IEEE Press, 2006: 1574-1579.

[4]KIM J H, PARK S Y, KIM Y J, et al. Joint LDPC codes for multi-user relay channel[C]//Proc. 4th Workshop on Network Coding, Theory and Applications. Hong Kong: IEEE Press, 2008:1-6.

[5]ZHANGS, LIEW S, LAM P. Physical layer network coding[C]//Proc. 12th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking. LA, US：[s.n.], 2007：121-125.

[6]MEDARDH T, SHI M, EFFROS J, et al. On randomized network coding[C]//Proc. The Annual Allerton Conference on Communication Control And Computing. California：[s.n.]，2003：11-20.

Joint LDPC Codes and Network Coding Based on Wireless Relay Cooperative Communication

TANG Ling, YANG Pingxian

(SchoolofAutomationandElectronicInformation,SichuanUniversityOfScience&Engineering,SichuanZigong643000,China)

Based on the research of wireless cooperative communications, the design how to combine LDPC code ( multi edge LDPC code or rate compatible LDPC code ) with network coding ( linear network coding, random network coding) in view of multi-access systems is discussed in this paper. It improves system performance and throughput of the communication, with a high theoretical value and application prospects.

relay cooperative; LDPC; network coding

四川省教育廳科研項(xiàng)目(13ZB0138)；人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(2013RYY02)；四川理工學(xué)院教改項(xiàng)目(JG-1306)

TN919.3

B

10.16280/j.videoe.2015.01.021

2014-05-18

【本文獻(xiàn)信息】唐玲，楊平先.無線中繼協(xié)作中LDPC碼與網(wǎng)絡(luò)編碼聯(lián)合設(shè)計(jì)探討[J].電視技術(shù),2015，39(1).

唐 玲(1981— )，女，碩士生，講師，主研通信協(xié)議及信號(hào)處理；

楊平先(1961— )，碩士生，教授，主研通信技術(shù)、圖像處理、電子信息技術(shù)。

責(zé)任編輯：薛 京