物聯(lián)網(wǎng)協(xié)作通信中混合編碼調(diào)制方法研究*

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物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時(shí)代的重要發(fā)展階段[1]。物聯(lián)網(wǎng)的興起，促進(jìn)大規(guī)模節(jié)點(diǎn)采用無(wú)線方式連入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，對(duì)無(wú)線通信技術(shù)提出更高的要求。由于物聯(lián)網(wǎng)用戶的數(shù)量巨大，傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路連接模式己不能滿足業(yè)務(wù)的需求，因此需要利用中繼等協(xié)作方式實(shí)現(xiàn)用戶分層接入來(lái)減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載壓力。中繼協(xié)作傳輸能擴(kuò)大傳輸距離、提高傳輸可靠性，是滿足萬(wàn)物互聯(lián)需求的一項(xiàng)核心技術(shù)，隨著用戶數(shù)量的劇增以及物聯(lián)網(wǎng)多形態(tài)傳輸?shù)陌l(fā)展，用戶之間的協(xié)作會(huì)成為常態(tài)[2]。基于此，圍繞物聯(lián)網(wǎng)中繼協(xié)作通信技術(shù)的研究工作得到了高度重視，例如，在基于車輛的中繼系統(tǒng)中的移動(dòng)終端經(jīng)由多跳中繼重傳向基站發(fā)送信號(hào)[3]。Qian等人在基于物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中設(shè)計(jì)了雙接口中繼協(xié)作以提高系統(tǒng)功效[4]。

在物聯(lián)網(wǎng)中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中，通常用戶到中繼以及用戶到接收端的信道條件不相同，我們稱之為非對(duì)稱信道，而這種信道的非對(duì)稱性會(huì)對(duì)接收端獲取信息的接收能力造成影響[5]。在傳統(tǒng)的調(diào)制方式中：若用戶采用低階的調(diào)制方式，則難以充分利用高質(zhì)量信道，從而造成一定的信道資源浪費(fèi)；若用戶采用高階的調(diào)制方式，信息接收的可靠性往往會(huì)受到低質(zhì)量信道的較大影響。為了更好地解決這個(gè)兩難問(wèn)題，通常采用分層調(diào)制技術(shù)，將用戶信息劃分為高優(yōu)先級(jí)信息和低優(yōu)先級(jí)信息，以此改善信道非對(duì)稱問(wèn)題，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量[6-7]。網(wǎng)絡(luò)編碼是另一種提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的有效技術(shù)，通過(guò)在中間節(jié)點(diǎn)對(duì)信息進(jìn)行線性或非線性的處理，使得中間節(jié)點(diǎn)能同時(shí)發(fā)送接收到的多個(gè)信息流，接收端再通過(guò)一定的解碼方式解碼處需要信息，可進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和頻帶利用率[8-10]。

當(dāng)前，已有大量文獻(xiàn)針對(duì)中繼協(xié)作、分層調(diào)制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用展開(kāi)了研究。文獻(xiàn)[11]針對(duì)無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)中多跳場(chǎng)景，提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的多中繼協(xié)作切換機(jī)制。文獻(xiàn)[12]針對(duì)無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)能量有限的應(yīng)用場(chǎng)景，提出一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的能量受限數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制NCDT。文獻(xiàn)[13]針對(duì)單用戶中繼系統(tǒng)提出采用分層調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案。上述文獻(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的研究做出了相當(dāng)大的貢獻(xiàn)，但如何進(jìn)一步利用分層調(diào)制和網(wǎng)絡(luò)編碼改善物聯(lián)網(wǎng)多用戶多中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)性能仍然是值得進(jìn)一步研究的內(nèi)容，因此，本文針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中多用戶多中繼無(wú)線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，考慮無(wú)線信道的不對(duì)稱性，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的傳輸性能，提出一種結(jié)合分層調(diào)制和網(wǎng)絡(luò)編碼的混合調(diào)制編碼（HMC）協(xié)作機(jī)制。

1 混合調(diào)制編碼協(xié)作機(jī)制

1.1 系統(tǒng)模型

以物聯(lián)網(wǎng)中兩用戶兩中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)作為研究對(duì)象，建立無(wú)線通信系統(tǒng)模型，如圖1所示。用戶A和用戶B是兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)為R1和R2，用戶均可通過(guò)直傳鏈路和中繼協(xié)作鏈路傳輸自身信息給接收端。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)多用戶多中繼協(xié)作模型

考慮到傳輸距離對(duì)信息接收的影響，通常傳輸距離越大信號(hào)接收質(zhì)量越差，因此，假設(shè)靠近用戶A的中繼節(jié)點(diǎn)R1能夠接收到用戶A的全部信息和用戶B的高優(yōu)先級(jí)傳輸信息，靠近用戶B的中繼節(jié)點(diǎn)R1能夠接收到用戶B的全部信息和用戶A的高優(yōu)先級(jí)傳輸信息，而接收端只能接收到兩個(gè)用戶的高優(yōu)先級(jí)傳輸信息。

1.2 混合調(diào)制編碼方案

1.2.1 源端分層調(diào)制處理

在非對(duì)稱信道條件下，用戶到中繼、用戶到接收端以及中繼到接收端信道條件各不相同，即不同信道擁有不同的信噪比。對(duì)于HMC協(xié)作系統(tǒng)，源端用戶采用分層調(diào)制技術(shù)對(duì)傳輸信息進(jìn)行處理，使得接收節(jié)點(diǎn)能根據(jù)各自的信道條件解碼出部分或全部的用戶信息，以此改善信道的非對(duì)稱性，有效利用系統(tǒng)邊信息，提高系統(tǒng)傳輸性能。

圖2 分層調(diào)制處理

同理，用戶B的傳輸信息經(jīng)分層調(diào)制后可表示為

1.2.2 中繼編碼碼字設(shè)計(jì)

在中繼處，采用聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)編碼和分層調(diào)制的技術(shù)對(duì)接收到的信息進(jìn)行編碼碼字設(shè)計(jì)，以中繼R1為例，如圖3所示，中繼R1通過(guò)信道估計(jì)獲取不同信道條件的信道信息，可解碼出，然后將的調(diào)制結(jié)果作為其高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)，和經(jīng)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼處理后的映射結(jié)果作為其低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)。即經(jīng)信息處理后，中繼R1獲得的編碼包為，其中

圖3 中繼編碼碼字設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步分析中繼編碼碼字設(shè)計(jì)方案，分層調(diào)制均采用2/8PSK分層調(diào)制，即假設(shè)一個(gè)信息包總共包含3個(gè)比特信息，經(jīng)分層調(diào)制后，其高優(yōu)先級(jí)信息（N可以為

由HMC系統(tǒng)模型建立可知，由于信道質(zhì)量和傳輸距離的影響，接收端通過(guò)直傳鏈路傳輸信息包僅能解碼出用戶高優(yōu)先級(jí)信息。協(xié)作鏈路，通過(guò)分級(jí)最大似然估計(jì)算法，可以優(yōu)先解碼出中繼轉(zhuǎn)發(fā)的高優(yōu)先級(jí)信息和，由1.2.2分析可知，協(xié)作鏈路可解碼出用戶低優(yōu)先級(jí)；同時(shí)，由于協(xié)作鏈路的信道條件較直傳鏈路更好，接收端可解碼出中繼轉(zhuǎn)發(fā)的低優(yōu)先級(jí)信息）包含信息為1比特，低優(yōu)先級(jí)包含的信息為2比特。圖4給出了2/8PSK分層調(diào)制的星座模型示意圖。其中黑色圓點(diǎn)代表實(shí)際處理后信息，藍(lán)色圓點(diǎn)和白色圓圈均是為了分析的虛擬信息。

圖4 分層調(diào)制星座圖(2/8PSK）

1.2.3 接收端解碼設(shè)計(jì)

在HMC協(xié)作系統(tǒng)中，接收端可以從直傳鏈路和協(xié)作鏈路接收到信息包，采用最大似然估計(jì)算法可部分或者全部解碼出分層調(diào)制信息包[14]，其核心算法公式如下：和，以此通過(guò)式（4）和式（7）再次解碼出用戶高優(yōu)先級(jí)信息。因此，獲得了用戶高優(yōu)先級(jí)信息的次級(jí)增益，能夠提高系統(tǒng)信息傳輸有效性。

2 系統(tǒng)傳輸性能分析

本文分析了此方案的端到端傳輸?shù)恼`比特性能，假設(shè)系統(tǒng)采用的是半雙工模式。由于采用分層調(diào)制后的信息由高優(yōu)先級(jí)信息和低優(yōu)先級(jí)信息組成，二者同時(shí)影響系統(tǒng)端到端的誤比特性能。以用戶A到接收端的誤比特性能為例，可知誤比特率可由如下公式進(jìn)行計(jì)算

其中，是用戶A高優(yōu)先級(jí)信息的端到端誤比特率，是用戶A低優(yōu)先級(jí)信息的端到端誤比特率。

2.1 用戶A的低優(yōu)先級(jí)信息誤比特率

由1.1系統(tǒng)模型建立可知，用戶A的低優(yōu)先級(jí)信息只能通過(guò)中繼進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)到接收端，其經(jīng)歷的鏈路為A-R1，R1-D。在經(jīng)歷A-R1鏈路時(shí)，即中繼接收到用戶A的低優(yōu)先級(jí)信息，在A-R1鏈路產(chǎn)生的誤比特率為

然后，中繼通過(guò)碼字設(shè)計(jì)將解碼出的用戶A的低優(yōu)先級(jí)信息作為編碼包的高優(yōu)先級(jí)信息轉(zhuǎn)發(fā)給接收端，即R1-D鏈路產(chǎn)生的誤比特率為

因此，接收端接收用戶A的低優(yōu)先級(jí)信息產(chǎn)生的誤比特率為

2.2 用戶A的高優(yōu)先級(jí)信息誤比特率

由第一章節(jié)可知，接收端可以通過(guò)兩條路徑收到用戶A的高優(yōu)先級(jí)信息：一是通過(guò)直傳鏈路接收用戶A高優(yōu)先級(jí)信息；二是通過(guò)協(xié)作鏈路接收用戶A的高優(yōu)先級(jí)信息編碼包。兩種接收方式的誤比特率分析如下：

接收端通過(guò)直傳鏈路接收高優(yōu)先級(jí)信息的誤比特率為

接收端通過(guò)協(xié)作鏈路接收高優(yōu)先級(jí)信息產(chǎn)生的誤比特率為

其中，是中繼接收用戶B高優(yōu)先級(jí)信息的誤比特率，和是接收到接收到中繼1和中繼2低優(yōu)先級(jí)信息的誤比特率。

結(jié)合直傳鏈路和協(xié)作鏈路的分析結(jié)果，接收端接收用戶A的高優(yōu)先級(jí)信息產(chǎn)生的誤比特率為

因此，接收端接收用戶A信息的端到端誤比特率為

3 仿真分析

本節(jié)對(duì)在多用戶多中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中采用分層調(diào)制和網(wǎng)絡(luò)編碼的HMC機(jī)制端到端誤比特性能進(jìn)行了仿真分析。假設(shè)信道為高斯白噪聲信道，發(fā)送端采用2/8PSK分層調(diào)制，中繼采用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方式。

圖5 不同方案中系統(tǒng)端到端的BER

圖5給出了多用戶多中繼協(xié)作模型中采用HMC方案與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)編碼的傳輸性能的比較結(jié)果：隨著信道條件的改善，兩種傳輸方案的傳輸性能均得到了提升，但采用分層調(diào)制技術(shù)的HMC方案的傳輸性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編碼方案。這是因?yàn)镠MC方案采用分層調(diào)制技術(shù)對(duì)傳輸信息進(jìn)行處理，使得接收節(jié)點(diǎn)能根據(jù)各自的信道條件解碼出部分或全部的用戶信息，有效利用系統(tǒng)邊信息，改善信道非對(duì)稱性的影響，提高系統(tǒng)傳輸性能。

圖6 不同高優(yōu)先級(jí)低優(yōu)先級(jí)功率比值下的HMC方案BER

圖6給出了不同信噪比下HMC方案系統(tǒng)傳輸性能與信息分級(jí)功率分配比值的關(guān)系圖。由圖可知，系統(tǒng)端到端誤比特率性能隨著功率分配比值的增加，呈先增大后逐漸減小的趨勢(shì)，并在P1/P2=0.8附近達(dá)到最小值。由第2節(jié)系統(tǒng)性能分析可知，采用分層調(diào)制技術(shù)后，系統(tǒng)端到端傳輸性能受高優(yōu)先級(jí)信息和低優(yōu)先級(jí)信息的共同影響；同時(shí)，當(dāng)高優(yōu)先級(jí)信息與低優(yōu)先級(jí)信息的功率分配比值為P1/P2=0.8時(shí)，分層調(diào)制的各星座點(diǎn)間的歐式距離到達(dá)最大值，因此系統(tǒng)性能此時(shí)到達(dá)最優(yōu)。

4 結(jié)論

針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中多用戶多中繼無(wú)線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，考慮無(wú)線信道的不對(duì)稱性，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)編碼的基礎(chǔ)上，引入了分層調(diào)制技術(shù)，提出了結(jié)合分層調(diào)制和網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的HMC方案。通過(guò)理論分析和數(shù)值仿真得出以下結(jié)論。

（1）當(dāng)分層信息功率分配比值設(shè)置為P1/P2=0.8時(shí)，系統(tǒng)得到最優(yōu)傳輸性能。

（2）HMC方案充分利用了系統(tǒng)邊信息，使系統(tǒng)傳輸性能得到了有效提高。