CN103078716A - 基于分布式3-D Turbo码的中继传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于3-D Turbo码的中继传输方法，主要解决现有分布式Turbo码误帧率较高的问题。其实现步骤是：源节点广播数据；中继节点先对接收到的信号进行Turbo译码，再对译出的信息进行与源节点相同的Turbo码编码，然后用渗透系数选择校验比特进行第三维的编码，对第三维输出的校验比特调制后发送到目的节点；目的节点在接收到中继传输的信息后，与接收到的源信息一起进行3-D Turbo码译码。本发明通过调制中继位置和改变渗透系数，能实现译码性能和中继复杂度的有效折中，可用于无线多址接入中继网络。

Description

基于分布式3-D Turbo码的中继传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及到信道编码和中继传输，具体的说就是将3-D Turbo码运用到中继传输的一种方法。 

背景技术

利用中继节点帮助移动用户转发数据，可获得额外的分集增益，改善接收端的误帧率性能，是提高移动用户在小区边缘通话质量的有效手段之一。 

现有的无线多址接入中继网络，如图1所示。它由一个源节点，一个中继节点和一个目的节点组成。它的源节点在中继节点的帮助下与目的节点进行通信时，需要两个时隙，即源节点占用一个时隙向中继节点和目的节点广播数据，中继节点占用一个时隙，帮助源节点转发数据至目的节点。 

为了提高中继转发效率的同时改善目的节点的误帧率性能，学者提出了采用分布式的方式，将充分考虑Shannon信道编码定理假设条件的Turbo码运用到多址接入的模型中，从而取得了一定的性能增益。 

但随着通信技术日新月异的新发展，Turbo码错误平层较高，其误帧率目标只有10^-2到10^-5，已经远远满足不了人们对视频会议等应用需要10^-8更低的目标需求。受到Turbo码高信噪比时性能的局限，分布式Turbo码在中继传输中难以取得令人满意的误帧率性能。 

因此，在现有多址接入中继***中，如何利用解决Turbo码错误平层较低的3-DTurbo码设计出一种中继传输方法，是目前需要解决的一个问题。 

发明内容

本发明的目的针对上述现有技术的不足，提出一种基于分布式3-D Turbo码的中继传输方法，以改善目的端的误帧率性能。 

本发明的技术思路是，利用3-D Turbo码的优异性能和中继技术,在源节点采用传统Turbo码编码，在中继节点用渗透系数来选择校验比特进行第三维编码，目的节点采用联合3-D Turbo码译码。 

本发明的方法是这样实现的： 

（1）源节点广播数据步骤: 

源节点S对自己原始的信息进行Turbo码编码，得到编码序列c=(u,p₁,p₂)，并对编码序列进行调制，得到调制序列x；源节点S广播调制序列x至中继节点R和目的节点D； 

（2）中继转发步骤： 

（2.1）中继节点R对接收到的源节点S的信息进行Turbo码译码，得到源节点S的原始信息的估计信息

（2.2）中继节点R对源节点S的估计信息

进行Turbo码编码，得到两个长度与信息序列相同的校验序列

（2.3）中继节点R用渗透系数λ(0≤λ≤1)对两个校验序列和

分别进行选择，得到待编码的校验序列p_1λ和p_2λ，再用交替合并的方法合并校验序列p_1λ和p_2λ，得到第三维待编码序列u_λp； 

（2.4）中继节点R将第三维待编码序列u_λp交织后送入第三维编码器，得到校验序列p_R，中继节点R再对该校验序列p_R进行调制，得到调制序列x_R，并将其发送到目的节点； 

（3）目的节点译码步骤： 

（3.1）目的节点对接收到的源节点信号y_sd和中继转发的信号y_rd分别进行软解调，得到c=(u,p₁,p₂)和p_R分别对应的对数似然比序列

和

其中，L_u对应的是源信息序列u的对数似然值，对应的是源校验序列p₁的对数似然值， 

对应的是源校验序列p₂的对数似然值，是第三维校验序列p_R的对数似然值。 

（3.2）目的节点D将得到的对数似然信息

送入第三维译码器，译码得到外信息L^e，外信息L^e经过解交织，并由串并转换器分为两个等长的分量校验外信息

和 

（3.3）目的节点D用渗透系数逆选择的方法，将来自源节点的两个分量校验信 息序列p₁和p₂对应的似然比序列

和

分别与第三维译码器译出的分量校验外信息

和合并，得到修正后的两个分量校验信息序列p₁和p₂的对数似然比序列 

和

（3.4）目的节点D将修正后的对数似然比序列

和

以及L_u送入Turbo码译码器进行译码，通过该译码器译出信息序列的外信息

和

进行内部迭代，并更新两个分量校验信息序列p₁和p₂的分量码校验序列的外信息

和

（3.5）目的节点D对Turbo译码器译出的分量码校验序列的外信息

和

分别进行渗透系数选择，得到新分量码校验信息序列

和

（3.6）目的节点D将新分量码校验信息序列对应的似然比序列

和交替合并后交织，得到第三维编码序列u_λp对应的似然比序列再将该似然比序列

送入第三维译码器，作为该第三维译码器的先验信息； 

（3.7）目的节点D在进行16轮循环迭代译码后，由Turbo码译码器输出译码结果。 

本发明与现有技术相比具有如下优点： 

1）现有的分布式Turbo码在源节点采用了卷积码，编码增益低，中继节点正确译码并协作转发的概率低，本发明在源节点采用了Turbo码编码，提高了中继节点R的正确译码概率，降低了错误传播的概率，有利于目的节点获得分集增益。 

2）本发明可通过调整渗透系数的大小，来调整中继节点的转发数据量，实现了中继转发效率和***性能的有效折衷。 

附图说明

图1是现有的无线多址接入中继网络模型； 

图2是本发明的总流程图； 

图3是本发明的***总框图； 

图4是本发明中的源节点编码子框图； 

图5是本发明中的中继节点编译码子框图； 

图6是本发明中的目的节点译码子框图； 

图7是本发明中固定中继位置，无中继直接链路传输、分布式Turbo码传输以及分布式3-D Turbo码传输的目的节点译码性能仿真图； 

图8是本发明中固定3-D Turbo码的渗透系数，中继位置不同的目的节点译码性能仿真图； 

图9是本发明中固定中继位置，不同渗透系数的分布式3-D Turbo码的目的节点译码的性能仿真图。 

具体实施方式

参照图2和图3，本发明的实施步骤如下： 

步骤1，源节点广播数据 

（1.1）源节点S对自己的原始数据u进行Turbo码编码调制： 

参照图4，本步骤的实现如下： 

（1.1a）源节点S将原始数据u（长度为K）进行Turbo码编码，得到编码序列c=(u,p₁,p₂)（长度为N＝3K），其中u是源节点S编码序列c的信息序列，p₁（长度为K）是源节点S编码序列c的第一个分量码的校验序列，p₂（长度为K）是源节点S编码序列c的第二个分量码的校验序列；源节点使用的Turbo编码方法可从现有方法中任选一种，参见：Shu Lin,Daniel J.Costello,Jr.,“差错控制编码”,机械工业出版社,2007； 

（1.1b）源节点S对编码序列c进行BPSK调制，得到调制序列x； 

（1.2）源节点S向中继节点R和目的节点D广播调制序列x，中继节点R和目的节点D接收到的信号分别表示为： 

$y_{\mathrm{sr}}=\sqrt{P_{\mathrm{sr}}}{h}_{\mathrm{sr}}x+n_{\mathrm{sr}}---1)$

$y_{\mathrm{sd}}=\sqrt{P_{\mathrm{sd}}}{h}_{\mathrm{sd}}x+n_{\mathrm{sd}}---2)$

式中y_sr是中继节点接收到的源节点发送的信号，y_sd是目的节点接收到的源节点发送的信号，P_sr和P_sd分别为中继和目的节点的接收功率，h_sr为源节点到中继节点的信道衰落系数，h_sd为源节点到目的节点的信道衰落系数，n_sr为源节点到中继节点复高斯噪声，n_sd是源节点到目的节点的复高斯噪声。 

步骤2，中继转发数据 

参照图5，中继节点的编译转发步骤如下： 

（2.1）中继节点R对接收到源节点S的信息y_sr进行Turbo码译码，得到源节点原始数据信息u的估计信息

（长度为K）；Turbo译码方法可从现有方法中任选一种，参见：Shu Lin,Daniel J.Costello,Jr.,“差错控制编码”,机械工业出版社,2007； 

（2.2）中继节点R对源节点S的估计信息

进行Turbo码编码，得到信息序列的校验序列

（长度为N′＝2K）；其中，中继节点使用的编码方法与源节点使用编码方法相同，

（长度为K）是源节点的估计信息校验序列

的第一个分量码的校验序列，

（长度为K）是源节点的估计信息校验序列

的第二个分量码的校验序列； 

（2.3）中继节点R用渗透系数λ分别对两个校验序列

和

进行选择： 

（2.3a）分别将两个校验序列和

顺次分为包含

个比特的小校验序列块；假设λ=1/4，校验序列的长度是K，则将两个校验序列和

分为K/4个包含4个比特的小序列块； 

（2.3b）从校验序列

和

的每个小序列块同一位置上，选择一个比特输出，并将输出的比特顺次排列，得到待编码的校验序列

和

假设选择的渗透系数λ＝1/4，校验序列

长度为16，则

可以分为16/4=4个包含4个小校验序列块，例如

顺次可分为（1100）、（0100）（0101）、（1110），选择每个小序列的第一个比特输出，得到的待编码校验序列

（2.4）将待编码序列和

用交替合并的方法合并，得到第三维待编码序列u_λp； 

（2.5）中继节点R将第三维待编码序列u_λp经过二次多项式交织器QPP(Quadratic Permutation Polynomial)交织后送入第三维编码器，得到校验序列p_λ，然后中继节点 对校验序列p_λ进行BPSK调制，得到调制序列x_λ； 

（2.6）中继节点R将调制序列x_λ发送到目的节点，目的节点D接收到中继节点R的信号表示为： 

$y_{\mathrm{rd}}=\sqrt{P_{\mathrm{rd}}}{h}_{\mathrm{rd}}{x}_{\mathrm{\λ}}+n_{\mathrm{rd}}---3)$

式中y_rd是目的节点接收到的中继节点发送的信息，x_λ是中继发送的信号，p_rd是目的节点的接收功率，h_rd是中继节点到目的节点的信道衰落系数，n_rd是中继节点到目的节点的复高斯噪声。 

步骤3，目的节点译码 

参照图6，本步骤的具体实现如下： 

（3.1）目的节点对接收到的源节点信号y_sd和中继转发的信号y_rd分别进行软解调，得到c=(u,p₁,p₂)和p_R分别对应的对数似然比序列

和

其中，L_u对应的是源信息序列u的对数似然值，

对应的是源校验序列p₁的对数似然值，

对应的是源校验序列p₂的对数似然值，

对应的是第三维校验序列p_R的对数似然值； 

（3.2）目的节点D将得到的对数似然信息

送入第三维译码器，译码得到外信息L^e，外信息L^e经过解交织，并由串并转换器分为两个等长的分量校验外信息

和 

（3.3a）在分量校验外信息

和

的每个信息比特后面添加

个零，得到新的校验外信息

和

（3.3b）将来自源节点的两个分量校验信息和

按对应位与新的校验外信息 

和

合并，得到修正后的两个分量校验信息序列p₁和p₂的对数似然比序列和

假设渗透系数λ＝1/4，源节点的分量校验信息

l_i是分量校验信 息序列

中的第i对数似然值，其中i∈{1,2,...，K}，K为码字的长度，分量外信息 

w_j是分量外信息序列

中的第j个对数似然值，其中：j∈{1,2,...,λK}，由步骤（3.2a）得到新的校验外信息： 

${L_{P_{1\mathrm{\λ}}}^e}^{\′}=(w_1,\mathrm{0,0,0},w_2,\mathrm{0,0,0}\·\·\·w_{\mathrm{\λK}},\mathrm{0,0,0});$

由步骤（3.2b）按对应位合并分量校验信息

与新的校验外信息

得到二维分量校验信息： 

$L_{p_1}^{\′}=(l_1+w_1,l_2,l_3,l_4,l_5+w_2\·\·\·l_{K-3}+w_{\mathrm{\λK}},l_{K-2},l_{K-1},l_K).$

（3.4）目的节点D将修正后的对数似然比序列

和

以及Lu送入Turbo码译码器进行译码，通过该译码器译出信息序列的外信息，并更新两个分量校验信息序列p₁和p₂的分量码校验序列的外信息

和

（3.5a）目的节点D分别将分量码校验序列的外信息

和

分为包含个比特的小校验序列块；假设λ=1/4，校验序列的长度是K，则将两个校验序列

和

分为K/4个包含4个比特的小序列块； 

（3.5b）目的节点D从校验序列

和

的每个小序列块的同一位置上，选择一个比特输出，并将输出的比特顺次排列，得到待编码的校验序列

和

（3.6）目的节点D将新分量码校验信息序列对应的似然比序列

和

交替合并后交织，得到第三维编码序列u_λp对应的似然比序列

再将该似然比序列

送入第三维译码器，作为该第三维译码器的先验信息； 

（3.7）目的节点D在进行16轮循环迭代译码后，由Turbo码译码器输出译码结果。 

本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明： 

1.仿真条件 

设用户的信息长度为1024，源节点编码器选用LTE中的Turbo码标准规范，将生成1/3的码率的Turbo码序列删余至1/2码率。中继节点处的第三维编码器采用码 率为1，生成矩阵g(D)＝1/(1+D²)的编码器。假设每个节点的发送功率均相同，所有信道均服从瑞利块衰落，采用路径损耗模型

以及  $y_{d,i}=\frac{h_{d,i}}{\sqrt{d_{d,i}^n}}\·x_i+n_{d.i},i\∈\{s,r\},$ 假设路径损耗因子为n＝3.52。 

2.仿真内容 

仿真1，当固定中继节点位置为源节点到目的节点的中点时，分别针对无中继直接链路传输、分布式Turbo码传输以及渗透系数为1/2的分布式3-D Turbo码传输的目的节点译码性能进行仿真，仿真的结果如图7所示，图7中的横坐标表示源节点到目的节点的信噪比，纵坐标表示目的节点译码的误帧率，图7中各曲线表示的意义如下： 

“无中继”表示在没有中继节点转发的条件下，直接链路传输方法； 

“分布式Turbo码”表示使用分布式Turbo码的传输方法； 

“分布式3-D Turbo”表示使用分布式3-D Turbo码的传输方法 

由图7可以看出，有中继节点传输比无中继节点传输有很大的性能增益；低信噪比时，分布式3-D Turbo码的传输比传统Turbo码的传输有接近2dB的性能增益。 

仿真2，当固定3-D Turbo码的渗透系数为1/2时，分别针对中继节点位置不同的目的节点译码的性能进行仿真，仿真的结果如图8所示，图8中的横坐标表示源节点到目的节点的信噪比，纵坐标表示目的节点译码的误帧率，图8中各曲线表示的意义如下： 

“sr=1/2sd”表示中继节点位于源节点到目的节点的中点； 

“sr=1/4sd”表示中继节点位于源节点到目的节点的1/4处； 

假设用

表示当渗透系数λ，中继节点与源节点的距离是目的节点与源节点距离的α倍时，目的节点的译码性能。由图8可以看出，在渗透系数相同的情况下，低信噪比时，

优于

高信噪比时，

与

相比，有较大的性能增益；这是因为当信噪比逐渐增高时，中继节点译码正确的概率就会显著增加，同时，中继节点与目的节点的信道又相对较好，目的端译码的性能就会得到显著的提升。 

仿真3，当固定中继节点位置为源节点到目的节点的中点时，分别针对不同渗透 系数的分布式3-D Turbo码的目的节点译码性能进行仿真，仿真的结果如图9所示，图9中的横坐标表示源节点到目的节点的信噪比，纵坐标表示目的节点译码的误帧率，图9中各曲线表示的意义如下： 

“λ＝1/2”表示渗透系数时1/2的分布式3-D Turbo码； 

“λ＝1”表示渗透系数为1的分布式3-D Turbo码； 

由图9可以看出，当渗透系数较大时，目的节点译码能取得显著的性能增益。 

虽然传输速率降低了，中继的复杂度增加了，但性能却得到了巨大的提升。 

综合分析可得：本发明的3-D Turbo码比分布式Turbo码有很好的性能增益；在分别固定渗透系数和中继位置的情况下，分布式3-D Turbo码能取得不同的性能增益。因此，可以通过调整中继节点的位置和改变渗透系数来达到中继节点复杂度和目的节点译码性能的有效折衷。 

Claims (6)

1.一种基于3-D Turbo码的中继传输方法，包括： 

（1）源节点广播数据步骤: 

源节点S对自己原始的信息u进行Turbo码编码，得到编码序列c=(u,p₁,p₂)，并对编码序列进行调制，得到调制序列x；源节点S广播调制序列x至中继节点R和目的节点D； 

（2）中继转发步骤： 

（2.1）中继节点R对接收到的源节点S的信息进行Turbo码译码，得到源节点S的原始信息的估计信息

（只有当中继正确译码的时候，即

时，中继才进行转发）； 

（2.2）中继节点R对源节点S的估计信息进行Turbo码编码，得到两个长度与信息序列相同的校验序列

（2.3）中继节点R用渗透系数λ(0≤λ≤1)对两个校验序列和

分别进行选择，得到待编码的校验序列p_1λ和p_2λ，再用交替合并的方法合并校验序列p_1λ和p_2λ，得到第三维待编码序列u_λp； 

（2.4）中继节点R将第三维待编码序列u_λp交织后送入第三维编码器，得到校验序列p_R，中继节点R再对该校验序列p_R进行调制，得到调制序列x_R，并将其发送到目的节点。 

（3）目的节点译码 

（3.1）目的节点对接收到的源节点信号y_sd和中继转发的信号y_rd分别进行软解调，得到c=(u,p₁,p₂)和p_R分别对应的对数似然比序列

和

其中，L_u对应的是源信息序列u的对数似然值，对应的是源校验序列p₁的对数似然值， 

对应的是源校验序列p₂的对数似然值，

是第三维校验序列p_R的对数似然值。 

（3.2）目的节点D将得到的对数似然信息

送入第三维译码器，译码得到外信息L^e，外信息L^e经过解交织，并由串并转换器分为两个等长的分量校验外信息和 

（3.3）目的节点D用渗透系数逆选择的方法，将来自源节点的两个分量校验信息序列p₁和p₂对应的似然比序列

和

分别与第三维译码器译出的分量校验外信息

和合并，得到修正后的两个分量校验信息序列p₁和p₂的对数似然比序列 

和

（3.4）目的节点D将修正后的对数似然比序列

和

以及L_u送入Turbo码译码器进行译码，通过该译码器译出信息序列的外信息

和

进行内部迭代，并更新两个分量校验信息序列p₁和p₂的分量码校验序列的外信息

和

（3.5）目的节点D对Turbo译码器译出的分量码校验序列的外信息

和

分别进行渗透系数选择，得到新分量码校验信息序列

和

（3.6）目的节点D将新分量码校验信息序列对应的似然比序列

和交替合并后交织，得到第三维编码序列u_λp对应的似然比序列

再将该似然比序列送入第三维译码器，作为该第三维译码器的先验信息； 

（3.7）目的节点D在进行16轮循环迭代译码后，由Turbo码译码器输出译码结果。 

2.根据权利要求1所述的基于3-D Turbo码的中继传输方法，其中所述步骤（1）和步骤（2.4）所采用的调制方式，均为二进制移相键控BPSK，即通过如下公式获得调制序列： 

x=2c-1 

x_R＝2p_R-1 

其中，码字序列c＝(c₁,c₂,...,c_N)，N为码字长度，x＝(x₁,x₂,...,x_N)是码字序列c经过BPSK调制后得到的调制序列;码字序列x_R＝(x_R1,x_R2,...,x_RλN)是码字p_R＝(p_R1,p_R2,...,p_RλN)经BPSK调制后得到的码字序列。 

3.根据权利要求1所述的基于3-D Turbo码的中继传输方法，其中步骤（2.3） 所述的中继节点R用渗透系数λ对两个校验序列

和

分别进行选择，按如下步骤进行： 

（2.3a）分别将两个校验序列

和

顺次分为包含

个比特的小校验序列块；假设λ=1/4，校验序列的长度是K，则将两个校验序列

和

分为K/4个包含4个比特的小序列块； 

（2.3b）从校验序列和

的每个小序列块同一位置上，选择一个比特输出，并将输出的比特顺次排列，得到待编码的校验序列p_1λ和p_2λ。 

4.根据权利要求1中所述的基于3-D Turbo码的中继传输方法，其中步骤（3.3）所述的目的节点D用渗透系数逆选择的方法，将来自源节点的两个分量校验信息序列p₁和p₂对应的似然比序列

和

分别与第三维译码器译出的分量校验外信息

和

合并，按如下步骤进行： 

（3.2a）将分量校验外信息

和

的每个信息比特后面添加

个零，得到新的校验外信息

和

（3.2b）将来自源节点的两个分量校验信息

和

按对应位与新的校验外信息 

和相加，得到修正后的两个分量校验信息序列p₁和p₂的对数似然比序列

和

5.根据权利要求1中所述的基于3-D Turbo码的中继传输方法，其中步骤（3.5）所述的目的节点D对Turbo译码器译出的分量码校验序列的外信息

和

分别进行渗透系数选择，得到新分量码校验信息序列

和

按如下步骤进行： 

（3.5a）分别将分量码校验序列的外信息

和

分为包含个比特的小校验序列块；假设λ=1/4，校验序列的长度是K，则将两个校验序列和

分为K/4个包含4个比特的小序列块； 

（3.5b）从校验序列

和的每个小序列块同一位置上，选择一个比特输出，并将输出的比特顺次排列，得到待编码的校验序列

和

6.根据权利要求1中所述的基于3-D Turbo码的中继传输方法，其中所述的步骤（2.4）和步骤（3.6）中的交织，均采用二次多项式交织器QPP（Quadratic Permutation Polynomial）将原序列的码字重新排列。 

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