无线中继协作中LDPC码与网络编码联合设计探讨

唐 玲，杨平先

(四川理工学院 自动化与电子信息学院，四川 自贡 643000)

无线中继协作中LDPC码与网络编码联合设计探讨

唐 玲，杨平先

(四川理工学院 自动化与电子信息学院，四川 自贡 643000)

在研究无线协作移动通信的基础上，利用LDPC(Low Density Parity Check)码(多层LDPC码或者速率兼容LDPC码)，针对多接入协作系统，讨论如何将其与网络编码(线性网络编码、随机网络编码)结合的设计方案，从而提高通信系统性能和吞吐量，具有极高的理论价值和应用前景。

中继协作；低密度检验码(LDPC)；网络编码

近年来，随着LTE技术的发展，对于通信速度的要求越来越高。由于移动终端尺寸的限制，基于中继的协作通信成为4G和WiMAX中的重要技术，并被写入IEEE802.16系列标准的文档中，是继MIMO多天线技术之后无线通信与网络领域内又一前沿研究课题。如果将网络编码和LDPC码应用到多中继的无线协作通信系统中，必然会很大程度上提高通信系统信息传输的可靠性、安全性，使网络性能达到最大流传输的理论极限，提高网络的吞吐量和数据传输速率，增强网络的容错性和纠错性能，这将是一个非常具有理论价值和应用前景的研究方向。

网络编码自从2000年提出之后就得到了广泛的关注，它融合了编码和路由的概念，通过允许对来自不同链路的信息进行编码组合，使得网络节点既实现路由功能又实现编码功能。LDPC码是一种线性分组码，它于1962年由Gallager提出，是当今信道编码领域最受瞩目的研究热点。为提高编码调制系统的整体增益，文献[1]提出了一种分布优化方法，从而改善误码性能；文献[2]考虑在半双工系统下，实现了单源、单中继、单宿系统的LDPC码设计；文献[3]针对上述系统设计出双层LDPC码，这样设计的原因是为了保证达到系统的最大容量，并针对复杂模型设计了多层LDPC码，将LDPC码与协作系统完美地结合在一起；文献[4]将多层LDPC码应用到多源多中继多宿系统中，提出了针对复杂系统的改良方案，采用的速率兼容LDPC码是一类嵌套LDPC码，其最大的优点就是只需一个解码器就可以将所有不同速率的LDPC码正确译出。

Zhang等人在双向中继模型中提出了物理层网络编码方案[5]，利用无线电波的广播特性，将电磁波信号在空间的叠加映射到调制符号集合中，从而实现网络编码的思想。文献[6]研究了随机网络编码与协作中继传输的结合，即使网络部分节点或链路失效，最终在目的节点仍然能恢复原始数据，增强网络的容错性和鲁棒性。利用信道编码可以为网络编码提供一个良好可靠的通信环境，有助于信道编码的成功应用。但是如何在通信节点同时实施网络与信道联合编码，使二者得以相辅相成，但目前的研究还处于起步阶段。

1 问题的提出

考虑一个多用户、多中继的协作系统上行链路，如图1所示。小区内N个用户终端(S1，S2，…，SN)通过M个用户中继向基站D发送数据，通信过程可以分为两个阶段：第一阶段，N个用户向中继和基站广播消息；第二个阶段，中继节点将用户数据处理后发送到基站。基站最终根据用户数据和中继节点数据获取用户信息。

图1 多接入协作系统上行链路

假定每个用户均采用LDPC信道编码方式(多层LDPC码或速率兼容LDPC码)，中继与用户采用相同的信道编码方式，中继收到用户数据后先进行解码，获得用户信息，并按照需求重新对所选择的数据进行LDPC信道编码，随后各个中继再分别进行网络编码(线性网络编码、物理层网络编码或随机网络编码)，在基站设计最优联合译码方式，针对不同的网络编码方式和LDPC信道编码，最终译出用户信息。

2 设计方案

总体研究思路：1)依据中继协作方式，建立系统模型，如图1所示；2)采用统一LDPC码，中继处实现网络编码和LDPC的联合编码；3)基站接收数据，并进行联合译码，计算误码率。

1)中继协作网络中，LDPC码的速率可以逼近系统的容量极限，如果要达到这一要求需要将一部分校验码由中继发出，将校验码分为不同的子集，分别由不同的中继发出或在不同的时隙发出，通过信源、中继和信宿的协同合作，最终成功解码，然而多层LDPC码与速率兼容LDPC码的构造方法是不一样的，如图2和图3所示。

双层LDPC码应用在单源、单宿、单中继网络中，单源首先广播信息，中继收到数据后，首先进行解码，然后针对部分信号重新进行LDPC编码，得到k2个校验码，然后将k2个校验码发送到信宿，并协助信宿解码在信源广播时隙中收到的数据。信源发送数据(LDPC码)，在这个过程中，校验码被分成了两个子集φ(1)和φ(2)，分别代表了两层数据，所以被称为双层LDPC码。对于多中继网络来说，就需要将校验码分成更多的子集，形成多层LDPC码，如图4所示，对于多源、多宿、多中继模型，每个信源发出的LDPC码都被分成了两层，外层校验码是根据S—R之间的信道速率优化的，而内层则是根据整个中继网络的容量极限优化的，内层校验码用来帮助基站反方向译码，获得信源发出信号中包含的全部信息。

图2 双层LDPC码

图3 速率兼容LDPC

速率兼容LDPC的构造方式有别于多层LDPC码，如图3所示，二者设计理念相似，但前者将需要重传的校验码子集附在矩阵末端，通过单一解码器反方向译码，子集的个数与中继个数和需要重传的次数有关。

2)中继处对LDPC成功解码后，按照需求对需要中继传输的数据进行网络编码，再将得到的数据重新进行LDPC信道编码，发送到基站。

图4 多源、多宿、多中继中的多层LDPC模型

3)基站接收到数据后，反方向联合译码，首先解码LDPC，然后对解码后的接收码字进行网络解码，得到原始信号，最后计算误码率。

3 实验仿真

针对两源两宿一中继模型，采取MATLAB和C++混合编程的方法，研究了LDPC码与网络编码的联合编解码设计，如图5所示。仿真条件：用户1和用户2的上行信道条件相同，分别发送长度为512的原始码字，经过LDPC编码和BPSK调制后通过AWGN信道，中继节点通过线性网络编码后，将编码后的码字经过调制之后再次发送出去，用户1和用户2通过解调、解码得到相互的估计数据。

图5 系统模型

仿真过程如图6所示。实验结果显示，应用联合编解码的系统与传统的中继协作系统具有更低的误码率，如图7所示。再者，如果假设两种方案的误码率近似一致，那么在传输时间上，采用联合编解码所需的时隙数也就越少，因此该方案比传统传输模式具有更高的网络吞吐量。将LDPC码与网络编码的联合技术应用到无线中继协作系统中，将会大大提高网络的性能。

4 小结

网络编码融合了编码和路由的概念，通过允许对来自不同链路的信息进行编码组合，使得网络节点既实现路由功能又实现编码功能。LDPC码是一种线性分组码，它相对Turbo码来说，具有更低的编译码复杂度，也是当今信道编码领域最受瞩目的研究热点。本文重点讨论如何将网络编码和LDPC码相结合应用到中继无线协作通信系统中，从而提高网络传输性能，并在两源两宿一中继的系统中进行了仿真实验，验证了联合设计方案的可行性，有效降低了系统的误码率，提高了性能。

图6 仿真流程

图7 BER仿真图

[1]陈紫强, 藏岚，谢跃雷，等. 高阶调制系统下LDPC码优化设计[J]. 电视技术，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

四川省教育厅科研项目(13ZB0138)；人工智能四川省重点实验室开放基金项目(2013RYY02)；四川理工学院教改项目(JG-1306)

TN919.3

B

10.16280/j.videoe.2015.01.021

2014-05-18

【本文献信息】唐玲，杨平先.无线中继协作中LDPC码与网络编码联合设计探讨[J].电视技术,2015，39(1).

唐 玲(1981— )，女，硕士生，讲师，主研通信协议及信号处理；

杨平先(1961— )，硕士生，教授，主研通信技术、图像处理、电子信息技术。

责任编辑：薛 京