無線中繼協作中LDPC碼與網絡編碼聯合設計探討

唐 玲，楊平先

(四川理工學院 自動化與電子信息學院，四川 自貢 643000)

無線中繼協作中LDPC碼與網絡編碼聯合設計探討

唐 玲，楊平先

(四川理工學院 自動化與電子信息學院，四川 自貢 643000)

在研究無線協作移動通信的基礎上，利用LDPC(Low Density Parity Check)碼(多層LDPC碼或者速率兼容LDPC碼)，針對多接入協作系統，討論如何將其與網絡編碼(線性網絡編碼、隨機網絡編碼)結合的設計方案，從而提高通信系統性能和吞吐量，具有極高的理論價值和應用前景。

中繼協作；低密度檢驗碼(LDPC)；網絡編碼

近年來，隨著LTE技術的發展，對于通信速度的要求越來越高。由于移動終端尺寸的限制，基于中繼的協作通信成為4G和WiMAX中的重要技術，并被寫入IEEE802.16系列標準的文檔中，是繼MIMO多天線技術之后無線通信與網絡領域內又一前沿研究課題。如果將網絡編碼和LDPC碼應用到多中繼的無線協作通信系統中，必然會很大程度上提高通信系統信息傳輸的可靠性、安全性，使網絡性能達到最大流傳輸的理論極限，提高網絡的吞吐量和數據傳輸速率，增強網絡的容錯性和糾錯性能，這將是一個非常具有理論價值和應用前景的研究方向。

網絡編碼自從2000年提出之后就得到了廣泛的關注，它融合了編碼和路由的概念，通過允許對來自不同鏈路的信息進行編碼組合，使得網絡節點既實現路由功能又實現編碼功能。LDPC碼是一種線性分組碼，它于1962年由Gallager提出，是當今信道編碼領域最受矚目的研究熱點。為提高編碼調制系統的整體增益，文獻[1]提出了一種分布優化方法，從而改善誤碼性能；文獻[2]考慮在半雙工系統下，實現了單源、單中繼、單宿系統的LDPC碼設計；文獻[3]針對上述系統設計出雙層LDPC碼，這樣設計的原因是為了保證達到系統的最大容量，并針對復雜模型設計了多層LDPC碼，將LDPC碼與協作系統完美地結合在一起；文獻[4]將多層LDPC碼應用到多源多中繼多宿系統中，提出了針對復雜系統的改良方案，采用的速率兼容LDPC碼是一類嵌套LDPC碼，其最大的優點就是只需一個解碼器就可以將所有不同速率的LDPC碼正確譯出。

Zhang等人在雙向中繼模型中提出了物理層網絡編碼方案[5]，利用無線電波的廣播特性，將電磁波信號在空間的疊加映射到調制符號集合中，從而實現網絡編碼的思想。文獻[6]研究了隨機網絡編碼與協作中繼傳輸的結合，即使網絡部分節點或鏈路失效，最終在目的節點仍然能恢復原始數據，增強網絡的容錯性和魯棒性。利用信道編碼可以為網絡編碼提供一個良好可靠的通信環境，有助于信道編碼的成功應用。但是如何在通信節點同時實施網絡與信道聯合編碼，使二者得以相輔相成，但目前的研究還處于起步階段。

1 問題的提出

考慮一個多用戶、多中繼的協作系統上行鏈路，如圖1所示。小區內N個用戶終端(S1，S2，…，SN)通過M個用戶中繼向基站D發送數據，通信過程可以分為兩個階段：第一階段，N個用戶向中繼和基站廣播消息；第二個階段，中繼節點將用戶數據處理后發送到基站。基站最終根據用戶數據和中繼節點數據獲取用戶信息。

圖1 多接入協作系統上行鏈路

假定每個用戶均采用LDPC信道編碼方式(多層LDPC碼或速率兼容LDPC碼)，中繼與用戶采用相同的信道編碼方式，中繼收到用戶數據后先進行解碼，獲得用戶信息，并按照需求重新對所選擇的數據進行LDPC信道編碼，隨后各個中繼再分別進行網絡編碼(線性網絡編碼、物理層網絡編碼或隨機網絡編碼)，在基站設計最優聯合譯碼方式，針對不同的網絡編碼方式和LDPC信道編碼，最終譯出用戶信息。

2 設計方案

總體研究思路：1)依據中繼協作方式，建立系統模型，如圖1所示；2)采用統一LDPC碼，中繼處實現網絡編碼和LDPC的聯合編碼；3)基站接收數據，并進行聯合譯碼，計算誤碼率。

1)中繼協作網絡中，LDPC碼的速率可以逼近系統的容量極限，如果要達到這一要求需要將一部分校驗碼由中繼發出，將校驗碼分為不同的子集，分別由不同的中繼發出或在不同的時隙發出，通過信源、中繼和信宿的協同合作，最終成功解碼，然而多層LDPC碼與速率兼容LDPC碼的構造方法是不一樣的，如圖2和圖3所示。

雙層LDPC碼應用在單源、單宿、單中繼網絡中，單源首先廣播信息，中繼收到數據后，首先進行解碼，然后針對部分信號重新進行LDPC編碼，得到k2個校驗碼，然后將k2個校驗碼發送到信宿，并協助信宿解碼在信源廣播時隙中收到的數據。信源發送數據(LDPC碼)，在這個過程中，校驗碼被分成了兩個子集φ(1)和φ(2)，分別代表了兩層數據，所以被稱為雙層LDPC碼。對于多中繼網絡來說，就需要將校驗碼分成更多的子集，形成多層LDPC碼，如圖4所示，對于多源、多宿、多中繼模型，每個信源發出的LDPC碼都被分成了兩層，外層校驗碼是根據S—R之間的信道速率優化的，而內層則是根據整個中繼網絡的容量極限優化的，內層校驗碼用來幫助基站反方向譯碼，獲得信源發出信號中包含的全部信息。

圖2 雙層LDPC碼

圖3 速率兼容LDPC

速率兼容LDPC的構造方式有別于多層LDPC碼，如圖3所示，二者設計理念相似，但前者將需要重傳的校驗碼子集附在矩陣末端，通過單一解碼器反方向譯碼，子集的個數與中繼個數和需要重傳的次數有關。

2)中繼處對LDPC成功解碼后，按照需求對需要中繼傳輸的數據進行網絡編碼，再將得到的數據重新進行LDPC信道編碼，發送到基站。

圖4 多源、多宿、多中繼中的多層LDPC模型

3)基站接收到數據后，反方向聯合譯碼，首先解碼LDPC，然后對解碼后的接收碼字進行網絡解碼，得到原始信號，最后計算誤碼率。

3 實驗仿真

針對兩源兩宿一中繼模型，采取MATLAB和C++混合編程的方法，研究了LDPC碼與網絡編碼的聯合編解碼設計，如圖5所示。仿真條件：用戶1和用戶2的上行信道條件相同，分別發送長度為512的原始碼字，經過LDPC編碼和BPSK調制后通過AWGN信道，中繼節點通過線性網絡編碼后，將編碼后的碼字經過調制之后再次發送出去，用戶1和用戶2通過解調、解碼得到相互的估計數據。

圖5 系統模型

仿真過程如圖6所示。實驗結果顯示，應用聯合編解碼的系統與傳統的中繼協作系統具有更低的誤碼率，如圖7所示。再者，如果假設兩種方案的誤碼率近似一致，那么在傳輸時間上，采用聯合編解碼所需的時隙數也就越少，因此該方案比傳統傳輸模式具有更高的網絡吞吐量。將LDPC碼與網絡編碼的聯合技術應用到無線中繼協作系統中，將會大大提高網絡的性能。

4 小結

網絡編碼融合了編碼和路由的概念，通過允許對來自不同鏈路的信息進行編碼組合，使得網絡節點既實現路由功能又實現編碼功能。LDPC碼是一種線性分組碼，它相對Turbo碼來說，具有更低的編譯碼復雜度，也是當今信道編碼領域最受矚目的研究熱點。本文重點討論如何將網絡編碼和LDPC碼相結合應用到中繼無線協作通信系統中，從而提高網絡傳輸性能，并在兩源兩宿一中繼的系統中進行了仿真實驗，驗證了聯合設計方案的可行性，有效降低了系統的誤碼率，提高了性能。

圖6 仿真流程

圖7 BER仿真圖

[1]陳紫強, 藏嵐，謝躍雷，等. 高階調制系統下LDPC碼優化設計[J]. 電視技術，2013, 37(17):193-196.

[2]CHAKRABARTIA, ERKIP E, SABHARWAL A, et al. Code Designs for cooperative Communication[J]. IEEE Signal Processing Magazine, 2007, 24(5):16-26.

[3]RAZAGHIP, YU W. Bilayer LDPC codes for the relay channel[C]//Proc. IEEE International Conference on Communications. Istanbul: IEEE Press, 2006: 1574-1579.

[4]KIM J H, PARK S Y, KIM Y J, et al. Joint LDPC codes for multi-user relay channel[C]//Proc. 4th Workshop on Network Coding, Theory and Applications. Hong Kong: IEEE Press, 2008:1-6.

[5]ZHANGS, LIEW S, LAM P. Physical layer network coding[C]//Proc. 12th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking. LA, US：[s.n.], 2007：121-125.

[6]MEDARDH T, SHI M, EFFROS J, et al. On randomized network coding[C]//Proc. The Annual Allerton Conference on Communication Control And Computing. California：[s.n.]，2003：11-20.

Joint LDPC Codes and Network Coding Based on Wireless Relay Cooperative Communication

TANG Ling, YANG Pingxian

(SchoolofAutomationandElectronicInformation,SichuanUniversityOfScience&Engineering,SichuanZigong643000,China)

Based on the research of wireless cooperative communications, the design how to combine LDPC code ( multi edge LDPC code or rate compatible LDPC code ) with network coding ( linear network coding, random network coding) in view of multi-access systems is discussed in this paper. It improves system performance and throughput of the communication, with a high theoretical value and application prospects.

relay cooperative; LDPC; network coding

四川省教育廳科研項目(13ZB0138)；人工智能四川省重點實驗室開放基金項目(2013RYY02)；四川理工學院教改項目(JG-1306)

TN919.3

B

10.16280/j.videoe.2015.01.021

2014-05-18

【本文獻信息】唐玲，楊平先.無線中繼協作中LDPC碼與網絡編碼聯合設計探討[J].電視技術,2015，39(1).

唐 玲(1981— )，女，碩士生，講師，主研通信協議及信號處理；

楊平先(1961— )，碩士生，教授，主研通信技術、圖像處理、電子信息技術。

責任編輯：薛 京