通信工程毕业设计（论文）-基于LDPC码的编码协作通信研究.doc

信息工程学院本科毕业论文信息工程学院本科毕业论文 （20122012 届）届） 题题 目目 基于 ldpc 码的编码协作通信研究 系系通信工程 专专 业业通信工程 班班 级级 学学 号号 学生姓名学生姓名 指导教师指导教师 完成日期完成日期2012 年 1 月 杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计 摘摘 要要 采用空间分集的方法可以有效地对抗无线信道中的衰落。由于受到体积、 重量、成本等因素的限制,在无线通信系统的用户终端上实现多天线技术较为困 难。 而在单天线的无线用户间通过协作，共享天线，可以实现虚拟的多天线。 协作通信方式是解决通信系统容量不断增加的重要方法，协作通信系统中采用 ldpc 码，可以有效改善中继节点处的差错传播带来的系统性能下降。 低密度奇偶校验(ldpc) 编码是一种性能优良的线性分组码，利用其码字内 码元间固有的相关性，通过不同的用户发送码字的不同部分，可以实现虚拟的多 发送天线，获得发送分集增益，在不增加系统带宽和发射功率、系统复杂度也不 会明显增加的情况下能显著地提高系统性能。 本文给出了 ldpc 码的基本编解码原理，阐述了基于 ldpc 码的协作通信系统 的分析模型，给出相应的仿真结果和分析。 关键词：衰落；协作通信；分集；多天线； ldpc 编码；编码协作 杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计 abstract spatial diversity is an effective method to resist fading effect in wireless channel. due to the limitation of size weight and cost, it is difficult to use the multi antenna technique on the terminal of wireless communication. cooperative communication allows the mobile terminals with a single antenna to share their antennas. thus virtual multi antenna can be created to realize transmitting diversity. cooperative communication is an important scheme to meet the increasing requirement of capacity of communication system .performance degradation due to the error propagation on the relay node can be improved effectively by using ldpc codes in the cooperative communication system. ldpc code is a good linear block code. because of the intrinsic coherence among the bits of the code word, we can create virtual multi antenna and obtain diversity gain by making different users transmit different parts of the code word. once diversity gain is obtained, the system performance can be improved effectively, without much rise in the system bandwidth and transmitting power, nor would the cost and complexity of the system increase evidently. the fundamental theory of encoding and decoding of ldpc codes are given firstly, then the analysis model of cooperative communication system based on ldpc codes is described. the simulation results and analysis are presented key words: cooperative communication; diversity; multi antenna; low density parity check code( ldpcc) ; coded cooperation 杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计 目 录 1 引言 1 2 ldpc 码的概论3 2.1 ldpc 码的介绍 .3 2.2 ldpc 码的表示 .3 2.3 ldpc 码的性能特点 .4 2.4 ldpc 码的应用举例 .6 3 编码协作通信的研究 .8 3.1 基于 ldpc 码的协作通信的研究 .8 3.2 编码协作的原理9 3.3 协作通信的几种方法.11 4 ldpc 码的编码协作通信.12 4.1 基于 ldpc 码的编码协作通信的模型 12 4.2 协作通信过程中的编、解编流程.12 4.3 基于 ldpc 码的编码协作的实现15 5.结论 17 致谢 19 参考文献 20 附录 21 杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计 1 1 引言 近年来，基于中继的协作通信技术通过有效利用空间分集，显著改善通信系 统的性能。协作通信技术还可以利用纠错码以进一步提高系统性能。作为一种能 够逼近香农限的优异差错编码技术，基于低密度奇偶校验 (ldpc)码及其在协作 编码中的应用成为了近年来的一个研究热点。 协作通信的缘由主要有两方面的因素：网络中空余资源的存在和协作通信所 能提供的协作通信增益。 网络中空余资源的存在：在这里将以蜂窝移动通信系统来说明无线网络中空 余资源的存在。某一时间段内蜂窝移动通信系统中可能仅有部分移动终端有通信 需求，因而网络中会有较多的移动终端处于空闲状态，但是传统的蜂窝移动通信 系统将所有移动终端看成是互不通信的个体，从而使这部分空闲硬件资源得不到 利用而被浪费掉；另一方面，蜂窝移动通信系统中的移动终端具有差异性，如硬 件技术的快速发展使得部分移动终端具有较强的计算处理能力，而另一些移动终 端的计算处理能力则相对较差。距离基站较近的移动终端具有较好的通信能力， 而距离基站较远的移动终端的通信能力则相对较差。如果将这些移动终端看成是 一个可以相互(或部分相互)通信的整体，则这些差异性的存在可使不同的移动终 端在网络中承担不同的角色，从而有利于整个通信系统性能的提高。然而，在传 统的蜂窝移动通信网络中，某一时刻部分有通信需求的移动终端可能由于受自身 资源条件等因素所限制，不能进行较为有效的通信；另一方面网络中却存在着大 量的空闲资源，以及部分资源的潜力未能得到充分利用，两者间存在着矛盾，如 何利用这些空余资源来帮助有通信需求的移动终端进行有效通信便成为一个值得 深入研究的课题 。 协作通信增益：可以通过分集增益技术来抑制无线信道受多径衰落的影响。 分集增益技术主要包括空间分集增益、时分分集增益、频分分集增益 3 种。 mimo 技术通过在发射端和接收端放置多根天线，形成多个独立的发/收信道，从 而达到利用空间分集增益技术来提高无线信道传输性能的目的，被认为是下一代 无线通信系统中的关键技术之一。但由于受设备尺寸、造价和硬件性能等条件限 制，无线设备不一定能够支持安装多根天线。而协作通信技术能够利用无线信道 的广播特性，允许单天线终端设备在多用户环境中共享它们的物理资源来进行通 信，形成虚拟天线阵列。即参与协作通信的设备间可相互转发信息，使得同一信 息能够通过不同的独立的无线信道到达接收端。 协作通信的核心思想是在只具有单天线的用户间进行协作，共享它们的天线, 杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计 2 实现虚拟的多发送天线。参与协作通信的用户间相互称对方为自己的协作伙伴。 每个用户的发送过程分为两个阶段。 第一阶段用户各自向基站发送自己的信号， 同时接收协作伙伴发送的信号。 第二阶段用户将接收到的协作伙伴的信号经过 处理后，向基站发送。这个阶段也并可以合并本用户的信号进行发送。如果参与 协作的两个用户相距足够远。则可以认为它们到基站的上行信道是相互独立的， 因而基站收到每个用户信号两个独立的副本，实现了发送分集。 现有的移动通信网络面临着不断增长的用户需求，mimo 技术是解决通信容 量问题的重要手段，但是由于移动终端的大小、功耗以及硬件设计等方面的限制， 不适合支持多天线，协作通信技术通过将各个终端的天线作为虚拟的天线阵列， 接收端可收到发送节点以及中继节点的转发信号，从而获得发送分集增益，有效 提高系统的容量。 协作通信系统中，中继节点的转发信号质量对于系统的最终性能有着重要影 响，由于“差错传播（error propagation） ” ，中继节点处如果不进行信道编码，则 中继节点处的错误比特到达接收端后，会使得协作通信带来的发送分集增益下降 很多。ldpc 码作为一种逼近 shannon 限的高效信道编码方法，应用到协作通信 系统中，可以有效改善差错传播带来的不利影响，提高系统的性能。 基于 ldpc 码的协作通信系统可以有效提高系统容量，并能够有效降低功耗， 满足了未来绿色无线通信的要求1。 杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计 3 2 ldpc 码的概论 2.1 ldpc 码的介绍 对通信系统的需求是永无止境的，譬如希望通信系统更加廉价、更快速、更 可靠、小型化、不但需要传输话音，还需要传输数据、图像等，它迫使许多研究 者寻找某种方式来取得接近香农容量极限的可靠通信。 在 1948 年香农发表他的开创性论文之后，汉明、斯列宾和普兰奇等人在 20 世纪 50 年代初，根据香农的思想，给出了一系列“好”码和有效译码方法。 20 世纪 60 年代到 70 年代初是纠错码发展过程中非常活跃的时期。不仅提出 了许多有效的编译码方法，如门限译码、迭代译码、软判决译码和卷积吗的维特 比译码等，而且还注意到了纠错码的实用化问题，讨论了与实用有关的各种问题， 如码的重量分布、译码错误概率和不可检错误概率的计算、信道的模型化等，所 有这些问题的研究为纠错码的实用打下了坚实基础。此时以代数方法、特别是以 有限域理论为基础的线性分组码理论已趋成熟。 1962 年，罗伯特哥拉格在他的博士论文中论述了基于低密度校验矩阵的纠 错码，即 ldpc 码。然而，他所作的工作由于客观条件的限制在很长的时间里被 人遗忘。 在 1993 年法国学者 c. berrou 等人提出 turbo 码的信道码方案，并展示了 turbo 码作为并行级联的卷积码的优良性能。 哥拉格在 1962 年提出的低密度奇偶校验码-ldpc 码又重新被人们所重视。 在这些码中，最受人们关注、理论比较成熟的无疑是 turbo 码和 ldpc 码。事实 上，现在广泛使用的 turbo 码的编译码思想也正是利用了哥拉格构造的 ldpc 码 的最初的构造设想，从某种角度看，turbo 码也是一种 ldpc 码。1996 年， mackay 和 neal 的研究使 ldpc 码的研究跨入了一个新的阶段。最近几年的研究 表明，在非规则图上构造的基于 gf(2)域上的 ldpc 码性能要好于 turbo 码。这 种码是最佳码，并且在现有的技术条件下也是能够实际应用的。ldpc 码正逐渐 显现出它的优势。这在许多需要高可靠性的通信和数字存储系统中都有较为充分 的体现2。 现在，ldpc 码是最有希望在广泛的信道范围取得香农容量的误差纠错技术。 自从 ldpc 码重新被发现是接近香农容量的“好”码，关于 ldpc 码的设计、构 造、译码、有效编码、性能分析和这些码在数字通信与存储系统中的应用就变成 了研究焦点。 杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计 4 2.2 ldpc 码的表示 gf(2)域上的 ldpc 码 c 是一种（n,k）线性分组码，码长为 n，信息序列长 度为 k，可以由其校验矩阵 h 唯一定义。h 的维数是，每一行对应一个校验m n 方程，每一列对应码字的一位。每一行中非零元素的个数称为行重，每一列中非 零元素的个数称为列重。方程（1.1）是一个的校验矩阵及其对应的校验方5 10 程，其中码字，满足 3。 12345678910 ( ,)cc c c c c c c c c cc0 t h c 1234 1567 2589 36810 47910 01111000000 01000111000 00100100110 00010010101 00001001011 cccc cccc hcccc cccc cccc （1.1） ldpc 码的名称来源于其校验矩阵是一个稀疏矩阵，即矩阵中非零元素的个 数远远小于零元素的个数，或者矩阵的行重和列重与码长相比是很小的数。正是 由于校验矩阵是低密度矩阵，才能够构造出具有低复杂度、高性能的 ldpc 码。 如果校验矩阵 h 是满秩的，则，码率为。有时矩阵mnk1 nmm r nn h 的行不是线性无关的，此时 h 的秩小于 m，即，码率。mnk1 m r n ldpcd 码的线性时间编码：编码步骤分为两个部分，先得到线性时间编码所 需要的参数（预编码） ，然后利用预编码得到的参数进行线性时间编码。 预编码的具体算法步骤为：（1）得到一个准下三角矩阵。() ast h cde （2）行变换（左乘一个矩阵）消去 e 后将 h 变换成矩阵；其() 0 abt r ccdd 中，。 （3）对矩阵进行行变换变成一个行阶梯 1 ccetac ddccdd 矩阵，确定该矩阵中线性无关的 g 个列向量，并记录这些列下标于 indv 中； （4）将 indv 指定的校验矩阵 h 的列和 n - m + 1 到 n - m + g 列进行位置交换， 得到新的校验矩阵;(5)由重新计算，可以验证一定可逆，然后求出； h h 将参数、g(矩阵间隙)、送给 ldpc 码线性时间编码器。 h ldpc 码的 bp 译码算法：bp 译码的基本思想是，在接收端比特节点首先得 到传输序列每个比特的译码软信息，据此进行比特节点的译码，比特节点译码后 的外信息，通过节点间相连的边送到各自相应的校验节点，校验节点译码后，译 码输出软信息再反馈给相应的比特节点，完成一次迭代；接下来，每个比特节点 将自己的输入累加，根据这个累加值进行硬判决，n 个比特节点的硬判决就得到 了估计的码字信息序列 v，如果校验矩阵满足， ，则译码器停止迭代0 tt hv 输出该估计序列作为译码结果；否则进行下一次 杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计 5 2.3 ldpc 码的性能特点 ldpc 码之所以成为编码领域一个新的研究热点，是因为有它自身的特点存 在。当初哥拉格在他的博士论文中提出两个创造性的观点。 用简单的稀疏校验矩阵的随机置换和级联模拟随机码。 在信息的先验概率和信道特性已知情况下的迭代译码算法。 ldpc 码正是应用了上述两种观点。奠定了噪声信道编码理论基础的香农定理 在理论上的证明是非构造的，他采用的信道编码是随机码，没有提出具体的编译 码算法。曾经有人保守地认为，可构造的性能优良的好码是不存在的。他们还认 为，虽然几乎所有的随机线性码都是好码，但可以构造出来的码有可能是坏码。 然而，现代学术观点认为可译码的好码是可以构造出来的。ldpc 码就是可以构造 出来的。ldpc 码几乎适用于所有的信道，它具有较大的灵活性，较强的纠错能力。 ldpc 码是一种线性分组码，描述简单，利用他们的基础简单性，可以生产出性能 与 turbo 码相差不大或者超过 turbo 码的系统，而且，ldpc 码较之 turbo 码更易 实现。 ldpc 码译码的复杂度很低，运算量不会因为码长增加而急剧增加，对严格的 理论分析具有可验证性。对于 turbo 码，可以说是卷积码级联而成，分组变长时， 复杂度不会是简单的线性增加。而 ldpc 码采用迭代译码算法，可以实现并操作， 具有高速的译码能力。它的吞吐量大，从而改善系统的传输效率，并且便于硬件 实现。由于其奇偶校验矩阵的稀疏性，译码复杂度与码长成线性关系，克服了分 组码在长码长时所面临的巨大译码计算复杂度的问题，使长编码分组的应用成为 可能，这种特性是 turbo 码所不能比拟的。而且，由于校验矩阵的稀疏特性，在 长的编码分组时，相距很远的信息比特参与统一校验，这使得连续的突变差错对 译码的影响不大，编码本身就具有抗突发差错的特性，它的随机性不像 turbo 码 那样需要交织器的引入，因此没有因交织器的存在而可能带来的时延。 香农定理的证明基于以下三个基本条件： 采用随机编译码方式 分组码长度趋于无限 采用最佳的最大似然译码法 ldpc 码与 turbo 码一道成为性能接近香农极限的“好”码，正是全部利用了 这三个条件。上面提到，turbo 码的随机性是通过编译码中的交织器来实现的， 然而，turbo 码因采用交织器，就不可避免地需要较长的处理时间，从而限制了 它在某些宽带传输领域的应用。而 ldpc 码的随机性则由 ldpc 码稀疏矩阵中非零 的随机排列直接保证，因而，ldpc 码比 turbo 码更加灵活。 杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计 6 2.4 ldpc 码的应用举例 ldpc 码是一种具有很强纠错能力的信道编码，对它的研究将有很大的社会 价值。 如今，它在 2004 年 1 月颁布的数字卫星电视新标准 dvb-s2 中得到很好的 应用。dvb-s2 标准具有其独立灵活的特点。覆盖了更重卫星应用，彻底打破了 dvb-s 标准中系统吞吐量的限制。在编码过程中，将 ldpc 码和 bch 码级联， 即将原始信息先转化成系统 bch 码，再编为系统 ldpc 码，结合 qpsk、8psk、16apsk 和 32apsk 四种调制方案，可以适应非常宽的卫星链路 功率的要求，从信道容量来看，它和理论上的香农极限相差只有 0.07db， 比 dvb-s 标准提高了 3db。有资料显示，与其他的几种编码方案，比如串行 和并行 turbo 码、乘积码相比，尽管它们之间性能差别很小，但是 ldpc 码的复 杂度最低，并且容易实现，短码可在损失 0.2db 的情况下，使复杂度减半。这就 意味着在同等的性能下，采用置信传播算法的 ldpc 码的复杂度只有 turbo 码的 四分之一。而且，这种码还可以在性能和复杂度之间进行转换，在完全并行和串 行之间任意选择。除了置信传播算法之外，还有大批的次优译码方案可选， ldpc 码的内在特性是它能够随着处理技术的发展而获得更好的性能和更低的成 本，从而减少了再未来被新技术替代的可能。 若将 ldpc 码用于压缩图像传输中，信源编码采用 jpeg 静止图像压缩标准， 信道编码传输用 ldpc 码，由于 jpeg 静止图像由头语法和压缩的图像数据两部 分组成，头语法对错误最敏感，可以对头语法和图像数据采用不同码率的 ldpc 码进行编码，ldpc 码可明显改善重建图像的质量。比如，使用码率为二分之一 的（512,256）的 ldpc 码，即码长为 512，原始信息长为 256 的码字，通过加性 白噪声信道传输，在信噪比为 2 时，误码率可达到 0.002。并且，在高斯信道下， 对静止图像的信道中传输采用不同码率的方案比采用同码率的方案获得的编码增 益要大 1db 以上。 虽然 turbo 码在 3g 通信标准中获得了主导地位，但是与 turbo 码相比， ldpc 码具有三个明显的优势。首先，ldpc 码具有一套较为系统的优化设计方 法、更强大的纠错能力和更低的地板效应。其次，由于 ldpc 码迭代译码算法为 并行算法，可以实行完全并行的操作，便于硬件实现，延时远远小于 turbo 码的 串行迭代译码算法。第三，ldpc 码本身即有抗突发差错的特性，不需要引入交 织器，避免了可能带来的时延。这些优点使得 ldpc 码在信道条件较差的无线移 动通信中展现出了巨大的应用前景，非常适合于在未来的移动通信系统中实现。 现在许多正在拟定的移动标准都更加关注了 ldpc 码，例如卫星通信标准 dvb- s2 已经采纳 ldpc 码作为前向纠错码。我们相信 ldpc 码具有巨大的应用潜力， 杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计 7 将在光纤通信、卫星数字视频和声频广播、磁/光/全息存储、移动和固定无线通 信、电缆调制/解调器和数字用户环线（dsl）中得到广泛应用。 未来的移动通信系统中，高速率数据传输将是其业务提供的核心。随着信号 速率的提高，多径衰落的影响迅速增大，传统的信道均衡技术已无法克服急剧恶 化的符号间干扰，对于适合无线通信中高数据率传输正交频分复用（ofdm）系 统，因它是将宽带信号分割成若干窄带信号，相互正交的子载波并行传输，减少 了传输信号带内遭受频率选择性衰落的可能。由于具有将强的抗多径干扰能力， 它被 ieee802.16a 宽带无线接入标准作为物理层的调制技术。将一种非规则 ldpc 码应用于这种环境，可获得比 802.16a 用到的 turbo 码更好的性能，而且， 由于 ldpc 码的稀疏校验举证具有良好的自交织性能，使得它对多径信道下的突 发差错具有更强的纠错能力4。 杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计 8 3 3 编码协作通信的研究 3.1 基于 ldpc 码的协作通信的研究 多输入多输出（mimo）系统通过采用多个发送和多个接收天线的方式来获 得空间分集增益,以对抗无线信道中的衰落，提升系统性能。在蜂窝移动通信、无 线传感器网络等无线通信系统中，终端设备由于受到体积、重量、功耗，以及成 本等因素的限制，实现多天线较为困难。近年来有学者提出了协作通信的概念， 其核心思想是在只具有单天线的用户间进行协作，共享它们的天线，实现虚拟的 多发送天线。参与协作通信的用户间相互称对方为自己的协作伙伴.每个用户的发 送过程分为两个阶段。第一阶段用户各自向基站发送自己的信号，同时接收协作 伙伴发送的信号。第二阶段用户将接收到的协作伙伴的信号经过处理后，向基站 发送。这个阶段也并可以合并本用户的信号进行发送。如果参与协作的两个用户 相距足够远，则可以认为它们到基站的上行信道是相互独立的，因而基站收到每 个用户信号两个独立的副本，实现了发送分集5。 用户协作的无线通信网络中，某用户作为信息源发送信息的同时，还需要协 助其他用户进行通信，被协助的用户通常称为该用户的伙伴。这样，该用户在发 送自身信息的同时，还需要占用自身的资源发送其他伙伴的信息。一方面，由于 各用户到信宿的通信信道独立，从而通过各用户的相互协作，各用户均取得了一 定的分集增益；另一方面，用户需要花费一定的资源进行协作，从而造成自身性 能的下降。用户协作的方式在分集增益提高前提下得到的性能改善要大于由于花 费资源进行协作而带来的性能下降。 编码协作是一种将信道编码结合到协作分集中的方法。编码协作通过在两个 独立的衰落信道中发送每个用户码字的不同部分来实现。其基本思想是每个用户 都要为协作伙伴传输增加的冗余信息，而当协作通信无法实现时，用户能够自动 地转换到非协作模式。编码协作的关键是其所有的过程都是通过码字设计来自动 完成，不需要用户间的反馈。 编码协作的目标是将同一用户的编码尽可能地通过两条独立的传播路径进行 传播，使其达到空间分集的目的。其基本思想是通过用户的伙伴传输信息外附加 的冗余信息。当协作极可能造成性能下降时,用户的伙伴就不传输用户的冗余信息,而 传输伙伴自身的冗余信息。对协作能的估计一般可通过差错检测编码,如循环冗余 校验（crc）的方法实现，而不需在用户及其伙伴之间反馈估计的结果。 3.2 编码协作的原理 用户协作的无线通信网络中，某用户作为信息源发送信息的同时，还需要协 杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计 9 助其他用户进行通信，被协助的用户通常称为该用户的伙伴。这样，该用户在发 送自身信息的同时，还需要占用自身的资源发送其伙伴的信息。一方面，由于各 用户到信宿的通信信道独立，从而通过各用户的相互协助各用户均取得了一定的 分集增益。另一方面,用户需要花费一定的资源进行协作，从而造成自身性能的下 降。用户协作的方式在分集增益提高的前提下得到的性能改善要大于由于花费资 源进行协作而带来的性能下降。 三节点中继信道模型是描述协作通信系统的常用模型。假设系统分别由源节 点、中继节点和目标节点组成，如图 1 所示 中继 ms2 源 ms1 基站 bs 图 1 协作通信的中继信道模型 图中源节点为系统中发送信号的移动终端 ms1，而中继节点为另一个相邻移 动终端 ms2，目标节点为基站。可以看出，信号的无线传输有两条链路，source- destination 的直接链路，source-relay-destination 的间接链路，通过这种方式系 统可以获得发送分集增益。 设编码总的码率为码长为 n，信息位长为 k = rn。将一个码字分为 12 rr r 两个部分, 长度分别为 ，。编码时先按码率对信息位进行第 1 n 2 n 12 nnn 1 r 一次编码，得到长度为的码字，作为协作通信时第一阶段发送的数据。 11 /nk r 协作伙伴在收到这一部分的数据后，对其进行译码。如果译码正确，则按码率 ，并采用系统码的形式对译码结果进行第二次编码，生成长度为 2 r 的码字。其中，第二次编码码字的检验位长度为 1212 /nnrk r rk r ，作为第二阶段的数据发送到基站。如果译码不正确, 211 (1/1)/nnnrk r 则直接按第二次编码的规则对自己第一阶段发送的数据进行编码并发送其校验位. 因此每个用户发送的数据总长度恒为 6。 12 nnn 编码协作中，第一次编码是为了使信息能更可靠地为协作伙伴接收，同时使 协作伙伴能够对接收的数据是否正确进行判断，避免出现误码扩散。第二次编码 是实现分集的关键。如果编码的纠错能力越强，码字内部码元间的相关性越高， 那么一个码字通过相互独立的多个信道传输所能获得的分集效果也就越好。由于 ldpc 码具有优异的性能，因此两次编码均选择使用 ldpc 编码。一种特殊的情 杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计 10 况是当用户间信道性能较好时，用户第一阶段发送的数据可以采用 crc 校验， 协作伙伴只进行检错，不进行纠错。现在很多无线通信系统中的数据链路层或媒 体接入控制( mac) 子层为了实现差错检测- 反馈重发功能，都在其发送的数据 块中加入了 crc 校验位。进行编码协作通信时可利用这一特点，不再进行第一 次编码。 这样可以提高系统码率。 考虑两用户间是否正确地译出对方第一阶段发送的数据，可将协作通信分为 下面 4 种情况，如图 2 所示. 情况 1:协作双方均正确地译出对方第一阶段发送的数据，第二阶段两用户均 发送对方的校验位。此为完全协作通信情况，如图 2（a）所示。 情况 2:协作双方均未能正确地译出对方第一阶段发送的数据，第二阶段两用 户均发送自己的校验位。此为不协作通信情况，如图 2（b）所示。 情况 3: 用户 1 正确地译出了用户 2 第一阶段发送的数据，但用户 2 未能 正确地译出用户 1 发送的数据.第二阶段用户 1 和用户 2 均发送用户 2 的校验 位。此为部分协作通信情况，如图 2（c）所示。 情况 4: 与情况 3 类似，只是用户 1 和用户 2 互换了位置。如图 2（d） 所示7。 用户 1 发送数 据 user 1 data user 2 data user 1 data user 1 data user 1 data user 2 data user 1 data user 1 data 用户 2 发送数 据 user 2 data user 1 data user 2 data user 2 data user 2 data user 2 data user 2 data user 1 data (a) (b) (c) (d) 图 2 编码协作的四种情况 在接收端(即基站)，在情况 1 和情况 2 下，只需简单地将第一阶段和第二 阶段接收到的数据按用户简单地进行装配，然后就可以按照正常的译码方式进行 第一次译码，译出用户第一阶段发送的长为的数据。然后再进行第二次译码， 1 n 译出长为 k 的信息位。在情况 3 下，基站没有接收到用户 1 第二次编码的校 验位， 因此只进行第二次译码。同时，基站接收到了用户 2 第二次编码校验位 的两个独立的副本，基站采用最佳组合方式对其进行组合，然后如情况 1、2 进 行两次译码。情况 4 与情况 3 类似，只是用户 1 和用户 2 互换位置。 3.3 协作通信的几种方法 常用的用户协作方案： (1) 放大- 转发方式，是中继系统中一种常用的传输模式。这是一种简单的 杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计 11 协作处理方法，在该模式中，每个中继用户接收经信道衰落的发送信号，然后对 接收到的信号进行放大，并重新发送给下一个中继用户和接收端。接收端按照一 定的合并准则处理来自发送端和协作节点的信息，对发送比特进行最终判决。尽 管该方法在放大信号的同时也放大了噪声，但接收端接收的是多个独立的衰落信 号样本，所以接收端还是能够做出较为准确的判决。仍然能起到分集的作用，在 af 模式中，为实现最佳译码，接收端需要知道各用户间的信道状态信息 (2) 检测- 转发方式，译码转发是另一种协作模式，其设计初衷是在中继处 对接收到的信号进行解调和译码，再通过编码和调制重构信源的发射信号，避免 af 模式中中继对噪声功率的放大。但是，中继如果对接收数据做出了错误判决， 那么这个错误将被前向传播。为了避免错误传播，df 协作模式又衍生出一种基 于 crc 校验的选择译码前传 df 协作模式 sdf。在 sdf 模式中，中继将对接收 到的数据进行 crc 校验，如果校验结果不正确就将不再向前传输该数据。sdf 模式以一定的频谱效率损失为代价避免了错误传播，在高信噪比下，其性能优于 无 crc 校验的 df 模式。在低信噪比区域，其性能反而会比无校验 df 协同模式 更低，原因在于 sdf 丢弃帧会损失一定的能量，从而降低信号在接收端的信噪比。 (3) 编码协作方式，这种方式下，用户不是重复发送协作用户的信号，而是 利用编码的特点，分别发送码字的不同部分。由于编码码字内部不同部分间固有 的相关特性，若基站是通过相互独立的信道接收到码字的不同部分，也就意味着 每个码字携带的信息是通过两个信道传送，因此也能实现发送分集。从信息论的 角度看，在信道的利用上，编码协作方式要优于前两种方式。这种协作方式可以 采用现有的信道编码，包括线性分组码和卷积码，也可以设计专用的编码来实现。 编码的性能越好，码字内部的相关性越强，则编码协作的性能也越好8。 编码协作的目标是将同一用户的编码尽可能地通过 2 条独立的传播路径进行 传播，使其达到空间分集的目的。其基本思想是通过用户的伙伴传输信息外附加 的冗余信息。当协作极可能造成性能下降时，用户的伙伴就不传输用户的冗余信 息，而传输伙伴自身的冗余信息。对协作性能的估计一般可通过差错检测编码， 如循环冗余校验（crc）的方式实现,而不需在用户及其伙伴之间反馈估计的结果。 编码协作是一种将信道编码与协作技术相结合的技术。从信道编码的角度上 看，af 和 df 协作分集模式实质上都是一种重复码，而重复码本生是一种效率 比较低的编码方式，而编码协作技术以解码前传为基础，将一个信道编码码字通 过两个协作用户传输出去。空时编码协同技术作为普通编码协同技术的一种发展， 解决了由于两用户间信道不对称而造成的分集度和性能的严重损失。 杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计 12 4 4 ldpc 码的编码协作通信 4.1 基于 ldpc 码的编码协作通信的模型 编码协作机制是信道编码思想和协作的综合。编码协作机制通过两条独立的 衰落信道来发送每个用户码字的不同部分，当它们之间的信道非常恶劣时，该机 制自动恢复到非协作模式。该机制的突出特点是协作通过信道编码设计来实现， 无需用户之间的反馈。 下面以两用户为例来介绍基于 ldpc 的编码协作机制的模型。信源产生的信 息比特经过 ldpc 编码和 bpsk 调制后，信号通过用户 1 和用户 2 的信道传送 到接收端，其中用户 1 和用户 2 的信道是瑞利慢衰落信道。在接收端通过最大 比合并和 ldpc 译码后得到输出比特。图 3 是以用户 1 为例的基于 ldpc 码的 编码协作机制的模型。 用户将信源数据分为若干数据块，假设每一数据块包含 k 比特的信息，然后 每一个数据块与码率为 r 的纠错码编码后，每一个数据块就有比特的/nk r 信息。基于 ldpc 的编码协作机制有两个传输阶段，这里称每一个阶段为一帧。 在第一帧中，每一个用户发送自己的 n 比特的码字，每一个用户都接收并尝试 对伙伴的数据进行正确的译码，如果译码正确，则在第二帧中，用户将计算并发 送其伙伴的 n 比特码字。否则用户将在第二帧传送自己的 n 比特码字9。 信息比特ldpc编码bpsk调制 用户2信 道 用户1信道 最大比合 并 ldpc译码输出 图 3 基于 ldpc 码的编码协作机制的模型 4.2 协作通信过程中的编、解编流程 图 4 是协作通信过程中编、解码的流程图。其中( a ) 是发送方(终端用户) 的编码流程，( b) 是接收方( 基站)的解码流程。图 4( b)中只画出了对用户 1 的解码过程, 对用户 2 的解码过程类似，只是对情况 3 和情况 4 的处理作一下 掉换。 定义协作系数为，表示协作的程度, 也就是由协作伙伴发 22 /1 c cnnr 送的数据占总数据的比例，。在保持总的码率 r 不变的情况下，协作系0.5 c c 数减少，增加，这意味着协作程度降低；但另一方面减小，意味着对方 c c 2 r 1 r 杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计 13 能正确译出第一次编码的概率增加,处于协作状态的概率也增加。因此，协作系数 的设置将会对系统的性能有较大的影响，应根据用户间信道的情况进行设置。如 果用户间的信道较好，那么将协作系数设置在 0 5 附近将能获得较好的性能，而 如果用户间的信道较差，那么适当地降低协作系数更为有利。另外，如果两用户 的上行信道性能有较大差距时，通过协作上行信道较好的用户能通过牺牲自己的 一部分性能来帮助上行信道较差的用户大幅提高性能。即协作通信能够平衡两用 户的性能，缩小性能差距。在这种情况下，协作系数能在一定程度上控制调节的 力度，较大的协作系数有较大的调节能力。 杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计 14 发送码字，接 收 对方码字 对对方码字进 行译码 正确 对对方码字第 二次编码 不正确 对自己码字第 二次编码 发送第二次编 码码字校验位 译码正确否 第一次 编码 （a）发送端编码流程 接收用户1,2第一次编码的码字（n1比 特） 接收用户1，2第二次编码检验位 （n2比特） 协作情 况？ 装配来自用户1 的n1比特和用 户2的n2比特 装配来自用户1 的n1比特和n2 比特 最大似然组合来 自用户1的n1比特 和用户2的n2比特 第一次译码 （r2, n1，n） 装配来自用户1 的n1比特和组 合后的n2比特 第二次译码 （r1，k,n1） （b）接收端解码流程（对用户 1） 图 4 编、解码流程 杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计 15 在进行编码协作通信时，协作用户间不需要专门的反馈信道控制协作。当用 户不能正确译出对方的数据时就转为不协作状态，因此不会产生误码扩散、导致 系统性能的恶化，协作通信系统的性能始终不会低于非协作通信系统的性能。相 对于放大-转发和检测-转发协作方式在用户间信道很差时会产生严重的误码扩散， 并导致系统性能的急剧恶化而低于非协作通信的性能，编码协作在这方面具有明 显的优势。但这里带来的一个问题是基站需要知道用户在第二阶段发送的是哪个 用户的数据，这需要由用户为基站提供一个指示，而且对这个指示必须进行很强 的差错保护，以免因该指示出错而造成基站译码的严重错误。这会在一定程度上 增加系统的开销，但不会对系统的性能和复杂度带来大的影响。 当用户间信道是对称信道时，通过对协作通信的 4 种情况进行分析，可以知 道在用户间信道性能较好的情况下，系统多处于情况 1 下，能获得较完全的分 集增益。当用户间信道性能很差时，系统多处于情况 2 下，基本未进行协作通 信，系统与非协作通信的性能相当。当用户间信道性能介于前两者的之间时，系 统可处于 4 种情况下，进行部分协作通信，性能也介于前两者之间，可获得部 分分集增益10。 4.3 基于 ldpc 码的编码协作的实现 一种编码协作方案是基于打孔、速率匹配的方式利用 rcrc、turbo 码实现 的。而 ldpc 码是除 turbo 码外已知的另一种性能可逼近香农界的编码，其译码 采用置信传播（bp）算法。除随机构造方法外，奇偶校验矩阵的构造方法有代数 构造、循环单位阵构造、渐进编增加算法等构造方法。 对于维数为 k 的信息向量，假设存在 2 个不同码率,的编 11 /rk n 22 /rk n 码，奇偶校验矩阵分别为,，则矩阵为 1 个码长为、 1 h 2 h 12 hhh 12 nnn 码率为的 ldpc 码的奇偶校验矩阵。同理，若,对应的生成矩阵为/rk n 1 h 2 h 、，则对应的生成矩阵为。可通过 1 g 2 g 12 ggg 得到验证。 1 121112 2 0 t ttt t h ghggg hg h h 对于具有不同的传输信道，可以采用不通的值，获得不同码长的 2 个 , i j 子码并用于编码协作。其中，第 1 帧编码长为，码率为；第 1 nn/()rkn 2 帧编码长为，码率为。 2 (1)nn/()rknn 为了适用于协作通信,使得用户 0 可以对来自用户 1，用户 2 的 2 个 ldpc 编 码帧进联合译码。一种可行的方案是：联合设计 2 帧中 2 个子码的奇偶校验矩阵， 即设计码率为的 ldpc 编码的奇偶校验矩阵 h，并将其按照一定的协作/rk n 水平，按列分割为 2 个子矩阵，按照公式 12 hhh ，对应构造 2 个不同的子码，分别分配 1 121112 2 0 t ttt t h ghggg hg h h 杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计 16 给用户 1 和用户 2 使用。其中，第一个子码码长为，而第 2 个子码码长 1 nn 为。 2 (1)nn 为了区别来自 2 个协作用户的信息，可以设计 2 个码率均为的/rk n ldpc 码，记为、。进一步，可记 2 个 ldpc 码的子码分别为、 1 l 2 l 1 a l ；、。第 1 帧数据传输时，用户 1 使用进行编码，用户 2 使用进行 1 b l 2 a l 2 b l 1 a l 2 a l 编码。第 2 帧数据传输时，以用户 1 为例，若其正确接收用户 2 第一帧信号，则 使用对接收到的用户 2 的译码信息进行编码；否则，使用对用户 1 传输的信 2 b l 1 b l 息进行编码；用户 2 选择编码的情况与用户 1 类似11。 因此，在协作成功时，用户 0 接收到的用户 1、用户 2 的 2 帧信息是按照、 1 l 进行编码的编码信息序列，故而可以按照、分别进行 2 帧信息的联合译码， 2 l 1 l 2 l 从而得到一定的分集增益。 可见，采用该方案具有如下 2 个特点： (1) 由于 ldpc 码自身具有的检错特性，采用 ldpc 码的编码协作方案不需 要采用额外的差错检验编码，如 crc 等，从而可节省一部分系统开销。用户仅 需要对其接收到伙伴第一帧接收向量按照矩阵对应的 ldpc 编码结构进行译码， 1 h 并验证译码是否满足所有奇偶校验方程，即可确定第一帧的伙伴信号是否正确接 收。 (2)由于不同的 ldpc 编码具有明确的性能，可以通过灵活地分配第一帧、第 二帧的码率，实现灵活的分集参数配置和编译码。接收端可以对第一帧、第二帧 信号分别译码后合并，或者联合处理第一帧、第二帧发送的信号，甚至在某帧信 号缺失的情况下实现译码。 采用诸如渐进边增算法的构造方法，可以灵活构造不同码长、不同码率、不 同性能的 ldpc 编码，用于编码协作12。 杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计 17 杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计 18 5.5.结论结论 0510152025 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 snr ber 不 不 1 不 不 不 不 2 不 不 不 不 1 不 不 不 不 不 2 不 不 不 图 5 编码协作通信性能 为了验证基于 ldpc 编码的协作通信的性能，我进行了仿真。选择码长 n=504、码率=0.5 的二进制 ldpc 规则码进行协作通信。仿真在以下假设条件下 进行：协作用户信道和用户到基站的上行信道为瑞利衰弱信道，衰弱系数在一个 码字长度时间内保持