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        協(xié)作通信技術(shù)在惡劣信道條件下的應(yīng)用研究

        2013-08-13 03:54:40唐加山
        電視技術(shù) 2013年13期
        關(guān)鍵詞:譯碼誤碼率時隙

        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

        在無線通信系統(tǒng)中,信道衰落對數(shù)據(jù)傳輸速率和質(zhì)量具有重要的影響,而分集技術(shù)是一種對抗衰落的有效手段,如MIMO技術(shù),通過在發(fā)射端和接收端放置多根天線形成多個獨(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),通過多個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碼具有譯碼時延小、譯碼復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn),成為近年來研究協(xié)作編碼方案的熱點(diǎn)[4-5]。

        根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)對信號處理方式的不同,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)方式對接收到的信號進(jìn)行簡單的放大,處理簡單,但是放大信號的同時也將噪聲放大了;譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方式則將接收到的信號進(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)譯碼中有錯時也會將錯誤傳播出去;編碼協(xié)作方式是對接收到的信號進(jìn)行譯碼,當(dāng)譯碼正確時,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,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,當(dāng)?shù)谝粫r隙不能正確傳輸數(shù)據(jù)的情況下,將會變?yōu)榉菂f(xié)作方案,此時將不能獲得分集增益,本文對此進(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,先將長度為K的碼字經(jīng)過碼率為R的LDPC編碼后生成長度為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)作方法過程描述如下:

        1)如果中繼節(jié)點(diǎn)對接收到的信息能夠正確譯碼,將反饋給源節(jié)點(diǎn)一個譯碼成功的確認(rèn)信號ACKY,此時中繼節(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)不能對源節(jié)點(diǎn)第一時隙傳來的數(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)一個不能正確譯碼的信號ACKN,同時存儲第一時隙傳來數(shù)據(jù)幀,而源節(jié)點(diǎn)收到確認(rèn)回復(fù)信號后將信號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,對數(shù)據(jù)進(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā),此時協(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,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,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 兩個時隙傳輸?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,成對錯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)第二時隙傳輸?shù)娜哂嘈畔⒌拈L度N2與兩次時隙傳輸信息總長度N的比值。

        當(dāng)信道狀態(tài)不好時,可以通過增加數(shù)據(jù)冗余信息來提高協(xié)作系統(tǒng)第一時隙傳送的數(shù)據(jù)譯碼的準(zhǔn)確率,由式(6)可以看出,R1越小,N1越大,此時對應(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隙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不能正確譯碼時,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)信道狀況較差時仍可以獲得協(xié)作分集增益,這樣通過對第一時隙和第二時隙的處理,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)之間的信道為對稱瑞利衰落信道,信噪比相同,信道衰落系數(shù)在一個碼字長度時間內(nèi)保持不變,信息塊長度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)合譯碼對信號進(jìn)行處理。

        圖3和圖4所示為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號到達(dá)中繼結(jié)點(diǎn)的信噪比為1 dB和15 dB時,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,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,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

        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

        本文針對編碼協(xié)作系統(tǒng)在信道狀況較差時不能實(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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