基于MI模型的自適應(yīng)譯碼協(xié)作通信方案?

劉煥兵，陳 翔，姜 暉

（合肥電子工程學(xué)院信息系，安徽合肥市，230037）

0 引言

近年來，協(xié)作通信技術(shù)逐漸引起人們的關(guān)注，協(xié)作通信的基本思想是無線網(wǎng)絡(luò)終端之間通過共享天線，構(gòu)成一個(gè)虛擬的多輸入多輸出系統(tǒng)以獲得分集增益，在不增加終端天線的情況下有效的對(duì)抗無線信道衰落[4，8]。

按照中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)模式，可以將協(xié)作通信分為放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF）、譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）和編碼協(xié)作3種模式，其中譯碼轉(zhuǎn)發(fā)復(fù)雜度較低，而且在源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)之間的鏈路性能較差時(shí)也能有比較好的性能，但傳統(tǒng)的譯碼轉(zhuǎn)發(fā)模式固定轉(zhuǎn)發(fā)原碼字的長度，復(fù)雜度較低，但造成了系統(tǒng)資源浪費(fèi)，本文針對(duì)這個(gè)不足，在滿足系統(tǒng)給定的誤碼率要求前提下，自適應(yīng)調(diào)節(jié)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的碼字長度，將節(jié)省下的無線資源用于新信息的傳輸，提高系統(tǒng)無線資源利用率。

1 原理

譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信的原理圖如圖1所示[1-2]，其中S為源節(jié)點(diǎn)；R為中繼節(jié)點(diǎn)；D為目的節(jié)點(diǎn)。譯碼協(xié)作分兩個(gè)階段，第一階段，源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)及中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送碼字，中繼節(jié)點(diǎn)若譯碼成功就重新編碼，為第二階段準(zhǔn)備。第二階段，中繼節(jié)點(diǎn)將重新編碼后的碼字發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)。若源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)相距足夠遠(yuǎn)，則可認(rèn)為它們與目的節(jié)點(diǎn)之間的鏈路是相互獨(dú)立的。目的節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的兩個(gè)獨(dú)立的碼字，可以有效對(duì)抗多徑衰落，實(shí)現(xiàn)發(fā)送分集，得到良好的性能。

在傳統(tǒng)的譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信方案中，中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)將全部碼長的碼字進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)（S-D）、中繼節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)（R-D）之間鏈路狀況比較好的情況下，往往會(huì)造成系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，如果能夠在滿足誤碼率要求的前提下減少轉(zhuǎn)發(fā)碼長，就能節(jié)省出中繼節(jié)點(diǎn)的無線資源，用于發(fā)送新的信息。

圖1 譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信的基本原理

2 方案

從信息論的觀點(diǎn)來看，目的節(jié)點(diǎn)正確譯碼所需的信息量是固定的。由于信道狀況是實(shí)時(shí)變化的，故S-D 鏈路發(fā)送的信息量隨之變化，如果固定全碼長譯碼轉(zhuǎn)發(fā)，要么信息量不夠，達(dá)不到誤碼率要求，要么信息量過多，使誤碼率大大低于系統(tǒng)的指標(biāo)要求，造成無線資源的浪費(fèi)，降低了系統(tǒng)的有效性。如果能根據(jù)信道狀況正確預(yù)測所需轉(zhuǎn)發(fā)的信息量，進(jìn)而根據(jù)R-D 鏈路狀況準(zhǔn)確預(yù)測重傳符號(hào)數(shù)，把節(jié)省出的無線資源用于新的信息的傳輸，那么系統(tǒng)的無線資源就能得到充分有效的利用，在恰好滿足系統(tǒng)誤碼率要求的情況下，使系統(tǒng)吞吐量最大化。

2.1 互信息（MI）模型

自適應(yīng)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確預(yù)測所需轉(zhuǎn)發(fā)的信息量或中繼符號(hào)數(shù)，而MI模型能根據(jù)信道當(dāng)前的信道狀態(tài)向量準(zhǔn)確預(yù)測誤碼率[3]，從而完成此任務(wù)。

MI模型的框圖如圖2所示，MI模型假設(shè)在一定的傳輸時(shí)間間隔（TTI）內(nèi)，多載波/多天線系統(tǒng)各個(gè)子信道的信道狀態(tài)不發(fā)生變化。SINR1，SINR2，…，SINRJ，表示一個(gè)TTI內(nèi)J個(gè)子信道各自經(jīng)歷的信道狀態(tài)。每個(gè)子信道采用的調(diào)制方式可能不同，但從譯碼器的角度看，每個(gè)子信道輸出的是各個(gè)解調(diào)器的軟輸出攜帶的互信息[5]，它是基于信道互信息的信息度量，即調(diào)制符號(hào)級(jí)互信息（SI）。

式中γ=Es/N0表示調(diào)制符號(hào)X經(jīng)歷的信道狀態(tài)；P(X)是X的先驗(yàn)信息；Y=YR+i*Y1是接收的符號(hào)；P(Y|X，γ)是Y在信干噪比γ下的條件概率密度函數(shù)。式（1）表明SI 代表的是離散輸入連續(xù)輸出信道的容量。

圖2 互信息（MI）模型的原理框圖

SI 收集單元將調(diào)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(duì)其進(jìn)行歸一化，得到每個(gè)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到1。

其中J 表示子載波個(gè)數(shù)；γj表示第j個(gè)子載波的SNR 狀態(tài)；mj表示第j個(gè)子載波的調(diào)制階數(shù)；N 表示碼長。RBIR 是互信息模型中很關(guān)鍵的量，鏈路質(zhì)量映射單元根據(jù)RBIR值查表得到與最初的瞬時(shí)SNIR 向量對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)誤塊率（BLEP）。

MI模型的鏈路差錯(cuò)預(yù)測分為3個(gè)步驟：一是通過加性高斯白噪聲（AWGN）信道中的鏈路級(jí)仿真建立有效信干噪比（SINR）或RBIR 到誤碼率的查找表；二是將瞬時(shí)SINR 向量映射為有效SINR或RBIR；三是由有效SINR或RBIR 在查找表中找到相應(yīng)的誤碼率性能。

2.2 轉(zhuǎn)發(fā)符號(hào)數(shù)預(yù)測

在理想信道估計(jì)條件下，利用MI模型計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)符號(hào)數(shù)的方案如圖3所示，譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中R-D鏈路中傳輸?shù)氖荢-D 鏈路傳輸碼字的一部分，可以與S-D 鏈路傳輸?shù)拇a字按兩次傳輸?shù)男旁氡燃訖?quán)合并，如圖3所示，S-D 鏈路傳輸?shù)拇a長為N，R-D 鏈路傳輸?shù)拇a長為T，兩次傳輸?shù)男诺罓顟B(tài)不同，分別為SINR1和SINR2。若兩次傳輸?shù)恼{(diào)制方式不同，可通過MI模型將SINR1和SINR2映射為BPSK 調(diào)制下的等效信干噪比SINRBPSK，1和SINRBPSK，2。那么兩次傳輸可等效為一次傳輸，采用BPSK 調(diào)制，碼長為N，而T個(gè)碼元的兩次傳輸?shù)刃в谠黾恿税l(fā)射功率的一次傳輸，從累積條件互信息的計(jì)算可以看出，T個(gè)碼元的等效信噪比實(shí)際上是兩次傳輸?shù)腟INR（非dB值）的累加：

圖3 自適應(yīng)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方案的轉(zhuǎn)發(fā)符號(hào)數(shù)計(jì)算

而另外N-T個(gè)碼元只傳輸了一次，經(jīng)歷的信道狀態(tài)為SINR1。由MI模型可以得到兩部分碼字中每個(gè)比特?cái)y帶的信息量分別為RBIRcq和RBIR1，兩次傳輸?shù)目傂畔⒘縍BIcom：

定義滿足誤碼率要求需要傳輸?shù)臑樾畔⒘繛镽BItarget，如果RBIcom≥RBItarget，那么譯碼成功的概率肯定會(huì)大于BLEPtarget，從而滿足系統(tǒng)的誤碼率要求。令RBIcom=RBItarget，則由式（6）求出的Tmin是恰好滿足系統(tǒng)誤碼率要求所需轉(zhuǎn)發(fā)的最小碼字長度，亦即使系統(tǒng)吞吐量最大的最佳轉(zhuǎn)發(fā)碼元數(shù)。

計(jì)算出所需轉(zhuǎn)發(fā)的碼元數(shù)Tmin后，中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)長度為Tmin的碼字，即可滿足指定的誤碼率要求。

3 仿真結(jié)果及分析

基于3節(jié)點(diǎn)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)鏈路級(jí)仿真平臺(tái)，驗(yàn)證該自適應(yīng)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方案的性能，信道編碼為低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC）碼[6-7]，采用BPSK、QPSK、16QAM、64QAM 4種調(diào)制模式，S-R、S-D 鏈路和R-D 鏈路為相互獨(dú)立的單徑Rayleigh 塊衰落信道，S-D 鏈路和R-D 鏈路的平均信噪比相同，只在中繼節(jié)點(diǎn)正確譯碼源節(jié)點(diǎn)的碼字時(shí)才進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

3.1 自適應(yīng)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)與固定碼長譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的方案比較

本仿真的目的是比較自適應(yīng)譯碼協(xié)作方案與非自適應(yīng)譯碼協(xié)作方案的誤碼率性能及中繼符號(hào)數(shù)。設(shè)系統(tǒng)要求誤塊率不得低于BLERtarget=0.01，只采用BPSK 調(diào)制，所用LDPC 碼為IEEE802.16e標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的(576，288)-LDPC 碼，最大轉(zhuǎn)發(fā)長度為576，最小轉(zhuǎn)發(fā)長度為100。無協(xié)作，自適應(yīng)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)和固定長度譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的誤碼率結(jié)果如圖4所示，相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)制符號(hào)數(shù)占總碼長的比例如圖5所示。從圖中可以看出，當(dāng)S-D 鏈路信噪比低于-4dB時(shí)，自適應(yīng)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)和固定碼長譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的誤碼率曲線幾乎重合，這是因?yàn)樾旁氡群艿停词怪欣^節(jié)點(diǎn)將所有的時(shí)隙都用于轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)的完整碼字，也無法達(dá)到系統(tǒng)的誤碼率要求，誤碼率高于0.01；當(dāng)信噪比從-3.5dB 變化到-1.5dB時(shí)，自適應(yīng)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方案的誤碼率保持在等于1%或略低于1%的水平，而相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)符號(hào)數(shù)逐漸從576下降到0，意味著MI模型正確預(yù)測了中繼節(jié)點(diǎn)應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)的最少符號(hào)數(shù)，使系統(tǒng)在恰好滿足誤碼率要求的前提下，最大限度地減少了無線資源的使用，而固定碼長譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的誤碼率雖遠(yuǎn)低于系統(tǒng)要求，但始終轉(zhuǎn)發(fā)576個(gè)調(diào)制符號(hào)存在浪費(fèi)，系統(tǒng)有效性較低；當(dāng)S-D 鏈路信噪比高于-1.5dB時(shí)，無需協(xié)作就已經(jīng)滿足誤碼率要求了。

圖4 自適應(yīng)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方案與固定碼長譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方案及無協(xié)作方案的誤碼率性能比較

圖5 自適應(yīng)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方案與固定碼長譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方案及無協(xié)作方案的中繼比例比較

3.2 自適應(yīng)調(diào)整中繼節(jié)點(diǎn)調(diào)制方式的譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方案

設(shè)系統(tǒng)要求誤塊率不得低于BLERtarget=0.01，中繼節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)的選擇BPSK、QPSK、16QAM 和64QAM 等4種調(diào)制模式之一，所用LDPC 碼為IEEE802.16e 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的(576，288)-LDPC 碼，最大轉(zhuǎn)發(fā)長度為576，最小其轉(zhuǎn)發(fā)長度為100。仿真結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，在等效信噪比低于-1dB時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)采用BPSK 調(diào)制，保證滿足系統(tǒng)誤碼率要求，當(dāng)?shù)刃旁氡雀哂?0.5dB時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)切換到QPSK 調(diào)制模式，此時(shí)既能滿足系統(tǒng)誤碼率要求，又能用較高階調(diào)制方式提高系統(tǒng)的有效性，同理，在等效信噪比達(dá)到4.5dB時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)切換到16QAM 調(diào)制方式；在等效信噪比達(dá)到9.5dB時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)切換到64QAM 調(diào)制方式，節(jié)省出越來越多的無線資源用于新信息的傳輸，實(shí)現(xiàn)了在恰好滿足系統(tǒng)可靠性要求的前提下，使系統(tǒng)吞吐量最大化的目標(biāo)，提高了無線資源的利用率。

圖6 自適應(yīng)調(diào)整中繼節(jié)點(diǎn)調(diào)制方式的譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方案的誤碼率性能

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)的譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信方案中，中繼節(jié)點(diǎn)譯碼后轉(zhuǎn)發(fā)固定長度碼字導(dǎo)致無線資源利用率較低的問題，提出了一種自適應(yīng)調(diào)整中繼節(jié)點(diǎn)調(diào)制方式和轉(zhuǎn)發(fā)碼長的譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方案。該方案能在恰好滿足誤碼 M 率要求的前提下使所需轉(zhuǎn)發(fā)的調(diào)制符號(hào)數(shù)最小化，節(jié)省出無線資源用于新信息的傳輸，提高了無線資源利用率。

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