LDPC編碼的自適應放大轉發協作通信方案

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，用戶間協作通信技術引起了業界的廣泛關注，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以獲得分集增益，在不增加終端天線數量的情況下有效地對抗多徑衰落。

按照用戶間協作通信的不同方式，可以將協作通信分為放大轉發(AF)、譯碼轉發(DF)和編碼協作3種模式［1-2］。其中譯碼轉發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;而編碼協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。兩者都比較復雜，對中繼節點收發機的要求較高。而放大轉發是對接收到的碼字直接進行放大，然后轉發，對接收機的要求比較低，在源節點和中繼節點間信道狀態比較好的情況下，也能獲得滿分集增益［1］，與另外兩種協作模式相比，具有復雜度低的優勢。

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

1 協作通信原理

1.1 放大轉發方案的系統模型

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

圖1 放大轉發協作通信的基本原理

傳統的放大轉發協作通信，中繼節點將接收到的碼字按固定倍數放大后進行轉發，在D鏈路信道狀態不是很差，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放大倍數，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。互信息模型便能根據多狀態信道當前的信道狀態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/多天線系統各個子載波/子信道的信道狀態不發生變化。SIj表示一個TTI內各個子信道經歷的信道狀態。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經歷的信道狀態;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。式(1)表明SI代表的是離散輸入、連續輸出的信道。

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;γj表示第j個子載波的信道狀態;mj表示第j個子載波的調制階數;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

放大倍數固定的放大轉發協作，在S—D鏈路信道狀態不是很差，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的可靠性要求。如果能根據S—D，R—D鏈路的信道狀況正確預測需要轉發的信息量，進而準確預測放大倍數，將節省下的能量用于新信息的傳輸，在恰好滿足系統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 放大倍數計算

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

在放大轉發方案中，R—D鏈路傳輸與S—D鏈路傳輸的碼字相同，信噪比不同，分別為SINR1和SINR2。若兩次傳輸的調制方式不同，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。那么兩次傳輸等效為一次傳輸，等效信噪比實際上是兩次傳輸的SINR(非dB值)的累加

設傳輸碼長為N，兩次傳輸的總信息量

定義滿足給定的誤碼率要求所需傳輸的信息量為RBItarget。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誤碼率要求的放大倍數Gmin，亦即使系統功率效率最大的放大倍數

計算出放大倍數Gmin后，中繼節點將接收到的碼字放大Gmin倍，然后轉發給目的節點，目的節點將從源節點和中繼節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方案的性能和功率有效性，按三點式系統模型搭建鏈路級仿真平臺，比較自適應放大轉發方案與傳統的固定功率放大轉發方案的誤碼率性能及放大倍數。其中，前向糾錯碼采用IEEE 802.16e標準規定的(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，傳統放大轉發放大倍數為1，自適應放大轉發放大倍數上限為1，經仿真得自適應放大轉發協作通信方案與傳統放大轉發協作通信方案的誤碼率性能比較如圖5所示，自適應放大轉發協作通信方案與傳統放大轉發協作通信方案放大倍數如圖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，傳統放大轉發方案與自適應轉發方案均放大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，放大轉發無法滿足系統可靠性，此時應使用譯碼轉發或者編碼協作方案;當信噪比處于-5～-2 dB時，傳統放大轉發方案與自適應放大轉發方案誤塊率均小于0.01，而自適應放大轉發方案的放大倍數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，鏈路狀態較好，自適應放大轉發放大倍數為0，即不需要轉發仍然能滿足系統誤塊率要求，此時傳統放大轉發方案放大倍數仍為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的功率效率。

4 結束語

傳統的放大轉發協作通信方案中，中繼轉發倍數是固定的，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放大轉發倍數的譯碼轉發方案，可以根據鏈路情況自動調節放大倍數，從而明顯提高系統的功率效率。

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［6］陳翔.基于LDPC碼的鏈路自適應和協作通信技術研究［D］.北京：北京理工大學，2010.