基于鏈路自適應(yīng)再生的改進(jìn)編碼協(xié)作方案*

張 望，劉順蘭

（杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018）

0 引 言

無線信號(hào)傳播過程中會(huì)受到信道中各種干擾因素的影響而易發(fā)生畸變，導(dǎo)致接收端無法正確識(shí)別信息。多輸入多輸出技術(shù)（MIMO）[1-2]的發(fā)展則有效解決了這個(gè)問題，通過在發(fā)送端或接收端布置多條收發(fā)天線來抑制信道衰落，使得各信號(hào)通過獨(dú)立的信道抵達(dá)接收端，從而獲得空間分集增益。而現(xiàn)實(shí)通信網(wǎng)絡(luò)中，由于移動(dòng)終端的不固定性，考慮到成本、技術(shù)等各方面原因，實(shí)現(xiàn)其多天線安裝十分困難。因此，協(xié)作通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[3-4]。各用戶端通過共享彼此單天線達(dá)到類似MIMO的效果，實(shí)現(xiàn)了分集效益。目前，常用協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)包括放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF）[5]，譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）[5]以及編碼協(xié)作（CC）[6]方式等等。文獻(xiàn)[7]提出了鏈路自適應(yīng)再生（LAR）方案，通過比較中繼兩端信道質(zhì)量的優(yōu)劣調(diào)整中繼轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)功率，從而有效彌補(bǔ)AF協(xié)議放大噪聲和DF協(xié)議譯碼錯(cuò)誤導(dǎo)致誤碼擴(kuò)散的不足。而CC協(xié)議是信道編碼技術(shù)與協(xié)作通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。大量研究證明，CC方式較AF、DF等轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議優(yōu)勢(shì)明顯。由于AF、DF協(xié)議都存在重復(fù)傳輸?shù)娜毕荩瑢?dǎo)致系統(tǒng)信道利用率較低，而CC方式可有效避免此缺陷。CC方案雖優(yōu)于AF、DF等轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，但其仍然存在一定的缺陷。當(dāng)協(xié)作伙伴無法正確譯碼信息時(shí)，協(xié)作伙伴不參與協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)，這對(duì)信道質(zhì)量可觀的CC系統(tǒng)是一種資源浪費(fèi)。

為此，本文提出將LAR協(xié)議引入到CC系統(tǒng)，稱之為LAR-CC方案。該方案通過調(diào)整協(xié)作伙伴轉(zhuǎn)發(fā)功率，無需校驗(yàn)譯碼是否正確。當(dāng)協(xié)作伙伴之間的鏈路質(zhì)量優(yōu)于協(xié)作伙伴至目的端的信道質(zhì)量時(shí)，協(xié)作伙伴全功率轉(zhuǎn)發(fā)信息；反之，則以較小的功率轉(zhuǎn)發(fā)信息。

1 基本原理

如圖1所示，CC系統(tǒng)中包括2個(gè)用戶和1個(gè)基站。其中，2個(gè)用戶互為協(xié)作伙伴，而信道編碼采用LDPC碼。下面分析CC系統(tǒng)的協(xié)作流程。

以用戶1作為發(fā)送端，用戶2作為中繼端進(jìn)行分析。設(shè)編碼總碼率為R=R1R2，碼長為N，信息位長度為K=RN。首先，用戶1根據(jù)碼率R1對(duì)所要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行第一次編碼。編碼完成時(shí)，數(shù)據(jù)長度為N1，并在第一時(shí)隙將編碼后的數(shù)據(jù)發(fā)送給基站和用戶2。用戶2接收到數(shù)據(jù)信息后進(jìn)行譯碼，如果譯碼正確，則根據(jù)碼率R2對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次編碼。此時(shí)，編碼后的數(shù)據(jù)長度為N=N1+N2，然后將N2=N-N1的校驗(yàn)位信息在第二時(shí)隙發(fā)送給基站。此時(shí)，基站接收到了來自用戶1發(fā)送的長度為N1的數(shù)據(jù)信息和用戶2發(fā)送的長度為N2的校驗(yàn)位信息。通過這個(gè)過程完成用戶1的編碼協(xié)作。同理，對(duì)用戶2也做同樣處理。

對(duì)于協(xié)作伙伴能否正確譯碼接收對(duì)方的信息，可分為以下4種情況：

情況1：用戶1和用戶2均能正確譯碼對(duì)方信息，第二時(shí)隙發(fā)送對(duì)方校驗(yàn)位信息。此時(shí)，系統(tǒng)為完全協(xié)作狀態(tài)。

情況2：用戶1和用戶2均未能正確譯碼對(duì)方信息，第二時(shí)隙均發(fā)送自己的校驗(yàn)位信息。此時(shí)，系統(tǒng)為完全不協(xié)作狀態(tài)。

情況3：用戶1正確譯碼而用戶2未能正確譯碼，第二時(shí)隙兩用戶均發(fā)送用戶2的校驗(yàn)位信息。此時(shí)，系統(tǒng)為不完全協(xié)作狀態(tài)。

情況4：用戶2正確譯碼而用戶1未能正確譯碼，第二時(shí)隙兩用戶均發(fā)送用戶1的校驗(yàn)位信息。此時(shí)，系統(tǒng)為不完全協(xié)作狀態(tài)。

用戶端編碼流程及基站譯碼流程分別如圖2、圖3所示。

2 鏈路自適應(yīng)再生編碼協(xié)作（LAR-CC）改進(jìn)方案

LAR-CC基本原理。以用戶1為例，設(shè)用戶1為源節(jié)點(diǎn)S，用戶2為中繼R，基站為目的節(jié)點(diǎn)D。第一時(shí)隙，源節(jié)點(diǎn)S廣播信息至中繼R和目的節(jié)點(diǎn)D。此過程與AF、DF協(xié)議第一時(shí)隙相同，中繼R接收信息并譯碼，無需校驗(yàn)譯碼正確與否。在第二時(shí)隙，將譯碼信息編碼、調(diào)制后的信息x^發(fā)送至目的節(jié)點(diǎn)D，此時(shí)目的節(jié)點(diǎn)D接收到的信息為：

其中，λ表示用戶2作為中繼R的功率加權(quán)系數(shù)，S-R、S-D、R-D各鏈路均為瑞利平坦衰落信道，且各信道系數(shù)均服從均值為0、方差分別為的復(fù)高斯分布，而各鏈路噪聲均服從均值為0、方差為N0分布的加性高斯白噪聲。令此時(shí)各信道鏈路瞬時(shí)信噪比和平均信噪比可分別表示為：

在無線衰落信道中，瞬時(shí)信噪比較難獲得，式（4）可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為：

功率加權(quán)系數(shù)可表示為：

LAR-CC方案下的用戶端編碼流程如圖4所示。

圖4 LAR-CC方案用戶端編碼流程

圖3 基站（目的端）譯碼流程

3 系統(tǒng)仿真與性能分析

3.1 仿真參數(shù)

各信道均為瑞利衰落信道，用戶至基站的信道稱為上行信道或上行鏈路，且衰落系數(shù)在一個(gè)碼字長度時(shí)間內(nèi)保持不變。系統(tǒng)采用BPSK調(diào)制和Mackay構(gòu)造的LDPC碼參與信道編碼，而譯碼采用BP譯碼算法。用戶1與用戶2第一時(shí)隙發(fā)送編碼后的碼字長度為256，編碼碼率為0.5，基站收到的碼字總長度為512。基站采用最大比合并（MRC）方式合并信號(hào)。

3.2 仿真1

分別考慮用戶間信噪比（SNR）為0 dB、10 dB、20 dB的協(xié)作系統(tǒng)性能，用戶上行鏈路具有相同的信噪比，仿真結(jié)果如圖5所示，其中橫坐標(biāo)表示用戶上行鏈路信噪比。

圖5 用戶間信噪比不同時(shí)的CC系統(tǒng)性能仿真

圖5 中的4條誤碼率（BER）曲線分別是無協(xié)作傳輸和用戶間信噪比分別為0 dB、10 dB、20 dB的系統(tǒng)BER性能仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可知，當(dāng)用戶間信噪比為20 dB、誤碼率為BER=10-2時(shí)，系統(tǒng)較兩用戶間信噪比為10 dB、0 dB分別有約3.5 dB、6.2 dB的信噪比增益。而當(dāng)用戶間信噪比為0 dB時(shí)，表示用戶間信道質(zhì)量非常差，協(xié)作伙伴譯碼正確的概率極小，故協(xié)作伙伴不參與協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)。此時(shí)，系統(tǒng)誤碼率性能與鏈路直傳方式相差無幾。

3.3 仿真2

設(shè)用戶2的上行鏈路信噪比恒為15 dB，用戶間信噪比為20 dB，則仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 用戶上行鏈路信噪比不同時(shí)性能仿真

從圖6可知，用戶1上行鏈路信噪比小于用戶2上行鏈路信噪比時(shí)即小于15 dB時(shí)，用戶1通過協(xié)作可獲得性能提升。具體地，在BER=10-3時(shí)，大約有8 dB的分集增益。盡管用戶1上行鏈路信噪比較用戶2差，但在用戶1上行鏈路信噪比大于9.5 dB時(shí)，用戶2仍能得到性能增益。說明在CC系統(tǒng)中，當(dāng)上行鏈路信噪比不相同時(shí)，上行鏈路信噪比大的用戶能顯著提高上行鏈路信噪比較小的用戶性能，從而改善整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。

3.4 仿真3

對(duì)傳統(tǒng)CC方式與本文提出的LAR-CC方案進(jìn)行仿真對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，高信噪比下，此方案較傳統(tǒng)CC方案有較明顯的誤碼率性能優(yōu)勢(shì)。當(dāng)BER=10-4時(shí)，LAR-CC較傳統(tǒng)CC方案有約3.5 dB的信噪比增益。

圖7 LAR-CC方案與CC方案對(duì)比

4 結(jié) 語

在CC方案中，協(xié)作伙伴只有正確譯碼時(shí)才參與協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)，根據(jù)這方面的不足，本文提出了LAR-CC方案，該方案將LAR協(xié)議與CC方案相結(jié)合，通過調(diào)整協(xié)作伙伴的轉(zhuǎn)發(fā)功率，有效避免了DF協(xié)議的誤碼擴(kuò)散的同時(shí)，且充分利用了協(xié)作資源。仿真實(shí)驗(yàn)表明，在BER=10-4時(shí)，LAR-CC方案較CC方案有約3.5 dB的信噪比增益。

[1] McNamara D P,Beach M A,Karlsson P,et al.Initial Characterization or Multiple-input Multiple-output(MIMO) Channels for Space-time Communication[C].Vehicular Technology Conference,2000:1193-1197.

[2] Larsson E,Edfors O,Tufvesson F,et al.Massive MIMO for Next Generation Wireless Systems[J].IEEE Communications Magazine,2014,52(02):186-195.

[3] Sendonaris A,Erkip E,Aazhang B.User Cooperation Diversity,Part I,System Description[J].IEEE Transactions on Communications,2003,51(11):1927-1938.

[4] Sendonaris A,Erkip E,Aazhang B.User Cooperation Diversity—Part II:Implementation Aspects and Performance Analysis[J].IEEE Transactions on Communi cations,2003,51(11):1939-1948.

[5] Laneman J N,Tse D N C,Wornell G W.Cooperative Diversity in Wireless Networks:Efficient Protocols and Outage Behavior[J].IEEE Transactions on Information Theory,2004(50):3062-3080.

[6] Hunter T E,Nosratinia A.Diversity Through Coded Cooperation[J].IEEE Transactions on Wireless Communi cations,2006,5(02):283-289.

[7] W a n g T,G i a n n a k i s G B,W a n g R.S m a r t Regenerative Relays for Link-adaptive Cooperative Communications[J].IEEE Transactions on Communicatio ns,2008,56(11):1950-1960.