無線多跳通信系統中的一種改進方法

葉 偉， 紀小紅

(①華東師范大學 信息科學技術學院，上海 200241；②東南大學 信息科學與工程學院，江蘇 南京 210096)

0 引言

在LTE中引入了中繼（Relaying）技術，中繼技術在未來的蜂窩無線移動通信中將起著重要的作用：增加蜂窩邊緣地區用戶的吞吐量，改善蜂窩中盲點的覆蓋，提高部分熱點地區用戶的傳輸速率，延伸蜂窩的覆蓋范圍等等[1]。但由于該中繼技術是在蜂窩無線移動通信中建立的，因此我們不得不考慮無線信道的特性，充分考慮好無線信道的特性并采取相應處理方法將會更好的傳輸效率，如采用合作分集技術[2]，網絡編碼[3]，預編碼技術[4]等。

本文主要討論的是雙向放大吞吐量的中繼（Relaying with Bi-directional Amplification of Throughput）[5]，它的主要傳輸方式如圖1所示。在圖1中(a)是傳統的中繼傳輸模式，即A,B之間的通信是分開的，需要四個時隙完成它們之間的通信，頻譜使用效率不高；(b)是采用 DF BAT-relaying的傳輸模式，A,C先分別發信息到節點B，在節點B處對它們分別解碼再做異或處理發射到A,C處，它的頻譜使用較前者提高，且使用DF，在改善誤碼率上得到很大提高；(c)中采用AF BAT-relaying的傳輸模式，即A,C同時向節點B處發消息，在B處接受到消息并乘以功率因子再分別發到A,C處，此種方法只需兩個時隙即可完成A,C之間的通信，但存在噪聲放大的問題，將會很大成度上影響系統的性能。有關DF和AF的述說見文獻[6-7]。

圖1 BAT-relaying的傳輸方式

本文在考慮AF BAT-relaying基礎上提出了一種新的方法，即在節點B處先除去噪聲再轉發消息，通過仿真分析，它相對于傳統的AF BAT-relaying方案有著明顯的改善，提高了頻譜效率。

1 BAT-relaying的傳輸方法

假設在A、C處要傳輸的比特流為b=(b[1],b[2],…,b[N])N個比特，經過映射（BPSK、QPSK、16QAM、64QAM）后的符號流為x=(x[1],x[2],…,x[M])∈X,其中X為不同調制方式的符號集，并且符合

對于DF BAT-relaying傳輸方式，在第一時隙，節點A首先發信息給節點B，節點B在接受到A發來的信息時，把它解調成對應的比特b()；在第二時隙，節點C發信息給節點B，節點B在接受到C發來的信息時，把它解調成對應的比特b(；在第三時隙，節點B把b()和b()對應比特作異或處理，并把異或后得到的比特信息調制成 x(b[m])發射出去。假定在節點A,B,C處的噪聲為和分別為節點B到節點A和C的信道的衰落系數，則在節點A,C處接受到的信號為：

節點A,C處在接受到信息時也先解調，由于節點A和C知道自己發射的信息，因此，他們再作一次異或處理即可提取處從對方發來的消息。

對于AF BAT-relaying傳輸方式，在第一時隙，節點A和C同時分別向節點B發信息xAC和xCA，則節點B處接受到的信息為：

在第二時隙，節點B處對信號yB先作歸一化處理再分別向A,C處發射，即乘以歸一化因子

在節點A處，由于節點A處知道自己先前發的信息xAC，并假設節點A知道信道信息hAB、 hCB、hBA和β，則節點A得到從節點C發來的信息為：估計處的信息為：,同理可得節點 C處接受到的信息 ()ACx 。

本文提出的改進的AF BAT-relaying傳輸方式工作過程為：和上面介紹的AF BAT-relaying傳輸方式時隙結構大部分一樣，只是在節點B處不是作簡單的功率歸一化處理，而是在該處作符號判決，得到去噪聲的估計符號 x(AC)和x(CA)，再把它們相加乘以功率歸一化因子后發射給節點 A和C處。假設節點A和C處映射的符號集（xA[m] xC[m]）∈X,在節點B處的處理步驟為：第一步根據下式計算出最佳的(x(A[m]),x(C[m])),

2 仿真分析

這部分主要通過仿真分析驗證各個雙向傳輸方案的頻譜使用效率。在仿真中假設多跳鏈路中的各跳信噪比都相同，即。仿真時采用的參數為：調制方式是QPSK，信道編碼為1/2Turbo碼，幀長為N=1 020，在高斯信道（hAB=hCB=1）下各種傳輸方案的性能如圖2所示。

圖2 四種BAT-relaying在AWGN信道下的性能

在圖2中的各個傳輸方案的頻譜效率的定義為：

其中 BLER為誤塊率,M為調制數值(M=4),R為碼率(R=2)。從圖2中我們可以看到，改進的AF BAT Relaying方案在AWGN信道下的性能比傳統的AF BAT Relaying方案的性能要好1.6 dB左右，體現了本文改進的方案的優越性。

3 結語

在LTE的無線通信中，多跳中繼技術以其可以擴展覆蓋和增加容量、簡單、靈活、可快速部署和成本有效等諸多特性，已經成為下一代移動通信系統的候選關鍵技術之一。

本文在討論雙向中繼技術時，針對傳統的AF雙向中繼提出了一種改進方法，并通過仿真分析驗證它的可行性。但作為目前學術界和產業界的熱點之一，雙向多跳中繼系統的還有諸多技術需要進一步研究和優化。

[1] 何曉煒.下一代移動通信系統中的中繼技術[J].移動通信,2008,32(20):

[2] Laneman J N,Tse D N C,Wornell G W.Cooperative Diversity in Wireless Networks: Efficient Protocols and Outage Behavior[J].IEEE Trans.Inform. Theory,2004,50(12):3062-3080.

[3] Lun D S,Medard M,Koetter R.Efficient Operation of Wireless Packet Networks Using Network Coding[C]//In Proc. International Workshop on Convergent Technologies (IWCT) 2005.

[4] 鄭侃.預編碼技術在協同中繼系統中的應用[J].電信科學，2008(08):65-69.

[5] Popovski P, Yomo H.The Anti-Packets Can Increase the Achievable Throughput of a Wireless Multi–Hop Network[C].2006 IEEE;3885-3890.

[6] Wu Y, Chou P A, Kung S Y. Information Exchange in Wireless Networks with Network Coding 3 and Physicallayer Broadcast[R].Microsoft,Tech. Rep. MSR-TR-2004-78,2004.

[7] Larsson P,Johansson N,Sunell K E.Coded Bidirectional Relaying[C].in 5thScandinavian Workshop on Ad Hoc Networks(ADHOC’05),Stockholm,Sweden,2005.