基于重疊調(diào)制的自適應編碼協(xié)作通信.doc

第11A期孫岳等：基于重疊調(diào)制的自適應編碼協(xié)作通信65基于重疊調(diào)制的自適應編碼協(xié)作通信孫岳，李穎，王新梅（西安電子科技大學 綜合業(yè)務網(wǎng)國家重點實驗室，陜西 西安 710071）摘 要：提出了一種新的自適應編碼協(xié)作傳輸分集方式，協(xié)作用戶基于基站的有限反饋，選擇性地將中繼信號與本地信號進行重疊調(diào)制，基站對接收到的信號采用多用戶檢測然后譯碼。在相同的系統(tǒng)帶寬和發(fā)送總功率下，與傳統(tǒng)的協(xié)作傳輸方式相比，該方式下用戶的發(fā)送功率可以在本地信號和中繼信號間得到有效的分配。瑞利塊衰落信道下的性能仿真表明，該方式下的系統(tǒng)性能可獲得有效提高。此外對信號重疊系數(shù)對協(xié)作系統(tǒng)性能的影響進行了分析。關(guān)鍵詞：協(xié)作通信；傳輸分集；重疊調(diào)制；塊衰落信道中圖分類號：TN911 文獻標識碼：A 文章編號：1000-436X(2008)11A-0062-04Adaptive coded cooperative communication basedon superposition modulationSUN Yue, LI Ying, WANG Xin-mei(State Key Lab of Integrated Service Network, Xidian University, Xian 710071, China)Abstract: A new coded cooperative diversity scheme based on adaptive superposition modulation was presented. Each user superposed the relay and the local signals adaptively on the basis of the limited feedback of the destination. Multiuser detection was adopted at the destination before decoding. Compared with traditional cooperative scheme, the power could be allocated between the relay and local signals effectively. Simulation results show that the performance can be improved high on the block Rayleigh fading channel in the same system bandwidth and transmitting power. Furthermore, the effect of superposition coefficient on the system performance was analyzed.Key words: cooperative communication; transmit diversity; superposition modulation; block fading channel1 引言收稿日期：2008-09-10基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（“863”計劃）基金資助項目（2007AA01Z215）；國家自然科學基金資助項目（60502046）；高等學校學科創(chuàng)新引智計劃資助項目（B08038）Foundation Items: The National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (2007AA01Z215); The National Natural Science Foundation of China(60502046); National 111 Program of Introducing Talents of Discipline to Universities (B08038)無線通信中多天線（MIMO）技術(shù)可提高系統(tǒng)的容量以及獲得傳輸分集。MIMO技術(shù)可以有效地應用到蜂窩網(wǎng)和無線局域網(wǎng)，但是由于受到體積、成本或硬件等因素的限制，移動終端并不適于多天線技術(shù)。例如無線ad hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等。因為這些限制，最新無線領(lǐng)域中的傳輸分集研究主要集中于協(xié)作通信的研究。單天線用戶通過共享自己的天線和其他無線資源，可構(gòu)成一個虛擬的多天線協(xié)作系統(tǒng)。協(xié)作分集被廣泛認為是一種抵抗移動衰落信道中衰落影響的有效方式。協(xié)作通信大致可以歸為下列三種模式：放大中繼模式、檢測中繼模式和編碼協(xié)作模式。Nosratinia等第一次研究了基于RCPC碼的編碼協(xié)作通信方式1，證明了將經(jīng)典的信道編碼和協(xié)作分集相結(jié)合在各種信道狀態(tài)下可顯著地改善系統(tǒng)的性能，并對編碼協(xié)作通信的理論性能進行了分析。 Larsson等研究了基于信號重疊調(diào)制的無線傳輸分集技術(shù)3。文獻4,5在他們的基礎(chǔ)上提出了基信號重疊調(diào)制的編碼協(xié)組分集方式。本文給出了一種新的信號重疊編碼協(xié)作通信模式，通過協(xié)作通信中基站對協(xié)作用戶引入有限的反饋，協(xié)作用戶可自適應的將中繼信號與自己的本地信號進行信號重疊調(diào)制，使得用戶總功率在兩用戶信號間得到有效的分配。這樣編碼協(xié)作系統(tǒng)的性能會得到很大提升。2 系統(tǒng)模型這里考慮兩個節(jié)點T1和T2與一個共同目的節(jié)點D間的無線協(xié)作通信系統(tǒng)。節(jié)點處于半雙工通信模式，即在同一時間節(jié)點不能同時發(fā)送和接收。在每一時隙，節(jié)點T1和T2依次發(fā)送自己的信息到節(jié)點D。對每一節(jié)點，信息比特經(jīng)過編碼后，在協(xié)作模式下恰當?shù)亟?jīng)過兩條獨立信道傳輸。兩節(jié)點用戶在第t個時隙產(chǎn)生的信息分組計為和。在編碼協(xié)作下，每一分組被編碼兩次，一次是在源節(jié)點作為本地分組，另外一次是在協(xié)作節(jié)點作為中繼分組。對于信息分組，相應的碼字為和。類似的對于信息分組有碼字和。自適應信號重疊編碼協(xié)作分集處理如下。設(shè)在第t個時隙的第一部分，節(jié)點T1處于協(xié)作狀態(tài)，節(jié)點T1將本地碼字和前一時隙節(jié)點T2的中繼碼字分別調(diào)制生成本地和中繼信號，并傳輸兩個信號的歐式疊加信號。中繼信號和本地信號在疊加前分配有不同的功率，但兩信號的總功率保持不變。假設(shè)節(jié)點T1的疊加因子為，則節(jié)點T1將自己總功率的一部分用于中繼。在本地信號和中繼信號都采用BPSK調(diào)制下，協(xié)作模式下節(jié)點T1的發(fā)送信號為(1)由于本地信號和中繼信號分配有不同的功率，所以兩個BPSK信號的加權(quán)疊加構(gòu)成一個不對稱的4-PAM星座，如圖1所示。圖1 節(jié)點T1進行重疊調(diào)制假設(shè)節(jié)點T1發(fā)送的信號被節(jié)點T2和D通過兩個獨立的塊衰落信道接收到。節(jié)點T2從接收信號中減去中繼信號，該信號對節(jié)點T2是已知的。然后從的噪聲衰落信號中譯出。節(jié)點D觀測到一個非對稱的4-PAM信號，然后通過軟解調(diào)（MAP）計算出和的對數(shù)似然比。對數(shù)似然比計算如下(2)這里是節(jié)點D的接收信號，是聯(lián)合解調(diào)的兩個符號，h為無線信道的增益，表示噪聲每維的方差。和是符號和的先驗概率。這里認為解調(diào)時無任何先驗信息，即。節(jié)點D將的似然比屏蔽掉，將的似然比送入一個高碼率碼的譯碼器進行譯碼，并將是否正確譯碼的結(jié)果通過一個信息比特及時反饋給節(jié)點T2來調(diào)整節(jié)點T2在下一時刻的發(fā)送信號。這里譯碼結(jié)果正確與否可通過CRC校驗來實現(xiàn)。如果節(jié)點T2譯碼成功，且節(jié)點D反饋給節(jié)點T2的關(guān)于分組的譯碼結(jié)果為錯誤，則在時隙t的第二部分，節(jié)點T2轉(zhuǎn)為協(xié)作模式，由正確譯得信息分組編碼生成中繼碼字，將其和本地碼字分別調(diào)制生成中繼和本地信號，并傳輸兩個信號的歐式疊加信號。節(jié)點T2的疊加因子為。如果節(jié)點T2對節(jié)點T1的分組的譯碼結(jié)果為錯誤，或節(jié)點D反饋的關(guān)于分組的譯碼結(jié)果為正確，則節(jié)點T2轉(zhuǎn)為非協(xié)作模式，節(jié)點T2將自己全部的功率用于本地碼字的調(diào)制信號的發(fā)送。圖2 節(jié)點D對的譯碼為了使該協(xié)議能有效工作，節(jié)點T1（或T2）必須告知節(jié)點T2（或T1）自己發(fā)送的分組是否包含重疊數(shù)據(jù)。這可以通過在每一分組包含一個標識信息比特來實現(xiàn)。該信息比特的引入對整個分組的長度的影響幾乎可以忽略。這里認為該標識比特總能被正確接收。假設(shè)在第t個時隙的第二部分，節(jié)點T2處于協(xié)作狀態(tài)，目的節(jié)點對接收到的信號采用軟解調(diào)計算出和的對數(shù)似然比。將的對數(shù)似然比屏蔽掉，通過利用和以前獲得的的對數(shù)似然比，采用一個針對低碼率碼的譯碼器對進行譯碼判決。同時節(jié)點D將的似然比屏蔽掉，將的似然比送入一個高碼率碼的譯碼器進行譯碼，并將是否正確譯碼的結(jié)果通過一個標識信息比特及時反饋給節(jié)點T1來調(diào)整節(jié)點T1在下一時刻的發(fā)送信號。接收節(jié)點D對節(jié)點T1的信息的譯碼如圖2所示。為了簡單起見，這里假設(shè)接收節(jié)點已知信道的狀態(tài)信息，并采用相關(guān)解調(diào)。系統(tǒng)設(shè)計的一個重要參數(shù)是用于中繼信號傳輸?shù)墓β时壤疮B加因子。如果中繼信號的功率太小，將導致分集增益的減小，相反太多的功率用于中繼，將會減小協(xié)作成功的概率，從而導致差的系統(tǒng)性能。在第三部分將對疊加因子對協(xié)作系統(tǒng)性能的影響進行了分析。在重疊調(diào)制系統(tǒng)里，傳輸節(jié)點知道重疊因子，它可認為是自身信號的干擾因子，然而目的節(jié)點D不知道這個干擾因子。因此從信息論角度講，這種系統(tǒng)可認為是一種dirty-paper編碼5。3 仿真結(jié)果本文對兩個協(xié)作用戶下的自適應重疊編碼協(xié)作通信方式在不同信道狀態(tài)下的性能進行了仿真分析，并與傳統(tǒng)的信號重疊調(diào)制編碼協(xié)作下系統(tǒng)的性能進行了比較。這里考慮塊衰落信道情況。本地碼字和對應的生成矩陣為15, 178，中繼碼字和對應的生成矩陣為13, 158，碼率為1/2。在中繼信號不存在時（非協(xié)作模式下），目的節(jié)點采用1/2碼率生成矩陣為15, 178 的譯碼器對其進行譯碼。當中繼信號存在時，目的節(jié)點采用1/4碼率生成矩陣為15, 17, 13, 158的譯碼器進行譯碼。設(shè)所有信道，包括節(jié)點T1和T2間的兩個信道，獨立同分布，服從方差為1的瑞利塊衰落。所有信道的平均SNR相同，即。每一信息分組長度為K512bit，包含500個信息比特，外加12位的CRC校驗比特用于協(xié)作節(jié)點和目的節(jié)點來檢測譯碼結(jié)果是否正確。圖3是在疊加因子和 情況下自適應重疊調(diào)制編碼協(xié)作系統(tǒng)和傳統(tǒng)重疊調(diào)制編碼協(xié)作通信以及非協(xié)作通圖3 瑞利信道下分組錯誤概率（用戶間信道相互獨立，用戶上行信噪比相同，）信下的性能比較。從圖中可以看出自適應方式較傳統(tǒng)的非自適應重疊調(diào)制編碼協(xié)作方式性能有了很大的提升。在處，當b35%時，自適應重疊調(diào)制編碼協(xié)作較傳統(tǒng)的協(xié)作方式有3.8dB的增益，當b10%時，自適應重疊調(diào)制編碼協(xié)作較傳統(tǒng)的協(xié)作方式有0.8dB的增益。此外從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，在低信噪比時自適應協(xié)作方式與非協(xié)作方式相比性能相近，而不像傳統(tǒng)的協(xié)作方式下有較大的性能損失。在傳統(tǒng)的協(xié)作方式中疊加因子對系統(tǒng)的性能影響較大，而在自適應方式中也存在著重要的影響。圖4是平均信噪比為20dB時，對系統(tǒng)性能的影響情況。從圖中可以看出疊加因子對自適應協(xié)作方式下系統(tǒng)性能的影響不像傳統(tǒng)協(xié)作方式那么明顯，并且兩種方式下，最優(yōu)的疊加因子值是不一致的。傳統(tǒng)方式的最優(yōu)疊加因子值是0.12，而自適應協(xié)作下的最優(yōu)疊加因子值是0.25。圖4 分組錯誤概率對疊加因子（平均信噪比為20dB）4 結(jié)束語本文提出了一種自適應信號重疊編碼協(xié)作通信模式。通過第一時間目的節(jié)點的反饋，中繼節(jié)點調(diào)整自己的工作模式，使得有限的能量得到有效的利用。瑞利塊衰落信道下的仿真和分析表明在相同的系統(tǒng)帶寬和發(fā)送總功率下該方式可有效的提高系統(tǒng)的性能。下一步將對其作進一步的研究，考慮其他編碼模式（如TURBO碼和LDPC碼）下自適應協(xié)作通信系統(tǒng)的性能，并希望從理論上對其性能進行分析。此外將對基于協(xié)作通信模式下的自動重傳系統(tǒng)進行理論研究和分析。參考文獻：1NOSRATINIA A, HUNTER T E, HEDAYAT A. 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