专利名称：一种多进制网络Turbo码的编码方法及编码系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及通讯领域的一种编码方法及编码系统。
背景技术：
随着网络和移动通信的飞速发展，现有的第二代移动通信系统已不能满足移动电 话用户增长速度的需求；而仅有的语音业务也不能满足人们交流信息的需求，人们希望随 时随地可以获取除语音之外的数据、视频以及图像等多媒体业务，但是由于受到多径传播 环境等诸多因素限制，在无线环境下实现高速数据传输困难重重。因此，如何克服多径衰落 的影响，提高无线通信系统的信道容量，实现高速、可靠的信息传输就成了一个十分重要的 研究方向。 MIM0技术是现代数字通信技术中最显著的技术突破，它能够有效解决未来宽带无 线通信业务容量的瓶颈问题。图1给出了有riT根发送天线， 根接收天线的MM0系统模 型，如图所示，MIMO技术可将无线信道中散射路径等效为多个相互独立的并行传输信道，用 于传输信息，可提高信息速率和通信质量。若接收端可准确估计信道信息，并保证不同发 射_接收天线对之间的信道衰落系数相互独立，则在平坦衰落信道下， 一个拥有nT根发射 天线和 根接收天线的MMO系统的信道容量将随min化T， nj线性增加。因此，信噪比、 发射功率和信道带宽都相同时，多天线系统可提供的信道容量是单天线系统的min化T， nj 倍。 多天线信道容量理论无疑给解决高速无线通信问题开辟了一条新思路。但是很显
然，MIM0系统提升信道容量需要增加发射和接收端的天线数。但实际中往往由于成本等其
它原因，无线通信网络中的用户基本为单天线用户。而且如图l所示，多天线系统和传统的
单天线系统的最大区别不仅仅在于要求增加收发端的天线数，而且还必须要求设计出适当
的空时编码使系统性能优化。因此，MIM0技术在实际应用中受到了一定的限制。 网络编码思想突破了传统数据传输的固定模式，在中继节点实现对多条输入链路
上收到的数据信息进行一定的线性或非线性处理(编码)，能够有效提高网络的吞吐量。与
传统的路由传输方式相比，网络编码可以提高网络的信息传输速率，增加网络的信息流量；
而且网络编码可充分利用网络上的信道，使数据传输普适化。对于无线通信网络，采用网络
编码不仅可以提高信息传输率，节约传输所需能量，而且可以使节点之间在所需能量方面
进行折中。 但网络编码目前的研究成果仅仅在于以下几个方面
1)简单异或(X0R)运算 中继节点通过对接收到的数据进行异或运算，进行信息合并，实现中继节点的数 据压縮 2)基于软信息合并的无线网络编码技术 针对两个源节点、一个中继节点和一个目的节点的无线通信网络结构，提出的一 种基于软信息合并的网络编码的设计方案，该方法可以降低中继节点的实现复杂度，但性能和容量上有所下降。 3)网络和信道联合编码 目前，网络编码和信道编码的联合设计还仅停留在原始模型的基础上，很多问题
还有待于进一步深入研究。 4)网络低密度生成码(LDGM) 网络中存在多个中继节点时，将LDPC码的图模型结构与节点的网络编码结构对
等考虑，设计一类网络LDGM码，可有效提高系统的分集增益。 5)复数域上的网络编码 随着网络中信源数量的增加，传统的网络编码应用于无线通信网络时，采用协作 方式只能获得l/(N+l)sym/S/TS(符号没信源没时隙)的吞吐量。为解决上述问题，提出了 复数域网络编码(CFNC)的思想，每个源节点将发送数据与复数域上的加权因子相乘，中继 节点通过多用户检测算法恢复各源节点的数据。与传统的伽罗瓦域网络编码相比，作用于 物理层上符号操作的CFNC可获得l/2sym/S的吞吐量，同时还可获得满分集增益，更适合无 线领域。 6)基于网络编码的中继协作分集技术 网络编码在无线通信网络中的另一个研究方向是协作通信，即在一个多用户环境 中，单天线的移动用户通过共享自己的天线，形成一个虚拟的多天线发射机(一个虚拟的 MMO系统)，从而获得传输分集(transmit diversity)。 因此，现有技术就如何将MIMO技术与网络编码有效结合，解决在多径衰落信道中 数据的高速、可靠传输问题，尚未有成熟的方案。 为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种多进制网络Turbo码的编码方法， 将网络编码和MIMO技术的优势相融合，利用多天线技术获得系统所能提供的发射和接收 分集增益，有效抵抗多径衰落对无线通信传输的影响，进一步提高网络吞吐量，减少数据包 的传输次数，增强无线传输网络的容错性。 Turbo码的编码结构巧妙的将巻积码和随机交织器结合在一起，实现了随机编码 的思想，但用在分组传输中有一个明显的缺点为了使各个数据包之间相互独立，每个数据 包后面都有一定数量的尾比特用于编码器状态中止。尾比特降低了系统的吞吐量。循环编 码又称为"咬尾"编码技术，能够保证编码网格结束状态和初始状态一样，这样的网格结构 可被视为一个圈。多进制Turbo码利用循环编码技术不需要使用大量的尾比特使网格终止 于零，因此不会损失码率并且保证频谱效率不会下降。 考虑到多进制Turbo编码结构带来的性能上的优异性，而且可采用软输出迭代译 码来逼近最大似然译码，因此本发明基于多进制Turbo码的编码结构来完成网络编码和 MM0技术的融合。 本发明的多进制网络Turbo码的编码方法，其技术特征在于步骤如下 —、对第N个单天线用户的L个比特的信息进行二进制纠错编码，码率为Ru，然后
调制，调制阶数为Mu，得到长度为(p 二 ，,)的符号序列Sra。
发明内容
4
二、最大比合并nKK根接收天线接收到的用户信息序列 >w=2 4=2 ("w * * "肌,+"r)) 然后对yKN解调。解调输出的信息比特做多进制Turbo码的校验位编码可得到两 组校验位序列。解调输出L/X个比特的信息进行码率为RK的递归巻积编码，得到长度为L/ 的第一组校验位序列S^1 ;同时将L/X个比特的信息经过码元交织后，进行码率为RK的 递归巻积编码，得到长度为的第二组校验位序列Sffl2。两组校验序列做正交空时分组 编码，得到多天线中继节点发射矩阵SKN。 其中，r^为中继节点接收天线数，H,为从用户节点的发射天线到中继节点的第i 根接收天线的信道频率响应，nNKUi是加在接收信号上的零均值复高斯噪声，a Ki是中继 节点第i根接收天线的加权因子。 三、最大比合并nBK根接收天线接收到的用户信息序列 l = ￡X = ￡ ("fi, * (; * //肌+ "，)) 然后对y^N进行解调。解调输出长度为L/X的多进制网络Turbo码的信息位，存 储为l 。 对nBK根接收天线所接收到的中继节点发射信息序列做正交空时分组译码，并解 调得到长度为L/iy^两组校验位序列54, 。对信息位序列5^ ，校验位序列i4,5^/进行
Turbo码合并，形成码长为(2-，)￡的多进制网络Turbo编码序列，其码率为^"。 其中，r^为目的节点接收天线数，H皿i为从用户节点的发射天线到目的节点的第i 根接收天线的信道频率响应，nNBUi是加在接收信号W上的零均值复高斯噪声，a Bi是目的 节点第i根接收天线的加权因子。 本发明所述的一种多进制网络Turbo码编码器，包括N个单天线用户节点、一个多 天线中继节点和一个多天线目的节点，N > 1。多天线中继节点包括r^根接收天线，~根 发送天线，r^〉 l，nKT> l，一个最大比例合并解调器，一个码元交织器，两个递归巻积编码 器， 一个调制器和一个正交空时分组编码器。nKK根接收天线通过最大比例合并解调器分为 两路，一路通过递归巻积编码器连接调制器；另一路依次通过码元交织器和递归巻积编码 器连接调制器，调制器输出通过正交空时分组编码器连接nKT根发送天线。多天线目的节点 包括nBK根接收天线，nBK > 1， 一个最大比例合并器， 一个正交空时分组译码器， 一个信息存 储器，两个解调器，一个多路合并器。r^根接收天线分别连接最大比例合并器和正交空时 分组译码器，最大比例合并器依次通过信息存储器和解调器连接多路合并器；正交空时分 组译码器通过解调器连接多路合并器。
本发明的有益效果是 1)单天线用户利用中继节点的多天线，形成虚拟MIMO，从而获得系统所能提供的 发射和接收分集增益； 2)用户节点的前向纠错编码和在目的节点合并成的网络Turbo编码在网络中构 成级联纠错编码，提升传输网络的纠错能力； 3)MM0技术和网络编码技术融合，有效抵抗多径衰落对无线通信传输的影响，提
5高网络吞吐量； 4)多进制网络Turbo编码可应用于有中继节点的蜂窝小区网络中更好的解决边缘小区的覆盖度问题。 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明所述多天线系统模型的示意图。 图2是本发明所述多中继节点并存的蜂窝小区网络覆盖模型的示意图。
图3是本发明所述网络Turbo编码器原理图。
图4是本发明所述中继节点结构原理图。
图5是本发明所述目标节点结构原理图。 图6是本发明所述第N个单天线用户节点的二进制编码器选择(2，1，7)巻积编码器示意图。 图7是本发明所述中继节点的上、下分支编码器为递归(2， 1，4)巻积编码器示意图。
具体实施例方式方法实施例多进制网络Turbo码的编码实现步骤如下所示
—、用户步骤 1)用户节点对第N个用户的输入信息aw二 (aN(l)，aN(2)，， aN(U)(包含L个信息比特)进行(2，1，7)巻积编码、QPSK调制后，将得到调制符号
Sra = (sUN(l)， sUN(2)，…，s服(L))发射。
二、中继步骤，包括 1)中继节点最大比合并nKK根接收天线接收到的从用户节点发送的信息为
y做== ￡ * (; * //柳+《')) 其中，n^^2为中继节点接收天线数，H皿为从用户节点的发射天线到中继节点的第i根接收天线的信道频率响应，nNKUi是加在接收信号上的零均值复高斯噪声，a Ki是中继节点第i根接收天线的加权因子。 2)对yffl进行QPSK解调后得到估计序列(^ = (^(1),^(2),…，；(丄))。 3)对《送入上递归巻积编码器的输出做QPSK调制得到
S;-(4^(l),4^(2),…,4^"));同时将(^送入码元交织器，对交织器的输出送入下递归巻
积编码器，对其输出也做QPSK调制得到S^ = (4 (1), 4/ (2),…,(丄))。
4)Sj， Sffl2进入正交空时分组编码模块，输出两天线传输矩阵为 S做= 三、目的步骤，包括 1)目的节点最大比合并nBK根接收天线接收到的从用户节点发送的信息为
《<formula>formula see original document page 7</formula> 其中，r^ = 2为目的节点接收天线数，H^i为从用户节点的发射天线到目的节点的 第i根接收天线的信道频率响应，nNBUi是加在接收信号W上的零均值复高斯噪声，a Bi是 目的节点第i根接收天线的加权因子。 2)目的节点第j根接收天线在t时刻和t+T时刻接收到的由中继节点发来的信息 分别为 《=《* +* ^ + 4
4 = _《* (S; )* + g * (S; )* +《 其中，H 1'j(j = 1，2，…n》是中继节点第1根发射天线到目的节点第j根接收 天线的信道频率响应，n，w，n"'J则分别是第j根接收天线在t时刻和t+T时刻的噪声信 号。目的节点的空时译码模块基于接收信号的线性合并构造了两个判决结果，如下所 示
朋 J4 = S )* *讨"十(巧^ ) * (W^ ) )
乂=1
2 "朋, 么 =1;2|&"1 c
/=1 乂-1 >1
夕L 3((^v)、A-(《)、(A)')
>，
2 "朋 2 "a -ES^^I ^ *("^)*
'=1 乂=1 7=1 3)从目的节点信息存储模块中取出y皿1，对其解调后得到;PL ，可将其视为多进制 网络Turbo编码的信息位。 4)分别对:P^， j)^解调后可得j4^,5^ ，可将其视为多进制网络Turbo编码的两个 校验位。 5)目的节点多路合并模块中对上述得到的j4，5^,i4进行合并，形成完整的多进 制网络Turbo码。 装置实施例参照图3，本发明的装置包括N个单天线用户节点、一个多天线中继 节点和一个多天线目的节点。其中用户节点由二进制纠错编码器、调制器组成。这里选用 二进制(2，1，7)巻积编码，QPSK调制方式。用户信息经过二进制纠错编码处理后送入调制 器，并将调制后的符号信息分别发送至目的节点和中继节点。 中继节点由一个多天线接收最大比合并解调器、两个递归编码器、一个码元交织 器、一个调制器和一个正交空时编码器组成。这里选用QPSK解调、(2，1，4)递归巻积编码、 随机交织和QPSK调制以及两根接收和发射天线。中继节点首先利用多天线接收合并解调 器对用户节点发送的信息进行最大比例合并处理并解调，此处的解调为用户节点的调制的 一个逆过程。完成上述解调功能后将比特信息分成两路进行编码处理， 一路送入递归编码 器进行递归巻积编码；另一路经过码元交织器完成交织后送入相同的递归编码器进行递归巻积编码。将两路编码后的码字调制后送入正交空时分组编码器并分别用多天线分时发送。 目的节点由一个多天线接收最大比例合并器、一个信息存储器、一个空时分组译码器、两个解调器、一个多路合并器组成。这里选用两接收天线、QPSK解调方式。目的节点的多天线会接收到从用户节点直接发送的信息和经中继处理转发的信息。首先在最大比例合并器中对用户节点直接发送到的信息进行合并处理后送入信息存贮模块中；同时将中继节点转发的信息送入空时分组译码器中，完成正交空时分组译码器得到若干个符号信息(具体个数和选用的天线数相关)。将信息存储器输出的信息送入解调器，这里的解调为用户节点的调制的一个逆过程，其解调输出可视为多进制网络Turbo编码的信息位。将正交空时分组译码得到的符号信息送入解调模块，这里的解调为中继节点调制的一个逆过程，其解调输出分别为多进制网络Turbo编码的校验位。将信息位和校验位码字同时送入多路合并器，则可在目的节点重组为完整的多进制网络Turbo码。
权利要求
一种多进制网络Turbo码的编码方法，其特征在于包括下述步骤(a)对第N个单天线用户的L个比特的信息进行二进制纠错编码，码率为RU，然后调制，调制阶数为MU，得到长度为的符号序列SUN；(b)最大比合并nRR根接收天线接收到的用户信息序列然后对yRN解调；解调输出L/RU个比特的信息进行码率为RR的递归卷积编码，得到长度为L/RURR的第一组校验位序列SRN1；同时将L/RU个比特的信息经过码元交织后，进行码率为RR的递归卷积编码，得到长度为L/RURR的第二组校验位序列SRN2；两组校验序列做正交空时分组编码，得到多天线中继节点发射矩阵SRN；其中，nRR为中继节点接收天线数，HRUi为从用户节点的发射天线到中继节点的第i根接收天线的信道频率响应，nNRUi是加在接收信号yRNi上的零均值复高斯噪声，αRi是中继节点第i根接收天线的加权因子；(c)最大比合并nBR根接收天线接收到的用户信息序列然后对yBN1进行解调，解调输出长度为L/RU的多进制网络Turbo码的信息位，存储为对接收到的中继节点发射信息序列做正交空时分组译码，并解调得到长度为L/RURR两组校验位序列对信息位序列校验位序列进行Turbo码合并，形成码长为的多进制网络Turbo编码序列，其码率为其中，nBR为目的节点接收天线数，HBUi为从用户节点的发射天线到目的节点的第i根接收天线的信道频率响应，nNBUi是加在接收信号yNi上的零均值复高斯噪声，αBi是目的节点第i根接收天线的加权因子。F2008102320761C0000011.tif,F2008102320761C0000012.tif,F2008102320761C0000013.tif,F2008102320761C0000014.tif,F2008102320761C0000015.tif,F2008102320761C0000016.tif,F2008102320761C0000017.tif,F2008102320761C0000018.tif,F2008102320761C0000019.tif
2. —种实现权利要求1所述的多进制网络Turbo码编码方法的编码系统，包括N个单 天线用户节点、一个多天线中继节点和一个多天线目的节点，N〉 l，其特征在于所述的多 天线中继节点包括r^根接收天线，r^根发送天线，nKK > 1， nKT > l，一个最大比例合并解 调器， 一个码元交织器，两个递归巻积编码器， 一个调制器和一个正交空时分组编码器；nKK 根接收天线通过最大比例合并解调器分为两路，一路通过递归巻积编码器连接调制器；另 一路依次通过码元交织器和递归巻积编码器连接调制器，调制器输出通过正交空时分组编 码器连接r^根发送天线；所述的多天线目的节点包括r^根接收天线，nBK> l，一个最大 比例合并器， 一个正交空时分组译码器， 一个信息存储器，两个解调器， 一个多路合并器；nBK 根接收天线分别连接最大比例合并器和正交空时分组译码器，最大比例合并器依次通过信 息存储器和解调器连接多路合并器；正交空时分组译码器通过解调器连接多路合并器。
全文摘要
本发明公开了一种多进制网络Turbo码的编码方法及编码系统，用户信息经过纠错编码、调制后得符号序列，最大比例合并每根中继节点接收天线接收序列并解调后分别直接进行递归卷积编码和经码元交织后进行递归卷积编码，得到两组校验位序列后做正交空时分组编码，得中继节点发射矩阵；最大比例合并每根目的节点接收天线接收到的用户节点发送序列并解调，存储为对接收到的中继节点发送序列进行正交空时分组译码，并解调得校验位序列。合并和，形成多进制网络Turbo码。本发明能够为单天线用户形成虚拟MIMO，从而获得系统所能提供的发射和接收分集增益，提升传输网络的纠错能力，提高网络吞吐量，更好的解决边缘小区的覆盖度问题。
文档编号H04B7/04GK101764634SQ20081023207
公开日2010年6月30日 申请日期2008年11月4日 优先权日2008年11月4日
发明者袁伟, 郭旭东, 雷绪恳 申请人:西安新邮通信设备有限公司