聯(lián)合信道非相干網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方法

高楓越,王 琰,李 牧,于 睿

(1.陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院,南京 210007; 2.軍事科學(xué)院 系統(tǒng)工程研究院,北京 100141)(*通信作者電子郵箱bettina211@163.com)

0 引言

網(wǎng)絡(luò)編碼(Network Coding, NC)[1-4]能夠改善多用戶無線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和可靠性。對于雙向中繼網(wǎng)絡(luò)(Two-Way Relay Network, TWRN),由于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼(Physical-layer Network Coding, PNC)允許兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)同時(shí)向中繼節(jié)點(diǎn)傳輸信息,使得頻譜效率翻倍。這種去噪轉(zhuǎn)發(fā)(DeNoise and Forward, DNF)協(xié)議[5]的方式相對于其他轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議有更好的性能,它是一種從無線信道的復(fù)數(shù)域到有限域的一種多對一的映射技術(shù)。對于DNF協(xié)議,大多數(shù)文獻(xiàn)都是基于相干檢測方式的研究,即假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)已知所有鏈路的信道狀態(tài)信息(Channel State Information, CSI)[6-7]。然而,相干接收機(jī)面臨許多實(shí)際的挑戰(zhàn),需要大量的計(jì)算開銷和高速的采樣率來估計(jì)CSI。相比之下,非相干的雙向中繼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度更低,但其抗噪聲性能也更差。為了解決這個(gè)問題,多天線的雙向中繼系統(tǒng)可以通過實(shí)現(xiàn)額外的分集增益來提高誤比特率(Bit Error Rate, BER)性能。空間調(diào)制(Spatial Modulation, SM)技術(shù)作為一種新的多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)技術(shù),相對于傳統(tǒng)MIMO技術(shù)在能量、BER性能及硬件復(fù)雜度上都更有優(yōu)勢[8-10]。文獻(xiàn)[11]考慮了有限字符輸入系統(tǒng)的無線物理層安全傳輸問題,提出了一種SM安全傳輸方法。文獻(xiàn)[12]推導(dǎo)了SM系統(tǒng)的BER上界,并通過合理配置天線數(shù)量和調(diào)制階數(shù),優(yōu)化SM系統(tǒng)BER性能。差分空間調(diào)制(Differential Spatial Modulation, DSM)可以避免對信道信息的依賴,同時(shí)具有SM技術(shù)的全部優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)應(yīng)用于點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸系統(tǒng)[13-16]和兩跳的中繼傳輸系統(tǒng)中[17-18]。

由于PNC本身的差錯(cuò)控制能力有限,往往與信道編碼結(jié)合,或稱為聯(lián)合譯碼的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼(Joint Channel decoding and physical-layer Network Coding, JCNC),保證在提高吞吐量的同時(shí),提高信息的可靠性。文獻(xiàn)[19]針對差分編碼的AF和DNF的雙向中繼系統(tǒng)提出了非相干的ML檢測方法。文獻(xiàn)[20]基于二進(jìn)制頻移鍵控(Frequency Shift Keying, FSK)的PNC設(shè)計(jì)了聯(lián)合Turbo碼的非相干接收機(jī)。

比特交織編碼調(diào)制(Bit-Interleaved Coded Modulation, BICM)是一種聯(lián)合二進(jìn)制信道編碼與多進(jìn)制調(diào)制的技術(shù),碼字經(jīng)過比特交織、調(diào)制,送入信道,接收機(jī)進(jìn)行解調(diào)、解交織、軟信息譯碼,得到每個(gè)比特的軟信息。正是這種比特交織的方式,避免了突發(fā)錯(cuò),使得BICM有很好的抗衰落性能,通過信道譯碼器到解調(diào)器的信息反饋和迭代檢測可以改善BICM的能量效率,這種從譯碼器到解調(diào)器的反饋稱為比特交織編碼調(diào)制迭代譯碼(BICM with Iterative Decoding, BICM-ID)[21]。關(guān)于BICM-ID,文獻(xiàn)[22]設(shè)計(jì)了點(diǎn)對點(diǎn)的FSK調(diào)制的接收機(jī),文獻(xiàn)[23]將其進(jìn)一步擴(kuò)展到雙向中繼系統(tǒng)中,給出PNC方案的中繼非相干接收機(jī)設(shè)計(jì)思路。文獻(xiàn)[24]則考慮了模擬網(wǎng)絡(luò)編碼(Analog Network Coding, ANC)方案下端節(jié)點(diǎn)非相干接收機(jī)的設(shè)計(jì)方案。

綜上所述,關(guān)于BICM-ID系統(tǒng)中的非相干PNC接收機(jī)的研究還比較少,本文基于BICM-ID系統(tǒng),提出了一種基于差分空間調(diào)制的PNC接收機(jī)設(shè)計(jì)方案。在沒有CSI的情況下,中繼接收機(jī)能夠采用非相干解調(diào)的方式得到網(wǎng)絡(luò)編碼比特的對數(shù)似然比(Likelihood Ratio, LLR),經(jīng)譯碼器進(jìn)行軟譯碼,再通過迭代反饋的方式進(jìn)一步改善系統(tǒng)的抗噪聲性能。同時(shí)計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文方案能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的PNC非相干接收。

1 系統(tǒng)模型

多天線下雙向中繼協(xié)同傳輸模型如圖1所示,系統(tǒng)由2個(gè)源節(jié)點(diǎn)(A和B)和1個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)(R)組成。兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)通過中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換,假設(shè)由于距離、障礙物等因素影響,兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)之間沒有直達(dá)鏈路。兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)各配備Nt根天線,中繼節(jié)點(diǎn)配備Nr根天線,系統(tǒng)采用半雙工的通信方式,即在某一時(shí)刻節(jié)點(diǎn)只能進(jìn)行發(fā)送或者接收。在k時(shí)刻,從源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的信道分別用Nt×Nr的矩陣HA[k]和HB[k]表示。這里假設(shè)信道都服從相關(guān)的瑞利平坦衰落模型,信道矩陣Hi[k]的每個(gè)元素都是均值為0、方差為1的復(fù)高斯隨機(jī)變量,即信道Hi[k]∈CNt×Nr(i=A,B)。假設(shè)衰落具有準(zhǔn)靜態(tài)特性,衰落過程足夠慢,即假設(shè)信道參數(shù)Hi在兩個(gè)連續(xù)的矩陣傳輸間隔內(nèi)保持不變。因此,對所有k值,有Hi[k]≈Hi[k-1]。同時(shí)考慮到信道的時(shí)變衰落特性,信道參數(shù)之間的時(shí)間相關(guān)性服從最大的歸一化多普勒頻率為fD的Jakes模型。

圖1 雙向中繼系統(tǒng)模型Fig. 1 Two-way relay system model

2 發(fā)射機(jī)傳輸方案

1)每個(gè)子時(shí)隙只有一根天線能夠發(fā)送信號,也就是說,空間調(diào)制矩陣的每一列中只有一個(gè)非零元素;

2)在一個(gè)空間調(diào)制矩陣的傳輸期間,每根天線在Nt個(gè)連續(xù)的子時(shí)隙中僅有一次能夠發(fā)送信號,也就是說,空間調(diào)制矩陣的每一行中只有一個(gè)非零元素;

3)信號的星座圖是等能量的M-PSK(M-ary Phase-Shift-Keying)調(diào)制符號集Ψ={exp(j2πm/M)|m=0,1,…,M-1},也就是說,矩陣的每個(gè)元素都屬于符號集合Ψ。

舉個(gè)例子說明,在二進(jìn)制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)調(diào)制方式下,當(dāng)源節(jié)點(diǎn)天線數(shù)Nt=2時(shí),可以將兩個(gè)二進(jìn)制比特映射為一個(gè)2×2的空間調(diào)制矩陣。第一個(gè)比特表示發(fā)送的BPSK符號攜帶的信息是1還是0;第二個(gè)比特表示天線的發(fā)送順序是正序還是逆序,即空間調(diào)制矩陣還是反對角陣。映射方案總結(jié)在表1中。

圖2 發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)Fig. 2 Transmitter structure

表1 BPSK下源節(jié)點(diǎn)空間調(diào)制映射方案(Nt=2)Tab. 1 Source mapping for SM with BPSK and Nt=2

當(dāng)Nt>2時(shí),根據(jù)Nt是奇數(shù)還是偶數(shù),分以下兩種情況考慮:

1)當(dāng)Nt=2L時(shí),將2L個(gè)編碼比特每兩個(gè)比特分為一組,然后根據(jù)表2可以得到L個(gè)2×2的空間調(diào)制矩陣。接著將矩陣中的元素從內(nèi)到外沿兩條對角線擴(kuò)展為2L×2L的空間調(diào)制矩陣,如圖3(a)所示。

2)當(dāng)Nt=2L+1時(shí),首先將第一個(gè)比特映射為BPSK調(diào)制符號,放置在(2L+1)×(2L+1)的中心位置。其他2L個(gè)比特同樣是每兩個(gè)分為一組,得到L個(gè)2×2的空間調(diào)制矩陣,接著將矩陣中的元素從內(nèi)到外沿矩陣(2L+1)×(2L+1)的兩條對角線向四周擴(kuò)展,最終得到(2L+1)×(2L+1)的空間調(diào)制矩陣,如圖3(b)所示。

本文與點(diǎn)對點(diǎn)通信的空間調(diào)制矩陣不同。以Nt=2為例,在點(diǎn)對點(diǎn)通信中,兩根發(fā)射天線攜帶的信息不同,每根天線上的調(diào)制符號均可攜帶1比特的信息。而本文在設(shè)計(jì)空間調(diào)制矩陣時(shí),兩根天線攜帶的信息相同,與點(diǎn)對點(diǎn)通信相比少傳輸了1比特的信息。這種設(shè)計(jì)主要是考慮到中繼節(jié)點(diǎn)對疊加信號的處理能力有限,因此以犧牲一定的傳輸效率為代價(jià),降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。

圖3 空間調(diào)制矩陣設(shè)計(jì)方案Fig. 3 Design scheme for SM matrix

在進(jìn)行空間調(diào)制得到矩陣Vi后,將調(diào)制符號進(jìn)行差分編碼得到:

Si[k]=Si[k-1]Vi[k];Si[0]=INt

(1)

傳輸過程分為兩個(gè)階段:

在第一階段,兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)分別將符號Si[k]同時(shí)發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn),為了簡化分析,假設(shè)傳輸信號之間理想同步,則中繼節(jié)點(diǎn)接收到的符號可以表示為:

Yr[k]=SA[k]HA[k]+SB[k]HB[k]+Nr[k]

(2)

其中:Nr[k]∈CNt×Nr是中繼節(jié)點(diǎn)接收機(jī)處的白噪聲信號。

在第二階段,中繼節(jié)點(diǎn)對接收到的疊加信號Yr[k]進(jìn)行解調(diào)、解交織,然后進(jìn)行信道譯碼,得到合并的網(wǎng)絡(luò)編碼比特信息序列u=uA⊕uB。得到網(wǎng)絡(luò)編碼比特序列以后,中繼節(jié)點(diǎn)對比特信息序列u按照與源節(jié)點(diǎn)相同的處理方式,重新進(jìn)行信道編碼、比特交織和常規(guī)的差分空間調(diào)制,最后廣播給兩個(gè)源節(jié)點(diǎn),兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)接收到的信號可以表示為:

Yi[k]=Hi[k]Sr[k]+Ni[k];i=A,B

(3)

3 網(wǎng)絡(luò)編碼符號的聯(lián)合概率密度函數(shù)

在k時(shí)刻,中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)相鄰兩個(gè)時(shí)刻從源節(jié)點(diǎn)接收到的信號Yr[k-1]和Yr[k],聯(lián)合檢測網(wǎng)絡(luò)編碼信息符號。將中繼節(jié)點(diǎn)相鄰兩個(gè)時(shí)刻接收的信號寫成向量形式,結(jié)合時(shí)變衰落信道的準(zhǔn)靜態(tài)特性,即相鄰兩時(shí)刻的CSI近似不變,將式(2)進(jìn)行整理得到:

(5)

其中：

(6)

令V[k]=VA[k]+VB[k],將式(5)的條件概率密度表達(dá)式經(jīng)過展開得到:

((2+N0)2INt-VH[k]V[k])-1Yr[k-1]+

((2+N0)2INt-V[k]VH[k])-1Yr[k]))

(7)

進(jìn)而,得到最大后驗(yàn)概率的表達(dá)式:

(8)

其中:Ω表示包含所有空間調(diào)制矩陣Vi[k]的集合。中繼需要采用多對一的DNF映射Θ:Ω2→Ω以保證源節(jié)點(diǎn)能夠正確譯碼。因此,映射必須滿足排他準(zhǔn)則[25],同時(shí)根據(jù)式(8),將網(wǎng)絡(luò)編碼符號概率轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的比特概率,以BPSK調(diào)制下,源節(jié)點(diǎn)天線數(shù)Nt=2的映射方案為例,中繼處疊加符號映射方案總結(jié)在表2中。

表2 BPSK下中繼節(jié)點(diǎn)空間調(diào)制映射表(Nt=2)Tab. 2 Relay mapping for SM with BPSK and Nt=2

4 迭代譯碼算法

為了進(jìn)一步改善誤碼性能,本章在之前推導(dǎo)出的PDF的基礎(chǔ)上給出了迭代檢測算法。基本思想是中繼節(jié)點(diǎn)檢測器解調(diào)接收信號,計(jì)算出兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的聯(lián)合符號的概率,通過符號概率進(jìn)一步計(jì)算出發(fā)送的二進(jìn)制網(wǎng)絡(luò)編碼比特的概率。將網(wǎng)絡(luò)編碼比特概率信息轉(zhuǎn)化為對數(shù)似然比LLR作為信道譯碼器的先驗(yàn)信息,信道譯碼器通過軟譯碼得到網(wǎng)絡(luò)編碼比特的外信息,反饋回檢測器再次進(jìn)行解調(diào)。經(jīng)過幾次迭代后,最后由譯碼器輸出二進(jìn)制網(wǎng)絡(luò)編碼信息比特序列。

下面詳細(xì)介紹具體的迭代譯碼過程。在所有解調(diào)和譯碼的過程中,發(fā)送符號的概率是固定的,可以由式(7)計(jì)算得到,用p(V;I)來表示。將這里的V定義為由兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)信息符號VA和VB構(gòu)成的聯(lián)合符號,即:

V=(VA,VB);VA,VB∈Ψ;V∈Ψ2

(9)

中繼節(jié)點(diǎn)需要針對每個(gè)聯(lián)合符號計(jì)算概率p(V;I),由于集合Ψ2中元素的個(gè)數(shù)為|Ψ|2,中繼節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行|Ψ|2次計(jì)算。而傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)傳輸僅需要進(jìn)行|Ψ|次計(jì)算。

用p(b;I)來表示信道譯碼器反饋回來的二進(jìn)制網(wǎng)絡(luò)編碼比特概率,將p(V;I)和p(b;I)作為檢測器的輸入。其中,b表示映射為聯(lián)合符號V的q個(gè)二進(jìn)制比特。p(b;I)={p(bk;I),0≤k≤q-1},bk=bk,A?bk,B,bk,i∈{0,1}表示映射為符號VA的第k個(gè)二進(jìn)制比特。由于在第一次迭代檢測時(shí),沒有譯碼器的反饋信息,假設(shè)比特概率p(b;I)相等。經(jīng)過檢測器解調(diào)后,得到經(jīng)過估計(jì)的編碼比特概率值p(b;O)={p(bk;O),0≤k≤q-1}。基于聯(lián)合符號V的輸入輸出分布均用概率表示,而基于映射為聯(lián)合符號V的網(wǎng)絡(luò)編碼比特的輸入輸出分布需要以LLR表示,同時(shí)LLR更便于軟判決譯碼,因此,檢測器輸入的映射為符號V的第k個(gè)編碼比特概率p(bk;I)的LLR可以表示為：

(10)

其中:p(bk=1;I)和p(bk=0;I)分別表示檢測器輸入的映射為符號V的第i個(gè)編碼比特為1和為0的概率。檢測器輸出的映射為符號z的第k個(gè)比特概率p(bk;O)的LLR可以表示為：

(11)

其中:p(bk=1;O)和p(bk=0;O)分別表示檢測器輸出的映射為聯(lián)合符號z的第k個(gè)編碼比特為1和為0的概率。檢測器輸出比特概率與輸入比特概率之間的關(guān)系可以表示為：

(12)

其中:{Ψ2|bk=l}代表聯(lián)合符號所攜帶的第k個(gè)比特信息bk為l∈{0,1}的所有符號的集合?？梢詫⑹?12)改寫為：

(13)

將式(13)代入式(11),得到

(14)

為了計(jì)算簡便,采用max-star函數(shù)表示上面得到的結(jié)果,max-star函數(shù)的表達(dá)式為：

(15)

其中二元max-star函數(shù)可以展開為:

max*(x,y)=max(x,y)+ln(1+exp(-|x-y|))

(16)

三元以上max-star函數(shù)可以通過對二元函數(shù)進(jìn)行遞歸的方式求出。

5 仿真結(jié)果

本文方案是針對DF的PNC,在該系統(tǒng)中,中繼需要從兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的疊加信號中檢測出網(wǎng)絡(luò)編碼的比特信息,因此,系統(tǒng)的瓶頸在于中繼節(jié)點(diǎn)的處理能力。在聯(lián)合信道非相干PNC方案中,MAC階段中繼的任務(wù)是重構(gòu)兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)比特信息的XOR,而在BC階段中繼重新進(jìn)行調(diào)制編碼后廣播網(wǎng)絡(luò)編碼信息已經(jīng)退化成點(diǎn)對點(diǎn)的通信過程,因此本文主要關(guān)心MAC階段中繼節(jié)點(diǎn)檢測出的網(wǎng)絡(luò)編碼碼字的抗噪聲性能。

在本文的Monte Carlo仿真實(shí)驗(yàn)中,采用修改的Jakes模型模擬瑞利衰落信道,信道編碼采用1/2碼率的(7,5)卷積碼,比特交織長度為2 000。假設(shè)兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)到中繼的信道完全對稱,兩條信道的方差均為1。信道相關(guān)性由歸一化多普勒頻率決定,根據(jù)信道歸一化多普勒頻率大小,將信道分為兩種情況:1)所有節(jié)點(diǎn)都是固定的或者慢速移動的,即所有信道都是慢衰落,fD=0.001;2)所有節(jié)點(diǎn)都是移動的,即所有的信道都是快衰落,fD=0.03。

圖4 BPSK調(diào)制不同天線數(shù)目中繼節(jié)點(diǎn)處的BER性能Fig. 4 Simulation BER under different antenna numbers for DBPSK at relay

圖4給出了基于BPSK調(diào)制方式,慢衰落fD=0.001信道和快衰落fD=0.03信道下相同頻譜效率時(shí)不同傳輸天線數(shù)目的BER性能對比。從圖4(a)可以看出,隨著天線數(shù)目的增加,誤碼率下降速度也隨之加快,這說明增加天線數(shù)能夠提高系統(tǒng)的分集增益;同時(shí),可以看出,增益越來越小。采用比特交織技術(shù)后,BER性能有所提升,在誤碼率為10-4情況下,Nt=Nr=4僅比Nt=Nr=3提高了1 dB左右。由于信道變化很慢,對BER的影響不明顯,因此在慢衰落信道下可以有效地實(shí)現(xiàn)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的非相干傳輸。從圖4(b)中同樣能夠看出,增加天線數(shù)可以提高系統(tǒng)的分集增益。由于節(jié)點(diǎn)移動速度加快,多普勒頻率更大,信道的時(shí)間相關(guān)性更低,由節(jié)點(diǎn)移動性帶來的干擾對系統(tǒng)BER產(chǎn)生了影響,在誤碼率為10-4情況下,Nt=Nr=4比Nt=Nr=3提高了1.5 dB左右。當(dāng)Nt=Nr=4時(shí),誤碼率曲線的斜率隨著信噪比增加變得緩慢,說明本文對信道近似不變的假設(shè)而引入的干擾已經(jīng)超過噪聲,成為影響系統(tǒng)抗噪聲性能的主要因素。對比圖4(a)和(b),也可以看到相同傳輸天線數(shù)目的條件下,快衰落信道下系統(tǒng)的BER更高,抗噪聲性能更差。

6 結(jié)語

本文針對雙向中繼信道下的差分物理層網(wǎng)絡(luò)編碼問題,提出了多天線場景下的聯(lián)合信道-非相干物理層網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制和檢測方法。推導(dǎo)得到了中繼節(jié)點(diǎn)處的最大后驗(yàn)概率檢測表達(dá)式,利用信道編碼的線形結(jié)構(gòu),結(jié)合比特交織、信道譯碼與軟入軟出檢測算法,進(jìn)而得到聯(lián)合信道-差分物理層網(wǎng)絡(luò)編碼迭代檢測方法。仿真結(jié)果表明,提出的方法能在雙向中繼場景下實(shí)現(xiàn)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的非相干傳輸與檢測,有效提高了系統(tǒng)的吞吐量和頻譜效率。下一步,將考慮差分正交空間調(diào)制與物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的結(jié)合問題。