協(xié)作通信技術(shù)在惡劣信道條件下的應(yīng)用研究

王 翠，唐加山

(南京郵電大學(xué)a.通信與信息工程學(xué)院;b.數(shù)理學(xué)院，江蘇 南京 210003)

責(zé)任編輯:薛 京

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，信道衰落對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率和質(zhì)量具有重要的影響，而分集技術(shù)是一種對(duì)抗衰落的有效手段，如MIMO技術(shù)，通過(guò)在發(fā)射端和接收端放置多根天線形成多個(gè)獨(dú)立發(fā)/收信道達(dá)到空間分集的目的。但是由于終端設(shè)備的尺寸、硬件性能等因素的限制，無(wú)線終端設(shè)備不一定能支持多天線裝置，協(xié)作分集是一種將空間分集與協(xié)作通信相結(jié)合的分集技術(shù)，通過(guò)多個(gè)單天線用戶共享天線，實(shí)現(xiàn)虛擬的多天線傳輸，獲得空間分集，以此來(lái)提高系統(tǒng)傳輸性能［1］。

低密度奇偶校驗(yàn)［2］(Low－Density Parity－Check，LDPC)碼作為一種能夠逼近香農(nóng)限的線性分組碼，具有優(yōu)異的差錯(cuò)校驗(yàn)特性，非規(guī)則(irregular)LDPC碼比規(guī)則LDPC碼具有更高的性能［3］，更接近信道容量。相比Turbo碼，LDPC碼具有譯碼時(shí)延小、譯碼復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來(lái)研究協(xié)作編碼方案的熱點(diǎn)［4－5］。

根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)信號(hào)處理方式的不同，一般將協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)方式分為放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)、譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)和編碼協(xié)作(CC)三種［6］。放大轉(zhuǎn)發(fā)方式對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的放大，處理簡(jiǎn)單，但是放大信號(hào)的同時(shí)也將噪聲放大了;譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方式則將接收到的信號(hào)進(jìn)行譯碼，然后再重新編碼后轉(zhuǎn)發(fā)，可以提高通信的可靠性，但是當(dāng)譯碼中有錯(cuò)時(shí)也會(huì)將錯(cuò)誤傳播出去;編碼協(xié)作方式是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行譯碼，當(dāng)譯碼正確時(shí)，進(jìn)行重新編碼，然后只將編碼的冗余信息轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)譯碼不正確時(shí)，將轉(zhuǎn)為非協(xié)作方式。根據(jù)不同的信道條件，選擇不同的通信方式，可以將系統(tǒng)的性能整體提高［7－10］。

目前大多數(shù)研究都是建立在大信噪比條件下，文獻(xiàn)［11］研究了LDPC碼的BPSK調(diào)制編碼協(xié)作方法，證明了在衰落信道條件下可以獲得一定的分集增益，但系統(tǒng)的頻譜資源利用率不高，文獻(xiàn)［12］提出了一種在8PSK調(diào)制方式下的協(xié)作方法，相比BPSK調(diào)制，編碼協(xié)作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)頻譜資源利用率，但是當(dāng)信道條件較差時(shí)，當(dāng)?shù)谝粫r(shí)隙不能正確傳輸數(shù)據(jù)的情況下，將會(huì)變?yōu)榉菂f(xié)作方案，此時(shí)將不能獲得分集增益，本文對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)，采用混和通信方式，提出一種在信道狀態(tài)較差的條件下采用QPSK調(diào)制技術(shù)的協(xié)作方案，并進(jìn)行了相應(yīng)的理論分析和仿真。本文的研究對(duì)于信道狀況較差的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)協(xié)作通信具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 混合編碼協(xié)作方案

本文所采用的混合協(xié)作編碼系統(tǒng)模型如圖1所示，假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)接收到信息后，可以反饋給其他節(jié)點(diǎn)是否接收正確，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，先將長(zhǎng)度為K的碼字經(jīng)過(guò)碼率為R的LDPC編碼后生成長(zhǎng)度為N的碼字發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)，N=K/R，然后中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的信息進(jìn)行譯碼。

圖1 混和編碼協(xié)作模型

協(xié)作方法過(guò)程描述如下:

1)如果中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的信息能夠正確譯碼，將反饋給源節(jié)點(diǎn)一個(gè)譯碼成功的確認(rèn)信號(hào)ACKY，此時(shí)中繼節(jié)點(diǎn)從譯出的碼字中提取出信息比特，并將其進(jìn)行重新編碼，然后將重新編碼后生成的校驗(yàn)比特經(jīng)QPSK調(diào)制發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)，完成編碼協(xié)作。

2)如果中繼節(jié)點(diǎn)不能對(duì)源節(jié)點(diǎn)第一時(shí)隙傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確譯碼，那么中繼節(jié)點(diǎn)將返回給源節(jié)點(diǎn)一個(gè)不能正確譯碼的信號(hào)ACKN，同時(shí)存儲(chǔ)第一時(shí)隙傳來(lái)數(shù)據(jù)幀，而源節(jié)點(diǎn)收到確認(rèn)回復(fù)信號(hào)后將信號(hào)編碼重傳給中繼用戶，如果正確譯碼，將重復(fù)步驟1)，如果不能正確譯碼，將結(jié)合上一次存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行最大比合并譯碼，如果還不能正確譯碼，將執(zhí)行步驟3)。

3)中繼節(jié)點(diǎn)將兩次接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟判決，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā)，此時(shí)協(xié)作模式轉(zhuǎn)為放大轉(zhuǎn)發(fā)模式，可以避免因信道狀況差使編碼協(xié)作變成非協(xié)作，而不能得到協(xié)作增益。

在第1階段，中繼節(jié)點(diǎn)R和目的節(jié)點(diǎn)D接收到的信息為

在第2階段，中繼節(jié)點(diǎn)采用編碼協(xié)作和放大轉(zhuǎn)發(fā)方式時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)接收到的信息分別為

式中:信道衰落系數(shù)HSR，HSD，HRD是均值為0、方差為的復(fù)高斯變量;信道的加性噪聲nSR，nSD，nRD服從均值為0、方差為N0的高斯分布;X表示源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息;X～表示中繼節(jié)點(diǎn)采用編碼協(xié)作方式時(shí)，重新編碼后轉(zhuǎn)發(fā)的信息;β表示中繼節(jié)點(diǎn)采用放大轉(zhuǎn)發(fā)方式時(shí)的放大增益。目的節(jié)點(diǎn)將收到的兩次數(shù)據(jù)進(jìn)行合并后聯(lián)合譯碼，傳送的數(shù)據(jù)及合并后的數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 兩個(gè)時(shí)隙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)及目的節(jié)點(diǎn)合并數(shù)據(jù)

根據(jù)文獻(xiàn)［13－14］的研究表明，在慢衰落信道下，采用BPSK調(diào)制的兩用戶編碼協(xié)作可以獲得完全的二階分集增益。文獻(xiàn)［15］表明，在準(zhǔn)靜態(tài)瑞利衰落信道下，成對(duì)錯(cuò)誤概率公式表明采用高階星座調(diào)制的編碼協(xié)作方案仍然可以獲得二階完全分集增益。編碼協(xié)作系統(tǒng)的誤碼率為

式中:ESR表示第一時(shí)隙源節(jié)點(diǎn)到協(xié)作節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)的誤碼率;ESD表示第一時(shí)隙源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)的誤碼率;ESR，SD表示協(xié)作時(shí)目的節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)的誤碼率。由式(5)可以看出，第一時(shí)隙的誤碼率越低，中繼節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)譯碼正確率越高，系統(tǒng)編碼協(xié)作的概率越大，這樣就能獲得更多的空間分集，但是數(shù)據(jù)的誤碼率與傳輸信道狀態(tài)和編碼的碼率有關(guān)，而碼率也直接影響到編碼協(xié)作的系數(shù)，即

式中:α為系統(tǒng)第二時(shí)隙傳輸?shù)娜哂嘈畔⒌拈L(zhǎng)度N2與兩次時(shí)隙傳輸信息總長(zhǎng)度N的比值。

當(dāng)信道狀態(tài)不好時(shí)，可以通過(guò)增加數(shù)據(jù)冗余信息來(lái)提高協(xié)作系統(tǒng)第一時(shí)隙傳送的數(shù)據(jù)譯碼的準(zhǔn)確率，由式(6)可以看出，R1越小，N1越大，此時(shí)對(duì)應(yīng)的協(xié)作系數(shù)將越小，因此協(xié)作系數(shù)小的編碼方案反而性能越好。而當(dāng)?shù)谝粫r(shí)隙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不能正確譯碼時(shí)，協(xié)作系統(tǒng)變?yōu)樽g碼放大轉(zhuǎn)發(fā)模式，根據(jù)文獻(xiàn)［16］表明，在相同的條件和處理方式下，AF與DF具有相同的分集增益，因此當(dāng)信道狀況較差時(shí)仍可以獲得協(xié)作分集增益，這樣通過(guò)對(duì)第一時(shí)隙和第二時(shí)隙的處理，可以使協(xié)作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在信道條件較差的條件下的協(xié)作通信。

2 性能分析與仿真

針對(duì)以上所提出的協(xié)作方案，選擇如下仿真條件，各節(jié)點(diǎn)之間的信道為對(duì)稱(chēng)瑞利衰落信道，信噪比相同，信道衰落系數(shù)在一個(gè)碼字長(zhǎng)度時(shí)間內(nèi)保持不變，信息塊長(zhǎng)度L=5 000，母碼率為1/2，編碼協(xié)作系數(shù)為0.5，調(diào)制方式為QPSK，LDPC譯碼采用LLR－BP譯碼，在接收端采用聯(lián)合譯碼對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

圖3和圖4所示為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)到達(dá)中繼結(jié)點(diǎn)的信噪比為1 dB和15 dB時(shí)，非協(xié)作編碼方案和普通編碼協(xié)作及本文所提出的編碼方案的誤碼率的比較，從圖中可以看出，隨著用戶間信噪比的增加，誤碼率逐漸減小，當(dāng)信噪比為1 dB、誤碼率為10－2時(shí)，本文所提出的編碼協(xié)作方案比普通編碼協(xié)作方式能獲得2 dB的增益，而信噪比為15 dB、誤碼率為10－3時(shí)，本文所提出的協(xié)作方式比普通編碼協(xié)作獲得1 dB的增益。與非協(xié)作和普通編碼協(xié)作相比，本文提出的中繼混合傳輸協(xié)作方案可獲得明顯的性能改善。

圖3 源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的信噪比為1 dB性能分析

3 結(jié)束語(yǔ)

圖4 源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的信噪比為15 dB性能分析

本文針對(duì)編碼協(xié)作系統(tǒng)在信道狀況較差時(shí)不能實(shí)現(xiàn)協(xié)作通信的情況，提出一種新的適用于信道狀況較差的情況下仍能有效實(shí)現(xiàn)協(xié)作通信的方式。通過(guò)仿真表明，本文所提方法不僅能提高系統(tǒng)頻譜資源利用率，而且在信道狀況較差的情況下仍能實(shí)現(xiàn)協(xié)作通信，獲得分集增益。

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