劉煥兵，嚴曉蘭，姜 暉，陳 翔

(解放軍電子工程學院信息工程系，安徽合肥230037)

近十年來，用戶間協(xié)作通信技術引起了業(yè)界的廣泛關注，其基本思想是無線終端之間通過共享天線，構成一個虛擬的多輸入多輸出系統(tǒng)以獲得分集增益，在不增加終端天線數(shù)量的情況下有效地對抗多徑衰落。

按照用戶間協(xié)作通信的不同方式，可以將協(xié)作通信分為放大轉發(fā)(AF)、譯碼轉發(fā)(DF)和編碼協(xié)作3種模式［1-2］。其中譯碼轉發(fā)是對接收到的碼字先解碼，譯碼成功后再重新編碼，然后轉發(fā);而編碼協(xié)作還要采用新的校驗矩陣對解碼后的信息序列重新進行編碼，然后轉發(fā)。兩者都比較復雜，對中繼節(jié)點收發(fā)機的要求較高。而放大轉發(fā)是對接收到的碼字直接進行放大，然后轉發(fā)，對接收機的要求比較低，在源節(jié)點和中繼節(jié)點間信道狀態(tài)比較好的情況下，也能獲得滿分集增益［1］，與另外兩種協(xié)作模式相比，具有復雜度低的優(yōu)勢。

然而，傳統(tǒng)的放大轉發(fā)模式放大倍數(shù)固定，這固然降低了操作的復雜度，但在源節(jié)點和目的節(jié)點間信道狀態(tài)不是很差的情況下，會造成系統(tǒng)功率的浪費，本文針對以上不足，基于互信息模型［3-4］及其查找表［5-6］，根據(jù)給出的誤碼率要求，自適應調節(jié)放大轉發(fā)的放大倍數(shù)，在保證給定誤碼率要求的前提下，盡可能節(jié)省中繼節(jié)點的電池電量消耗，從而延長終端的待機時間。

1 協(xié)作通信原理

1.1 放大轉發(fā)方案的系統(tǒng)模型

放大轉發(fā)協(xié)作通信的原理圖如圖1所示［1-2］，其中S為源節(jié)點，R為中繼節(jié)點，D為目的節(jié)點。放大轉發(fā)協(xié)作分兩個階段：第一階段，源節(jié)點向目的節(jié)點及中繼節(jié)點發(fā)送碼字;第二階段，中繼節(jié)點將接收到的碼字放大后發(fā)送到目的節(jié)點。如果源節(jié)點與中繼節(jié)點相距足夠遠，就可以認為它們到目的節(jié)點的上行信道是相互獨立的，因而目的節(jié)點收到的源節(jié)點和中繼節(jié)點發(fā)送的兩個碼字相互獨立，可以有效地對抗多徑衰落，實現(xiàn)發(fā)送分集，獲得分集增益。

圖1 放大轉發(fā)協(xié)作通信的基本原理

傳統(tǒng)的放大轉發(fā)協(xié)作通信，中繼節(jié)點將接收到的碼字按固定倍數(shù)放大后進行轉發(fā)，在D鏈路信道狀態(tài)不是很差，且S—R鏈路信道狀況比較好的情況下，往往會造成系統(tǒng)能量的浪費。如果能夠在滿足誤碼率要求的前提下自動調節(jié)放大倍數(shù)，就能夠有效地減少電能的浪費。

鏈路自適應設計需要準確預測信道的差錯概率?；バ畔⒛Ｐ捅隳芨鶕?jù)多狀態(tài)信道當前的信道狀態(tài)向量準確預測誤碼率［3］。

1.2 互信息模型

MI模型的原理框圖如圖2所示。MI模型假設在一定的傳輸時間間隔(TTI)內，多載波/多天線系統(tǒng)各個子載波/子信道的信道狀態(tài)不發(fā)生變化。SIj表示一個TTI內各個子信道經(jīng)歷的信道狀態(tài)。每個子信道采用的調制方式可能不同，但從譯碼器的角度看，每個子信道的輸出是各個解調器的軟輸出攜帶的互信息，它是基于信道互信息的信息度量，即調制符號級互信息(SI)為

式中：信干噪比(SINR)γ=Es/N0表示調制符號X經(jīng)歷的信道狀態(tài);P(X)是X的先驗信息;Y=YR+i×YI是接收到的符號;P(Y|X，γ)是Y在信干噪比γ下的條件概率密度函數(shù)。式(1)表明SI代表的是離散輸入、連續(xù)輸出的信道。

圖2 互信息(MI)模型的原理框圖

SI收集單元將調制模型輸出的SI累加起來得到已接收編碼比特互信息(RBI)，并對其進行歸一化，得到每個編碼比特的互信息，即已接收編碼比特信息率(RBIR)，顯然，RBIR的取值范圍是0～1。式中：J表示子載波個數(shù);γj表示第j個子載波的信道狀態(tài);mj表示第j個子載波的調制階數(shù);N表示碼長。RBIR是互信息模型中很關鍵的量，鏈路質量映射單元根據(jù)RBIR值查表得到與最初的瞬時SNIR向量對應的瞬時誤塊率(BLEP)。

MI模型的鏈路差錯預測分為3個步驟［3］：1)通過加性高斯白噪聲(AWGN)信道下的鏈路級仿真建立有效SINR或RBIR到誤碼率的查找表;2)將瞬時SINR向量映射為有效SINR或RBIR;3)由有效SINR在查找表中找到相應的誤碼率性能。

2 方案分析

放大倍數(shù)固定的放大轉發(fā)協(xié)作，在S—D鏈路信道狀態(tài)不是很差，且S—R鏈路信道狀況比較好的情況下，會造成系統(tǒng)能量的浪費，在信道狀況較差的情況下，會使誤碼率無法滿足系統(tǒng)的可靠性要求。如果能根據(jù)S—D，R—D鏈路的信道狀況正確預測需要轉發(fā)的信息量，進而準確預測放大倍數(shù)，將節(jié)省下的能量用于新信息的傳輸，在恰好滿足系統(tǒng)誤碼率要求的情況下，使終端的電量得到更充分有效的利用。

2.1 互信息(MI)模型的兩個查找表

1)查找表1：BLEP—RBIR的查找表。

通過AWGN信道下的鏈路級仿真建立誤碼率到有效SINR或RBIR的查找表。如圖3所示。

圖3 BLEP—RBIR的查找表

2)查找表2：SINR矢量—有效SINR或RBIR的查找表。

通過互信息模型，可以將SINR矢量映射為有效SINR或RBIR，可以建立由SINR矢量到有效SINR或RBIR的查找表，如圖4所示。

圖4 SINR矢量—有效SINR或RBIR的映射圖

2.2 放大倍數(shù)計算

在理想信道估計，即準確預測信道狀態(tài)的前提下，利用MI模型計算放大倍數(shù)的方案如下所示。

在放大轉發(fā)方案中，R—D鏈路傳輸與S—D鏈路傳輸?shù)拇a字相同，信噪比不同，分別為SINR1和SINR2。若兩次傳輸?shù)恼{制方式不同，可通過MI模型將SINR1和SINR2映射為BPSK調制下的等效信干噪比SINRBPSK，1和SINRBPSK，2。那么兩次傳輸?shù)刃橐淮蝹鬏敚刃旁氡葘嶋H上是兩次傳輸?shù)腟INR(非dB值)的累加

設傳輸碼長為N，兩次傳輸?shù)目傂畔⒘?/p>

定義滿足給定的誤碼率要求所需傳輸?shù)男畔⒘繛镽BItarget。如果RBIcom≥RBItarget，那么譯碼成功的概率肯定會大于BLEPtarget，從而滿足系統(tǒng)的誤碼率要求。令RBIcom=RBItarget，由查找表查得SINReq，便可求得恰好滿足系統(tǒng)誤碼率要求的放大倍數(shù)Gmin，亦即使系統(tǒng)功率效率最大的放大倍數(shù)

計算出放大倍數(shù)Gmin后，中繼節(jié)點將接收到的碼字放大Gmin倍，然后轉發(fā)給目的節(jié)點，目的節(jié)點將從源節(jié)點和中繼節(jié)點接收到的碼字按最大比合并后譯碼，便可以滿足誤碼率要求。

3 仿真結果及分析

為驗證本文設計的自適應放大轉發(fā)方案的性能和功率有效性，按三點式系統(tǒng)模型搭建鏈路級仿真平臺，比較自適應放大轉發(fā)方案與傳統(tǒng)的固定功率放大轉發(fā)方案的誤碼率性能及放大倍數(shù)。其中，前向糾錯碼采用IEEE 802.16e標準規(guī)定的(576，288)低密度奇偶校驗碼(LDPC)，調制方式為BPSK，S—D、R—D和S—R鏈路是3個相互獨立的單徑瑞利(Rayleigh)快衰落信道。

假設所要求的誤塊率BLEPtarget=0.01，傳統(tǒng)放大轉發(fā)放大倍數(shù)為1，自適應放大轉發(fā)放大倍數(shù)上限為1，經(jīng)仿真得自適應放大轉發(fā)協(xié)作通信方案與傳統(tǒng)放大轉發(fā)協(xié)作通信方案的誤碼率性能比較如圖5所示，自適應放大轉發(fā)協(xié)作通信方案與傳統(tǒng)放大轉發(fā)協(xié)作通信方案放大倍數(shù)如圖6所示。

由圖5和圖6可以看出，當信噪比在-8～-5 dB之間變化時，傳統(tǒng)放大轉發(fā)方案與自適應轉發(fā)方案均放大1倍，此時兩者誤塊率都大于0.01，說明在信噪比較低、鏈路情況較差的情況下，放大轉發(fā)無法滿足系統(tǒng)可靠性，此時應使用譯碼轉發(fā)或者編碼協(xié)作方案;當信噪比處于-5～-2 dB時，傳統(tǒng)放大轉發(fā)方案與自適應放大轉發(fā)方案誤塊率均小于0.01，而自適應放大轉發(fā)方案的放大倍數(shù)隨信噪比變大逐漸減少，從而減少了終端功率的消耗，有效地利用了電池電能;當信噪比處于-2 dB時，鏈路狀態(tài)較好，自適應放大轉發(fā)放大倍數(shù)為0，即不需要轉發(fā)仍然能滿足系統(tǒng)誤塊率要求，此時傳統(tǒng)放大轉發(fā)方案放大倍數(shù)仍為1，明顯浪費了終端電能。由以上仿真可以看出，自適應方案能明顯提高系統(tǒng)的功率效率。

4 結束語

傳統(tǒng)的放大轉發(fā)協(xié)作通信方案中，中繼轉發(fā)倍數(shù)是固定的，在鏈路情況較好時，會浪費終端電能，本文提出了一種自適應調節(jié)放大轉發(fā)倍數(shù)的譯碼轉發(fā)方案，可以根據(jù)鏈路情況自動調節(jié)放大倍數(shù)，從而明顯提高系統(tǒng)的功率效率。

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