無線多跳通信系統(tǒng)中的一種改進方法

葉 偉， 紀小紅

(①華東師范大學 信息科學技術(shù)學院，上海 200241；②東南大學 信息科學與工程學院，江蘇 南京 210096)

0 引言

在LTE中引入了中繼（Relaying）技術(shù)，中繼技術(shù)在未來的蜂窩無線移動通信中將起著重要的作用：增加蜂窩邊緣地區(qū)用戶的吞吐量，改善蜂窩中盲點的覆蓋，提高部分熱點地區(qū)用戶的傳輸速率，延伸蜂窩的覆蓋范圍等等[1]。但由于該中繼技術(shù)是在蜂窩無線移動通信中建立的，因此我們不得不考慮無線信道的特性，充分考慮好無線信道的特性并采取相應處理方法將會更好的傳輸效率，如采用合作分集技術(shù)[2]，網(wǎng)絡編碼[3]，預編碼技術(shù)[4]等。

本文主要討論的是雙向放大吞吐量的中繼（Relaying with Bi-directional Amplification of Throughput）[5]，它的主要傳輸方式如圖1所示。在圖1中(a)是傳統(tǒng)的中繼傳輸模式，即A,B之間的通信是分開的，需要四個時隙完成它們之間的通信，頻譜使用效率不高；(b)是采用 DF BAT-relaying的傳輸模式，A,C先分別發(fā)信息到節(jié)點B，在節(jié)點B處對它們分別解碼再做異或處理發(fā)射到A,C處，它的頻譜使用較前者提高，且使用DF，在改善誤碼率上得到很大提高；(c)中采用AF BAT-relaying的傳輸模式，即A,C同時向節(jié)點B處發(fā)消息，在B處接受到消息并乘以功率因子再分別發(fā)到A,C處，此種方法只需兩個時隙即可完成A,C之間的通信，但存在噪聲放大的問題，將會很大成度上影響系統(tǒng)的性能。有關(guān)DF和AF的述說見文獻[6-7]。

圖1 BAT-relaying的傳輸方式

本文在考慮AF BAT-relaying基礎(chǔ)上提出了一種新的方法，即在節(jié)點B處先除去噪聲再轉(zhuǎn)發(fā)消息，通過仿真分析，它相對于傳統(tǒng)的AF BAT-relaying方案有著明顯的改善，提高了頻譜效率。

1 BAT-relaying的傳輸方法

假設在A、C處要傳輸?shù)谋忍亓鳛閎=(b[1],b[2],…,b[N])N個比特，經(jīng)過映射（BPSK、QPSK、16QAM、64QAM）后的符號流為x=(x[1],x[2],…,x[M])∈X,其中X為不同調(diào)制方式的符號集，并且符合

對于DF BAT-relaying傳輸方式，在第一時隙，節(jié)點A首先發(fā)信息給節(jié)點B，節(jié)點B在接受到A發(fā)來的信息時，把它解調(diào)成對應的比特b()；在第二時隙，節(jié)點C發(fā)信息給節(jié)點B，節(jié)點B在接受到C發(fā)來的信息時，把它解調(diào)成對應的比特b(；在第三時隙，節(jié)點B把b()和b()對應比特作異或處理，并把異或后得到的比特信息調(diào)制成 x(b[m])發(fā)射出去。假定在節(jié)點A,B,C處的噪聲為和分別為節(jié)點B到節(jié)點A和C的信道的衰落系數(shù)，則在節(jié)點A,C處接受到的信號為：

節(jié)點A,C處在接受到信息時也先解調(diào)，由于節(jié)點A和C知道自己發(fā)射的信息，因此，他們再作一次異或處理即可提取處從對方發(fā)來的消息。

對于AF BAT-relaying傳輸方式，在第一時隙，節(jié)點A和C同時分別向節(jié)點B發(fā)信息xAC和xCA，則節(jié)點B處接受到的信息為：

在第二時隙，節(jié)點B處對信號yB先作歸一化處理再分別向A,C處發(fā)射，即乘以歸一化因子

在節(jié)點A處，由于節(jié)點A處知道自己先前發(fā)的信息xAC，并假設節(jié)點A知道信道信息hAB、 hCB、hBA和β，則節(jié)點A得到從節(jié)點C發(fā)來的信息為：估計處的信息為：,同理可得節(jié)點 C處接受到的信息 ()ACx 。

本文提出的改進的AF BAT-relaying傳輸方式工作過程為：和上面介紹的AF BAT-relaying傳輸方式時隙結(jié)構(gòu)大部分一樣，只是在節(jié)點B處不是作簡單的功率歸一化處理，而是在該處作符號判決，得到去噪聲的估計符號 x(AC)和x(CA)，再把它們相加乘以功率歸一化因子后發(fā)射給節(jié)點 A和C處。假設節(jié)點A和C處映射的符號集（xA[m] xC[m]）∈X,在節(jié)點B處的處理步驟為：第一步根據(jù)下式計算出最佳的(x(A[m]),x(C[m])),

2 仿真分析

這部分主要通過仿真分析驗證各個雙向傳輸方案的頻譜使用效率。在仿真中假設多跳鏈路中的各跳信噪比都相同，即。仿真時采用的參數(shù)為：調(diào)制方式是QPSK，信道編碼為1/2Turbo碼，幀長為N=1 020，在高斯信道（hAB=hCB=1）下各種傳輸方案的性能如圖2所示。

圖2 四種BAT-relaying在AWGN信道下的性能

在圖2中的各個傳輸方案的頻譜效率的定義為：

其中 BLER為誤塊率,M為調(diào)制數(shù)值(M=4),R為碼率(R=2)。從圖2中我們可以看到，改進的AF BAT Relaying方案在AWGN信道下的性能比傳統(tǒng)的AF BAT Relaying方案的性能要好1.6 dB左右，體現(xiàn)了本文改進的方案的優(yōu)越性。

3 結(jié)語

在LTE的無線通信中，多跳中繼技術(shù)以其可以擴展覆蓋和增加容量、簡單、靈活、可快速部署和成本有效等諸多特性，已經(jīng)成為下一代移動通信系統(tǒng)的候選關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文在討論雙向中繼技術(shù)時，針對傳統(tǒng)的AF雙向中繼提出了一種改進方法，并通過仿真分析驗證它的可行性。但作為目前學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的熱點之一，雙向多跳中繼系統(tǒng)的還有諸多技術(shù)需要進一步研究和優(yōu)化。

[1] 何曉煒.下一代移動通信系統(tǒng)中的中繼技術(shù)[J].移動通信,2008,32(20):

[2] Laneman J N,Tse D N C,Wornell G W.Cooperative Diversity in Wireless Networks: Efficient Protocols and Outage Behavior[J].IEEE Trans.Inform. Theory,2004,50(12):3062-3080.

[3] Lun D S,Medard M,Koetter R.Efficient Operation of Wireless Packet Networks Using Network Coding[C]//In Proc. International Workshop on Convergent Technologies (IWCT) 2005.

[4] 鄭侃.預編碼技術(shù)在協(xié)同中繼系統(tǒng)中的應用[J].電信科學，2008(08):65-69.

[5] Popovski P, Yomo H.The Anti-Packets Can Increase the Achievable Throughput of a Wireless Multi–Hop Network[C].2006 IEEE;3885-3890.

[6] Wu Y, Chou P A, Kung S Y. Information Exchange in Wireless Networks with Network Coding 3 and Physicallayer Broadcast[R].Microsoft,Tech. Rep. MSR-TR-2004-78,2004.

[7] Larsson P,Johansson N,Sunell K E.Coded Bidirectional Relaying[C].in 5thScandinavian Workshop on Ad Hoc Networks(ADHOC’05),Stockholm,Sweden,2005.