CN103957076B - 新型非线性成形码的构造方法及通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新型非线性成形码的构造方法，包括：构造新型非线性成形码的码本，设输入码字长度Ks，输出码字长度Ns，则该码本表示为(Ks,Ns)；将Ks位全0输入码字进行编码，对应输出Ns位全0输出码字；根据二进制加法，将Ks位全0输入码字加1得到下一个输入码字，对应输出汉明权重相应加1的Ns位输出码字，即汉明权重为1的Ns位输出码字；重复本步骤，直至所有汉明权重相应加1的Ns位输出码字都有与之对应的Ks位输入码字；循环执行上述步骤，直至汉明权重达到Ns；重复上述步骤，使得个Ks位输入码字都有与之对应的Ns位输出码字。本发明还提供相应的通信方法。运用本发明后能使双向中继***的信道容量逼近理论上限香农极限，从而使得在相同信噪比下的误码性能有显著提升。

Description

新型非线性成形码的构造方法及通信方法
技术领域
本发明涉及无线通信，具体地，涉及一种新型非线性成形码的构造方法及通信方法。
背景技术
新一代无线通信***中，中继技术已被广泛融合到蜂窝网络里。该技术的主要功能是在直传链路的基础上额外增加一条中继协作信道，使得用户和基站之间能通过中继节点进行协作通信，大大提高了通信所能覆盖的范围，增强了蜂窝小区边缘用户的通信质量。传统的单向中继技术能够实现上下行数据的转发功能，扩大了覆盖范围，但浪费了***的时隙资源，无法有效地提高***的频谱效率。
为了解决上述矛盾，引入了网络编码技术。该项技术把编码和路由结合起来，搭建了一个新的网络架构。其基本思路是使得中继节点不再简单地转发数据信息，而是能对接收到的数据信息进行处理。利用网络编码技术，中继节点可以将多个用户发送的数据合并在一起同时传输，极大地减少了多用户传输所造成的资源开销，提高了通信***的频谱效率。现阶段，应用网络编码技术较为典型的场景是无线双向中继网络。该传输过程主要分为两个阶段：第一阶段两个发送用户向中继节点发送数据；第二阶段中继节点运用网络编码技术对接收到的混合数据进行网络编码处理，并将处理后的数据进行广播。
运用网络编码技术的双向中继***同样存在与点到点通信中类似的问题。理论上，根据信息论的观点当且仅当加性高斯白信道（Additive White Gaussian Noise,AWGN）的输入服从高斯分布时，信道容量可以达到最大的理论上限值，即为香农极限（ShannonLimit）。而实际中采用的编码调制得到的信道输入信息均服从均匀分布，因此实际的信道容量与香农极限之间存在性能损失，定义为成形损耗（Shaping Loss）。在点到点通信***中已经证明，该成形损耗的大小为1.53dB。在运用网络编码的双向中继***中，对于成形损耗虽然没有明确的理论推导出具体的大小，但通过仿真可以发现该成形损耗约为4-5dB。
现阶段，发送端应用最为广泛的发送结构是比特交织编码调制（Bit-InterleavedCoded Modulation，BICM），双向中继***中的两个发送用户采用该结构发送数据。如图1所示以用户A为例，在发送端将比特信息xA进行LDPC信道编码，随后进行比特交织，经过调制后发送至信道，最后在中继节点进行接收。在第二个时隙，如图2所述，中继节点通过多用户解调译码将用户A和用户B的信息比特，分别表示为xA和xB恢复出来后，利用网络编码技术对译码出的用户A和用户B的信息进行异或操作，得到合并后的 经过信道编码器、比特交织器后调制成符号广播出去。
该双向中继技术的用户采用BICM发送结构，在中继节点运用网络编码技术（异或）对两个用户发送的数据进行处理并进行广播，但该技术没有解决成形损耗的问题，***的信道容量与香农极限之间依旧存在较大的差距。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种新型非线性成形码，该新型非线性成形码能实现发送端输入到信道的符号服从高斯分布，从很大程度上减小成形损耗，使得信道容量逼近香农极限。
根据本发明的一个方面提供的一种新型非线性成形码的构造方法，包括如下步骤：
步骤1：构造新型非线性成形码的码本，设输入码字长度Ks，输出码字长度Ns，则该码本表示为(Ks,Ns)；
步骤2：将Ks位全0输入码字进行编码，对应输出Ns位全0输出码字；
步骤3：根据二进制加法，将Ks位全0输入码字加1得到下一个输入码字，对应输出汉明权重相应加1的Ns位输出码字，即汉明权重为1的Ns位输出码字；
步骤4：重复步骤三，直至所有汉明权重相应加1的Ns位输出码字都有与之对应的Ks位输入码字；
步骤5：循环执行步骤3至步骤4，直至汉明权重达到Ns；
步骤6：重复步骤3至步骤5，使得个Ks位输入码字都有与之对应的Ns位输出码字。
优选地，汉明权重为码字中含有比特1的数目。
根据本发明的另一个方面提供的一种使用所述的构造方法够造的新型非线性成形码的基于网络编码的双向中继通信方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将多个用户发出的比特信息采用LDPC编码；
步骤2：将LDPC编码输出的比特交织后分割成m路比特流，对m路比特流的中n路比特流采用的所述新型非线性成形码的码本进行编码，其中m为每个调制符号所含有的比特数，n为大于等于1小于m的自然数。
优选地，所述步骤2还包括如下步骤：
-构造新型非线性成形码的码本。
优选地，采用所述新型非线性成形码的码本进行编码后的n路比特流与m-n路比特流的位数相同。
优选地，LDPC编码采用码率为5/6的LDPC码。
优选地，所述步骤2之后还包括如下步骤：
步骤3：将编码后的n路比特流与m-n路比特流输入到16PAM调制模块，每路各取一个比特映射到星座图上的一个星座点；
步骤4：将调制后得到的符号序列X发送到AWGN信道；
步骤5：中继节点接收到多个用户发送的符号序列后进行多用户解调译码；
步骤6：将多用户解调译码得到的比特序列进行网络编码后输入到LDPC信道编码，经过交织和调制成符号广播出去。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明中的新型非线性成形码对BICM编码调制技术进行了改进，将用户在调制时星座图中能量较低的星座点以较高的概率发送，实现了信道输入服从高斯分布的目的；运用本发明后能使双向中继***的信道容量逼近理论上限香农极限，从而使得在相同信噪比下的误码性能有显著提升。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中比特交织编码调制发送结构原理图；
图2为本发明中基于网络编码技术的双向中继结构原理图；
图3为基于本发明提出的新型非线性成形码的发送端原理图；
图4为本发明中基于网络编码技术的双向中继通信***的结构示意图；
图5为基于本发明提出的新型非线性成形码所构造的(3,5)码本；
图6为本发明中信道容量性能对比图；
图7为本发明中误码率性能对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本实施例中，本发明提供的新型非线性成形码的构造方法，包括如下步骤：
步骤1：构造新型非线性成形码的码本，设输入码字长度Ks，输出码字长度Ns，则该码本表示为(Ks,Ns)；
步骤2：将Ks位全0输入码字进行编码，对应输出Ns位全0输出码字；
步骤3：根据二进制加法，将Ks位全0输入码字加1得到下一个输入码字，对应输出Ns位汉明权重（Hamming Weight）为1的输出码字。汉明权重即为码字中含有比特1的数目；
步骤4：重复步骤三，直至所有汉明权重为1的Ns位输出码字都有与之对应的Ks位输入码字；
步骤5：根据二进制加法，将步骤四最后得到的Ks位输入码字加1得到下一个输入码字，对应输出Ns位汉明权重为2的输出码字。；
步骤6：重复步骤五，直至所有汉明权重为2的Ns位输出码字都有与之对应的Ks位输入码字；
步骤7：以此类推，直至汉明权重达到Ns；
步骤8：重复步骤三至步骤七，使得个Ks位输入码字都有与之对应的Ns位输出码字。至此，本发明提出的新型非线性成形码的码本构造完成。
使用所述的构造方法够造的新型非线性成形码的基于网络编码的双向中继通信方法，如图3、图4所示，包括如下步骤：
步骤1：在基于网络编码的双向中继通信***，如图3所示，两个用户采用相同的发送机制。信道编码采用码率为5/6的LDPC码，输入信息比特为54000位，LDPC编码输出64800位比特，调制方式为16PAM，m＝4，m为每个调制符号所含有的比特数，当调制阶数为M，则m＝log2M；
步骤2：将LDPC编码输出的64800位比特交织后分割成m＝4路比特流，第一路为前10800位比特，后三路为每路18000位比特。对前10800位比特运用本发明提出的非线性成形码码本进行编码；
步骤3：构造(3,5)非线性成形码码本；
步骤4：该码本含有8个映射对，从全0输入码字000开始构造码本。按照最小化汉明距离的规则：000映射为00000，001映射为00001，010映射为00010，011映射为00100，100映射为01000，101映射为10000，110映射为01010，111映射为10010。如图5所示为该(3,5)非线性成形码码本的构造结果，输出比特0的概率为输出比特1的概率为
步骤5：将本发明提出的非线性成形码所构造的(3,5)码本运用到第一路10800位比特，输出18000位比特；
步骤6：将四路18000位比特输入到16PAM调制模块，每路各取一个比特映射到星座图上的一个星座点；
步骤7：将调制后得到的符号序列X发送到AWGN信道；
步骤8：中继接收到两个用户发送的符号序列后进行多用户解调译码；
步骤9：将多用户解调译码得到的比特序列进行网络编码（异或）后输入到LDPC信道编码，经过交织和调制成符号广播出去。
由上述发明技术方案可以看出，本发明提出的新型非线性成形码对现有技术中的BICM编码调制技术进行了改进，将用户在调制时星座图中能量较低的星座点以较高的概率发送，实现了信道输入服从高斯分布的目的。根据信息论的观点，运用本发明后能使双向中继***的信道容量逼近理论上限香农极限，从而使得在相同信噪比下的误码性能有显著提升的性能效果。
如图6所示，虚线为香农极限，点画线为本发明的信道容量曲线，实线为现有技术中的信道容量曲线。从图中可以看出，当信道容量为3bits/channel use时，本发明的信道容量性能要优于现有技术的信道容量性能约为2dB，本发明中通信***的信道容量得到了较大的改善。
如图7所示，虚线为本发明的误码率曲线，实线为现有技术中的误码率曲线。从图中可以看出，当误码率达到10-5量级时，本发明的误码性能要优于现有技术中的误码性能约为0.6dB，本发明中通信***的误码性能得到了较大的改善。
本发明提出了一种新型非线性成形码的构造方法，运用本发明提出的新型非线性成形码对基于BICM发送结构进行改进，其中技术关键点是新型非线性成形码的码本设计。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种基于网络编码的双向中继通信方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将多个用户发出的比特信息采用LDPC编码；
步骤2：将LDPC编码输出的比特交织后分割成m路比特流，对m路比特流的中n路比特流采用新型非线性成形码的码本进行编码，其中m为每个调制符号所含有的比特数，n为大于等于1小于m的自然数；
采用所述新型非线性成形码的码本进行编码后的n路比特流与m-n路比特流的位数相同；
所述新型非线性成形码的构造方法，包括如下步骤：
步骤1：构造新型非线性成形码的码本，设输入码字长度Ks，输出码字长度Ns，则该码本表示为(Ks,Ns)；
步骤2：将Ks位全0输入码字进行编码，对应输出Ns位全0输出码字；
步骤3：根据二进制加法，将Ks位全0输入码字加1得到下一个输入码字，对应输出汉明权重相应加1的Ns位输出码字，即汉明权重为1的Ns位输出码字；
步骤4：重复步骤三，直至所有汉明权重相应加1的Ns位输出码字都有与之对应的Ks位输入码字；
步骤5：循环执行步骤3至步骤4，直至汉明权重达到Ns；
步骤6：重复步骤3至步骤5，使得个Ks位输入码字都有与之对应的Ns位输出码字；
汉明权重为码字中含有比特1的数目。
2.根据权利要求1所述的基于网络编码的双向中继通信方法，其特征在于，所述步骤2还包括如下步骤：
-构造新型非线性成形码的码本。
3.根据权利要求1所述的基于网络编码的双向中继通信方法，其特征在于，LDPC编码采用码率为5/6的LDPC码。
4.根据权利要求2所述的基于网络编码的双向中继通信方法，其特征在于，所述步骤2之后还包括如下步骤：
步骤3：将编码后的n路比特流与m-n路比特流输入到16PAM调制模块，每路各取 一个比特映射到星座图上的一个星座点；
步骤4：将调制后得到的符号序列X发送到AWGN信道；
步骤5：中继节点接收到多个用户发送的符号序列后进行多用户解调译码；
步骤6：将多用户解调译码得到的比特序列进行网络编码后输入到LDPC信道编码，经过交织和调制成符号广播出去。
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