一種基于信道-網絡編碼的雙中繼傳輸方案

譚杜坤

（西北工業大學 航海學院,陜西 西安710072）

一種基于信道-網絡編碼的雙中繼傳輸方案

譚杜坤

（西北工業大學 航海學院,陜西 西安710072）

研究了聯合信道編碼與網絡編碼的中繼傳輸技術，提出了一種雙中繼轉發的傳輸模型。該模型有效結合了網絡-信道編碼的糾錯能力，采用雙中繼進行數據傳輸，即利用了路徑的多樣性避免突變信道的影響又利用了數據傳輸的冗余，在接收端采用選舉算法進行數據恢復。仿真研究表明本文提出的聯合信道-網絡編碼的雙中繼傳輸機制能夠有效降低接收端的誤比特率。

信道編碼；網絡編碼；LDPC碼；雙中繼傳輸

隨著人們對通信系統需求的增長，對數據速率和服務質量的要求不斷提高［1］。如何實現更高傳輸速率、更高帶寬的無線傳輸等問題日益重要。這些問題的根源是如何提高信道容量。而中繼傳輸技術的出現解決了信號的傳輸距離問題，能擴大網絡覆蓋范圍，同時提高網絡容量，成為了近年來的研究熱點之一。

信道編碼又稱為信道糾錯編碼或差錯控制編碼，旨在降低誤碼率，提高通信系統的可靠性。LDPC信道編碼技術是當今信道編碼領域的最令人矚目的研究熱點。網絡編碼打破了傳統通信網絡中繼節點只能對接收到的信號進行存儲和轉發的限制，允許網絡中的中繼節點在轉發信息前對輸入的信息進行編碼操作，終端用戶節點再通過譯碼算法將所需的信息進行譯碼，這樣不同的信息就可以同時通過有限鏈路，從而提高網絡的流量［2］。

聯合信道-網絡編碼就是將信道編碼和網絡編碼相結合，利用網絡編碼技術所產生的冗余信息來協助信道編碼，來抵抗信道噪聲和衰落帶來的失真，實現更好的系統性能［2］。因此，在保證無線中繼網絡傳輸效率的前提下，將網絡編碼和信道編碼相結合，從而進一步改善無線網絡中的傳輸可靠性。

文獻［3］在研究無線網絡中物理層網絡編碼技術的基礎上,提出了一種聯合網絡編碼和信道編碼的設計方案。該設計利用LDPC碼和網絡編碼的線性特性以及軟輸入軟輸出模塊設計,減少了編譯碼的復雜度。文獻［4］提出了將信道編碼、網絡編碼同時引入到協作通信系統而建立了基于聯合信道-網絡編碼的協作通信機制，研究了能量分配、碼率分配對系統性能的影響。文獻［5］基于LDPC編碼和網絡編碼的線性編碼特性,利用了中繼節點處物理層接收到的疊加電磁波信號中包含的信息,提出了雙向中繼系統中匹配物理層網絡編碼-LDPC信道譯碼方案。文獻［6］提出了適用于雙向中繼信道的聯合網絡-信道編碼協作通信方案，從理論上分析了該方案的吞吐量。文獻［7］中的方案結合了多進制LDPC碼和隨機線性網絡編碼，并采用高階調制，有效提高頻帶利用率。文獻［8］提出了具有簡單聯合信道編碼-網絡編碼級聯結構的協作中繼傳輸方案,證明了聯合信道編碼-網絡編碼結合迭代譯碼能夠有效提供高可靠無線通信。

本文提出了一種雙中繼轉發的傳輸模型。該模型有效結合了網絡-信道編碼的糾錯能力，采用雙中繼進行數據傳輸，即利用了路徑的多樣性避免突變信道的影響又利用了數據傳輸的冗余，在接收端采用選舉算法進行數據恢復。

1　單中繼傳輸技術

在圖1所示的單中繼傳輸場景中，終端用戶N1和N3不能直接進行通信。若要進行信息的傳輸，需借助中繼節點N2的中繼轉發。中繼節點可以實施轉發的策略有3種：第一種是放大轉發，第二種是編碼轉發，第三種是結合網絡編碼的轉發。

中繼節點的3種轉發策略涉及兩種傳輸模式。分別為傳統轉發模式和基于網絡編碼的轉發模式。其中，傳統模式是指當N1和N3有信息需進行交互時，如圖1所示，N1先將信號發送給N2，接著N2將其轉發給N3。之后，N3經歷相同的過程將自己的信息發送給N1，這樣就完成了N1與N3之間的信息交互。這個過程中每一次交付都占據一個相應的傳輸時隙。其中，中繼節點的轉發策略包含了放大轉發（AF）和編碼轉發（DF）兩種方式。

圖1　單中繼傳輸模型

基于網絡編碼的轉發模式是指，如圖1所示，N1將先將信號發送給N2，之后N3也將信號發送給N2，N2節點在收到N1和N3的信號之后，重新做映射處理，實施網絡編碼策略。并通過廣播信道轉發給N1和N3，N1和N3收到這個混合信號后，利用本地已有的信號，根據相應算法得到對方信號。

在上述兩種傳輸模式中，傳統的轉發模式需要4個時隙的時間才能完成終端用戶N1和N3之間的信息交互，基于網絡編碼的轉發模式只需要3個時隙時間。

2　雙中繼轉發技術

為了進一步提高用戶端的誤比特率性能，對終端用戶可直接通信的場景模型提出一種雙中繼雙向轉發的傳輸模型。該傳輸模型中，N1節點和N3節點為終端用戶，N1節點和N3節點需要相互交互數據。N2節點和N4節點為中繼節點。如圖2所示，一次數據傳輸過程需要4個時隙時間。

圖2　雙中繼模型

時隙1階段，終端用戶N1對自身的數據包a經LDPC編碼后廣播，中繼節點N2、N4和用戶節點N3都可以接收該數據包。

時隙2階段，終端用戶N3對自身的數據包b經LDPC編碼后廣播，同理，中繼節點N2、N4和用戶N1節點接收該數據包。

時隙3和時隙4階段，中繼節點N2和N4，對接收到的來自源節點N1和N3的數據包，進行解調，譯碼，并對源節點N1和N3的數據包進行網絡編碼，并將編碼后數據包C=X or（a，b）廣播出去。

此時，終端用戶N1和N3分別收到了來自對方的數據包和經中繼節點進行網絡編碼后的數據包。終端用戶節點首先對接收的數據包分別進行解調和譯碼操作。以終端用戶N1為例，分別收到終端用戶N3直接廣播的數據包估計b0，中繼節點N2廣播的數據包和中繼節點N4廣播的數據包。終端用戶N1分別將中繼節點N2,N4廣播的數據包和本次存儲的數據包進行編碼的解碼操作（本文采用異或方式解碼）,分別得到解碼后數據包b1,b2。終端用戶節點N1對接收到數據包b0,b1,b2采用選舉算法得到最終的解調結果，即當有兩個數據包序列對應的比特位相同時，認為該比特值為數據包對應的正確值。

3　性能仿真

3.1單中繼傳輸系統性能仿真

本仿真研究了直接轉發，編碼轉發和結合網絡編碼的雙向中繼轉發的用戶端誤比特率性能，采用BPSK調制方式，高斯白噪聲信道，仿真結果如圖3所示。

圖3　直接轉發，編碼轉發，網絡編碼轉發性能對比

仿真結果圖3表明，編碼轉發和網絡編碼轉發的性能優于直接轉發性能。由于直接轉發過程中引入了鏈路上的噪聲，導致通信性能降低。編碼轉發和網絡編碼轉發克服了噪聲的影響，但不可避免的存在解碼錯誤的影響。網絡編碼轉發的性能與編碼轉發的性能接近，但網絡編碼是對編碼轉發的進一步處理，也會引入部分錯誤，導致其性能的降低。網絡編碼轉發較前兩種轉發技術的節省了一個時隙的傳播時間。

仿真結果圖4對比研究了直接轉發，編碼轉發，網絡編碼結合LDPC編碼的雙向單中繼轉發的用戶端誤比特率性能，采用BPSK調制方式，高斯白噪聲信道。在網絡編碼轉發的基礎了進一步結合LDPC信道編碼，降低了中繼節點編碼錯誤帶來的錯誤，提高用戶端的誤比特率性能。仿真結果圖4表明，當中繼節點能夠有效的降低解碼的錯誤時，用戶端的誤比特性能明顯提升。

仿真結果圖5，對比研究了結合LDPC編碼的直接轉發，編碼轉發，網絡編碼單中繼轉發的用戶端誤比特率性能，采用BPSK調制方式，高斯白噪聲信道。仿真結果圖4表明，編碼轉發和結合網絡編碼的單中繼轉發在信噪比為8dB時，用戶端的誤比特率為10-3。直接轉發方式用戶端的誤比特率為10-1，在3種轉發的基礎上結合LDPC編碼，如仿真結果如圖5所示，3種轉發方式用戶端性能均有所提升，但直接轉發方式只提高了一個數量級。對于編碼轉發和網絡編碼轉發方式，由于中繼節點能夠有效的降低重新編碼中存在的錯誤，用戶端的誤比特率性能明顯提高，當信噪比達到4 dB以后，誤碼率為零。

圖4　網絡編碼結合LDPC編碼的性能對比

圖5　結合LDPC編碼的性能對比

3.2雙中繼傳輸系統性能仿真

本節仿真研究了雙中繼傳輸模型下的用戶端誤比特性能，采用BPSK調制方式，高斯白噪聲信道。仿真結果圖6，對比研究了直接傳輸和雙中繼雙向傳輸模型下，終端用戶N3處的誤比特率性能。仿真結果圖6表明，相對于直接轉發和單中繼轉發，雙中繼傳輸模型雖然在時隙數量上和傳統的轉發模型一樣，但在誤比特率性能上有著明顯提升。這是因為文中提出的雙中繼傳輸模型能夠有效的利用信道的廣播特性，結合了信道-網絡編碼的糾錯能力和多路徑帶來的數據包冗余，采用了LDPC編碼降低了中繼節點處的重新編碼引入的誤差，接收節點處采用選舉算法進行數據恢復。

圖6　雙中繼傳輸模型誤比特性能

4　結束語

文中研究了基于信道與網絡聯合編碼的無線中繼傳輸技術，仿真對比了3種中繼轉發策略的性能，和引入LDCP編碼后的無線中繼傳輸性能。在此基礎上，提出了一種雙中繼轉發的傳輸模型。該模型有效結合了信道-網絡編碼的糾錯能力和多路徑冗余傳輸，接收端采用選舉算法進行數據恢復，進一步提高了網絡編碼和LDPC編碼的糾錯性能。仿真研究表明本文提出的聯合信道-網絡編碼的雙中繼傳輸機制能夠有效提高該傳輸網絡的系統誤比特率，從而提高了網絡有效吞吐量。

［1］宋光輝.無線中繼網絡中網絡編碼與信道編碼的聯合設計［D］.西安:西安電子科技大學，2009.

［2］黃欣.LDPC碼與網絡編碼的聯合編譯碼方案［D］.南京：南京郵電大學，2013.

［3］仇巧云,盧選民,趙明峰.一種網絡編碼和信道編碼的聯合設計［J］.現代電子技術,2010（23）:52-54.

［4］呂政,余志軍,劉海濤.協作通信中聯合信道一網絡編碼的性能分析與資源分配［J］.西安交通大學學報，2012（46）:83-86.

［5］顧云.無線雙向中繼系統的網絡編碼研究［D］.上海：復旦大學，2012.

［6］Hausl C,Hagenauer J.Iterative network and channel decoding for the two-way relay channel［C］//Proc.IEEE International Conference on Communications.Istanbul,Turkey:IEEE Press,2006:1568-1573.

［7］Mikel H,Pedro M C,Javier D S.Joint non-binary LDPCBICM and network coding with iterative decoding for the multiple access relay channel［C］//Proc.73rd IEEE Vehicular Technology Conference.Budapest,Hungary:IEEE Press, 2011:1-5.

［8］Mizobuchi M,Ibi S,Sampei S.A study on a cooperative relay using joint network and channel coding in simple triangular network topology［C］//2009 IEEE 20th International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications，2009:2330-2334.

Scheme of double relay transmission based on network—channel coding

TAN Du-kun
（Northwestern Polytechnical University School of Marine Science and Technology，Xi′an 710072,China）

In this paper,we study a relay transmission technology based on network-channel coding and propose a double relay transmission model.This model effectively enhances the ability of error correction by network-channel coding.It adopts a double relay model for data transmission that avoids the influence of mutation channel by the diversity of multi-path.It also can get redundancy transmission data.Then,the receiver recovers data by the election algorithm.Simulation results show that the proposed double relay transmission model can reduce the bit error rate.

channel coding；network coding；LDPC Code；double relay transmission

TN925

A

1674－6236（2016）13-0110-03

2015-07-01稿件編號：201507006

譚杜坤（1983—），男，陜西西安人，碩士研究生。研究方向：信息與信號處理。