網(wǎng)絡(luò)-信道聯(lián)合編碼的DmF協(xié)作通信技術(shù)

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(1.電子科技大學(xué) 通信抗干擾國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 611731；2.東南大學(xué) 移動(dòng)通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211189)

1 引 言

多輸入多輸出(MIMO)天線技術(shù)是有效對(duì)抗無線環(huán)境中信道衰落的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于移動(dòng)終端體積、功率、硬件復(fù)雜度等因素影響,其應(yīng)用受到一定限制。近年來興起的協(xié)作通信技術(shù)突破了這種限制，成為目前學(xué)術(shù)界研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

協(xié)作通信技術(shù)最初是由Van Der Meulen[1]在1971年提出的經(jīng)典三終端中繼信道模型演變而來。由Laneman、Hunter、Sendonaris[2-5]等人對(duì)協(xié)作通信技術(shù)所做的大量工作可知，目前協(xié)作通信方式主要有放大前傳(Amplify-and-Forward，AF)、譯碼前傳(Decode-and-Forward,DF)、編碼協(xié)作(Coded Cooperation，CC)3種。對(duì)于AF，中繼對(duì)信源信號(hào)功率放大的同時(shí)也將噪聲功率放大，使得錯(cuò)誤被放大前傳；DF中，中繼先對(duì)信源信號(hào)進(jìn)行譯碼而后再編碼發(fā)送，由于同時(shí)獲得了分集增益和編碼增益，系統(tǒng)性能比AF明顯提高；CC實(shí)際上屬于DF中的一類。本文針對(duì)DF協(xié)作方式提出解調(diào)前傳(Demodulate-and-Forward,DmF)[6]，其性能介于AF與DF之間，而它在中繼處不需要譯碼器，使設(shè)備復(fù)雜度大大降低。因此，與前面的3種技術(shù)相比，DmF更具有實(shí)用性。

網(wǎng)絡(luò)編碼理論最初是Ahlswede[7]等人在有線通信網(wǎng)絡(luò)中提出來的關(guān)于增加網(wǎng)絡(luò)傳輸容量、提高吞吐量、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)健壯性、均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的一項(xiàng)新型網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。本文將信道編碼與網(wǎng)絡(luò)編碼相結(jié)合實(shí)現(xiàn)無線通信中的協(xié)作分集，不但能獲得以上優(yōu)點(diǎn)，還能減少協(xié)作伙伴數(shù)量，提高頻譜利用率。 除此之外，后面的仿真結(jié)果顯示：網(wǎng)絡(luò)編碼與信道編碼相結(jié)合，其通信性能將明顯優(yōu)于僅使用信道編碼的協(xié)作通信。

為獲得盡可能多的系統(tǒng)編碼增益，我們在基站用網(wǎng)絡(luò)-信道聯(lián)合譯碼的方法對(duì)多路徑獨(dú)立信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合譯碼。LDPC碼的稀疏校驗(yàn)矩陣H存儲(chǔ)量小、譯碼簡單，因此我們選用LDPC碼進(jìn)行聯(lián)合譯碼。

2 基于網(wǎng)絡(luò)-信道編碼的DmF協(xié)作通信模型

圖1為基于聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)-信道編碼的DmF協(xié)作通信基本模型，即由一個(gè)中繼對(duì)兩個(gè)用戶進(jìn)行上行鏈路的協(xié)作通信模型。

圖1 基于網(wǎng)絡(luò)-信道編碼技術(shù)的DmF協(xié)作通信系統(tǒng)模型Fig.1 The model of DmF cooperative communication with joint network-channel coding

首先，我們假設(shè)兩個(gè)用戶到中繼、兩個(gè)用戶及中繼到基站的信道為相互獨(dú)立的瑞利信道。用戶1和用戶2到中繼的信道衰落系數(shù)為hii，i={1,2}；用戶1、用戶2以及中繼到基站的信道衰落系數(shù)為hi，i={1,2,3}。第i(ii)個(gè)信號(hào)所經(jīng)歷過的信道，我們稱其為第i(ii)路信道，其信道噪聲為ni(nii)。

用戶1、用戶2分別對(duì)各自長為K的信息序列V1、V2進(jìn)行LDPC編碼，得到碼長為N的碼字Ui=Vi*G，i={1,2}(G為生成矩陣)。最后，用戶端以{-1，1}等概發(fā)送BPSK調(diào)制信號(hào)Xi=2Ui-1，其中i={1,2}，Xi=[x1，x2,x3,…,xN]。

中繼端接收到來自用戶1、用戶2的信號(hào)Y11、Y22，其中：

Yii=hiiXi+nii,i={1,2}

(1)

在DmF模型中，我們首先將式(1)的兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)(硬判決)得U11、U22，而后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼(模二加)得U3=U11⊕U22。最后，發(fā)送BPSK調(diào)制信號(hào)X3=2U3-1。

在基站，我們接收到來自用戶1、用戶2以及中繼的信號(hào)：

Yi=hiXi+ni,i={1,2,3}

(2)

將式(2)中3個(gè)信號(hào)組合成一個(gè)碼字Y=[Y1,Y2,Y3]，其中Yi=[y1,y2,y3,…,yN]。

然后，我們再按照文獻(xiàn)[8]中的LLR BP譯碼算法對(duì)接收碼字Y進(jìn)行LDPC 譯碼。由接收信號(hào)Y，我們得對(duì)數(shù)似然值(LLR)：

(3)

式中，n={1,2,3，…,N}表示第i路信號(hào)的第n個(gè)比特位，Pr(·)表示后驗(yàn)概率，σ2為噪聲功率。

我們構(gòu)造的稀疏校驗(yàn)矩陣為

式中，H1、H2分別為原用戶端碼字U1、U2的稀疏校驗(yàn)矩陣，I為N×N的單位矩陣。

進(jìn)行LDPC LLR BP譯碼前，我們假設(shè)：Lmn為校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)m傳遞給比特節(jié)點(diǎn)n的關(guān)于節(jié)點(diǎn)n的LLR值；Zmn為比特節(jié)點(diǎn)n傳給校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)m的關(guān)于比特節(jié)點(diǎn)n的LLR值；Zn表示比特n的后驗(yàn)LLR值，每次迭代的最后都需要用它來做硬判決，判斷迭代是否結(jié)束。

初始化：對(duì)于每一個(gè)m和n，設(shè)Zmn=Fn；

迭代處理：每一次迭代都按如下3個(gè)步驟進(jìn)行。

(1)水平迭代(對(duì)校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的處理過程)

對(duì)于每一個(gè)m和n：

(4)

(5)

(2)垂直迭代(對(duì)比特節(jié)點(diǎn)的處理過程)

對(duì)于每一個(gè)m和n，按照如下方式對(duì)Zmn進(jìn)行更新：

(6)

對(duì)于每一個(gè)n，按如下方式更新Zn：

(7)

(3)硬判決以及結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

3 聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)-信道編碼的DmF協(xié)作通信的性能分析

3.1 兩種情景下的應(yīng)用

我們設(shè)路徑損耗系數(shù)[9]為α=4，A、B為兩用戶，C為中繼，D為基站。A、B、C到D的距離，A、B到C的距離分別為rAD、rBD、rCD、rAC、rBC。其接收信號(hào)的平均符號(hào)信噪比分別為EAD(dB)、ECD(dB)、EBD(dB)、EBC(dB)、EAC(dB)。

情景1，令rAD=rBD=rCD=r，rAC=rBC=0.3r,則EAD=ECD=EBD=EBC=EAC=E-101g(0.3)α;情景2，令rAD=rBD=r，rAC=rBC=0.3r，rCD=0.7r，則EAD=EBD=E(dB)，EBC=EAC=E-401g 0.3，ECD=E-401g 0.7。

(a)情景1

(b)情景2圖2 假設(shè)兩種情景Fig.2 Two cases

當(dāng)中繼離用戶端較近時(shí)，系統(tǒng)在中繼協(xié)作之下能獲得可觀的分集增益及編碼增益；當(dāng)中繼離用戶端太遠(yuǎn)時(shí)，中繼的協(xié)作將無效。

3.2 網(wǎng)絡(luò)編碼的引入

我們知道，網(wǎng)絡(luò)編碼能提高用戶數(shù)據(jù)吞吐量、減小延遲、提高帶寬利用率等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于圖3(a)，當(dāng)中繼數(shù)量少于用戶數(shù)量，此時(shí)若利用中繼進(jìn)行協(xié)作通信，用戶1和用戶2則需要排隊(duì)等待。而若用圖3(b)進(jìn)行協(xié)作通信，中繼的數(shù)量將會(huì)變?yōu)樵瓉淼囊话耄抨?duì)等待時(shí)間也會(huì)大幅度降低。另外，由文獻(xiàn)[10]可知，若選用圖3(b)進(jìn)行通信，所需的帶寬資源及耗費(fèi)的功率將變?yōu)閳D3(a)的3/4。因此，對(duì)于圖3(b)，頻帶利用率提高的同時(shí)其中繼的發(fā)射功率也得到降低。

圖3(a)、(b)的用戶分集階數(shù)[10]都能達(dá)到2(滿分集)，即獲得了最大的分集增益。對(duì)于這兩種模型,中繼不僅僅是提供了系統(tǒng)分集增益，還能增加系統(tǒng)校驗(yàn)冗余，從而獲得系統(tǒng)的編碼增益。對(duì)于圖3(a)，我們假設(shè)每個(gè)用戶的原信息序列長為K1,碼長為N1,經(jīng)中繼協(xié)作后到達(dá)基站，其碼長變?yōu)?N1,則碼率為K1/(2N1)；對(duì)于圖3(b), 每個(gè)用戶原信息序列長及碼長與圖3(a)相同,經(jīng)中繼協(xié)作后到達(dá)基站，此時(shí)碼長變?yōu)?N1,碼率變?yōu)镵1/(3N1)。顯然，圖3(b)的編碼增益大于圖3(a)。因此，引入網(wǎng)絡(luò)編碼還能提高系統(tǒng)的編碼增益。

對(duì)圖3(a)的非網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)作通信模型，用戶1、用戶2都各自擁有一個(gè)中繼進(jìn)行DmF協(xié)作通信。對(duì)于用戶1，基站將其碼字Y1和它的中繼碼字Y2構(gòu)成一個(gè)新的碼字Y′=[Y1,Y2]，最后，我們用校驗(yàn)矩陣：

對(duì)Y′進(jìn)行LDPC聯(lián)合譯碼，其譯碼過程與圖3(b)相同。其中，H1為碼字Y1的校驗(yàn)矩陣，I為N1×N1的單位矩陣。

(b)基于網(wǎng)絡(luò)-信道編碼技術(shù)的DmF協(xié)作通信模型圖3 協(xié)作的基本模型Fig.3 The basic model of cooperative communication

4 仿真結(jié)果分析

我們將4種通信模式(即：非協(xié)作通信模式、非網(wǎng)絡(luò)編碼的DmF協(xié)作通信模式、基于網(wǎng)絡(luò)-信道編碼的DmF協(xié)作通信模式以及基于網(wǎng)絡(luò)-信道編碼的DF協(xié)作通信模式)進(jìn)行比較，得到圖4的仿真曲線。

圖4(a)和(b)分別對(duì)應(yīng)3.1中的兩種情景。顯然，中繼離基站越近，其系統(tǒng)性能越好。我們也可以看到，情景1和情景2中基于網(wǎng)絡(luò)-信道編碼的DmF協(xié)作通信系統(tǒng)與DF協(xié)作通信系統(tǒng)的性能曲線幾乎一致，在誤比特率為10-3時(shí)，DF僅僅比DmF多0.1 dB的性能增益。

情景1中信噪比大于1.7 dB以及情景2中信噪比大于0.5 dB時(shí)，基于網(wǎng)絡(luò)-信道聯(lián)合編碼的協(xié)作通信(包括DF和DmF)，其性能將明顯優(yōu)于非網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)作通信，而且隨著信噪比值的增加這種優(yōu)勢會(huì)更加明顯。

(a)情景1，rCD=r時(shí)4種通信模式下的誤碼曲線圖

(b)情景2，rCD=0.7r時(shí)4種通信模式下的誤碼率曲線圖圖4 不同通信模型的性能比較Fig.4 Performance comparison between different communication models

5 總 結(jié)

通過以上通信技術(shù)性能的比較我們可看出：在用戶端與中繼端，將網(wǎng)絡(luò)編碼與信道編碼相結(jié)合，可以使得協(xié)作通信系統(tǒng)獲得比僅使用信道編碼時(shí)更大的性能增益；基于網(wǎng)絡(luò)-信道編碼的協(xié)作通信系統(tǒng)中，DmF協(xié)作方式與DF協(xié)作方式所獲得的系統(tǒng)性能非常接近，且明顯優(yōu)于非協(xié)作通信系統(tǒng)以及非網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)作通信系統(tǒng)。而對(duì)于DmF來說，它只需進(jìn)行量化解調(diào)和簡單的編碼，不需譯碼，大大降低了對(duì)硬件復(fù)雜度的要求以及對(duì)中繼消耗能量的需求。

綜合考慮通信性能、設(shè)備復(fù)雜度等因素，基于網(wǎng)絡(luò)-信道編碼的DmF協(xié)作通信技術(shù)是最具實(shí)用性、其性能僅次于且接近于DF的協(xié)作通信技術(shù)。

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