協(xié)作通信中基于Turbo編碼的軟信息解碼轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

袁 博

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

協(xié)作通信中基于Turbo編碼的軟信息解碼轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

袁 博

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

協(xié)作通信技術(shù)是一種可以抑制多徑衰落的空間分集方法，將Turbo編碼這種成熟的信道編碼技術(shù)應(yīng)用到協(xié)作通信中，可以進(jìn)一步提升傳輸表現(xiàn)。本文提出了一種協(xié)作通信中的中繼策略，即軟信息解碼轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)（SIF），并對其進(jìn)行理論分析和性能仿真。

協(xié)作通信；Turbo；軟信息解碼轉(zhuǎn)發(fā)

1 引言

用戶對移動無線通信的要求不斷提高，這推動了通信行業(yè)的高速發(fā)展，也對無線通信的系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了更多挑戰(zhàn)。數(shù)字通信系統(tǒng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在于其可靠性和有效性，然而，這兩個指標(biāo)之間相互矛盾。對于無線通信系統(tǒng)而言，其信道情況復(fù)雜多變，因此可靠性更為重要。近些年來，Turbo碼由于接近香農(nóng)極限的優(yōu)異性能已經(jīng)被廣泛采用，成為3GPP組織在LTE與LTE-Advanced通信系統(tǒng)的信道碼[1]。

空間分集指將相同的數(shù)據(jù)在相互獨(dú)立的路徑上發(fā)送，同一時刻各路徑均經(jīng)歷深度衰落的概率很低。因此，當(dāng)接收側(cè)通過一定方法將信號合并，信號的衰減程度就會被顯著減小。協(xié)作通信是空間分集衍生出的一種技術(shù)，在通信環(huán)境為多用戶情況下，網(wǎng)絡(luò)中的各個用戶節(jié)點(diǎn)彼此之間共享自己的天線作為其他臨近用戶的中繼節(jié)點(diǎn)。多個用戶協(xié)同工作，互相幫助，按照一定的規(guī)則接收、轉(zhuǎn)發(fā)、處理信息。從而形成虛擬的多天線系統(tǒng)，并獲得空間的分集增益，提高通信系統(tǒng)的性能。在協(xié)作通信系統(tǒng)中應(yīng)用Turbo編碼，不僅可以提供可靠的傳輸，還可以提升系統(tǒng)吞吐量。

2 Turbo編碼

Turbo編碼[2]是第一種可以實(shí)現(xiàn)接近香農(nóng)極限的編碼方式，它將卷積碼和交織器結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)隨機(jī)編碼。

2.1 Turbo編碼器

Turbo編碼器由卷積編碼器和交織器組成，RSC（7,5）卷積編碼器如圖1所示。

圖1 RSC（7,5）卷積編碼器

在編碼過程中，兩個自編碼器輸入的信息序列相同。長度為N的信息序列dk輸入到第一個編碼器輸出Xk。同一階段，dk被交織器處理并輸入到第二個編碼器。兩個編碼器的輸出都是奇偶校驗(yàn)序列，這兩個序列經(jīng)過打孔合并成一個新的序列，碼率變?yōu)?/2。

2.2 交織器

交織器是Turbo編碼的核心部分，它的任務(wù)是將信息序列重組。如果第一個編碼器的輸出序列漢明重量輕，交織器將其處理使其在第二個編碼器輸出后漢明重量變重。因?yàn)闈h明距離由漢明重量決定，編碼的可改正概率增大。另一方面，交織器降低了兩個編碼器的相關(guān)性，將兩個編碼器變?yōu)楠?dú)立的個體。錯誤的字節(jié)被分散，因而避免了衰落造成的嚴(yán)重錯誤。交織器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 交織器的結(jié)構(gòu)

2.3 Turbo解碼器

假設(shè)一個BPSK調(diào)制的信號經(jīng)由一個高斯白噪聲信道傳輸?shù)浇邮掌鳌＝邮掌鹘邮盏叫畔⑿蛄衳k和校驗(yàn)序列yk，yk分為y1k和y2k。解碼過程如圖3所示。

圖3 解碼過程

首先，xk和y1k輸入解碼器1，輸出的后驗(yàn)概率和奇偶校驗(yàn)序列y2k通過交織，輸入自解碼器2。后驗(yàn)概率在第二個解碼器中充當(dāng)先驗(yàn)信息，如果第一個解碼器成功的解碼序列，那么第二個解碼器的輸入序列中的錯誤會減少。解碼器2的輸出結(jié)果被解交織，并進(jìn)行接下來的判決環(huán)節(jié)。但是如果需要更精確的信息，解碼器2的輸出會再輸入到解碼器1，完成一次迭代，迭代過程可重復(fù)。通常，通過越多的迭代結(jié)果會更準(zhǔn)確，尤其是前幾次迭代的效果更為顯著。但是迭代次數(shù)的增多同時帶來了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

2.4 仿真

本文的仿真基于C++環(huán)境及IT++ library。卷積碼的迭代次數(shù)會影響系統(tǒng)表現(xiàn)，圖4表示不同迭代次數(shù)的Turbo編碼對于8PSK調(diào)制的信號在瑞麗信道下傳輸?shù)姆抡娼Y(jié)果。

圖4 不同迭代次數(shù)的Turbo編碼對于8PSK調(diào)制的信號傳輸?shù)姆抡?/p>

從圖4中可以看到，當(dāng)SNR小于8時不同迭代次數(shù)BER表現(xiàn)基本一致；當(dāng)SNR增加，迭代次數(shù)越多性能越好。但與此矛盾的是，迭代次數(shù)越多譯碼時延越大。由仿真結(jié)果可知，迭代次數(shù)4次結(jié)果比1次、2次有明顯改善，但與更多次數(shù)相差不大，因此本文折中選取4次進(jìn)行協(xié)作通信的仿真。

圖5為不同碼長的Turbo編碼對于8PSK調(diào)制的信號在瑞麗信道下傳輸?shù)姆抡娼Y(jié)果。

圖5 不同碼長的Turbo編碼對于8PSK調(diào)制的信號傳輸?shù)姆抡?/p>

由圖5可知，在SNR小于8時，不同控制碼長BER表現(xiàn)基本一致；當(dāng)SNR增加，碼長對編碼結(jié)果的影響隨之變大。碼長越長性能越好，但與此矛盾的是，碼長越長，硬件上越難實(shí)施，且譯碼時延越大，這兩者存在一個折衷，本文選取碼長1,200進(jìn)行協(xié)作通信的仿真。

3 軟信息解碼轉(zhuǎn)發(fā)

本節(jié)首先簡要介紹兩種常見的協(xié)作通信策略[3]，隨后提出軟信息解碼轉(zhuǎn)發(fā)策略，并進(jìn)行理論分析和性能仿真。

3.1 放大轉(zhuǎn)發(fā)

放大轉(zhuǎn)發(fā)指中繼節(jié)點(diǎn)對接收到的原始信號不進(jìn)行解調(diào)和解碼，僅通過模擬的放大并轉(zhuǎn)發(fā)。目的節(jié)點(diǎn)接收到來自源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)兩路歷經(jīng)不同衰落信道的信號，并對其采用某種合并方式合并，最后通過判決得到信號。放大轉(zhuǎn)發(fā)的缺點(diǎn)是在放大信號的同時，一并放大了噪聲和衰落。

3.2 解碼轉(zhuǎn)發(fā)

解碼轉(zhuǎn)發(fā)指中繼節(jié)點(diǎn)將信息解調(diào)并通過硬判決解碼，再重新編碼調(diào)制發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)。目的節(jié)點(diǎn)采用某種合并方式，將兩路經(jīng)獨(dú)立衰落的信號進(jìn)行合并。三節(jié)點(diǎn)中繼模型中，解碼轉(zhuǎn)發(fā)策略與放大轉(zhuǎn)發(fā)一樣可以獲得二階的分集增益，但是在高信噪比情況下性能更好，誤碼率更低。值得一提的是，如果中繼節(jié)點(diǎn)對接收到的數(shù)據(jù)譯碼失敗，將造成錯誤傳播，硬判決會加大錯誤發(fā)生的概率。

3.3 軟信息解碼轉(zhuǎn)發(fā)

前兩小節(jié)簡述了放大轉(zhuǎn)發(fā)及解碼轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的缺點(diǎn)。軟信息解碼轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)與解碼轉(zhuǎn)發(fā)類似，只是在譯碼過程中保留了軟信息，降低了解碼轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)可能造成的錯誤傳播發(fā)生的概率。中繼保留的軟信息有很多種，本文采用的軟信息是最大相似比（LLR）[4]。

LLR通常用來描述兩個模型的匹配程度。假設(shè)1和-1為二進(jìn)制符號，信息序列中第kth比特為xk，P(xk)表示特定字節(jié)出現(xiàn)的概率。

由式（1）可知，LLR表示1和-1出現(xiàn)概率的關(guān)系，這種關(guān)系可以在軟信息解碼轉(zhuǎn)發(fā)中被應(yīng)用為軟信息。

在軟信息解碼轉(zhuǎn)發(fā)策略的第一個時隙，源節(jié)點(diǎn)將信號同時廣播給中繼節(jié)點(diǎn)以及目的節(jié)點(diǎn)。中繼節(jié)點(diǎn)接收到信號，并進(jìn)行軟信息解碼。在第二個時隙，得出的軟信息LLR轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)發(fā)過程并不再次對軟信息進(jìn)行編碼。中繼節(jié)點(diǎn)解碼得出的軟信息在轉(zhuǎn)發(fā)前需要一些運(yùn)算處理，這樣做的原因是LLR的實(shí)際數(shù)值并不是整數(shù)，在實(shí)際環(huán)境中很難傳輸。

在協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中LLR可以定義為

式中，hA=()/2而nA=2，其中可由互信息運(yùn)算而得。在目的節(jié)點(diǎn)，接收到的信號可表示為

由此可知，等效信道為hRDβk()/2噪聲為2hRDβkσA2+nk，其中

由上述運(yùn)算，可以得出等效信道和噪聲。運(yùn)算得出的結(jié)果數(shù)值在目的節(jié)點(diǎn)被用來對接收到的信息進(jìn)行解碼，從而提高解碼質(zhì)量。

3.4 仿真

本文對于幾種轉(zhuǎn)發(fā)模式的性能仿真在瑞利快衰落信道下進(jìn)行，信道編碼采用Turbo碼，8PSK調(diào)制方式，基站采用最大比合并方式合并。三條信道的衰落情況相互獨(dú)立，各個信道中噪聲均為高斯白噪聲，中繼位置分別位于源和目的端1/4，1/2處。并與同條件下的用戶與基站之間直接傳輸時的情況進(jìn)行誤碼率比較，得到的誤碼率曲線如圖6所示。

圖6 誤碼率曲線a

從圖6可以看出，當(dāng)中繼位置位于源和目的端1/4處，相比直接傳輸，采用轉(zhuǎn)發(fā)策略均可以獲得更好的性能。性能由好至壞順序?yàn)椋很浶畔⒔獯a轉(zhuǎn)發(fā)策略、解碼轉(zhuǎn)發(fā)策略、放大轉(zhuǎn)發(fā)策略、直接傳輸。

從圖7可以看出，當(dāng)中繼位置位于源和目的端1/2處，采用轉(zhuǎn)發(fā)策略的性能也均高于直接傳輸。性能排序與中繼位置1/4一致，值得一提的是，當(dāng)SNR大于3.5時，看似軟信息解碼轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的性能劣于解碼轉(zhuǎn)發(fā)，其原因在于仿真時軟信息解碼轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的碼長為1,200，而其他策略為2,400，這樣設(shè)置的原因是在保證相對優(yōu)良的性能表現(xiàn)情況下降低系統(tǒng)復(fù)雜性。

圖7 誤碼率曲線b

4 結(jié)束語

本文從理論和仿真兩方面提出了軟信息解碼轉(zhuǎn)發(fā)策略，驗(yàn)證協(xié)作通信技術(shù)對于無線通信的性能改善。

[1] 3GPP TS36.212 v9.2.0. Technical Specification Group Radio Access Network: Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); Multiplexing and channel coding(Release 9). 2010-06. [2] Chen, Y. P., J. Zhang, et al. Link-layer-and-above diversity in multihop wireless networks. IEEE Communications Magazine, 2009, 47(2):118-124.

[2] Mischa Schwartz, Mobile Wireless Communications. Cambridge University Press, 2005.

[3] J. N. Laneman, D. N. C. Tse, and G. W. Wornell. Cooperative diversity in wireless networks: Efficient Protocols and outage behavior. IEEE Transactions on Information Theory, 2004, 50(12): 3062-3080.

[4] Soon Xin Ng and Jin Wang and Lajos Hanzo, Unveiling Near-Capacity Code Design:The Realization of Shannon Communication Theory for MIMO Channels," Proceedings of IEEE ICC 2008, pp. 1415{1419, May 2008.

Turbo-Coded Soft-Information Forwarding for Cooperative Communications

Yuan Bo
(The State Radio Monitoring Center Testing Center, Beijing, 100041)

Cooperative communications technologies obtain the space diversity gain, which decrease the issue of fading. Turbo coding can be applied into Cooperative Communications, which improves the performance much better. And a relay cooperative communication protocol, named Soft Information Forwarding (SIF) is proposed and simulated.

Cooperative Communications; Turbo; SIF

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.09.005

TN927+.2 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2015）09-0023-04