专利名称：基于自适应调制的联合网络编码与信道译码的传输方法
技术领域：
本发明涉及基于网络编码与信道译码的无线传输技术领域。
背景技术：
网络编码从本质上打破了通信网络中传统的信息处理方式，它已是通信网络研究领域中的一个新的研究热点。网络编码机制通过允许中继节点对从多条路径接收到的信息 进行编码转发，接收节点进行相应解码以获得原始信息，理论上可以实现网络的最大流传 输，并有效地解决中继节点的传输瓶颈问题，在提高网络吞吐量、改善负载均衡、减小传输 延迟、节省节点能耗、增强网络鲁棒性等方面均显示出其优越性。网络编码的早期研究仅限 于有线网络的组播传输，由于无线网络自身的广播特性，或者说是无线组播优势，使得网络 编码在无线网络中的应用带来了新的增益，包括提高无线网络的传输速率、吞吐量和节省 能量消耗等。对于有噪的无线网络链路传输，网络编码应该与处理无线信道衰落的不利影 响的技术进行融合。但由于移动通信信道具有时变衰落特性，无线信号受到多径效应的作用会产生严 重的幅度衰落和时延扩展，造成误比特率性能恶化。克服幅度衰落的一种方法是增加发射 功率，加大幅度余量；另一种方法是降低无线信道中的比特传输速率，而比特传输速率的降 低会降低频谱利用率，即降低了系统的容量。另外，因为非自适应系统链路预算须满足信道 质量最差情况，因而当信道质量较好时，系统就不能充分利用信道容量，造成了频谱资源的 浪费；而且未来移动通信需要发展高速数据传输业务。因此，现有技术中，在信道状态不断变化条件下还没有一种在系统容量和系统误 码性能两方面都达到较优的完善的无线传输方案。
发明内容
有鉴于此，为了解决上述问题，为此，本发明提出了一种自适应调制的联合网络编 码与信道译码的传输方法，源节点采用的调制方式根据信道情况自适应调整，能在保持较 低的误比特性能的同时，尽可能提高信道容量。本发明的目的是这样实现的基于自适应调制的联合网络编码与信道译码的传输 方法，包括如下步骤1)第一源节点Ii1和第二源节点Ii3分别对要发送的数据包Sp S3进行线性编码和 调制，调制的方案根据实际信道情况自适应调整；然后将调制信号发送给中继节点n2 ；2)中继节点Ii2对接收到的来自两个源节点的信息分别进行调制信号识别，然后根 据调制方式信息分别进行相应的软解调；3)中继节点Ii2得到两路信号解调后的软判决信息后，进行网络编码，即合并软信 息，将合并后的软信息经过信道解码得到目标数据包& =(^1 ，并将其广播； 4)两个源节点收到中继节点II2广播的数据包S2，借助已有信息进行译码即得到对方节点信息，完成信息交换。进一步，步骤1)中，随着与中继节点距离的增加，源节点采用的调制方式的阶数降低，源节点与中继节点距离越接近，采用的调制阶数越高；进一步，步骤1)中，对于一个源节点的一个数据流在一次会话周期内，一层的分 组数据单元只采用一种调制方式；进一步，所述调制方式选自BPSK( 二相相移键控)、QPSK(四相相移键控)、 8PSK(八相相移键控)或16QAM(十六进制正交幅度调制)等调制方式中的一种。相对于现有技术，本发明的方法根据实际信道条件进行自适应调整信号调制速 率，在任何时刻都使信道容量达到最大或者使系统性能达到相对最佳，从而使移动无线信 道频带日益拥挤的今天能得到较高的频谱利用率，有效地提高信息传输速率、从而提高传 输系统的带宽，可在系统容量和系统误码性能两方面都达到令人满意的程度。本发明的方 法还使用网络编码和信道编码的联合设计，可以得到更多的分集增益。本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并 且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可 以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要 求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进 一步的详细描述图1示出了基于自适应调制的联合网络编码与信道译码的传输方法的系统传输 模型；图2示出了基于自适应调制的联合网络编码与信道译码的传输方法的流程示意 图；图3示出了基于自适应调制的联合网络编码与信道译码的传输方法的一个选择 调制方式的例子。
具体实施例方式
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。如图1所示，为本发明的基于自适应调制的联合网络编码与信道译码的传输方法 的系统传输模型，包含两个移动源节点I^n3,以及中继节点η2。1)源节点ηι和源节点Ii3分别对要发送的数据包S1J3进行线性编码和调制，调制 的方案根据实际信道情况自适应调整；然后在第一个时隙，H1将S3发送给η2，在第二个时 隙，H3将S3发送给Ii2 ；2)中继节点Ii2对接收到的来自两个源节点的信息分别进行调制信号识别，然后根 据调制方式信息分别进行相应的软解调；3)中继节点Ii2得到两路信号解调后的软判决信息后，进行网络编码，即合并软信 息，将合并后的软信息经过信道解码得到目标数据包&,并将其在第三个时隙广 播给H1和H3广播;
4)两个源节点收到中继节点Ii2广播的数据包S2，借助已有信息进行译码即得到对方节点信息，完成信息交换。下面详细叙述本发明的基于自适应调制的联合网络编码与信道译码的传输方法 的实施流程。如图2所示，Si = [Si,。，sia, ... , Sij K_J，i = 1，3表示两移动源节点Ii1和Ii3 发送的数据包。假设两数据包S1和S3有着相同的长度K，当k = 0，1，... K-I时二进制信 息比特Si,ke {0,1}并且彼此独立，同分布。Mi= [mij0,mia,... ,mijN_J,i = 1，3表示节点 ni处经过信道编码后的数字码元的集合，Hii,ne {^丨，则码率^· = !^^本方案的叫和叫 采用相同的PCCC Turbo编码器。Γ表示Turbo编码器的映射函数；Γ ―1表示Turbo解码器 的映射函数，即:Γ (Si) = Mi, Γ H(Mi) = Si, i = 1,3从编码后的比特Hii,n到调制符号Xi,n的映射表示为Xi,n = fi OiiiJ。如图2所示， 中继节点是对两路软信息的合并信息进行解码，这就要求两源节点H1和H3处的信道编码器 相同并且满足线性性质「体@民)=「(5\) 「(民)。其中，@代表网络编码算法中普通的二
进制异或运算对Hi1, m3 e M应用异或运算使得wI。与传统方式不同的是，信道编码之后，每个源节点根据实际信道状况，选择合适的 调制方式发送信号。本方案中，源节点的调制方式根据与中继节点之间的距离慢速自适应 调整，即对于一个源节点的一个数据流在一次会话周期内，一层的PDU(分组数据单元)只 采用一种调制方式。设计原则是尽可能减少可选项，从而简化中继节点设计。源节点根据 MAC层调度器来确定调制方案(BPSK、QPSK、8PSK、16QAM)。图3显示了一个采用自适应调制方案的简单例子。系统根据CQI (信道质量信息) 来确定调制方式，CQI的反馈周期可以根据环境的变化进行调整。反馈开销的大小将作为选 择CQI反馈方法的重要依据。物理层提交CQI到MAC层，在物理层内部准确地生成CQI的 方法是物理层的内部机制。利用自适应调制技术的方案可以根据当前信道容量需求确定合 适的调制方式，最大限度地以较高速率发送信息。Xi代表源节点Iii处调制之后的数据包，它经过信道发送给中继节点n2。Yi表示中 继节点接收到的来自节点Iii的数据包，Yi = [Υ ,ο , '···i = 1，3。中继节点Ii2接收到Yi后分别进行调制信号识别来判定接收信号在源节点处的调 制方式，然后就可以进行相应的解调译码处理。传统的联合网络_信道编码方案中Turbo译码所针对的是BPSK调制方式，而本方 案中源节点可能采用不同的调制方式(包括高阶调制)。如果在Turbo译码输入端输入硬 解调的判决结果，其性能将会急剧下降，所以在n2处解调获得的软判决信息尤其重要。在 此，我们以16QAM为例阐述软判决信息的推导过程。在时刻k，16QAM星座图上的信号点用复平面上的实数对{Ak，Bk}来表示，它是由四 个比特Iuk, J，i = 1，2，3，4映射得到的。假设星座图中所有的符号，以及所有符号所含的 比特，出现的概率是相等的。使用相关接收，解调器接收数据的同相支路和正交支路Ylk和 YQk可以表示为Ylk = akAk+Ik，YQk = akBk+Qk，其中ak在瑞利衰落信道下是一个瑞利随机变 量，在高斯白噪声信道下为1。Ik和Qk是均值为0，方差为σΝ2的高斯噪声，且它们是相互 独立的。逐比特计算其似然对数比，第i个比特IukJi = 1，2，3，4的LLR定义为LLR(uk,i)=log=P(uk,i=1∣Ylk,Yqk)/P(uk,i=0∣Ylk,Yok),i=1,2,3,4采用MAX-LOG-MAP算法，通过求离接收信号Y最近的第i个比特为1的星座点与Y 的距离以及最近的第i个比特为0的星座点与Y的距离就可以求得该比特的软判决信息。 得到四个比特的软判决信息后就完成了这个符号的软判决解调，即得到解调器的软输出。 令Vi = [νi,ο,vi,1,.νi,N1], i = 1，3代表接收信号Yi的软判决信息。下一步的网络编码操作是对两个发送的数据包的软判决信息V1和V3进行合并 (即逐比特异或)，可以表示成<formula>formula see original document page 6</formula>=in(exp(v1,n+exp(v3,n)/1+exp(v1,n+v3,n)
= LLR(m2,n)V1和V3合并(即网络编码)的输出信号V2经信道解码就能够得到目标数据包 (Sr Si)。如果没有传输错误的情况下，目的信息数据包可以表示成<formula>formula see original document page 6</formula> <formula>formula see original document page 6</formula><formula>formula see original document page 6</formula><formula>formula see original document page 6</formula>可以看出，软判决信息V1和V3经过合并(即网络编码)之后，输出信号V2进入 Turbo译码器(SIS0迭代译码)就能够得到目标数据包(S θ S3)。传统方案的Turbo码译码算法推导时，使用的调制方式多是BPSK或QPSK。针对高 阶软解调，必须对输入Turbo码译码器的LLR做近似。输入的LLR可以近似的认为服从高 斯分布，其条件PDF为
η, ι 、 1f (Yk — Ujnf.P{Yk\uk)=,——7exp{一~k-~\~}其中m和ο 2为LLR的绝对值和方差，可以用统计量
J N1 Λ'二iZW—讲2来代替。译码器输出即为目标数据包S2 =CS1十S3)。因为XOR操作具有以下性质戎=& ^々《=&十S1,S, = &十民，接收节点收
至忡继节点广播的S2,借助已有信息进行译码(异或)，即可得到对方节点信息，完成信息交换。以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人 员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的 这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些 改动和变型在内。
权利要求
基于自适应调制的联合网络编码与信道译码的传输方法，其特征在于包括如下步骤1)第一源节点(n1)和第二源节点(n3)分别对要发送的数据包(S1、S3)进行线性编码和调制，调制方式根据实际信道状况自适应调整；然后将调制信号发送给中继节点(n2)；2)中继节点(n2)对接收到的来自两个源节点的信息分别进行调制信号识别，然后根据调制方式信息分别进行相应的软解调；3)中继节点(n2)得到两路信号解调后的软判决信息后，进行网络编码，即合并软信息，将合并后的软信息经过信道解码得到目标数据包并将其广播；4)两个源节点收到中继节点(n2)广播的数据包S2，借助已有信息进行译码即得到对方节点信息，完成信息交换。FSA00000055409500011.tif
2.如权利要求1所述的基于自适应调制的联合网络编码与信道译码的传输方法，其特 征在于步骤1)中，随着与中继节点距离的增加，源节点采用的调制方式的阶数降低，源节 点与中继节点距离越接近，采用的调制阶数越高。
3.如权利要求2所述的基于自适应调制的联合网络编码与信道译码的传输方法，其特 征在于步骤1)中，对于一个源节点的一个数据流在一次会话周期内，一层的分组数据单 元只采用一种调制方式。
4.如权利要求3所述的基于自适应调制的联合网络编码与信道译码的传输方法，其特 征在于所述调制方式选自二相相移键控、四相相移键控、八相相移键控或十六进制正交幅 度调制等调制方式中的一种。
全文摘要
本发明提出了一种基于自适应调制的联合网络编码与信道译码的传输方法，该方法根据实际信道情况自适应调整调制方式，能在保持较低的误比特性能的同时，尽可能提高信道容量；包括如下步骤两个移动源节点分别对要发送的数据包进行线性编码和调制，调制方式根据信道情况自适应调整；然后将调制信号发送给中继节点；中继节点对接收到的来自两个源节点的信息分别进行调制信号识别，再根据调制方式信息进行相应的软解调；中继节点得到两路信号解调后的软判决信息后，进行网络编码，即合并软信息，合并后的软信息经过信道解码得到目标数据包，并将其广播发送；两个源节点收到中继节点广播的数据包，借助己有信息进行译码即得到对方节点信息，完成信息交换。
文档编号H04L1/00GK101814974SQ20101012314
公开日2010年8月25日 申请日期2010年3月12日 优先权日2010年3月12日
发明者吴玉成, 李妮, 邓慧平 申请人:重庆大学