一种基于信道-网络编码的双中继传输方案

谭杜坤

（西北工业大学 航海学院,陕西 西安710072）

一种基于信道-网络编码的双中继传输方案

谭杜坤

（西北工业大学 航海学院,陕西 西安710072）

研究了联合信道编码与网络编码的中继传输技术，提出了一种双中继转发的传输模型。该模型有效结合了网络-信道编码的纠错能力，采用双中继进行数据传输，即利用了路径的多样性避免突变信道的影响又利用了数据传输的冗余，在接收端采用选举算法进行数据恢复。仿真研究表明本文提出的联合信道-网络编码的双中继传输机制能够有效降低接收端的误比特率。

信道编码；网络编码；LDPC码；双中继传输

随着人们对通信系统需求的增长，对数据速率和服务质量的要求不断提高［1］。如何实现更高传输速率、更高带宽的无线传输等问题日益重要。这些问题的根源是如何提高信道容量。而中继传输技术的出现解决了信号的传输距离问题，能扩大网络覆盖范围，同时提高网络容量，成为了近年来的研究热点之一。

信道编码又称为信道纠错编码或差错控制编码，旨在降低误码率，提高通信系统的可靠性。LDPC信道编码技术是当今信道编码领域的最令人瞩目的研究热点。网络编码打破了传统通信网络中继节点只能对接收到的信号进行存储和转发的限制，允许网络中的中继节点在转发信息前对输入的信息进行编码操作，终端用户节点再通过译码算法将所需的信息进行译码，这样不同的信息就可以同时通过有限链路，从而提高网络的流量［2］。

联合信道-网络编码就是将信道编码和网络编码相结合，利用网络编码技术所产生的冗余信息来协助信道编码，来抵抗信道噪声和衰落带来的失真，实现更好的系统性能［2］。因此，在保证无线中继网络传输效率的前提下，将网络编码和信道编码相结合，从而进一步改善无线网络中的传输可靠性。

文献［3］在研究无线网络中物理层网络编码技术的基础上,提出了一种联合网络编码和信道编码的设计方案。该设计利用LDPC码和网络编码的线性特性以及软输入软输出模块设计,减少了编译码的复杂度。文献［4］提出了将信道编码、网络编码同时引入到协作通信系统而建立了基于联合信道-网络编码的协作通信机制，研究了能量分配、码率分配对系统性能的影响。文献［5］基于LDPC编码和网络编码的线性编码特性,利用了中继节点处物理层接收到的叠加电磁波信号中包含的信息,提出了双向中继系统中匹配物理层网络编码-LDPC信道译码方案。文献［6］提出了适用于双向中继信道的联合网络-信道编码协作通信方案，从理论上分析了该方案的吞吐量。文献［7］中的方案结合了多进制LDPC码和随机线性网络编码，并采用高阶调制，有效提高频带利用率。文献［8］提出了具有简单联合信道编码-网络编码级联结构的协作中继传输方案,证明了联合信道编码-网络编码结合迭代译码能够有效提供高可靠无线通信。

本文提出了一种双中继转发的传输模型。该模型有效结合了网络-信道编码的纠错能力，采用双中继进行数据传输，即利用了路径的多样性避免突变信道的影响又利用了数据传输的冗余，在接收端采用选举算法进行数据恢复。

1　单中继传输技术

在图1所示的单中继传输场景中，终端用户N1和N3不能直接进行通信。若要进行信息的传输，需借助中继节点N2的中继转发。中继节点可以实施转发的策略有3种：第一种是放大转发，第二种是编码转发，第三种是结合网络编码的转发。

中继节点的3种转发策略涉及两种传输模式。分别为传统转发模式和基于网络编码的转发模式。其中，传统模式是指当N1和N3有信息需进行交互时，如图1所示，N1先将信号发送给N2，接着N2将其转发给N3。之后，N3经历相同的过程将自己的信息发送给N1，这样就完成了N1与N3之间的信息交互。这个过程中每一次交付都占据一个相应的传输时隙。其中，中继节点的转发策略包含了放大转发（AF）和编码转发（DF）两种方式。

图1　单中继传输模型

基于网络编码的转发模式是指，如图1所示，N1将先将信号发送给N2，之后N3也将信号发送给N2，N2节点在收到N1和N3的信号之后，重新做映射处理，实施网络编码策略。并通过广播信道转发给N1和N3，N1和N3收到这个混合信号后，利用本地已有的信号，根据相应算法得到对方信号。

在上述两种传输模式中，传统的转发模式需要4个时隙的时间才能完成终端用户N1和N3之间的信息交互，基于网络编码的转发模式只需要3个时隙时间。

2　双中继转发技术

为了进一步提高用户端的误比特率性能，对终端用户可直接通信的场景模型提出一种双中继双向转发的传输模型。该传输模型中，N1节点和N3节点为终端用户，N1节点和N3节点需要相互交互数据。N2节点和N4节点为中继节点。如图2所示，一次数据传输过程需要4个时隙时间。

图2　双中继模型

时隙1阶段，终端用户N1对自身的数据包a经LDPC编码后广播，中继节点N2、N4和用户节点N3都可以接收该数据包。

时隙2阶段，终端用户N3对自身的数据包b经LDPC编码后广播，同理，中继节点N2、N4和用户N1节点接收该数据包。

时隙3和时隙4阶段，中继节点N2和N4，对接收到的来自源节点N1和N3的数据包，进行解调，译码，并对源节点N1和N3的数据包进行网络编码，并将编码后数据包C=X or（a，b）广播出去。

此时，终端用户N1和N3分别收到了来自对方的数据包和经中继节点进行网络编码后的数据包。终端用户节点首先对接收的数据包分别进行解调和译码操作。以终端用户N1为例，分别收到终端用户N3直接广播的数据包估计b0，中继节点N2广播的数据包和中继节点N4广播的数据包。终端用户N1分别将中继节点N2,N4广播的数据包和本次存储的数据包进行编码的解码操作（本文采用异或方式解码）,分别得到解码后数据包b1,b2。终端用户节点N1对接收到数据包b0,b1,b2采用选举算法得到最终的解调结果，即当有两个数据包序列对应的比特位相同时，认为该比特值为数据包对应的正确值。

3　性能仿真

3.1单中继传输系统性能仿真

本仿真研究了直接转发，编码转发和结合网络编码的双向中继转发的用户端误比特率性能，采用BPSK调制方式，高斯白噪声信道，仿真结果如图3所示。

图3　直接转发，编码转发，网络编码转发性能对比

仿真结果图3表明，编码转发和网络编码转发的性能优于直接转发性能。由于直接转发过程中引入了链路上的噪声，导致通信性能降低。编码转发和网络编码转发克服了噪声的影响，但不可避免的存在解码错误的影响。网络编码转发的性能与编码转发的性能接近，但网络编码是对编码转发的进一步处理，也会引入部分错误，导致其性能的降低。网络编码转发较前两种转发技术的节省了一个时隙的传播时间。

仿真结果图4对比研究了直接转发，编码转发，网络编码结合LDPC编码的双向单中继转发的用户端误比特率性能，采用BPSK调制方式，高斯白噪声信道。在网络编码转发的基础了进一步结合LDPC信道编码，降低了中继节点编码错误带来的错误，提高用户端的误比特率性能。仿真结果图4表明，当中继节点能够有效的降低解码的错误时，用户端的误比特性能明显提升。

仿真结果图5，对比研究了结合LDPC编码的直接转发，编码转发，网络编码单中继转发的用户端误比特率性能，采用BPSK调制方式，高斯白噪声信道。仿真结果图4表明，编码转发和结合网络编码的单中继转发在信噪比为8dB时，用户端的误比特率为10-3。直接转发方式用户端的误比特率为10-1，在3种转发的基础上结合LDPC编码，如仿真结果如图5所示，3种转发方式用户端性能均有所提升，但直接转发方式只提高了一个数量级。对于编码转发和网络编码转发方式，由于中继节点能够有效的降低重新编码中存在的错误，用户端的误比特率性能明显提高，当信噪比达到4 dB以后，误码率为零。

图4　网络编码结合LDPC编码的性能对比

图5　结合LDPC编码的性能对比

3.2双中继传输系统性能仿真

本节仿真研究了双中继传输模型下的用户端误比特性能，采用BPSK调制方式，高斯白噪声信道。仿真结果图6，对比研究了直接传输和双中继双向传输模型下，终端用户N3处的误比特率性能。仿真结果图6表明，相对于直接转发和单中继转发，双中继传输模型虽然在时隙数量上和传统的转发模型一样，但在误比特率性能上有着明显提升。这是因为文中提出的双中继传输模型能够有效的利用信道的广播特性，结合了信道-网络编码的纠错能力和多路径带来的数据包冗余，采用了LDPC编码降低了中继节点处的重新编码引入的误差，接收节点处采用选举算法进行数据恢复。

图6　双中继传输模型误比特性能

4　结束语

文中研究了基于信道与网络联合编码的无线中继传输技术，仿真对比了3种中继转发策略的性能，和引入LDCP编码后的无线中继传输性能。在此基础上，提出了一种双中继转发的传输模型。该模型有效结合了信道-网络编码的纠错能力和多路径冗余传输，接收端采用选举算法进行数据恢复，进一步提高了网络编码和LDPC编码的纠错性能。仿真研究表明本文提出的联合信道-网络编码的双中继传输机制能够有效提高该传输网络的系统误比特率，从而提高了网络有效吞吐量。

［1］宋光辉.无线中继网络中网络编码与信道编码的联合设计［D］.西安:西安电子科技大学，2009.

［2］黄欣.LDPC码与网络编码的联合编译码方案［D］.南京：南京邮电大学，2013.

［3］仇巧云,卢选民,赵明峰.一种网络编码和信道编码的联合设计［J］.现代电子技术,2010（23）:52-54.

［4］吕政,余志军,刘海涛.协作通信中联合信道一网络编码的性能分析与资源分配［J］.西安交通大学学报，2012（46）:83-86.

［5］顾云.无线双向中继系统的网络编码研究［D］.上海：复旦大学，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稿件编号：201507006

谭杜坤（1983—），男，陕西西安人，硕士研究生。研究方向：信息与信号处理。