基于LDPC碼的多中繼HARQ系統(tǒng)研究

白恩健，徐飛飛

(東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

空間分集技術(shù)是一種抵抗信道中衰落影響的有效方法［1］，利用多輸入多輸出(MIMO)天線技術(shù)［2］能充分利用空域資源，大幅提高信道容量。然而實際中受到大小、成本或硬件等因素的限制，一個較小的移動平臺較難設(shè)置多根天線。Sendonaris等人提出一種基于中繼信道模型的協(xié)作分集技術(shù)［3－4］，使單天線的移動終端也可實現(xiàn)空域分集。多中繼網(wǎng)絡(luò)中，各中繼相互協(xié)作可在無明顯改變骨干網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的同時顯著提高系統(tǒng)性能［5］。在無線通信系統(tǒng)中，HARQ的差錯控制方案能夠在信道誤碼率較高的情況下，利用前向糾錯碼糾正盡可能多的錯誤，降低ARQ系統(tǒng)的重傳頻率，提高整個系統(tǒng)的性能［6］。Turbo碼譯碼復(fù)雜度較高，且在碼長較長的情況下性能比LDPC碼差。文中研究基于LDPC碼的多中繼HARQ系統(tǒng)的性能，采用Matlab仿真不同中繼數(shù)目下對系統(tǒng)平均誤碼率，平均時延以及吞吐量的影響，并與基于Turbo碼的多中繼HARQ系統(tǒng)進(jìn)行比較。數(shù)據(jù)傳送給中繼節(jié)點(diǎn)，然后中繼節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)傳送給目的節(jié)點(diǎn)，期間會經(jīng)過編碼和解碼過程。

1 系統(tǒng)模型

1.1 多中繼信道模型

系統(tǒng)模型如圖1所示。多中繼節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)包含用戶節(jié)點(diǎn)S，目的節(jié)點(diǎn)D和中繼節(jié)點(diǎn)Ri。用戶先將數(shù)據(jù)傳送給中繼節(jié)點(diǎn)，然后中繼節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)傳送給目的節(jié)點(diǎn)，期間將經(jīng)過編碼和解碼過程。

圖1 多中繼信道模型

1.2 HARQ系統(tǒng)類型

根據(jù)HARQ過程中重傳內(nèi)容的不同，HARQ主要分為 TypeⅠHARQ、TypeⅡHARQ、TypeⅢHARQ 3 種類型:TypeⅠHARQ是一種簡單的ARQ和FEC的結(jié)合，發(fā)送數(shù)據(jù)塊進(jìn)行CRC編碼后再進(jìn)行FEC編碼，在接收端對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行FEC譯碼后，CRC進(jìn)行校驗。如果數(shù)據(jù)出錯，則接收端通知發(fā)送端重傳，而錯誤的分組被丟棄;TypeⅡHARQ方案屬于增量冗余的HARQ方案，接收端CRC校驗發(fā)現(xiàn)錯誤時，錯誤分組被存在接收端的寄存器中，并向發(fā)送端發(fā)送重傳的控制消息，發(fā)送端重傳的信息不是前一次數(shù)據(jù)的簡單重復(fù)，而是不同的增量冗余信息，重傳分組無法自解碼，接收端將重傳的增量冗余信息與寄存器中分組數(shù)據(jù)合并后再進(jìn)行譯碼，由于增加了新的冗余位信息幫組譯碼，因此糾錯能力增強(qiáng)，提高了系統(tǒng)性能;TypeⅢHARQ方案也屬于增量冗余方案，與TypeⅡHARQ相似，接收錯誤的數(shù)據(jù)包將保留，接收機(jī)將其存儲后與后續(xù)的重傳數(shù)據(jù)合并進(jìn)行解碼，TypeⅢHARQ重傳的數(shù)據(jù)包具有自解碼能力，重傳的數(shù)據(jù)包與初傳的數(shù)據(jù)包采用合并的方式獲得最大的譯碼增益［7］。

1.3 LDPC碼

LDPC碼是校驗矩陣H中只有較少的元素為“1”，大部分元素都是“0”的一種線性分組碼。其具有較好的特點(diǎn):譯碼復(fù)雜度低，在碼長較長的情況下性能較好，可逼近香農(nóng)極限，適合理論研究和硬件實現(xiàn)。

1.4 基于LDPC碼的HARQ系統(tǒng)模型

TypeⅢHARQ重傳的數(shù)據(jù)具有自解碼的能力，故文中采用TypeⅢHARQ方案。在發(fā)送端采用BPSK調(diào)制，并設(shè)置一個發(fā)端緩存器來存儲編碼后的信息，利用LDPC碼進(jìn)行信道編碼，因LDPC碼具有自動檢錯功能，故不采用CRC作為檢錯碼。在接收端設(shè)置一個收端緩存器來接收譯碼后的信息，并將譯碼信息傳送給誤碼判決器，通過誤碼判決分析譯碼是否成功，若譯碼正確，發(fā)送ACK到中繼，通過中繼發(fā)送ACK通知信源發(fā)送新的數(shù)據(jù)包，并將正確的信息傳遞給信宿;若譯碼錯誤，發(fā)送NAK給中繼，通過中繼發(fā)送NAK通知信源進(jìn)行重發(fā)。在所有進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的中繼內(nèi)，該系統(tǒng)將自動選擇一個信道條件較好的中繼傳送數(shù)據(jù)，以提高系統(tǒng)傳輸?shù)男剩唧w流程如圖2所示。

圖2 基于LDPC碼的HARQ系統(tǒng)圖

2 仿真結(jié)果

為驗證基于LDPC碼的多中繼協(xié)作HARQ系統(tǒng)的性能，利用Matlab進(jìn)行仿真。采用LDPC碼進(jìn)行信道編碼，對不同中繼數(shù)目協(xié)作時系統(tǒng)的性能進(jìn)行了比較，包括平均誤碼率PER，吞吐量η以及平均時延E(T)。選擇無中繼、1個中繼、2個中繼以及3個中繼這4種情況進(jìn)行分析，同時給出采用與LDPC碼等長的Turbo碼的多中繼HARQ系統(tǒng)的性能圖。

表1 仿真參數(shù)表

仿真結(jié)果如圖3～圖5所示。從圖3可看出，在無中繼時誤碼率最高，中繼數(shù)目越多，平均誤碼率越小。隨著信噪比增加，效果越明顯。這說明中繼數(shù)目越多，形成的空間分集增益越大，系統(tǒng)性能越高，誤碼率越低。如圖4所示，隨著中繼數(shù)目的增加，系統(tǒng)吞吐量越來越大，特別是信噪比越大，差異效果越明顯，在無中繼時，吞吐量最小。如圖5所示，中繼數(shù)目越多，平均時延越小。無中繼時，數(shù)據(jù)包無重傳，平均時延為1。在所有進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的中繼之內(nèi)，該系統(tǒng)會自動選擇一個信道條件較好的中繼傳送數(shù)據(jù)，這將使得平均誤碼率降低，吞吐量的提高以及平均時延的降低。同時也可看到，在碼長較長時，LDPC碼的性能比 Turbo碼好。

3 結(jié)束語

文中介紹了多中繼信道模型，HARQ系統(tǒng)類型，LDPC碼以及基于LDPC碼的多中繼HARQ系統(tǒng)模型。通過仿真發(fā)現(xiàn)，增加中繼數(shù)目可顯著提升系統(tǒng)的性能，且系統(tǒng)性能優(yōu)于基于Turbo碼的HARQ系統(tǒng)。基于LDPC碼編碼的復(fù)雜度，下一步將研究如何降低LDPC碼的編碼復(fù)雜度。

［1］YUE Shang，WANG Dong，XIA Xianggen.Signal space diversity techniques with fast decoding based on MDS codes［J］.IEEE Transactions on Communications，2010，58(9):2525 －2536.

［2］FARHAN K，JOACHIM S.Advances in MIMO techniques for mobile communications—a survey［J］.Journal of Communications，Network and System Sciences，2010(3):201 －212.

［3］SENDONARIS A，ERKIP E，AAZHANG B.User cooperation diversity，Part I:System description ［J］.IEEE Transactions on Communications，2003，51(2):1927 －1938.

［4］SENDONARIS A，ERKIP E，AAZHANG B.User cooperation diversity，Part II.Implementation aspects and performance analysis［J］.IEEE Transactions on Communications，2003，51(22):1939－1948.

［5］WANG D，CHONG C C，WATANABE F，et al.Opportunistic cooperative ARQ transmission scheme in cellular networks［C］.Beijing:IEEE International Conference Oil Communication，2010:4802 －4808.

［6］PANG K，LI Y H，VUCETIC B.An improved hybrid ARQ scheme in cooperative wireless networks［C］.Calgary:IEEE Vehicular Technology Conference，2011:356 －378.

［7］王映明，孫韶輝.TD－LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京:人民郵電出版社，2010.