专利名称：用户协作的多路编码的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及无线通信，更特别地，涉及用于协作通信的多路编码(multiplexed coding)设计。
背景技术：
在无线通信中，发射机典型地在通信信道上发射信息至接收机。统计上，通信信道可以被定义为由输入字符、输出字符、以及对于每介字符的输入和输出元素的每个对(i，o)，转移概率p(i，o)组成的三元组。转移概率是在信道上假设发射机发射标记i而接收机接收标记o的概率。
给定一个通信信道，存在一个数值，称作信道容量，这样对于任意接近该容量的速率可靠的传输是有可能的，但可靠传输对于在该容量之上的速率是不可能的。
在一些环境中，发射机(即，源)和接收机(即，目的)分离的距离是很大的。可替换地或另外地，源和目的在其上通信的通信信道可能是低质量的。结果，在源和目的之间的通信中被引入了干扰，其可以导致消息的失真。为了降低干扰的影响，发射机和接收机常常使用编码方案在通信信道上发射信息。编码方案提供了冗余，使得在干扰存在的情况中可以由接收机检测(和解码)消息。
该编码方案使用代码，其是将由发射机发射的向量的集合(即，组)。向量的长度被假定是相同的并且被称为代码的块长度。如果向量的数量是K＝2k，从而每个向量可以使用k比特描述。
在移动终端上使用多个天线以实现发射分集或特殊分集(special diversity)，称为多输入和多输出(MIMO)，已经成为有前途的解决方法以对抗衰落信道并潜在地提供非常高的数据速率。近来，由于用户协作分集或协作分集增益，协作通信已经引起对无线通信领域越来越多的关注，协作分集是空间分集的另一种形式，通过使用来自一个网络中多个终端的分布式天线的集合而创建。用户协作是一种结构框架，其中两个用户可以使用他们的天线以编码的协作共同地发射他们的信号。如在图1中所示，通过用户协作，每个用户的传输可由其他用户以及接收机106以不同程度接收。因此，用户接收和重新发射其它用户的数据至接收机106，从而给其他用户提供了援助。因为两个消息经由独立的路径108和110被接收，空间分集将提供总体接收的改善。如在图1中所示，通过用户协作，第一用户102和第二用户104共享他们的天线以形成虚拟的天线阵列，提供了通过分布式传输和信号处理来实现空间分集的可能。
两种编码设计方法，多路编码和叠加编码，理论上执行得很好。然而，实际上，当实施这些编码方案时，很难如同理论上描述的那样建立或解码。这两种方案非常难于使用实际代码来实施。
因此，仍然需要设计一种编码方法，其易于实施，但逼近多路编码的精确性和速率。
发明内容
根据本发明的实施方式，提供了一种用于解码第一消息和第二消息的组合的方法，所述第一消息和第二消息被使用系统线性分组码的生成矩阵编码。在一个实施方式中，第一消息和第二消息的组合使用奇偶校验矩阵解码。
在另一个实施方式中，其中第二消息是已知的，第一消息使用第一分量码奇偶校验矩阵解码。
在另一个实施方式中，其中第一消息是已知的，第二消息使用第二分量码奇偶校验矩阵解码。
奇偶校验矩阵可以从生成矩阵中得到，并且第一消息或第二消息可以使用第一或第二分量码奇偶校验矩阵被解码。
多路分量码可以被得到用于生成矩阵，通过生成用于多路码(multiplexed code)的生成矩阵，并从生成矩阵和相应的奇偶校验矩阵中获得分量码。
参照下面的详细描述和附图，本发明的这些和其它优点对于本领域普通技术人员将变得明显。
图1示出双用户协作系统的图； 图2示出低密度奇偶校验(LDPC)码的图； 图3示出用于多路的单奇偶校验码的Tanner图形表示； 图4示出通过不规则重复累积码建立的部分多路编码的Tanner图形表示； 图5示出可以用于本发明实施方式中的计算机系统的高层框图。
具体实施例方式低密度奇偶校验(LDPC)码是一种通常逼近传统的单用户通信信道容量的线性分组码。该名称来自于它们的奇偶校验矩阵的特性，相比于0的数量其只包含很少的1。LDPC码可以使用线性时间复杂算法用于解码。
更详细的，LDPC码是从稀疏两分图获得的线性码。图2示出LDPC码的图100。图100具有n个左节点(即，x1至x10)(叫做消息节点)和m个右节点(叫做校验节点)。图100以下面的方式给出了块长度n和至少n-m维的线性码码字的m个坐标与n个消息节点相关联。码字是那些向量(c1，......，cn)，这样，对于所有校验节点，消息节点中邻近位置的总和为零。
因此，二进制LDPC码是使用稀疏二进制奇偶校验矩阵的线性分组码。该m×n的奇偶校验矩阵可以由两分图(例如，如在图2中所示)表示，该两分图带有相应于列(在码字中的比特)的n个可变节点和相应于行(奇偶校验等式)的m个校验节点。在图中，在奇偶校验矩阵的某个行和列中的一指示各自的校验和可变节点之间的边，而零指示没有边。
一个LDPC码集合分别由它的可变和校验度分布(或分布图) 和 来表征，其中λi(ρi)指示连接到度数i的可变(校验)节点的边的分数，而dv(dc)是连接到任意可变(校验)节点的边的最大数目。LDPC码分布图的等价表示可以使用生成函数
λ(x)=Σi=2dvλixi-1,]]>(x)=Σi=1dcρixi-1]]> 一个集合的设计速率可以根据λ(x)和ρ(x)给出，通过R=1-mn=1-∫01ρ(x)dx∫01λ(x)dx]]> 如在图1中所示，在双用户协作编码系统中，每个用户将它自己的消息或其它用户的消息编码为多路码。因此，每个用户需要两个码本(codebook)。联合的码本被称作多路码。如果接收机需要通过得知另一个来解码一个消息，它使用称为分量码的多路码的子集。
非常难以建立能够以或逼近理论容量的速率来解码两个消息的完全多路码。为了建立这样的容量逼近完全多路码(capacity-approachingfully multiplexed code)，一个码必须被设计以使得多路码本和码本子集或分量码逼近性能容量。虽然理论上这样做是有可能的，但是实际上非常难以实现。LDPC码，一种似随机容量逼近线性分组码(random-likecapacity-approaching linear block codes)，可以被用来建立完全多路码。例如，完全多路码可以下面的方式被建立x=uG=[u1u2]G1G2]]>其中G是用于多路码的生成矩阵，G1和G2分别是用于消息u1和u2的分量码的生成矩阵，以及G=[G1TG2T]T,]]>u＝[u1u2] 为了设计逼近完全容量的多路码，它的奇偶校验矩阵H被设计为使得多路码(使用生成矩阵G)是(n，n(R1+R2))，并且每个Hi(相应于Gi)是(n，nRi)。这实际上是非常难以实现的。
既然实际上完全多路码是难以实施的，完全多路码可以被逼近。该逼近码被称作“部分多路码”。
部分多路码从二进制系统码中形成。在二进制系统(n，k)码中，k＝k1+k2＝n(R1+R2)，奇偶校验矩阵由下式给出 其中P＝[P1P2]带有P1和P1维度，分别由(n-k)xk1和(n-k)xk2给出。然后生成矩阵由下式给出G=IkPT=Ik10P1T0Ik2P2T]]> G被用于以下面的方式构造分量码。从而通过分离奇偶校验矩阵P＝[P1，P2]来构造两个分量码。在分离后，子矩阵Ik1，P1T从G中取出以形成分量码G1，以及子矩阵Ik2，P2T从G中取出以形成分量码G2。然后相应的奇偶校验矩阵分别变为H1＝[P1In-k]，H2＝[P2In-k]。因此，这种构架是一种方法以从G中建立多路码，(n-k2，k1)码使用生成器G1=[Ik1P1T]]]>(n-k1，k2)码使用生成器G2=[Ik2P2T]]]> 然后奇偶校验矩阵由下式给出H1＝[P1In-k]，H2＝[P2In-k] 使用这种部分多路编码的编码方法，长度k＝k1+k2的消息(其可以被看作具有长度k1和k2的两个消息的级联)可以使用奇偶校验矩阵H以最大速率解码，使用kn=k1+k2n=R1+R2]]> 一旦一个消息已知，然后接收机就能够以速率k1＝(n-k2)解码长度k1的消息u1，或者以速率k2＝(n-k1)解码消息u2。因为k1n-k2>k1n=R1]]>和k2n-k1>k2n=R2]]>解码分量码的速率不能达到完全多路码中的分量码的速率。
例如，一个说明性的情况是单奇偶校验(SPC)码，在图3中示出。当两个节点协作，每个节点通过SPC编码它自己的信息和来自其它节点的序列。如在图3中所示，如果接收机得知一个序列w1，202然后它解码SPC码以获得其它序列w2，204。
所以在如图1中所示的协作系统中，对于两个消息的总多路码的速率为2R＝6/7。当一个消息已知时，分量码的有效速率为R1；2＝3/4。然而，这没有限制对于非协作情况的码速率，因为在协作系统中的每个用户具有两个码本。当用户之间的信道不支持协作时，每个用户可以使用另一个码本来编码和发送它自己的消息。例如，在这个例子中，用户可以通过速率-3/7(7，3)线性分组码来编码它自己的消息。
对于部分多路码具有性能损失，因为对于多路码的分量码的有效速率大于在完全多路码中的速率。然而，当R1+R2不高时，性能损失将很小。假定R1＝R2＝R，多路码的总速率是2R。对于完全多路码，分量码的速率是R。在部分多路码中的分量码的有效速率然后通过下式被给出R1,2=k/2n-k/2=R1-R]]> 更好性能的部分多路码可以使用系统不规则重复累积(IRA)码被建立。IRA码可以由带有H＝[PA，PB]形式的(n-k)×n的奇偶校验矩阵定义，其中PA是稀疏(n-k)×k矩阵以及PB是(n-k)×(n-k)矩阵，在下面给出PB=11111···1111]]>和 其中PB-1是PB的二进制逆，且可以通过差分编码器实现。此外，生成矩阵由 给出，其中I是k×k单位矩阵，T指示矩阵转置。
多路IRA码以由Hmp＝[PA；PB]给出的多路码Hmp开始建立；其中Hmpm-n；m＝n-k1-k2；PAm×(k1+k2)；PBm×m。
然后多路码的生成矩阵被写作 然后，PA被分为两个部分，即，PA＝[PA；1；PA；2]，其中PA；1m×k1；PA；2m×k2。然后PAT=PA,1TPA,2T,]]>和Gmp=Ik10PA,1T(PB-1)T0Ik2PA,2T(PB-1)T]]>分量码可以使用生成矩阵获得，生成矩阵由下式给出G1=IK1,PA,1T(pB-1)T]]>G2=Ik2,PA,2T(PB-1)T]]>
相应的奇偶校验矩阵由H1=PA,1PB,H2=PA,2PB,]]>给出。
因为PA是稀疏的，从PA分离的矩阵PA；1和PA；2也是稀疏的，分量码矩阵H1和H2也是这样。因此，总积(sum-product)迭代解码可以被使用于分量码，这样使得实现低解码复杂性。作为结果的奇偶矩阵也代表系统IRA码。因此，也实现了对于分量码的低复杂性编码。因为在H1和H2中的子矩阵PA；1和PA；2是从PA中分离的，PA；1和PA；2共享与PA类似的度数分布。
图4是由IRA码建立的部分多路编码的Tanner图表示。顶部信息节点402和连接到信息节点402的边404被分为两个部分K1和K2。通过移除所有的K2节点402和边404，获得了码图。该码图也是IRA码，用于分量码1。用于分量码2的码图可以通过同样的方法获得。
计算机执行编码系统是现有技术公知的，并且可以例如使用公知的计算机处理器、存储器单元、存储装置、计算机软件和其他组件来实施。所述计算机的高层框图在图5中示出。计算机502包括处理器504，其通过执行定义所述操作的计算机程序指令来控制计算机502的全部操作。
计算机程序指令可以被存储在存储装置512(例如，磁盘)中并当期望执行计算机程序指令时载入到存储器510中。因此，电子邮件客户端应用将通过存储在存储器510和/或存储装置512中的计算机程序指令来定义，并且电子邮件客户端应用将由执行计算机程序指令的处理器504控制。计算机502还包括一个或多个网络接口506，用于通过网络与其它设备通信。计算机502还包括输入/输出端308，其代表允许用户与计算机502交互的设备(例如，显示器、键盘、鼠标、扬声器、按钮等)。
本领域技术人员将认识到实际计算机的实施将还包括其它元件，出于说明性目的，图5是这样的计算机一些元件的高层表示。另外，本领域技术人员将认识到此处描述的处理步骤还可以使用专用硬件实施，其电路被特别配置用于实施这种处理步骤。可替换地，处理步骤可以使用硬件和软件的各种组合来实施。同样地，处理步骤可以发生在计算机中或可以是更大机器的一部分。
前面详细的描述应当以说明性和示例性的每个方面被理解，但不是限制性的，并且此处公开的本发明的范围不是从详细的描述中被确定，而是从权利要求中被确定，权利要求根据由专利法许可的最大范围被解释。应当理解此处示出和描述的实施方式只是本发明原理的说明，并且其各种变形可以由本领域技术人员不脱离本发明的范围和精神而实施。本领域技术人员可以不脱离本发明的范围和精神实施各种其它特性组合。
权利要求
1.一种从二进制系统(n，k)码构造部分多路码的分量码的方法，其中k＝k1+k2＝n(R1+R2)，奇偶校验矩阵由 给出，其中P＝[P1P2]带有P1和P2维度，分别由(n-k)×k1和(n-k)×k2给出。然后生成矩阵由下面给出G=IkPT=Ik10P1T0Ik2P2T,]]>包括步骤分离奇偶校验矩阵P＝[P1，P2]；使用来自G的子矩阵Ik1，P1T形成分量码G1=Ik1P1T;]]>使用来自G的子矩阵Ik2，P2T形成分量码G2=Ik2P2T;]]>以及得到奇偶校验矩阵H1＝[P1In-k]，H2＝[P2In-k]。
2.一种从G中建立多路码方法，(n-k2，k1)码使用生成器G1=Ik1P1T,]]>(n-k1，k2)码使用生成器G2=Ik2P2T,]]>包括步骤得到分量码奇偶校验矩阵，由公式给出H1＝[P1In-k]，H2＝[P2In-k]。
3.一种用于解码第一消息和第二消息的组合的方法，第一消息和第二消息使用系统线性分组码的生成矩阵G=IkPT=Ik10P1T0Ik2P2Y]]>被编码，该方法包括步骤使用奇偶校验矩阵 解码第一消息和第二消息的组合。
4.一种用于当另一个消息已知时解码第一消息或第二消息中的一个的方法，其中第一消息和第二消息都使用系统线性分组码的生成矩阵G=IkPT=Ik10P1T0Ik2P2T]]>被编码，该方法包括步骤使用分量码奇偶校验矩阵解码所述第一消息或第二消息中的一个。
5.权利要求4的方法，其中第二消息是已知的，并且解码的步骤包括使用分量码奇偶校验矩阵H1＝[P1In-k]解码第一消息。
6.权利要求4的方法，其中第一消息是已知的，并且解码的步骤包括使用分量码奇偶校验矩阵H2＝[P2In-k]解码第二消息。
7.权利要求4的方法，其中第二消息是已知的，进一步包括步骤从生成矩阵得到分量码奇偶校验矩阵H1＝[P1In-k]；以及使用该分量码奇偶校验矩阵解码第一消息。
8.权利要求4的方法，其中第一消息是已知的，进一步包括步骤从生成矩阵得到分量码奇偶校验矩阵H2＝[P2In-k]；以及使用该分量码奇偶校验矩阵解码第二消息。
9.一种对于生成矩阵 用于生成多路分量码的方法，包括生成对于多路码的生成矩阵 将PA分离为两个部分，PA＝[PA；1；PA；2]和PA；1m×k1；PA；2m×k2，这样使得PAT=PA,1TPA,2T,]]>和Gmp=Ik10PA,1T(PB-1)T0Ik2PA,2T(PB-1)T;]]>使用由G1=Ik1,PA,1T(pB-1)TG2=Ik2,PA,2T(PB-1)T]]>给出的生成矩阵获得分量码，生成矩阵带有相应的奇偶校验矩阵，由 给出。
10.一种用于当另一个消息已知时解码第一消息或第二消息中的一个的系统，其中第一消息和第二消息都使用系统线性分组码的生成矩阵G=IkPT=Ik10P1T0Ik2P2T]]>被编码，包括步骤用于使用分量码奇偶校验矩阵解码所述第一消息或第二消息中的一个的装置。
11.权利要求10的系统，其中第二消息是已知的，并且解码的步骤包括用于使用分量码奇偶校验矩阵H1＝[P1In-K]解码第一消息的装置。
12.权利要求10的系统，其中第一消息是已知的，并且解码的步骤包括使用分量码奇偶校验矩阵H2＝[P2In-k]解码第二消息的装置。
13.权利要求10的系统，其中第二消息是已知的，进一步包括用于从生成矩阵得到分量码奇偶校验矩阵H1＝[P1In-k]的装置；以及用于使用该分量码奇偶校验矩阵解码第一消息的装置。
全文摘要
描述了一种用于解码第一消息和第二消息的组合的方法和系统，第一消息和第二消息使用系统线性分组码的生成矩阵被编码。第一消息和第二消息的组合可以使用奇偶校验矩阵被解码。如果第二消息已知，第一消息使用第一分量码奇偶校验矩阵解码。如果第一消息已知，第二消息使用第二分量码奇偶校验矩阵解码。奇偶校验矩阵可以从生成矩阵中得到，并且第一消息或第二消息可以使用第一或第二分量码奇偶校验矩阵被解码。
文档编号H04J13/02GK101034893SQ20071000544
公开日2007年9月12日 申请日期2007年2月8日 优先权日2006年2月9日
发明者G·岳, X·王, M·马迪希安 申请人:美国日本电气实验室公司