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CN109361492B - 一种联合物理层网络编码和极化码的高性能译码方法 - Google Patents

一种联合物理层网络编码和极化码的高性能译码方法 Download PDF

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CN109361492B CN201811167531.4A CN201811167531A CN109361492B CN 109361492 B CN109361492 B CN 109361492B CN 201811167531 A CN201811167531 A CN 201811167531A CN 109361492 B CN109361492 B CN 109361492B
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Abstract

本发明涉及一种联合物理层网络编码和极化码的高性能译码方法。在两个终端节点A、B之间的中继节点C上，采用极化码在信道环境中使用物理层网络译码的解码算法，在两个终端节点进行信息交互时，在第一个时隙内采用极化码编码将编码好的数据从A、B两个终端节点同时向中继节点C发送数据，在中继节点C上对同时接收到的两组数据采用物理层网络译码的解码算法，得到新的信息，再将这个信息进行极化码编码并在第二个时隙上广播出去，在终端节点收到后可以根据之前发送的信息来解码出对方的信息，加大网络资源利用率。

Description

一种联合物理层网络编码和极化码的高性能译码方法
技术领域
本发明涉及一种联合物理层网络编码和极化码的高性能译码方法。
背景技术
近年来，随着移动互联网的发展，尤其是5G的快速发展，面对大规模用户对于相互之间通信需求不断增长，网络流量也随之爆炸性的增长，面对日益增长的网络流量需求，如何快速的发送大量的流量数据并同时降低用户获取信息的时延便成为了未来5G发展的重中之重。
极化码(polarcode)是2008年ErdalArikan在国际信息论ISIT会议上首次提出了信道极化(Channel Polarization)的概念，随后在2009年“IEEE Transaction onInformation Theory”这个期刊上发表了一篇长达23页的论文《AMethodfor ConstructingCapacity-Achieving Codes for Symmetric Binary-InputMemoryless Channels》更加详细地阐述了信道极化，并基于信道极化给出了一种新的编码方式，取名为极化码(PolarCode)，极化码由于其独特的码型构造方式成为了目前唯一一种能够达到香农极限的码型。
极化码具备了代数编码以及概率编码两者各自的优势，只要确定了一定的码字长度，便可以确定其编译码结构，而且可以通过构造其生成矩阵来完成编码的过程，与代数编码的思想有很相同的地方，极化码的构造也没有像其他的码型一样还需要考虑最小距离特性，防止误码率增大，而是采用信道极化信道、信道分裂的方式来编码，在译码的过程中采用概率译码的算法，这些则是与概率编码有很相似的地方。
物理层网络编码的思想是从网络编码那里继承过来的，Ahlswede R在文献《Network InformationFlow》中提出了网络编码的概念，网络编码改变了传统路由器只对信息进行存储转发而不处理，通过网络编码之后可以显著提升整个网络的吞吐量，随着研究的深入，研究人员发现网络编码也可以应用在物理层中。在物理层中，利用电磁波的叠加特性，可以将电磁波在空间中的自然叠加看成是信号的编码过程，可以极大的提高整个网络的吞吐量，基于这一个发现，Zhang S、Liew S C等在2006年发表了论文《HotTopic:Physical LayerNetworkCoding》，这篇论文在双向中继系统模型中提出了物理层的网络编码，应用于一般化的一维与二维通信网络中，理论上系统的吞吐量相比原来提升了一倍，物理层网络编码实际运用的技术还是网络编码里面的原理，只不过是在物理层就实现了编译码，充分利用物理空间。
现有的《一种极化码SCL译码方法、装置及电子设备》是基于单点对单点的码型传输，每次在接收端只能处理一个发送端的信号，如果在A与B端点想通过中继节点C进行数据的交互，在没有物理层网络编码的条件下，至少需要4个的时隙资源利用率十分低下，本发明采用的是在信道上使用极化码进行编码同时进行两点的传输，然后在中继节点C处使用物理层网络编码的原理并加以算法改进来译码使得传输时间缩减为原来的一半，资源利用率提高。
现有的《双向中继信道中Polar码与物理层网络编码的联合设计》是基于两点之间的信息交互，同时在A、B两点之间发送信号，然后在中继节点进行接收，使用信号的逻辑相加，其在中继节点的处理是直接将取+2与-2的概率直接相加算为同样的值，运用的还是单点的译码算法误码率不是很好；本方案将取+2与-2的概率区分出来，采用本发明的算法来译码，能使得误码率极大提高，具有明显优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种联合物理层网络编码和极化码的高性能译码方法，该方法使得传输处理时间缩减为原来的一半，资源利用率提高。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种联合物理层网络编码和极化码的高性能译码方法，当两个终端节点A与B要相互交换一条信息时，在第一个时隙内采用极化码编码将编码好的数据从A、B两个终端节点同时向中继节点C发送数据，在中继节点C上对同时接收到的两组数据进行物理层网络编码的译码，而后进行极化码编码并在第二个时隙上广播出去，在A、B终端节点收到信号后进行极化码译码处理即可得到交互信息。
在本发明一实施例中，在A、B终端节点收到信号后进行极化码译码处理的具体过程，即在A、B终端节点收到信号后进行极化码译码并与原发射信息进行异或处理得到交互信息。
在本发明一实施例中，该方法的具体实现步骤如下：
步骤S1、对于需要进行信息交换的A、B两个终端节点的数据XA(n)与XB(n)通过对于两个终端节点之间信道的估计，使用确定码字的长度以及码率的大小设计信息位以及冻结位，进行极化码的编码方式得到最终的极化码型，然后同时进行调试发射；
步骤S2、在中继节点C处，对于同时接收到的来自两个终端节点A、B的极化码信号，采用联合物理层的网络编码和极化码的高性能物理译码方案，将同时接收到的信号进行译码处理，得到处理后的数据包XA(n)⊕XB(n)，将处理后的的数据包同样进行极化码的编码方式得到极化码型，并进行调制同时发回A、B两个终端节点；
步骤S3、在A、B两个终端节点端接收到中继节点C发送过来的信号，进行极化码的译码，最终得到数据包XA(n)⊕XB(n)，A、B两个终端节点端将数据包XA(n)⊕XB(n)与原来的发射的数据XA(n)、XB(n)进行异或操作，便可以在A端获得B端发射的数据XB(n)，在B端获得A端发射的数据XA(n)。
在本发明一实施例中，所述步骤S1中，两个终端节点之间信道为高斯信道或瑞利信道。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明采用的是同时进行两点的传输，在中继节点C一次收到两个发送端A与B的信号然后利用本发明方法进行处理，最终将处理好的信号发回A与B两端，利用A、B各自发射的信号进行处理即可得到互相交互的信号，使得传输处理时间缩减为原来的一半，资源利用率提高。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
图2为高斯信道下的A、B信息交换的示意图。
图3为信号的极化码处理。
图4为中继端点C的译码处理。
图5为极化码SCL译码流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供了一种联合物理层网络编码和极化码的高性能译码方法，当两个终端节点A与B要相互交换一条信息时，在第一个时隙内采用极化码编码将编码好的数据从A、B两个终端节点同时向中继节点C发送数据，在中继节点C上对同时接收到的两组数据进行物理层网络编码的译码，而后进行极化码编码并在第二个时隙上广播出去，在A、B终端节点收到信号后进行极化码译码处理即可得到交互信息。在A、B终端节点收到信号后进行极化码译码处理的具体过程，即在A、B终端节点收到信号后进行极化码译码并与原发射信息进行异或处理得到交互信息。该方法的具体实现步骤如下：
步骤S1、对于需要进行信息交换的A、B两个终端节点的数据XA(n)与XB(n)通过对于两个终端节点之间信道(高斯信道或瑞利信道)的估计，使用确定码字的长度以及码率的大小设计信息位以及冻结位，进行极化码的编码方式得到最终的极化码型，然后同时进行调试发射；
步骤S2、在中继节点C处，对于同时接收到的来自两个终端节点A、B的极化码信号，采用联合物理层的网络编码和极化码的高性能物理译码方案，将同时接收到的信号进行译码处理，得到处理后的数据包XA(n)⊕XB(n)，将处理后的的数据包同样进行极化码的编码方式得到极化码型，并进行调制同时发回A、B两个终端节点；
步骤S3、在A、B两个终端节点端接收到中继节点C发送过来的信号，进行极化码的译码，最终得到数据包XA(n)⊕XB(n)，A、B两个终端节点端将数据包XA(n)⊕XB(n)与原来的发射的数据XA(n)、XB(n)进行异或操作，便可以在A端获得B端发射的数据XB(n)，在B端获得A端发射的数据XA(n)。
以下为本发明的具体实行过程。
如图1所示，一种联合物理层网络编码和极化码的高性能译码方法，包括对信源信号进行极化码的编码设计，对于需要进行信息交换的A、B两个端点的数据XA(n)与XB(n)通过对于两个端点之间信道的估计，使用确定码字的长度以及码率的大小设计信息位以及冻结位，进行极化码的编码方式得到最终的极化码型，然后同时进行调试发射。
在中继节点C处，对于同时接受到的来自发射端点A、B的极化码信号，进行一种联合物理层的网络编码和极化码的高性能物理译码方案，将同时接收到的信号进行译码处理，经过这个方案的处理之后便得到了处理后的数据包XA(n)⊕XB(n)，将处理后的的数据包同样进行极化码的编码方式得到极化码型，将这个数据包进行调制同时发回A、B两个发射端。
在A、B两个发射端接收到中继节点C发送过来的信号，进行极化码的译码，最终得到XA(n)⊕XB(n)这个数据，A、B端将这个数据与原来的发射的数据XA(n)、XB(n)进行异或操作，便可以在A端获得B端发射的数据XB(n)，在B端获得A端发射的数据XA(n)。
具体的，如图2所示，在高斯信道下的中继网络中有发射端点A、B和一个中继节点C,以及高斯信道组成。图3为极化码的编码过程，由于要进行信息的交换，且两端的距离较长不适于直接传输所以需要一个中继端点C，通过物理层的网络编码之后，A、B之间要进行信息的交互，可以同时在第一个时隙内将自己的信息进行极化码编码，编码后调制发送到中继节点C，在中继节点C收到A、B两端的极化码之后，直接进行信息的概率值进行逻辑加运算，如图4所示，对于得到的每一个比特位采用极化码的译码方式进行译码，在译码的过程中将极化码的奇数位计算公式改成公式(1)，过程如下：
Figure GDA0003198234050000041
Figure GDA0003198234050000042
Figure GDA0003198234050000043
其中，p0、p1、p2、q0、q1、q2为输入的两个变量点分别为+2、-2、0的概率，u0’，u1’分别为计算后P(x＝+2)/P(x＝0)的概率以及P(x＝-2)/P(x＝0)的概率，其中[p0’,p2’,q0’,q2’]＝[ln((p0)/(p1)),ln((p2)/(p1)),ln((q0)/(q1)),ln((q2)/(q1))]。偶数位的译码方式采用极化码的译码方法，利用公式(2)：
Figure GDA0003198234050000051
其中，us代表奇数位的值，a代表利用公式(1)的奇数位得出的概率值u0’、u1’并取其中的最大值赋值给a，b为偶数位本身的u0’、u1’值，得到偶数位的u0’、u1’值，然后在译码过程中通过层层迭代采用SC译码或者SCL译码计算方式、图5为使用SCL译码方式，最终算出每一个比特位的概率值，并通过在最后一层取其中最大的概率值并判断该比特位的值，得到的信号就是XA(n)⊕XB(n)，将这个信号进行极化码的编码处理，同时发送回A、B两个发射端点，在A、B两个发射端点运用极化码的原有的译码方式将其译码出来，通过与A、B发射端点原来的发送信号XA(n)、XB(n)进行异或计算便可以同时在发射端点A得到XB(n)在发射端点B得到XB(n)。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种联合物理层网络编码和极化码的高性能译码方法，其特征在于，当两个终端节点A与B要相互交换一条信息时，在第一个时隙内采用极化码编码将编码好的数据从A、B两个终端节点同时向中继节点C发送数据，在中继节点C上对同时接收到的两组数据进行物理层网络编码的译码，而后进行极化码编码并在第二个时隙上广播出去，在A、B终端节点收到信号后进行极化码译码处理即可得到交互信息；
在中继节点C上对同时接收到的两组数据进行物理层网络编码的译码，而后进行极化码编码的具体实现方式如下：
对于得到的每一个比特位采用极化码的译码方式进行译码，在译码的过程中将极化码的奇数位计算公式改成公式(1)，过程如下：
Figure FDA0003198234040000011
Figure FDA0003198234040000012
Figure FDA0003198234040000013
其中，p0、p1、p2、q0、q1、q2为输入的两个变量点分别为+2、-2、0的概率，u0’，u1’分别为计算后P(x＝+2)/P(x＝0)的概率以及P(x＝-2)/P(x＝0)的概率，其中[p0’,p2’,q0’,q2’]＝[ln((p0)/(p1)),ln((p2)/(p1)),ln((q0)/(q1)),ln((q2)/(q1))]；
偶数位的译码方式采用极化码的译码方法，利用公式(2)：
Figure FDA0003198234040000014
其中，us代表奇数位的值，a代表利用公式(1)的奇数位得出的概率值u0’、u1’并取其中的最大值赋值给a，b为偶数位本身的u0’、u1’值，得到偶数位的u0’、u1’值，然后在译码过程中通过层层迭代采用SC译码或者SCL译码计算方式，最终算出每一个比特位的概率值，并通过在最后一层取其中最大的概率值并判断该比特位的值，得到的信号就是XA(n)⊕XB(n)，将XA(n)⊕XB(n)返回给终端节点，由终端节点将XA(n)⊕XB(n)与原来的发送信号进行异或从而完成译码。
2.根据权利要求1所述的一种联合物理层网络编码和极化码的高性能译码方法，其特征在于，在A、B终端节点收到信号后进行极化码译码处理的具体过程，即在A、B终端节点收到信号后进行极化码译码并与原发射信息进行异或处理得到交互信息。
3.根据权利要求1所述的一种联合物理层网络编码和极化码的高性能译码方法，其特征在于，该方法的具体实现步骤如下：
步骤S1、对于需要进行信息交换的A、B两个终端节点的数据XA(n)与XB(n)通过对于两个终端节点之间信道的估计，使用确定码字的长度以及码率的大小设计信息位以及冻结位，进行极化码的编码方式得到最终的极化码型，然后同时进行调试发射；
步骤S2、在中继节点C处，对于同时接收到的来自两个终端节点A、B的极化码信号，采用联合物理层的网络编码和极化码的高性能物理译码方案，将同时接收到的信号进行译码处理，得到处理后的数据包XA(n)⊕XB(n)，将处理后的的数据包同样进行极化码的编码方式得到极化码型，并进行调制同时发回A、B两个终端节点；
步骤S3、在A、B两个终端节点端接收到中继节点C发送过来的信号，进行极化码的译码，最终得到数据包XA(n)⊕XB(n)，A、B两个终端节点端将数据包XA(n)⊕XB(n)与原来的发射的数据XA(n)、XB(n)进行异或操作，便可以在A端获得B端发射的数据XB(n)，在B端获得A端发射的数据XA(n)。
4.根据权利要求3 所述的一种联合物理层网络编码和极化码的高性能译码方法，其特征在于，所述步骤S1中，两个终端节点之间信道为高斯信道或瑞利信道。
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