聯(lián)合子載波抑制與配對的雙向DF-PLNC OFDM中繼

韓　序，馬文峰，許　魁，徐友云

(解放軍理工大學，江蘇 南京 210007)

Foundation Item:Jiangsu Province National Science Foundation for Young Scholar(BK2012055);National Natural Science Foundation of China(No.61371123);National Natural Science Foundation of China for Young Scholar(No.61301165);China Postdoctoral Science Foundation(2014M552612)

摘　要：子載波抑制(SS)技術已被證明能夠顯著提高正交頻分復用(OFDM)系統(tǒng)的誤碼率性能，因此引起了學術界的廣泛關注。在雙向OFDM中繼網(wǎng)絡(TWRN)中，由于兩個源節(jié)點與中繼之間的鏈路具有獨立性，直接應用子載波抑制技術會造成兩條鏈路的活躍子載波具有非對稱性，從而導致大量子載波在中繼節(jié)點無法實現(xiàn)網(wǎng)絡編碼。提出了一種聯(lián)合子載波抑制與子載波配對(SP)的雙向譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)-物理層網(wǎng)絡編碼(PLNC)OFDM中繼系統(tǒng)。該方法對中繼兩端鏈路的非對稱活躍子載波進行配對，在配對的子載波上發(fā)送物理層網(wǎng)絡編碼信息。仿真結果表明，該方法顯著改善了誤碼率性能，消除了原有的誤碼平臺并且提高了系統(tǒng)的吞吐量性能。

關鍵詞：雙向中繼網(wǎng)絡；正交頻分復用；物理層網(wǎng)絡編碼；子載波配對；子載波抑制

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.002

聯(lián)合子載波抑制與配對的雙向DF-PLNC OFDM中繼

韓序，馬文峰，許魁，徐友云

(解放軍理工大學，江蘇 南京 210007)

Foundation Item:Jiangsu Province National Science Foundation for Young Scholar(BK2012055);National Natural Science Foundation of China(No.61371123);National Natural Science Foundation of China for Young Scholar(No.61301165);China Postdoctoral Science Foundation(2014M552612)

摘要：子載波抑制(SS)技術已被證明能夠顯著提高正交頻分復用(OFDM)系統(tǒng)的誤碼率性能，因此引起了學術界的廣泛關注。在雙向OFDM中繼網(wǎng)絡(TWRN)中，由于兩個源節(jié)點與中繼之間的鏈路具有獨立性，直接應用子載波抑制技術會造成兩條鏈路的活躍子載波具有非對稱性，從而導致大量子載波在中繼節(jié)點無法實現(xiàn)網(wǎng)絡編碼。提出了一種聯(lián)合子載波抑制與子載波配對(SP)的雙向譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)-物理層網(wǎng)絡編碼(PLNC)OFDM中繼系統(tǒng)。該方法對中繼兩端鏈路的非對稱活躍子載波進行配對，在配對的子載波上發(fā)送物理層網(wǎng)絡編碼信息。仿真結果表明，該方法顯著改善了誤碼率性能，消除了原有的誤碼平臺并且提高了系統(tǒng)的吞吐量性能。

關鍵詞：雙向中繼網(wǎng)絡；正交頻分復用；物理層網(wǎng)絡編碼；子載波配對；子載波抑制

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.002

收稿日期：2015-03-01；修回日期：2015-05-05Received date:2015-03-01；Revised date：2015-05-05

基金項目：江蘇青年基金項目(BK2012055)；國家自然科學基金項目(61371123)；國家自然科學基金青年項目(61301165)；中國博士后科學基金面上二類資助(2014M552612)

中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：碼：A

文章編號：號：1002-0802(2015)06-0637-05

Abstract：Since subcarrier suppression， known as an efficient approach to improving BER performance of OFDM transmission system, now attracts much attention from acdemic circles. Due to the independence of links between terminals and relay, the direct use of subcarrier suppression in a two-way relay network would cause the asymmetry of active subcarriers in two symmetrical sides, thus leading to infeasible network coding of large numbers of subcarriers. In this paper, a decode-and-forward PLNC OFDM relaying systemjoint subcarrier suppression and subcarrier pairing is proposed. In this method, active subcarriers asymmetrical to two sides of relay are paired.Simulation results indicate that this new method is superior to the traditional methods in both BER and throughput performance and eliminate the BER floor as well.

作者簡介：

Joint Subcarrier Suppression and Subcarrier Pairing for

Two-Way OFDM Relay with DF-PLNC

HAN Xu，MA Wen-feng，XU Kui，XU You-yun

(College of Communications Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing Jiangsu 210007, China)

Key words：two-way relay network; OFDM;physical layer network coding;subcarrier pairing; subcarrier suppression

0引言

近年來，中繼技術在擴大無線通信覆蓋范圍、提高無線通信網(wǎng)絡的安全性方面發(fā)揮了重要作用。最基本的兩個中繼協(xié)議為：放大轉(zhuǎn)發(fā)(amplify-and-forward，AF)[1]和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(decode-and-forward，DF)[2]。在放大轉(zhuǎn)發(fā)中，中繼僅將接收信號放大并轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點；而譯碼轉(zhuǎn)發(fā)則是中繼對兩個源節(jié)點的信號進行譯碼，然后再回傳給兩端。在雙向中繼網(wǎng)絡(Two-Way Relay Network，TWRN)中使用物理層網(wǎng)絡編碼(physical layer network coding，PLNC)，源節(jié)點可以利用無線傳輸信道的廣播特性獲得多個信號的線性疊加，因此進一步提高了傳輸?shù)挠行浴?/p>

采用時分TDMA技術，網(wǎng)絡編碼[3]的應用可以把完成兩個源節(jié)點間雙向通信[4]的時隙數(shù)從4個時隙減少到2個時隙。根據(jù)兩種中繼協(xié)議可得到放大轉(zhuǎn)發(fā)物理層網(wǎng)絡編碼(AF-PLNC)[5]和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)物理層網(wǎng)絡編碼(DF-PLNC)[6]。在放大轉(zhuǎn)發(fā)的物理層網(wǎng)絡編碼中有用信號被放大，但是噪聲信號也會隨之加強，所以譯碼轉(zhuǎn)發(fā)物理層網(wǎng)絡編碼方式相對更加可靠。為了進一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率，OFDM技術因其高傳輸速率、高頻譜利用率和抗多徑衰落能力強等特點被廣泛應用。在基于放大轉(zhuǎn)發(fā)的雙向OFDM中繼系統(tǒng)中，采用子載波配對技術[7]已被證明能夠提高系統(tǒng)的速率。子載波抑制[8]，是對信道增益小于某一特定閾值的子載波進行抑制，并且將節(jié)省下來的功率分配在其它未被抑制的子載波上從而降低誤碼率。在雙向OFDM中繼網(wǎng)絡(TWRN)中，由于兩個源節(jié)點與中繼之間的鏈路所具有的獨立性，直接應用子載波抑制技術會造成兩條鏈路的活躍子載波具有非對稱性，從而導致大量子載波在中繼節(jié)點無法實現(xiàn)網(wǎng)絡編碼，降低了系統(tǒng)傳輸?shù)挠行浴榱私鉀Q這一問題，本文提出了一種聯(lián)合子載波抑制與配對的網(wǎng)絡編碼傳輸方法，這種方法對中繼兩端鏈路的非對稱活躍子載波進行配對，在配對的子載波上發(fā)送物理層網(wǎng)絡編碼信息，改善了整體系統(tǒng)的可靠性與有效性。

1系統(tǒng)模型

如圖1所示，系統(tǒng)模型為一個半雙工、單天線且采用TDMA的OFDM雙向中繼網(wǎng)絡，其中兩個源節(jié)點S1和S2通過中繼節(jié)點R，采用DF-PLNC方式交互信息，這里假設中繼節(jié)點已知全部的信道狀態(tài)信息(CSI)。中繼接收到來自S1節(jié)點和S2節(jié)點的第i個和第j個子載波上的信噪比SNR分別表示為Γ1,i=Ps1,iγ1,i和Γ2,j=Ps2,jγ2,j，則鏈路(i,j)的鏈路容量[9]為：

(1)

(2)

其中ρi,j是子載波配對的指示值，當它等于1時表示第i個和第j個子載波配對。

圖1　系統(tǒng)模型圖

(3)

信道反轉(zhuǎn)可以使信號在整個帶寬上更加平坦，并且對于中繼節(jié)點R而言，可以很容易地通過預編碼的導頻信號得到標準化因子F1和F2。因此，可以得到新的閾值判決門限[8]為：

(4)

(5)

2聯(lián)合子載波抑制與配對(SSSP)的網(wǎng)絡編碼傳輸

本節(jié)主要闡述子載波抑制技術的原理以及提出子載波配對的算法。為了提高系統(tǒng)性能，文獻[8]提出了選擇性子載波抑制準則：首先用λ表示抑制閾值，抑制掉信道增益小于某一特定閾值的子載波；其次，將節(jié)省下來的功率分配給活躍的子載波，充分利用功率、避免浪費，因此如文獻[8]所述，標準化因子F1、F2的值取決于λ：

(其中m=1,2)

(6)

由上面兩個式子可以看出被抑制的子載波數(shù)目與標準化因子Fλ,m隨著λ的增加而增加，又因為誤碼率Pe取決Fλ,m，所以抑制差的子載波可以提高誤碼率性能，正如文獻[8]中提出ISS策略一樣，如圖2所示：

圖2ISS子載波抑制策略

圖3　聯(lián)合子載波抑制的子載波配對策略

ISS中的一個主要問題是在MA階段被抑制的子載波卻被中繼節(jié)點R在BC階段使用，而BC階段中，這些子載波的增益比抑制閾值要低。假設有N個非對稱活躍子載波，則需要配對的子載波數(shù)目就有1/2「K-N?對。中繼對于兩端鏈路的非對稱活躍子載波進行配對后，BC階段再在配對的子載波上發(fā)送物理層網(wǎng)絡編碼信息。

(7)

再用集合θ和ω存儲中繼兩邊每個子載波的信道增益，配對算法如下所示：

算法：子載波配對

(1)令集合η=?和μ=?為空集合

第一步：找到使得鏈路容量最大的非對稱活躍子載波矩陣

(2)fork=1:Ndo

(3)找出中繼兩邊信道增益非對稱的子載波

(4)將中繼兩邊非對稱的子載波的序號分別存入集合

(5)end for

(6)設集合θ={h1,i}，ω={h2,j}

(7)fori=1:Ndo

(8) forj=1:Ndo

(10)end for

(11)end for

第二步：非對稱活躍子載波配對

(13)返回

如圖3所示，這種方法主要有四種情況：(1)相同位置上活躍的子載波采用PLNC物理層網(wǎng)絡編碼；(2)相同位置上僅抑制單邊的子載波采用QPSK解調(diào)；(3)相同位置上都抑制的子載波則棄置；(4)對于采用配對算法的子載波，在BC階段中繼在兩條信道上都廣播左右兩端各自較好信道上信息的異或值，源節(jié)點S1和S2將其通過PLNC譯碼后再根據(jù)配對位置信息矩陣將信息傳給對應位置的子載波，從而實現(xiàn)信息的交互。

3仿真結果

這一節(jié)主要通過計算機仿真來分析基于子載波抑制與配對的網(wǎng)絡編碼傳輸方法的性能，從而證明這種方法的優(yōu)勢。仿真中假設帶寬為1MHz且用B表示；OFDM子載波個數(shù)K=64，且每一個子載波使用QPSK調(diào)制方式調(diào)制；此外假設循環(huán)前綴為16比特并且源節(jié)點S1和S2在BC階段采用迫零均衡來克服多徑效應。這里主要分析誤碼率BER性能，而誤碼率主要來自于活躍子載波和配對后的子載波的PLNC過程以及配對后對應位置子載波單邊抑制情況下的QPSK過程。在這種配對方法中，誤碼率主要分兩種情況討論。第一種情況為雙邊都不抑制且采用PLNC方法的誤碼率；第二種情況為單邊不抑制且進行配對后的誤碼率，從而可以得到總誤碼率：

(7)

文獻[8]提出的選擇性子載波抑制方法的目標是選取最優(yōu)的λ值使得誤碼率最低，因此可以根據(jù)目標誤碼率選取合適的λ值，如圖4所示：

圖4不同信噪比誤碼率—抑制閾值

圖5　ISS與子載波配對策略誤碼率對比圖

圖6　ISS與子載波配對策略吞吐量對比圖

由圖 4可以看出不同信噪比下誤碼率隨抑制閾值的趨勢大致相同。λ在0至0.01時誤碼率下降比較明顯；而λ取0.1時誤碼率趨于平穩(wěn)。因此，如圖5所示，選取三種不同的閾值λ=0.010,0.050和0.100，并且以文獻[8]提出的ISS策略作為基準比較在不同信噪比SNR下的系統(tǒng)整體誤碼率Pe。就整體而言，配對后的子載波抑制的誤碼率曲線在相同閾值時均比ISS的要好，在信噪比較小時，子載波配對的誤碼率曲線與ISS的曲線基本一致，性能有小幅提高，而隨著λ的增加并且在大信噪比SNR情況下，誤碼率性能有了明顯改善。從圖中可以看出，當SNR為20 dB且λ=0.100時，ISS誤碼率約為5×10-3，子載波配對后誤碼率約為3.1×10-5，性能改善了2.2 dB。尤其要注意的是ISS策略中，很明顯可以看出隨著閾值λ的增加，誤碼率Pe曲線不再下降，出現(xiàn)了誤碼平臺。而文中提出的采用子載波配對后的子載波抑制技術很明顯地解決了這一問題。

此外，定義吞吐量為每個時隙正確傳輸?shù)谋忍財?shù)。圖6分別給出了不同信閾值情況下，ISS與子載波配對后的吞吐量在不同的信噪比下的數(shù)值曲線圖。整體而言，相同信噪比，相同閾值λ時，子載波配對后正確傳輸?shù)谋忍財?shù)較ISS要多。并且當信噪比小時，配對方法對于吞吐量性能的改善更加明顯。隨著信噪比的增大，不同閾值的曲線在子載波配對后趨于相同。可以得出：對于吞吐量性能而言，子載波配對是對于信噪比不足的一個很好的補充。

4結語

本文主要在采用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議和物理層網(wǎng)絡編碼的OFDM系統(tǒng)中采用了一種聯(lián)合子載波抑制與子載波配對的網(wǎng)絡編碼傳輸技術。文中提出了具體的配對算法，并且給出了其誤碼率和吞吐量曲線的仿真圖，以ISS為基準進行了性能比較。證明了這種方法在誤碼率性能上相對于傳統(tǒng)的子載波抑制策略在大信噪比時有明顯的改善，且在小信噪比時，配對方法對于提高吞吐量起到了一定作用。從仿真結果及具體分析可以看出，這種聯(lián)合子載波抑制與子載波配對技術有著良好的性能和應用前景。

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韓序(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向為網(wǎng)絡編碼。