多址接入信道下自适应编码中继系统与方法 技术领域 本发明涉及无线通信系统上行多址中继接入信道， 设计自适应中继策略和相应的 中继方法与目的节点迭代解码方法。
背景技术 在未来无线通信系统中， 中继将大规模用于提高链路的传输质量、 改善网络的覆 盖和用户间的公平性。 传统中继的做法主要有两种方式， 放大转发 (Amplify-Forward， 简记 为 AF) 和解码转发 (Decode-Forward， 简记为 DF)， 放大转发又称为非再生中继， 解码转发又 称为再生中继。放大转发对收到的信号仅进行一定功率因子的放大就转发给目的节点， 不 需要解码恢复， 操作简单， 性能良好， 但它同时也会对噪声进行放大。解码转发需要对发端 的信号进行解码恢复， 由于无线信道的恶劣性和不确定性， 解码后的比特信息往往有错误， 若将这些错误的比特再进行编码转发给目的节点， 将导致错误传播， 恶化系统性能。 解码转 发策略在信道条件较好的情况下性能不错， 但在信道条件较差的情况时， 错误传播现象比
较严重， 性能将快速极度恶化。
网络编码是一种融合了路由和编码的信息交换技术， 它的核心思想是在网络中的 各个节点上对各条信道上收到的信息进行线性或者非线性的处理， 然后转发给下游节点， 中间节点扮演着编码器或信号处理器的角色。 无线信道的广播特性和无线网络业务流的双 向性非常适合使用网络编码。目前， 网络编码的研究热点已经由传统的有线网络场景下的 网络编码技术转向了无线网络场景下的网络编码技术， 原来在网络层处理的网络编码技术 下降到物理层跟物理层信号处理算法相结合， 比如， 物理层网络编码、 基于网络编码的协作 方案设计以及实际编码协议性能评估等。相对于传统的合作方案， 基于网络编码的方案在 同等的频谱效率下可达到更高的分集增益。
无线多址中继接入信道下的网络编码技术利用了从中继链路转发来的网络编码 冗余信息， 以帮助目的节点提高整体系统性能。 由于无线信道的不可靠性， 无线通信系统中 通常需要信道编码以进行链路错误保护， 由此存在着网络编码与信道编码的结合问题。一 般来讲， 通常有两种结合方式， 分离网络 - 信道编码与联合网络 - 信道编码， 并且这种结合 方式通常是指目的收端的信号处理过程。分离网络 - 信道解码类方法， 解网络编码与解信 道编码是分步进行的， 两个解码过程不在同一个迭代循环里 ； 而联合网络 - 信道解码类方 法， 解网络编码与解信道编码是揉在一起进行的， 两个解码过程在同一个迭代循环里。 对于 中继操作， 本质的区别是， 分离网络 - 信道解码类方法转发的是信道编码后的比特信息， 而 联合网络 - 信道解码类方法转发的是信道编码前的信息。由于受错误传播现象的影响， 联 合网络 - 信道解码类方法在高信噪比环境下可获得更好的性能， 然而在低信噪比下性能极 度恶化， 甚至比无中继的系统更差。分离网络 - 信道解码类方法， 由于其可以采用软中继策 略降低错误传播的影响， 在高信噪比环境下性能将差于联合类方法， 然而在低信噪比环境 下可获得更好的性能。
传统网络编码方案中， 中继节点需要对收到的源节点信息首先进行硬判决， 再进行网络编码 ( 模 2 加 ) 操作， 所谓的模 2 加就是按位异或运算操作， 并转发给目的节点。 由于 无线信道的不可靠性， 中继恢复出的源节点传送的比特信息将不可避免地出现一些错误， 若对这些错误比特信息进一步进行网络编码并传送给目的节点， 不但不能改善源节点到目 的节点的传输质量， 反而甚至会进一步恶化系统性能。 发明内容 为了解决上述技术问题， 针对典型多址接入中继信道场景， 在对联合网络信道编 码类方法和分离网络信道编码类方法进行深入研究的基础上， 本发明提出了一种自适应的 中继策略和方法以适应复杂多变的无线信道， 充分发挥不同类方法的优势， 获得最优化的 系统性能。仿真结果表明该自适应中继系统和方法可获得明显优于传统方案的性能。
本发明公开一种多址接入信道下自适应编码中继系统， 其特征在于， 包括 ：
解码校验模块， 用于从源节点接收的数据进行解码， 然后进行循环冗余检验， 分析 运算的方式 ；
自适应中继策略模块， 用于根据接收数据的差错状况， 使用自适应中继策略 ； 所述 自适应中继策略模块还包括 ：
中继策略模块， 用于根据数据差错状况， 采用网络编码中继策略、 重复中继策略和 / 或软中继策略， 然后将中继策略模块处理后的数据传输给收端信号处理模块 ；
收端信号处理模块， 用于将中继策略模块处理后的数据采用联合网络信道解码策 略、 分布式 Turbo 类似解码策略和 / 或分离式网络信道解码策略 ；
对于数据的处理过程均采用软比特信息进行操作。
所述的自适应编码中继系统， 其特征在于， 所述自适应中继策略模块中， 用于自适 应中继策略为， 若接收数据均无差错接收， 则中继策略模块采用网络编码中继策略， 收端信 号处理模块采用联合网络信道解码策略 ；
若仅有一路数据无差错接收， 其它存在误码， 则中继策略模块对正确接收的数据 采用重复中继策略， 收端信号处理模块采用分布式 Turbo 类似解码策略， 其它无中继辅助， 直接进行解码恢复操作 ；
若接收数据均存在差错， 则中继策略模块采用软中继策略， 收端信号处理模块采 用分离式网络信道解码策略。
所述的自适应编码中继系统， 其特征在于， 所述自适应中继策略模块中， 用于自适 应中继策略为， 若接收数据均无差错， 则中继策略模块采用网络编码中继策略， 收端信号处 理模块采用联合网络信道解码策略 ；
否则， 中继策略模块采用软中继策略， 收端信号处理模块采用分离式网络信道解 码策略。
所述的自适应编码中继系统， 其特征在于， 所述中继策略模块中， 用于网络编码中 继策略为， 中继策略模块对收到的来自源节点的信号数据进行软解调、 信道解码和硬判操 作， 对其中恢复出的数据比特进行交织后， 然后进行网络编码操作， 最后对网络编码合并后 的数据进行重新信道编码调制并转发给收端信号处理模块用公式可表示为 ：
12i ∈ {1， 2}CN 102497250 A
说明书3/21 页其中， i 是下标， 用来表示源节点，表示中继收到的来自源节点 i 的信息 ； 函数Ψ-1(·) 表示信道解码操作， 表示硬判决输出， 表示对来自源节点 i 的信息进行信道解 码和硬判决之后得到的数据 ； π(·) 表示交织操作， 表示模 2 加操作， ur 是中继对一路信 号与另一路交织后的信号进行模 2 加操作之后的结果 ；
vr ＝ Ψ(ur)
其中， 函数 Ψ(·) 表示信道编码操作， 表示星座调制操作， vr 和 xr 分别表示进 行信道编码和星座调制操作之后的结果。
所述的自适应编码中继系统， 其特征在于， 所述中继策略模块中， 用于重复中继策 略为，
i ∈ {1， 2}
vr ＝ Ψ(ur)
其中， i 是下标， 用来表示源节点。函数 Ψ(·) 表示信道编码操作， 表示对来自 源节点 i 的信息进行信道解码之后得到的数据。 ur 表示中继进行交织操作之后的结果。 表示星座调制操作， vr 和 xr 分别表示进行信道编码和星座调制操作之后的结果。
所述的自适应编码中继系统， 其特征在于， 所述中继策略模块中， 用于软中继策略 为，
软解调获取每比特信息对数似然比值
其中， 为软解调函数， L1， L2 分别表示进行软解调操作之后得到的对数似然比， 即软比特信息， 对二进制相移键控调制， 直接为收到的高斯噪声叠加后的信号 ；
对其中的软比特信息进行交织，
L′ 2 ＝ π(L2)
其中， π(·) 为交织函数， L′ 2 为交织之后的结果， 交织长度为信道编码后包的 比特数 ；
根据从两源节点信息的对数似然比值直接计算网络编码后比特的对数似然比值，
其中， 运算符 为软信息合并操作， Lr 即为网络编码后比特的值， 若 l， l1， l2 分别 为比特 u， u1， u2 的软比特信息， 若 其中 表示网络编码操作， 也就是异或操作， 则有
其中 e 表示自然对数 ； 非线性函数限幅， 其中， 为非线性限幅函数， 例如可以取为 其中 α 为需要优化的伸缩因子 ； 也可以为其它分段函数， 但需要恰当设计和优化分段的拐点。 xr 表示限幅操作 之后的结果， 也是中继转发给目的节点的信号。
所述的自适应编码中继系统， 其特征在于， 所述收端信号处理模块中， 用于联合网 络信道解码策略为， 该策略对应于网络编码中继策略， 先将对中继策略模块转发的网络编 码信号进行软信道解码， 获得网络编码后比特的软比特信息， 由中继链路经过信道后的软 比特信息
为其中， ξrd 为从中继节点到目的节点链路的信噪比，
利用软信道解码获得网络编码后比特的软比特信息 L(r)， 该信息将用户提取 S1 信道解码器和 S2 信道解码器的先验信息， 有
其中， 函数 Ψ-1(·) 表示信道解码操作， 表示软比特信息输出 ； 将解网络编码与解信道编码同置于同一循环中， 具体信号处理过程为， 初始化 S1 信道解码器的先验信息， 其中， 0 为与信道编码前序列等长的 0 序列 ； 解源节点的信息得到 L(1)， 然后获得外信息 其中， 第二个参量 外信息 为比特先验信息， 若无第二个参量， 表示无比特先验信息，可计算为，解网络编码， 获得其它源节点的比特先验信息
其中， 函数 π-1(·) 为解交织操作 ； 解其它源节点的信息得到 L(2)， 然后获得外信息 外信息 可计算为，解网络编码， 获得源节点的比特先验信息
所述的自适应编码中继系统， 其特征在于， 所述收端信号处理模块中， 用于分布式 Turbo 类似解码策略为， 根据中继链路信道质量进行加权， 得到中继链路过信道后的软比特 信息 为：
由于其中信号传送为相同的比特信息， 且两路信息间采用了比特交织， 使得该两 路比特信息近似不相关， 由此可以进行 Turbo 类似解码过程的迭代解码， 具体如下 ：
初始化成分信道解码器 1 的先验信息 其中， 0 为与信道编码前序列等长的 0 序列 ； 成分信道解码器 1 解码得到 然后获得外信息外信息可计算为，交织获得成分解码器 2 的比特先验信息成分信道解码器 2 解码得到然后获得外信息外信息可计算为，解交织获得成分解码器 1 的比特先验信息对于其它无中继辅助的信号， 因为没有可以利用的冗余信息， 直接进行信道解码即可。
所述的自适应编码中继系统， 其特征在于， 所述收端信号处理模块中， 用于分离式 网络信道解码策略为， 该策略对应于软中继策略， 先通过迭代信息传递策略从中继链路信 号提取合并相关冗余信息， 然后进行信道解码 ； 中继链路经过信道后的软比特信息 为
其中， ξsrd 为从源节点经中继节点到目的节点链路的等价信噪比， 若软比特 信息序列 L1 的信噪比为 ξ1， 软比特信息序列 L2 的信噪比为 ξ2， 软比特信息合并序列 的信噪比为 ξ， 则有关系
ξ ≤ min(ξ1， ξ2)
由此， ξsrd 可简单取为 min(ξsr， ξrd) ；
Lvc(1， A) 为从变量节点 1 到校验节点 A 的外信息， Lcv(A， 1) 为从校验节点 A 到变 量节点 1 的外信息。
所述的自适应编码中继系统， 其特征在于， 所述迭代消息传递策略具体为 ：
初始化从校验节点 A 到变量节点的外信息， 校验节点是一个虚拟节点，
Lcv(A， i) ＝ 0， i ∈ {1， 2， 3}，
其中， 0 为与软比特序列等长的 0 序列， i 为下标标记 ；
计算从变量节点 i 传递给校验节点 A 的外信息， 为
Lvc(i， A) ＝ Li+Lcv(A， i)， i ∈ {1， 2， 3} ；
计算从校验节点 A 传递给变量节点的外信息， 为
其中，在经过 1 次或多次完整迭代过程后， 对软比特信息序列 {L1 ＝ Lcv(A， 1)} 和 {L2 ＝ Lcv(A， 3)} 进行信道解码， 恢复出源节点发送的数据，
Lvc(1， A) 为从变量节点 1 到校验节点 A 的外信息， Lcv(A， 1) 为从校验节点 A 到变 量节点 1 的外信息。
本发明公开一种多址接入信道下自适应编码中继方法， 其特征在于， 包括步骤 ：
步骤 100， 从源节点接收的数据进行解码， 然后进行循环冗余检验， 分析运算的方 式；
步骤 200， 根据接收数据的差错状况， 使用自适应中继策略 ；
所述步骤 200 还包括 ：
步骤 300， 根据数据差错状况， 采用网络编码中继策略、 重复中继策略和 / 或软中 继策略， 然后将处理后的数据执行步骤 400 ；
步骤 400， 将步骤 300 处理后的数据采用联合网络信道解码策略、 分布式 Turbo 类 似解码策略和 / 或分离式网络信道解码策略 ；
对于数据的处理过程均采用软比特信息进行操作。
所述的自适应编码中继方法， 其特征在于， 所述步骤 300 中的自适应中继策略还 包括，
步骤 301， 若接收数据均无差错接收， 则步骤 300 采用网络编码中继策略， 步骤 400 采用联合网络信道解码策略 ；
步骤 302， 若仅有一路数据无差错接收， 其它存在误码， 则步骤 300 对正确接收的 数据采用重复中继策略， 步骤 400 采用分布式 Turbo 类似解码策略， 其它无中继辅助， 直接进行解码恢复操作 ；
步骤 303， 若接收数据均存在差错， 则步骤 300 采用软中继策略， 步骤 400 采用分离 式网络信道解码策略。
所述的自适应编码中继方法， 其特征在于， 所述步骤 300 中的自适应中继策略还 包括，
步骤 304， 若接收数据均无差错， 则步骤 300 采用网络编码中继策略， 步骤 400 采用 联合网络信道解码策略 ；
步骤 305， 否则， 步骤 300 采用软中继策略， 步骤 400 采用分离式网络信道解码策 略。
所述的自适应编码中继方法， 其特征在于， 所述步骤 300 中的网络编码中继策略 还包括，
步骤 306， 步骤 300 对收到的来自源节点的信号数据进行软解调、 信道解码和硬判 操作， 对其中恢复出的数据比特进行交织后， 然后进行网络编码操作， 最后对网络编码合并 后的数据进行重新信道编码调制并转发给收端信号处理模块用公式可表示为 ：
i ∈ {1， 2} 其中， i 是下标， 用来表示源节点， 表示中继收到的来自源节点 i 的信息 ； 函数Ψ-1(·) 表示信道解码操作， 表示硬判决输出， 表示对来自源节点 i 的信息进行信道解 码和硬判决之后得到的数据 ； π(·) 表示交织操作， 表示模 2 加操作， ur 是中继对一路信 号与另一路交织后的信号进行模 2 加操作之后的结果。
vr ＝ Ψ(ur)
其中， 函数 Ψ(·) 表示信道编码操作， 表示星座调制操作， vr 和 xr 分别表示进 行信道编码和星座调制操作之后的结果。
所述的自适应编码中继方法， 其特征在于， 所述步骤 300 中的重复中继策略还包 括，
步骤 307，
i ∈ {1， 2}
vr ＝ Ψ(ur)
其中， i 是下标， 用来表示源节点， 函数 Ψ(·) 表示信道编码操作， 表示对来自源节点 i 的信息进行信道解码之后得到的数据， ur 表示中继进行交织操作之后的结果， 表示星座调制操作， vr 和 xr 分别表示进行信道编码和星座调制操作之后的结果。
所述的自适应编码中继方法， 其特征在于， 所述步骤 300 中的软中继策略还包括，
步骤 308， 软解调获取每比特信息对数似然比 (LLR) 值
其中， 为软解调函数， L1， L2 分别表示进行软解调操作之后得到的对数似然比， 也就是软比特信息， 对二进制相移键控调制， 直接为收到的高斯噪声叠加后的信号 ；
步骤 309， 对其中软比特信息进行交织，
L′ 2 ＝ π(L2)
其中， π(·) 为交织函数， L′ 2 为交织之后的结果， 交织长度为信道编码后包的 比特数 ；
步骤 310， 根据从源节点信息的对数似然比值直接计算网络编码后比特的对数似 然比值，
其中， 运算符 为软信息合并操作 ( 软网络编码操作 )， Lr 即为网络编码后比特的 值， 若 l， l1， l2 分别为比特 u， u1， u2 的软比特信息， 若 其中 表示网络编码操作， 也就是异或操作， 则有
其中 e 表示自然对数 ； 步骤 311， 非线性函数限幅， 其中， 为非线性限幅函数， 其中 α 为需要优化的伸缩因子， 也可以为其它分段函数， xr 表示限幅操作之后的结果。
所述的自适应编码中继方法， 其特征在于， 所述步骤 400 中的联合网络信道解码 策略还包括，
步骤 401， 该方法对应于网络编码中继策略， 首先将对中继转发的网络编码信号进 行软信道解码， 获得网络编码后比特的软比特信息， 由中继链路经过信道后的软比特信息 为
其中， ξrd 为从中继节点到目的节点链路的信噪比，
利用软信道解码获得网络编码后比特的软比特信息 L(r)， 该信息将用户提取源节 点信道解码器和另外源节点信道解码器的先验信息 ； 有
其中， 函数 Ψ-1(·) 表示信道解码操作， 表示软比特信息输出 ；步骤 402， 通过外信息的传递和提炼来提高系统性能， 初始化源节点信道解码器的 先验信息，其中， 0 为与信道编码前序列等长的 0 序列 ； 步骤 403， 解码源节点的信息得到 L(1)， 然后获得外信息 其中， 第二个参量 外信息 为比特先验信息， 若无第二个参量， 表示无比特先验信息 ；可计算为，步骤 404， 解网络编码， 获得另外源节点的比特先验信息其中， 函数 π-1(·) 为解交织操作 ； 步骤 405， 解码另外源节点的信息得到 L(2)， 然后获得外信息 外信息 可计算为，步骤 406， 解网络编码， 获得 S1 的比特先验信息并返回步骤 403， 循环迭代进行， 直到迭代次数满或者校验无差错为止。
所述的自适应编码中继方法， 其特征在于， 所述步骤 400 中的分布式 Turbo 类似解 码策略还包括，
步骤 407， 该方法对应于重复中继策略， 目的节点信号处理分为两部分， 对重复中 继策略的源节点数据进行分布式 Turbo 类似解码， 而对另外无中继辅助的一路直接进行信 道解码，
步骤 408， 根据中继链路信道质量进行加权， 得到中继链路过信道后的软比特信息
为：
由于其中信号传送的为相同的比特信息， 且信息间采用了比特交织， 使得该两路 比特信息近似不相关， 由此可以进行类似 Turbo 类似解码过程的迭代解码，
步骤 409， 初始化成分信道解码器 1 的先验信息 其中， 0 为与信道编码前序列等长的 0 序列 ； 步骤 409， 成分信道解码器 1 解码得到19然后获得外信息CN 102497250 A
说明书10/21 页外信息可计算为，步骤 410， 交织获得成分解码器 2 的比特先验信息步骤 411， 成分信道解码器 2 解码得到然后获得外信息外信息可计算为，步骤 412， 解交织获得成分解码器 1 的比特先验信息并返回步骤 409， 循环迭代进行， 直到迭代次数满或者校验无差错为止。
所述的自适应编码中继方法， 其特征在于， 所述步骤 400 中的分离式网络信道解 码策略还包括，
步骤 413， 该方法对应于软中继策略， 先通过迭代信息传递策略从中继链路信号提 取合并相关冗余信息， 然后进行信道解码 ；
步骤 414， 中继链路经过信道后的软比特信息为其中， ξsrd 为从源节点经中继节点到目的节点链路的等价信噪比 ； 若对数似 然比值序列 L1 的信噪比为 ξ1， 对数似然比值序列 L2 的信噪比为 ξ2， 软信息合并序列 的信噪比为 ξ， 则有关系
ξ ≤ min(ξ1， ξ2)
由此， ξsrd 可简单取为 min(ξsr， ξrd)
由于中继转发的为冗余信息， 目的节点需要充分利用该冗余信息提升对源节点信 息的解码性能 ； 迭代消息传递策略可用来从具有一定冗余信息的多路信号中提取合并相关 有用信息。
所述的自适应编码中继方法， 其特征在于， 所述步骤 413 中的迭代信息传递策略 具体步骤为 ：
步骤 501，
初始化从校验节点 A 到变量节点的外信息， 校验节点是一个虚拟节点，
Lcv(A， i) ＝ 0， i ∈ {1， 2， 3}，
其中， 0 为与软比特序列等长的 0 序列， i 为下标标记。
步骤 502，
计算从变量节点 i 传递给校验节点 A 的外信息， 为
Lvc(i， A) ＝ Li+Lcv(A， i)， i ∈ {1， 2， 3} ；
步骤 503， 计 其中， 节点的外信息， 为 并返回步骤 501 ；
在经过 1 次或多次完整迭代过程后， 对软比特信息序列 {L1 ＝ Lcv(A， 1)} 和 {L2 ＝ Lcv(A， 3)} 进行信道解码， 恢复出源节点发送的数据， Lvc(1， A) 为从变量节点 1( 也就是源节 点 1) 到校验节点 A 的外信息， Lcv(A， 1) 为从校验节点 A 到变量节点 1( 也就是源节点 1) 的 外信息。
在本发明的通信场景中， 源节点 S 到中继节点 R 的链路的信噪比 (Signalto Noise Ratio， 简记为 SNR) 记为 ： SNRRsr， 同理可以得到中继节点到目的节点的信噪比为 SNRrd， 源 节点到目的节点的信噪比为 SNRsd。MPA 算法的迭代次数 (number of iterative) 简记为 niter.。图 5 给出了系统性能仿真结果， 仿真比较了无中继情况、 传统网络编码中继情况 以及本发明所提的自适应中继策略与方法 (3 种中继策略与目的节点处理方法 ) 的系统误 包率 (PER) 性能。由该仿真结果可以看出， 所提自适应中继策略与算法可以一直获得最优 化的性能。无中继辅助情况下， 误包率 PER 一直为 1， 系统无法正常工作。网络编码中继算 法， 在高中继链路质量环境下可获得较好的性能， 但在较低中继链路质量环境下性能极度 恶化， 例如在源节点到中继节点信噪比为 0dB 的情况下， 系统误包率 PER 也一直为 1， 与无中 继场景一样无法正常工作。另外， 网络编码中继情况， 系统 PER 性能具有平底效应， 特别是 在中等中继链路质量的情况下表现得尤为明显。 所发明的自适应中继策略与算法可以在各 种中继链路质量状况下获得最优的系统性能， 且无系统性能平底效应， 具有较大的性能优 势和宽广的适应性， 有较好的实际应用价值。 附图说明
图 1 为由两个源节点、 一个中继节点和一个目的节点组成的多址接入中继信道示 意图 ；
图 2 为本发明多址接入信道下自适应编码中继系统与方法选择流程图 ；
图 3A、 3B、 3C 为本发明多址接入信道下自适应编码中继系统与方法的中继方案示 意图 ；
图 4A1、 4A2、 4B1、 4B2、 4C1、 4C2 为本发明多址接入信道下自适应编码中继系统与 方法中目的节点信号处理示意图 ；
图 5 为本发明多址接入信道下自适应编码中继系统性能仿真验收效果 ；
图 6 为本发明多址接入信道下自适应编码中继系统流程图 ；
图 7 为更一般多址接入中继网络场景， 由多个 MS(Mobile Station) 作为源节点 ( 大于 2)、 多个中继 ( 大于 1) 和单个目的节点组成的上行多址接入中继场景 ；
图 8 为更一般多址接入中继网络场景因子图， 可根据因子图很容易实现其对应的 迭代 MPA 算法。 具体实施方式下面给出本发明的具体实施方式， 结合附图对本发明做出进一步的描述。
本发明的目的是针对上行多址中继接入信道场景提出了一种切实可行的自适应 编码中继系统与方法， 以充分利用不同类方法在不同场景下的差异优势， 最优化系统性能。 传统硬判决网络编码方案要求完全正确接收源信息， 由此要求较高的中继链路质量 ； 而基 于软比特信息的中继方案仅在较低中继链路质量环境下能获得相对更好的性能。 没有一种 方法能够适应各种场景， 在各种环境均能获得较优异的性能。 由此， 自适应在实际系统中显 得尤为重要， 也是切实可行的。
中继不对接收到的数据进行硬判决， 而是根据接收到的比特数据的软比特信息 ( 对数似然比值， Log-Likelihood Ratio， 简记为 LLR) 计算网络编码后比特的 LLR 值， 并将 该软比特信息或其变化版本传送至目的节点， 从而避开了硬判决操作， 保留了比特的可靠 度信息， 在目的节点采用软比特信号处理算法可以更好地恢复出源端发送的数据， 特别是 在低中继链路质量的场景下。
本发明在中继节点采用了一种自适应的中继策略， 在中继端首先对收到的从源节 点来的信息进行解码， 并各自进行循环冗余校验 (Cyclic RedundancyCheck， 简记为 CRC)， 即循环冗余校验 (Cyclic Redundancy Check)， 若收到的两份信息均正确， 则进行传统的网 络编码转发 ； 若其中只有一份正确， 则仅转发该正确接收的源节点数据 ； 若均错误， 则进行 基于软比特信息的网络编码转发。该方案可动态地自适应无线信道的变化状况， 以优化的 传输方式来获得更好的系统性能。 不同中继传输方式将导致目的节点采用不同的信号处理 方法， 从而要求中继以一定的信令方式告知目的节点所采用的中继传输方式。
自适应中继策略。在中继端首先对收到的从源节点来的信息进行解码恢复， 并各 自进行 CRC 校验， 若收到的两份信息均正确， 则进行传统网络编码转发 ； 若其中只有一份正 确， 则仅转发该正确接收的源节点数据 ； 若均错误， 则进行基于软比特信息的网络编码转 发。
基于软比特信息的迭代解码方法。目的节点所有信号处理过程均基于软比特信 息以获得更好的性能 ； 对传统网络编码下的联合网络信道解码和中继重复编码策略下的解 码， 均采用 Turbo 类似解码器类似的结构进行迭代解码， 以获得较大的编码增益 ； 对软中继 策略下的分离网络信道解码， 采用迭代消息传递算法 (Message Passing Algorithm， 简记 为 MPA) 进行解网络编码， 而后进行解信道编码。
图 1 为典型的由 2 源节点、 1 个中继节点和 1 个目的节点组成的多址接入中继信道 网络场景， 两源节点 S1 和 S2 均有数据要发送至目的节点 D， 中继节点 R 可帮助源节点进行 信息传送。若不采用网络编码技术， 中继节点 R 在某一个时间里只能要么帮助源节点 S1 传 送， 要么帮助源节点 S2 进行信息传输， 只能 2 选 1 协作传输。若采用网络编码技术， 中继节 点可以同时帮助两个源节点进行信息传送， 比如传统网络编码技术， 中继传输源节点 S1 和 源节点 S2 所传输比特信息的模 2 加信息， 目的节点可以从该中继传输的冗余信息中提取出 各自有用的信息， 帮助并改善源节点到目的节点的传输质量。
多址中继接入系统网络编码传输分为两个阶段， 第一阶段为源节点传输阶段， 源 节点 S1 和 S2 分别在两个正交信道里发送数据， 中继和目的节点接收 ； 第二个阶段为中继转 发数据， 中继将网络编码操作后的信号发送给目的节点。
对源节点 S1， 用户待传送的原始比特信息序列为 {u1}， 信道编码后的序列为 {v1}，调制后的信号序列为 {x1}， 并将调制后的信号传送出去。对源节点 S2， 用户待传送的原始 比特信息序列为 {u2}， 信道编码后的序列为 {v2}， 调制后的信号序列为 {x2}， 并将调制后的 信号传送出去。
以二进制相移键控 (BPSK) 调制， 加性高斯白噪声 (AWGN) 信道为例， 中继收到来至 源节点 S1 和 S2 的数据
可分别表示为，其中，分别为源节点 S1， S2 到中继节点 R 链路的噪声。1) 自适应中继策略
中继节点将根据收到的源节点信息的解码恢复情况进行不同的中继策略选择， 如 图 2 所示。中继节点首先对收到的两路源节点数据分别进行解码恢复和 CRC 校验， 若两路 数据均无差错接收， 则中继采用传统网络编码方法， 目的节点采用联合网络信道迭代解码 方法 ； 若仅有一路数据无差错接收， 另一路存在误码， 则中继对正确接收的一路数据采用重 复中继策略， 目的节点采用分布式 Turbo 类似解码方法， 另一路无中继辅助， 直接进行解码 恢复操作 ； 若两路数据均存在差错， 则中继采用软中继策略， 目的节点采用分离式网络信道 解码方法。 该自适应中继策略可以进一步简化， 也属于本发明的范畴。 比如， 可以简化为联合 网络信道解码与分离网络信道解码两种方法的自适应。 即： 若两路数据均无差错接收， 则中 继采用传统网络编码方法， 目的节点采用联合网络信道迭代解码方法 ； 否则， 中继采用软中 继策略， 目的节点采用分离式网络信道解码方法。
2) 中继策略方法
(a) 网络编码中继策略
如图 3A 所示， 中继节点首先对收到的来自源节点 S1， S2 的信号分别进行软解调、 信道解码和硬判操作。对其中恢复出的一路数据比特 ( 比如从 S2 来的一路 ) 进行交织后， 然后进行网络编码操作 ( 模 2 加 )， 最后对网络编码合并后的数据进行重新信道编码调制并 转发给目的节点。
用数学公式可表示为 ：
i ∈ {1， 2}(3)其中， i 是下标， 用来指示源节点， 函数 Ψ-1(·) 表示信道解码操作， 表示硬判决输出， π(·) 表示交织操作， 表示模 2 加操作。
vr ＝ Ψ(ur) (5)
其中， 函数 Ψ(·) 表示信道编码操作， 行信道编码和星座调制操作之后的结果。
(b) 重复中继策略
23表示星座调制操作， vr 和 xr 分别表示进CN 102497250 A
说明书(7)14/21 页如图 3B 所示， 有 i ∈ {1， 2} vr ＝ Ψ(ur)(8)
(c) 软中继策略 如图 3C 所示， 步骤 c.1 ： 软解调获取每比特信息对数似然比 (LLR) 值
其中， 为软解调函数， L1， L2 分别表示进行软解调操作之后得到的对数似然比， 也就是软比特信息。对二进制相移键控 (BPSK) 调制， 直接为收到的高斯噪声叠加后的信 号。步骤 c.2 ： 对其中一路软比特信息进行交织，
L′ 2 ＝ π(L2) (12)
其中， π(·) 为交织函数， L′ 2 为交织之后的结果， 交织长度为信道编码后包的 比特数。
步骤 c.3 ： 根据从两源节点信息的对数似然比 LLR 值直接计算网络编码 ( 模 2 加 ) 后比特的对数似然比 LLR 值，
其中， 运算符 为软信息合并操作 ( 软网络编码操作 )， Lr 即为网络编码 ( 模 2 加 ) 后比特的 LLR 值。若 l， l1， l2 分别为比特 u， u1， u2 的软比特信息， 若 其中 表示 网络编码操作 ( 模 2 加运算 )， 也就是异或操作，
则有
其中 e 表示自然对数。 步骤 c.4 ： 非线性函数限幅，其中，为非线性限幅函数， 例如可以取为其中 α 为需要优化的伸缩因子 ； 也可以为其它分段函数， 但需要恰当设计和优化分段的拐点。 xr 表示限幅操作 之后的结果， 也是中继转发给目的节点的信号。3) 收端信号处理方法
为较好地在目的节点解码出源节点传送的信息， 获得较好的中继编码性能增益， 所有信号处理过程均将基于软比特信息进行操作， 中继节点也进行了软比特信息的相关运 算， 只有中继节点将处理过的软比特信息交给目的节点， 目的节点才能够基于该软比特信 息来译码。
在目的节点端， 一共接收到 3 个信号版本， 分别是来自源节点 S1 的信号 y1， 源节点 S2 的信号 y2 和来自中继节点 R 的信号 yr， 它们分别可以表示为，
yr ＝ xr+nrd 其中，(18) nrd 分别为源节点 S1 到目的节点 D 链路， 源节点 S2 到目的节点D 链路， 中继节点 R 到目的节点 D 链路的噪声。中继转发的信息为冗余信息， 目的节点将从 充分利用该路冗余信息提高对源节点数据的解码性能。
根据各条链路信道质量进行加权， 得到相应各路经过信道后的软比特信息， 分别为 ： ，
其中， 为软解调函数， ξsd 为从源节点到目的节点链路的信噪比 ( 线性值 )，
(a) 联合网络信道解码策略
该方法对应于传统网络编码中继策略， 其原理框图如图 4A 所示。图 4A1 为接收端 信号处理的整体架构， 其首先将对中继转发的网络编码信号进行软信道解码 ( 比如对回归 系统卷积码 (RSC) 编码采用基于最大后验概率的 BCJR 算法 )， 获得网络编码后比特的软比
特信息 (LLR 值 )， 由中继链路经过信道后的软比特信息 (LLR 值 )
为其中， ξrd 从中继节点到目的节点链路的信噪比 ( 线性值 )。
利用软信道解码获得网络编码后比特的软比特信息 L(r)， 该信息将用户提取 S1 信 道解码器和 S2 信道解码器的先验信息。有
其中， 函数 Ψ-1(·) 表示信道解码操作， 表示软比特信息输出。图 4A2 为该联合网络信道解码方法的核心部分， 它将解网络编码与解信道编码同 置于同一个大循环中， 通过外信息的传递和提炼来提高系统性能。具体信号处理过程为，
步骤 a.1 ： 初始化 S1 信道解码器的先验信息，
其中， 0 为与信道编码前序列等长的 0 序列。 步骤 a.2 ： 解 S1 的信息得到 L(1)， 然后获得外信息其中， 第二个参量 外信息为比特先验信息， 若无第二个参量， 表示无比特先验信息。可计算为，步骤 a.3 ： 解网络编码， 获得 S2 的比特先验信息
其中， 函数 π-1(·) 为解交织操作。 步骤 a.4 ： 解 S2 的信息得到 L(2)， 然后获得外信息外信息可计算为，步骤 a.5 ： 解网络编码， 获得 S1 的比特先验信息并返回第二步， 循环迭代进行， 直到迭代次数满或者校验无差错为止。
(b) 分布式 Turbo 类似解码策略
该方法对应于重复中继策略， 其原理框图如图 4B 所示。以重复传输 S1 路比特信 息为例， 图 4B1 给出了重复中继策略下的目的节点信号处理框图， 由图可见， 目的节点信号 处理分为两部分， 对重复中继的一路进行分布式 Turbo 类似迭代解码， 而对另外无中继辅 助的一路直接进行信道解码， 因为该路无任何先验信息可用。
以重复中继 S1 路信号为例， 如图 4B2 所示， 分布式 Turbo 类似迭代解码过程如下 首先， 根据中继链路信道质量进行加权， 得到中继链路过信道后的软比特信息 为：所述。
(LLR 值 )
由于其中两路信号传送的为相同的比特信息， 且两路信息间采用了比特交织， 使 得该两路比特信息近似不相关， 由此可以进行类似 Turbo 类似解码过程的迭代解码， 具体 过程描述如下 ：
步骤 b.1 ： 初始化成分信道解码器 1(CC1) 的先验信息其中， 0 为与信道编码前序列等长的 0 序列。 步骤 b.2 ： 成分信道解码器 1 解码得到 然后获得外信息外信息可计算为，步骤 b.3 ： 交织获得成分解码器 2 的比特先验信息步骤 b.4 ： 成分信道解码器 2 解码得到然后获得外信息外信息可计算为，步骤 b.5 ： 解交织获得成分解码器 1 的比特先验信息并返回第二步， 循环迭代进行， 直到迭代次数满或者校验无差错为止。
而对于另外一路无中继辅助的信号， 因为没有可以利用的冗余信息， 直接进行信 道解码即可。以 S2 路为例， 如图 4B2 所示， 有
若重复中继的是 S2 的比特数据， 仅需将上面的信号处理过程中变量上标 .(1) 与 .(2) 互换一下即可。
(c) 分离式网络信道解码策略
该算法对应于软中继策略， 其原理框图如图 4C 所示， 图 4C1 为目的节点整体框图， 从中可以清楚地看到解网络编码与解信道编码是分步进行的。先通过迭代信息传递算法 (MPA) 从中继链路信号提取合并相关冗余信息， 然后进行信道解码。
中继链路经过信道后的软比特信息 (LLR 值 )为
其中， ξsrd 为从源节点经中继节点到目的节点链路的等价信噪比 ( 线性值 )。若 的信LLR 序列 L1 的信噪比为 ξ1， LLR 序列 L2 的信噪比为 ξ2， 软信息合并序列噪比为 ξ， 则有关系
ξ ≤ min(ξ1， ξ2) (42)
由此， ξsrd 可简单取为 min(ξsr， ξrd)
由于中继转发的为冗余信息， 目的节点需要充分利用该冗余信息提升对源节点信 息的解码性能。迭代消息传递算法 (MPA) 可用来从具有一定冗余信息的多路信号中提取合并相关有用信息。图 4C2 为迭代消息传递 (MPA) 算法的因子图 (factor graph)， 圆形圈代 表变量节点， 方形框代表校验节点， 在边上传递的为外信息。 Lvc(1， A) 为从变量节点， 1 到校 验节点 A 的外信息， Lcv(A， 1) 为从校验节点 A 到变量节点 1 的外信息， 其它类似。校验节点 是一个虚拟节点， 没有实际指代， 仅仅是为了方便迭代信息的传递。变量节点是指 MPA 算法 输入信息的来源点， 这里的变量节点指的分别是源节点 1、 中继节点和源节点 2。 MPA 算法具 体迭代计算过程为 ：
步骤 c.1 ： 初始化从校验节点 A 到变量节点的外信息
Lcv(A， i) ＝ 0， i ∈ {1， 2， 3} (43)
其中， 0 为与软比特序列等长的 0 序列， i 为下标标记。
步骤 c.2 ： 计算从变量节点传递给校验节点 A 的外信息， 为
Lvc(i， A) ＝ Li+Lcv(A， i)， i ∈ {1， 2， 3} (44)
步骤 c.3 ： 计算从校验节点传递给变量节点的外信息， 为
其中，并返回步骤 2.1一次完整迭代过程可定义为某一个出去的外信息遍历了每个边的来回两个方向。
在经过 1 次或多次完整迭代过程后， 对软比特信息序列 {L1 ＝ Lcv(A， 1)] 和 {L2 ＝ Lcv(A， 3)} 进行信道解码， 恢复出源节点 S1 和 S2 发送的数据。
如图 6 所示， 一种多址接入信道下自适应编码中继系统， 包括 ：
解码校验模块 10， 从源节点接收的数据进行解码， 然后进行循环冗余检验， 分析运 算的方式 ；
自适应中继策略模块 20， 根据接收数据的差错状况， 使用自适应中继策略 ； 所述 自适应中继策略模块还包括 ：
中继策略模块 21， 用于根据数据差错状况， 采用网络编码中继策略、 重复中继策略 和 / 或软中继策略， 然后将中继策略模块处理后的数据传输给收端信号处理模块 ；
收端信号处理模块 22， 用于将中继策略模块处理后的数据采用联合网络信道解码 策略、 分布式 Turbo 类似解码策略和 / 或分离式网络信道解码策略 ；
对于数据的处理过程均采用软比特信息进行操作。
所述的自适应编码中继系统， 所述自适应中继策略模块中的自适应中继策略为， 若接收数据均无差错接收， 则中继策略模块采用网络编码中继策略， 收端信号处理模块采 用联合网络信道解码策略 ；
若仅有一路数据无差错接收， 其它存在误码， 则中继策略模块对正确接收的数据 采用重复中继策略， 收端信号处理模块采用分布式 Turbo 类似解码策略， 其它无中继辅助， 直接进行解码恢复操作 ；
若接收数据均存在差错， 则中继策略模块采用软中继策略， 收端信号处理模块采 用分离式网络信道解码策略。
所述的自适应编码中继系统， 所述自适应中继策略模块中的自适应中继策略为，若接收数据均无差错， 则中继策略模块采用网络编码中继策略， 收端信号处理模块采用联 合网络信道解码策略 ；
否则， 中继策略模块采用软中继策略， 收端信号处理模块采用分离式网络信道解 码策略。
对于一般的多址接入中继信道网络场景的情况， 只要其网络场景中包含由 2 源节 点、 1 中继节点和 1 个目的节点组成的基本组成单元， 就可以在该多址接入中继信道场景 下应用本发明。与 2 个源节点、 1 个中继节点和 1 个目的节点的场景下的惟一不同是在目 的节点上 MPA 解码策略下迭代可能在多于三路输入信息之间进行， 目的节点处理工作量加 大。图 7 是一个更一般的上行多址接入中继网络场景， 在该场景中外围的小的空心圆表示 移动基站 (MobileStation， 简记为 MS)， 实心圆表示中继， 最内层的大的空心圆表示基站 (BaseStation， 简记为 BS)。本图中有 8 个移动终端需要同时发送数据到基站。任意 2 个相 邻移动终端， 1 个中继以及基站就构成了一个最简单的 2 源、 1 中继和 1 目的节点的多址接 入中继网络场景。就可以作为一个基本单元进行基于软信息的网络编码策略， 源节点和中 继节点操作与 2 源、 1 中继和 1 目的节点的策略相同， 只不过最后到达目的节点使用 MPA 策 略来解网络编码的规模有所扩大。
图 8 是对应于图 7 场景的接收端 MPA 策略对应的因子图。MS1 到 MS8 表示移动基 站， 也就是源节点， R12 到 R81 表示中继节点。图中 A 到 G 表示校验节点。图中箭头表示信 息流的传递方向， π 与 π-1 分别表示交织和接交织操作。目的节点 MPA 策略的方法与本发 明中 2 源、 1 中继和 1 目的节点的基本方法相同。
为了描述简单， 仅以典型的 2 源节点、 1 中继节点和 1 目的节点的多址接入中继信 道网络场景为例， 来描述本发明。
我们对算法进行了仿真和性能验证， 系统和仿真参数见表 1。
表 1 系统参数
在本发明的通信场景中， 源节点 S 到中继节点 R 的链路的信噪比 (Signalto Noise Ratio， 简记为 SNR) 记为 ： SNRsr， 同理可以得到中继节点到目的节点的信噪比为 SNRrd， 源 节点到目的节点的信噪比为 SNRsd。MPA 算法的迭代次数 (number of iterative) 简记为 niter。图 5 给出了系统性能仿真结果， 仿真比较了无中继情况、 传统网络编码中继情况以 及本发明所提的自适应中继策略与方法 (3 种中继策略与目的节点处理方法 ) 的系统误包 率 (PER) 性能。由该仿真结果可以看出， 所提自适应中继策略与算法可以一直获得最优化 的性能。无中继辅助情况下， 误包率 PER 一直为 1， 系统无法正常工作。传统网络编码中继 算法， 在高中继链路质量环境下可获得较好的性能， 但在较低中继链路质量环境下性能极 度恶化， 例如在源节点到中继节点信噪比为 0dB 的情况下， 系统误包率 PER 也一直为 1， 与无 中继场景一样无法正常工作。另外， 传统网络编码中继情况， 系统 PER 性能具有平底效应，
特别是在中等中继链路质量的情况下表现得尤为明显。 所发明的自适应中继策略与算法可 以在各种中继链路质量状况下获得最优的系统性能， 且无系统性能平底效应， 具有较大的 性能优势和宽广的适应性， 有较好的实际应用价值。
针对上行多址无线中继接入信道， 发明了一种切实可行的自适应编码中继系统和 方法， 可以充分利用不同类方法在不同场景下的差异优势， 最优化系统性能。 基于网络编码 的中继编码策略可以同时辅助多路源数据流， 并可获得较好的系统性能， 然而其要求中继 节点正确解码源端发送的数据比特 ； 联合网络信道解码方法必然可获得比分离网络信道解 码方法更大的解码增益 ； 联合网络信道解码方法要求中继转发的是信道编码前比特的网络 编码信息， 而分离网络信道编码可以放宽要求， 中继转发的是信道编码后比特的网络编码信息。 由此， 不同的收端处理方法要求不同的中继转发策略， 同时中继的转发策略也受实际 中继解码情况的限制。 本发明旨在智能综合利用各种可能的编码技术和信号处理方法获得 优化的系统性能。
中继节点将根据收到的源节点信息的解码恢复情况进行不同的中继策略选择。 若 两路数据均无差错接收， 则中继采用传统网络编码方法， 目的节点采用联合网络信道迭代 解码方法 ； 若仅有一路数据无差错接收， 另一路存在误码， 则中继对正确接收的一路数据采 用重复中继策略， 目的节点采用 Turbo 类似迭代解码算法， 另一路无中继辅助， 直接进行解 码恢复操作 ； 若两路数据均存在差错， 则中继采用软中继策略， 目的节点采用分离式网络信 道解码方法。
该自适应中继策略可以进一步简化为联合网络信道解码与分离网络信道解码两 种方法的自适应。即 ： 若两路数据均无差错接收， 则中继采用传统网络编码方法， 收端采用 联合网络信道迭代解码方法 ； 否则， 中继采用软中继策略， 收端采用分离式网络信道解码方 法。
目的节点信号处理方法均基于软比特信息进行， 充分利用软比特信息的迭代提高 系统解码性能。 仿真结果验证了所发明的自适应中继策略与方法可以在各种中继链路质量 状况下获得最优的系统性能， 且无系统性能平底效应， 具有较大的性能优势和宽广的适应 性， 有较好的实际应用价值。
本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下， 还 可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明， 而是由 权利要求书的范围来确定的。