（信息与通信工程专业论文）ldpc编码的分布式空时合作通信系统.pdf

浙江大学硕士学位论文 l d p c 编码的分布式空时合作通信系绕 l d p c 编码的分布式空时 合作通信系统 摘要 在无线通信系统中，分集是一种对抗多径衰落以及信道干扰的有效技术。相 比时间分集与频率分集，空间分集可以在不增加传输时间和带宽的条件下，提高 系统的传输可靠性。在分布式通信系统中，学者们提出了一种新型的单用户空间 分集技术，即合作分集技术。该技术将分布在无线网络中的节点集合起来，构成 虚拟多天线阵列，利用多个节点的合作来达到空间分集的效果。目前常用的合作 协议包括有固定中继协议、选择中继协议以及增量中继协议。在这些协议中，中 继可以工作在放大前向或者译码前向等模式下。不同中继合作系统具有不同的分 集系数。基于空时编码的合作分集技术在理论上可以实现完全的空间分集增益， 分集系数等于参与合作的节点数量。 论文首先介绍了分布式通信系统中常用的中继模式以及合作分集协议。然后 通过对传统的单中继和双中继分布式空时编码合作系统的研究，我们提出了带反 馈信息的双中继分布式空时合作系统，并在放大前向模式和译码前向模式下给出 了具体的反馈机制和实现方法。该系统能够更充分地利用通信网络中的节点，提 高系统的分集增益，改善系统的误比特率性能，但是中继节点在网络中的位置会 对系统的性能产生很大影响。 空间分集技术还可以与优秀的纠错码进行结合来进一步提高系统性能。低密 度奇偶校验( l d p c ) 码是一种分组码，它的性能能够逼近香农限，而且译码算法复 杂度低，与码长呈线性关系，容易实现。论文在介绍了l d p c 码后，对l d p c 码 与空时分组编码的级联方案( l d p c s t b c ) 进行了分析。鉴于l d p c s t b c 在传统 多天线系统中所体现的优越性，我们将l d p c s t b c 扩展到了分布式通信系统中， 提出了l d p c 编码的分布式空时合作系统( l d p c d s t c ) 。在放大前向模式下，系 统采用固定中继协议来实现，论文给出了多个信号处理方案：而在译码前向模式 下，系统采用选择中继协议，并通过凿孔l d p c 码以及更换l d p c 码组的方式来 实现。研究结果表明，l d p c d s t c 系统既能够实现分集增益，又能提供编码增益， 有效地提高了系统性能。最后，论文探讨了l d p c 码在分布式合作通信系统中的 优化问题。 关键词：合作分集；放大前向；译码前向；空时编码；分布式空时合作；低密度 奇偶校验码 浙江大学硕士学位论文l d p c 编码的分布式空时合作通信系统 l d p cc o d e dd i s t r i b u t e ds p a c e - - t i m e c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m a b s t r a c t d i v e r s i t yi s a l le f f e c t i v et e c h n i q u et oc o m b a tm u l t i p a t hf a d i n ga n dc o c h a n n e l i n t e r f e r e n c ei nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m c o m p a r ew i t ht h et i m ea n d f r e q u e n c yd i v e r s i t y , s p a c ed i v e r s i t yg i v e sd r a m a t i cp e r f o r m a n c eg a i n sw i t h o u tt h e a d d i t i o n a le x p e n d i t u r eo ft r a n s m i s s i o nt i m eo rb a n d w i d t h an e wf o r mo fs i n g l e u s e r s p a c ed i v e r s i t yf o rt h ed i s t r i b u t e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sb e e np r o p o s e d ，w h i c hi s c a l l e d “c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ”d i s t r i b u t e dn o d e si nt h ew i r e l e s sn e t w o r ka r ec o l l e c t e d s ot h a tt h en o d e sf o r mav i r t u a la n t e n n aa r r a y t h e n ，t h ec o o p e r a t i o no ft h en o d e si s u t i l i z e dt oa c h i e v et h es d a c ed i v e r s i t y t h em o s tc o r n m o r l c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y p r o t o c o l sa l ef i x e dr e l a y i n g ，s e l e c t i o nr e l a y i n ga n di n c r e m e n t a lr e l a y i n g 1 1 1 er e l a yi n t h es y s t e mc a l le m p l o yd i f f e r e n tt y p e so fp r o c e s s i n g ，s u c ha sa m p l i 鸟一a n d - f o r w a r d ( a f ) ， d e c o d e - a n d - f o r w a r d ( d f ) i ti sf o u n dt h a td i f i e r e n tp r o t o c o l sh a v ed i s t i n c td i v e r s i t y o r d e r s s p a c e - t i m eb a s e dc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yc a l la c h i e v ef u l ls d a t i a ld i v e r s i t yi nt h e n u m b e ro fc o o p e r a t i n gt e r m i n a l s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ef i r s ti n t r o d u c et h ec o m m o nc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yp r o t o c o l s a n d t h e n ，b ys t u d y i n g 也ec o n v e n t i o n a lo n e - r e l a ya n dt w o - r e l a yd i s 仃i b u t e ds p a c e - t i m e c o o p e r a t i v e ( d s t c ) s y s t e m s ，w ep r o p o s et h et w or e l a yd s t cs y s t e mw i t hf e e d b a c k i n f o r m a t i o n t h es p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o n so f t h ep r o p o s e ds y s t e ma r ed i s c u s s e di nb o t l l t h ea fm o d ea n dd fm o d e t h ep r o p o s e ds y s t e mu t i l i z e st h en o d e si nn e t w o r km o r e e f f i c i e n t l y , s oi tc a nr e d u c et h et r a n s m i s s i o ne r r o ra n do f f e rh i g h e rd i v e r s i t yo r d e r , b u t t h el o c a t i o no f t h er e l a y sh a sp r o f o u n di m p a c to nt h es y s t e mp e r f o r m a n c e s p a c ed i v e r s i t yc a nb ec o m b i n e dw i t hg o o de r r o rc o r r e c t i n gc o d e st oo b t a l n m o r e e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e t h el o w d e n s t i yp a r i t y c h e c k ( l d p c ) c o d ei sal i n e a rb l o c k c o d e n l ep e r f o r m a n c eo ft h el d p cc o d e sc a ng e tc l o s et ot h es h a n n o nl i m i t ，a n dt h e c o m p l e x i t yo ft h ed e c o d i n ga l g o d t h mi sl i n e a rw i t ht h ec o d el e n g t h 1 1 l cc o n c a t e n a t i o n s c h e m eo fl d p cc o d e sa n ds p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ( l d p c s t b c ) a r ea n a l y z e d d u e t ot h ea d v a n t a g eo ft h el d p c - s t b ci nt h ec o n v e n t i o n a lm u l t i 。a n t e n as y s t e m ，t h i s s c h e m ei se x t e n d e dt ot h ed i s t r i b u t e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n dt h el d p cc o d e d d i s t r i b u t e ds p a c e t i m ec o o p e r a t i v es y s t e m ( l d p c d s t c ) i sp r o p o s e d i nt h ea fm o d e ， t h ef i x e dr e l a y i n gp r o t o c o li se m p l o y e d ，a n ds e v e r ls i g n a lp r o c e s s m gs c h e m e sa r e p r o p o s e d ；i nt h ed fm o d e ，t h es e l e c t i o nr e l a y i n gp r o t o c o l s i se m p l o y e d ，a n dt h e p u c t u r e dl d p ca n dt h ec h a n g eo fl d p cs e t sa r eu t i l i z e dt oi m p l e m e n tt h ep r o p o s e d s y s t e m t h el d p c d s t cs y s t e mc a no f f e rb o t ht h ed i v e r s i t yg a i na n dc o d i n gg a i n f i n a l l y , t h eo p t i m i z a t i o no f t h el d p cc o d e s i nt h ed s t cs y s t e m si sd i s c u s s e d k e y w o r d s ： c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ；a m p l i f i y a n d f o r w a r d ；d e c o d e - a n d f o r w a r d ； s p a c e - t i m ec o d i n g ；d i s t r i b u t e ds p a c e - t i m ec o o p e r a t i v e ；l o w - d e n s i t yp a i l t y t c h e c kc o d e s i i 浙江大学硕士学位论文 l d p c 编码的分布式空时合作通信系统 术语表 a g c ：自动增益控制( a u t o m a t i cg a i nc o n t r 0 1 ) a f ：放大前向( a m p l i f y - a n d - f o r w a r d ) a w g n ：加性高斯白噪声( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ) b e r ：误比特率( b i te r r o rr a t e ) b p s k ：二进制相移键控( b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) c f ：压缩前向( c o m p r e s s a n d - f o r w a r d ) c r c ：循环冗余校验( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) c s i ：信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) d e ：密度演化( d e n s i t ye v o l u t i o n ) d f ：译码前向( d e c o d e a n d - f o r w a r d ) d s t c ：分布式空时合作( d i s t r i b u t e ds p a c e t i m ec o o p e r a t i v e ) e g c ：等增益合并( e q u a lg a i nc o m b i n i n g ) f d d ：频分双工( f i m q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ) f e r ：误帧率( f r a m ee r r o rr a t e ) g a ：高斯估计( g u a s s i a na p p r o x i m a t i o n ) 1 s h 符号间干扰( 1 i n e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) l d p c ：低密度奇偶校验码( 1 0 wd e n s i t yp a r i t yc h e c k ) l l r ：对数似然比( 1 0 9 l i k e l i h o o dr a t i o ) m i m o ：多输入多输出( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ) m l ：最大似然( m a x i m u n ll i k e l i h o o d ) m r c ：最大比合并( m a x i m u mr a t i oc o m b i n i n g ) p d f ：概率密度函数( p r o b a b i l i t yd e n s i t sf u n c t i o n ) r c p c ：可变速率凿孔卷积码( r a t e c o m p a t i b l ep u n c t u r e dc o n v o l u t i o n a lc o d e s ) s i n r ：信干噪比( s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a t i o ) s n r ：信噪比( s i g n a lt on o i s er a t i o ) s t b c ：空时分组码( s p a c e t i m eb l o c kc o d e ) s t c ：空时码( s p a c e t i m ec o d e ) t d d ：时分双工( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 蚣：虚拟天线阵列f v i r t u a la n t e n n aa r r a y ) i l l 塑垩查兰堡主兰堡垒壅1 2 竺塑里塑坌查苎皇堕盒堡望堕至丝 第1 章绪论 随着无线通信的发展，高速数据通信服务的需求不断增长。然而由于无线频 谱资源的有限性，高速数据传输需要通过高效的信号处理技术来实现。信息论领 域的研究表明，无线信道中使用多输入多输出( m i m o ) 系统可以显著提高通信容量 1 1 1 2 。m i m o 技术在发射端和接收端采用多天线或者天线阵列同时收发信号，相当 于在空间中增加了传输信道。由于各天线上的信号占用的是同一个频带，所以该 技术能够成倍地提高系统的容量和频谱利用率。因此，m i m o 技术可以说是无线 移动通信领域智能天线技术的重大突破。 如果只有接收端完全知道信道状态，而发射端并不知道，那么最可靠的策略 是把允许的最大发射功率均分到所有发射天线上。假设h 是一个m i m o 系统的归 一化信道矩阵，信号总发射功率和噪声功率分别是p 和a 2 ，形是每个子信道的带 宽。那么在发射天线数量刀，和接收天线数量, r r 相同，即 r = n r 的情况下， 该 m i m o 系统标准的容量公式可以表示为 c 一( d e t 一去叫 ， m ， 式中的十表示矩阵的共轭转置，d e t 表示行列式，l 为单位矩阵。对于衰落信道， 可以通过对上式求关于信道状态的期望值来得到平均信道容量。如果发射端知道 信道状态，系统还可以采用自适应的灌水法来分配功率，并获得更大的信道容量。 公式f 1 1 ) 只是提供了信道容量的一个极限值，而实际的无线通信环境中还存 在着衰落、多普勒频移和信道快速时变等许多不利因素。如何克服这些不利影响 是m i m o 系统需要重点研究的问题。另外，在某些特定的应用场合中，由于用户 终端设备受到尺寸、硬件等各方面因素的制约，不适合配各多天线系统。但是多 个用户可以通过合作来构成虚拟的天线阵列，从而实现分布式m i m o 系统。当前， 分布式通信系统和合作分集技术 3 1 。【7 1 已经成为了通信领域中的热点。 本章首先将对多天线系统中的分集与合并技术进行简单的介绍，然后具体说 明了合作分集技术，其中包括合作分集通信系统中的两种比较常用中继模式，以 及三种合作协议。本章最后给出了本论文的主要内容。 1 1 分集技术 用于补偿信道衰落损耗的分集技术是m i m o 系统中的一种主要技术，它能有 效地保证无线信道可靠传输【8 】嘲。分集技术是指在通信过程中，系统通过提供发送 信号的副本，使得接收机能够获得更加准确的判断。其基本思想是利用信号的多 浙江大学硕士学位论文 u 聪编码的分布式空时合作通信系统 个独立样本，由于这些样本是以不相关的模式衰落的，这就意味着所有样本信号 同时低子给定门限值的概率要比单个信号低于门限值的概率小得多。根据获得独 立信号的方法，分集技术可分为时间分集、频率分集和空间分集等。 时间分集主要是通过在不同的时隙上发送相同的信息来实现，这样，接收机 端在多个时隙中可以收到若干不相干的衰落信号。时间分集的最小时间间隔要大 于或者等于信道的相干时间。在数字通信系统中，通常使用差错控制编码以获得 相对于未编码系统的编码增益。这其实是利用了差错控制编码带来的时域冗余u j 。 另外，通信系统中还可以通过交织来实现时间分集，但是会引起译码延迟，所以 不适合在一些时延敏感的移动无线系统中使用。另外，时间分集由于在时域上引 入了冗余，在带宽的利用率上会有一定损失。 频率分集主要是通过使用许多不同的频率发射相同的信息来实现的。为了保 证每个频率的衰落是独立的，发射频率的间隔必须足够大。发射信号副本通常按 频域冗余的形式到达接收端，这种频域冗余可以通过直接序列扩频、多载波调制 等扩频技术来实现。当信道的相干带宽较小时，扩频技术是有效的；但是当信道 的相干带宽大于扩展带宽时，就无法用扩频的方式来实现频率分集了。由于引入 了频域冗余，频率分集也会使带宽利用率受到损失。 空间分集在无线通信中是一项比较常用的技术，典型的空间分集是在发射端 或者接收端设置多天线系统来实现。当多根天线在空间上的排列距离满足一定条 件时，各个天线所对应的信道可以看作是互不相关的。天线间隔的大小随具体通 信环境不同而有所变化。在空间分集中，发射信号副样是以空间域冗余的形式到 达接收端的。与时间分集和频率分集不同的是，空间分集没有时延和环境的限制， 不需要时域和频域的冗余，所以不会带来带宽利用率上的任何损失。 空嵋】分集技术又可以分为接收分集技术和发射分集技术【】。传统的空间分集 主要是接收分集技术，即接收机使用多根天线接收多个独立衰落但携带同一信息 的信号，并对这些信号进行特定的处理，从而降低多径衰落的影响，并且提高总 的接收信噪比( s n r ) ，但是这也将导致接收机的复杂度提高。发射分集技术是在多 根天线上发射包含同样信息的信号，从而达到空间分集的效果。发射分集由于只 需要基站端增加天线，实现起来比较简单。而接收端的结构就可以简化，处理功 率也可以降低。另外，发射分集可以和接收分集结合使用，进一步提高系统性能。 目前，发射分集技术中最主要的是空时编码( s t c ) 技术【1 2 】i u 】。由于衰落信道的 瞬时信息通常难以捕捉，因此发射端必须采用信道编码技术来保证获得比较好的 性能。如果采用适合多天线传输的编码技术，同时在接收端进行相应的信号处理， 就能够获得很大的性能增益，实现数据的高速传输。空时编码是达到或接近m i m o 系统信道容量的一种可行有效的办法。空时编码在多根发射天线和各个时间周期 的发射信号之间能够产生空域和时域的相关性，其本质是在时间和空间上的两维 浙江大学硕士学位论文 l d p c 编码的分布式空时合作通信系统 编码。这种空时相关性能够使接收机克服m i m o 信道衰落，减少误码率，而且空 时编码使发射端不需要知道信道状态信息。相比空间未编码系统，空时编码可以 在不牺牲带宽的情况下实现发射分集。 在实际的通信系统中，为了满足系统的性能要求，经常将多个分集技术结合 起来使用，以实现多维分集【引。例如通信系统可以使用多天线系统，并结合使用 差错控制编码来实现空间分集和时间分集。 1 2 信号合并技术 前面所介绍的几种分集技术的有效性主要体现在不同分集予信道同时出现深 衰落的概率要小。使用分集技术的通信系统的实际性能往往取决于接收端如何合 并多个信号副本，从而提高总的接收s n r 。信号合并技术主要分为四种，即选择 合并、切换合并、等增益合并和最大比合并。 选择合并是一种较为简单的分集合并方法，它在每个符号间隔处选择具有最 大即时信噪比的信号作为系统的输出，因此输出信号的s n r 总是等于最佳输入信 号的s n r 。 切换合并技术是让接收机扫描所有的分集支路，然后选择s n r 在预设门限之 上的特定分支作为输出。只要该路信号的s n r 不低于设定的门限值，那么就选择 该路信号作为输出信号。而当该路信号的s n r 低于设定的门限值时，接收机开始 重新扫描并切换到另一个分支。 选择合并和切换合并的输出信号都是只等于所有分集分支中的一路信号，所 以它们不能有效地利用所有信号。但是，正是这种简单的选择机制不需要知道信 道状态信息，所以两种方案即可用于相干调制也可以用于非相干调制。 最大比合并( m r c ) 是一种线性合并方法。在该线性合并过程中，各个输入信号 分别按权重相加在一起得到输出信号： ，：兰( 1 - 2 ) j = l 其中，r 是第i 根接收天线的接收信号，嘞是第i 根接收天线的加权因子。在最大比 合并中，每个天线的加权因子的幅度与其信噪比成正比，相位与信号相位共轭。 由于最大比合并方法能达到最大的输出信噪比，因此也称为最优合并。当采用最 大比合并时，最大输出s n r 等于单个信号的即时s n r 的总和t 9 1 。由于此方案需要 知道信道状态信息，所以只能用于相干检测的场合。 等增益合并是一种比较简单的线性合并方法，它不需要顾及各个分支的衰落 幅度，其加权因子的幅度设为定值，而相位依然相位与信号相位呈共轭关系。所 以等增益合并就是将所有的接收信号经同相处理后用等增益相加。相比最大比合 浙江大学硕士学位论文 l d p c 编码的分布式空时合作通信系统 并，等增益合并的性能是次优的。 以上是几种主要的合并技术。在本文的其余章节中，我们在处理多路信号时， 一般均采用最大比合并的方案。 1 3 合作分集技术 尽管m i m o 系统中的发射分集技术在无线通信系统中具有明显优势，但在某 些特定的应用场合中，由于用户终端设备受到尺寸、硬件等各方面的制约，不适 合配备多天线系统。但是多个用户可以通过合作来构成虚拟的天线阵列，从而实 现分布式m i m o 系统。所以，有学者提出了一种称为合作分集的新技术，该技术 允许多个单天线用户通过多个用户之间的合作来获得多天线系统的分集增益。其 基本思想是利用网络中的多个用户共享其天线，并向目的节点发送相同信号的副 本，由于这些信号是相关的并经历了独立的信道衰落，接收端即可获得多个独立 衰落信号。因此合作通信以一种分布式方式达到了分集的目的。 在合作分集系统中，最常见的中继合作模式有放大前向( a f ) 模式和译码前向 ( d f ) 模式【7 1 【l “。而最常用的合作分集协议包括固定中继协议、选择中继协议和增 量中继协议口】。本节首先对a f 模式和d f 模式进行简单的介绍，然后具体说明三 种中继协议，并讨论它们的中断概率以及分集增益。 1 3 1 中继合作模式 在分布式合作通信系统中，中继节点需要对接收信号进行一定的处理，然后 再发送出去。根据处理方式的不同，一般有放大前l h ( a f ) 模式、译码前向( d f ) 模 式以及压缩前向( c f ) 模式。本文主要考虑a f 模式和d f 模式。 放大前向模式 放大前向( a f ) 模式是中继系统中一种常用的传输模式。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合作 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，但接收端接收的是信号的多个独立的衰落样本，所以接收端还是能够作出 较为准确的判决。在a f 模式中，为实现最佳译码，接收端需要各用户间的信道 状态信息。 译码前向模式 在译码前向( d f ) 模式中，中继节点在接收到信号后，首先要对其进行检测译 浙江大学硕士学位论文 l d p c 编码的分布式空时合作通信系统 码，然后将译码结果进行重新编码调制，再发送出去。在该模式中，中继节点可 以对整个信号序列进行完全检测，也可以对信号逐个进行检测。基站根据当时的 信道状态，按照一定的策略，指配每次发送时的合作中继用户。但是d f 模式也 存在着隐患，即中继节点不能保证总是正确译码。一旦信号检测错误，那么此时 的中继信号反而会严重影响接收端的正确检测。所以为了避免这种错误信号传播， 可以考虑在中继节点引入混合检测方法。 1 3 , 2 合作中继协议 本小节将以图1 。1 所示的无线通信网络为例来说明合作中继协议【刀。在该网络 中，乃和死为源节点，乃和乃为目的节点。为了简单起见，仅考虑源节点t s ( s e l ， 2 ) ) 向目的节点t a ( d e 3 ，4 ) 的信号发送，而乃( r e 1 ，2 ) ) 作为中继节点协 助瓦向乃的信号发送。 图1 - 1 t t 和疋分别向乃和乃发送信息的无线网络 假设网络中的窄带传输受到频率非选择性衰落和加性噪声的影响。从节点霸 到节点乃的信号传输用衰落系数和接收端乃处的加性噪声z j n 描述。对于瑞利 衰落信道，h f 服从均值为0 ，方差为a ：的独立圆对称复高斯分布1 9 1 ；z j n 1 1 a 从均值 为0 ，方差为0 的独立圆对称复高斯分布。此外，每条信道的接收端可以准确地 估计出该信道状态信息( c s l ) ，而发射端并不知道c s i 。对于带宽为矿h z 的连续 时间信道，其等效的离散时间信道每秒包含矿个二维符号。如果发送节点在连续 时间信道中平均功率受限为p c ，则在离散时间信道中，若每个节点仅用一半的可 用自由度发送，其功率受限为p = 2 p g , - 。同时，信号衰落可以用s n r h 。，1 2 表示， 其中s n r = p n o 。定义频谱效率r = 2 r w 0 9 s h z ) ，其中r ( b s ) 为传输速率。 假设无线信道可以分成若干个相互正交的子信道，并能够合理地分配给网络 中的各节点。为了实现合作分集，系统采用半双工方式。信道在时分传输方式下 有三种分配方案：1 ) n 和乃直接将各自的信号发送给乃和乃，此过程中存在着 相互间的干扰，如图1 - 2 ( a ) 所示；2 ) 孔和乃用不同的时隙向乃和乃发送信号， 如图1 - 2 ( b ) 所示；3 ) n 和乃进行合作，实现合作分集，如图1 2 ( c ) 所示。 浙江大学硕士学位论文 l d p c 编码的分布式空时合作通信系统 图1 - 2 时分信道分配方案 对于直传通信，目的节点乃在n = l ，n 2 时刻的接收信号为 儿h = k 【”】十乃m ， ( 1 3 ) 其中m 为瓦处的发送信号。那么，输入和输出之间的最大平均互信息可以表不 为厶= l o g ( 1 + s n r i h 1 2 ) 。当频谱效率为r 时，直传通信时的中断事件可以定义 为，d r 。当信道具有瑞利衰落特性时，中断概率为 p 2 ( s n r r ) = p r ( ，d r ) z 1 一e x p ( 一两2 a r - 仃i 二j 巧1 丽2 r t - 1 。 ( 1 - 4 ) 对于图1 - 2 ( b ) 所示的正交直传通信，另一个节点在行= m 2 + 1 ，n 时刻向目的 节点直接发送信号。此时，节点仅利用了一半的信道自由度。 对于图1 - 2 ( c ) 所示的合作通信模式，在n = 1 ，n 4 时刻，信道可以表示为 y r m = 绣 t 1 + z ，h 、 y a n 】= t 【n + z d 珂】 ” 其中，【n 】和蛾川分别表示中继节点和目的节点处的接收信号。在h 。3 4 + 1 ， n 时刻，接收信号的表达式与( 1 5 ) 相似。 下面将对固定中继协议、选择中继协议和增量中继协议这三种合作协议进行 介绍，并分析每种中继协议在高s n r 值时的中断概率和分集系数。 固定中继协议 固定中继协议既可以采用放大前向( a f ) 模式，也可以采用译码前向( d f ) 模式。 对于a f 模式，中继节点l 接收到信号后，在行= n 4 + 1 ，n 1 2 时刻向目的节点 转发信号 x , n l ：f l y , n n 4 1 ， ( 1 - 6 ) 其中口为节点l 处的放大系数。为了保证中继节点处的功率受限，卢应该满足 6 浙江大学硕士学位论文 l d p c 编码的分布式空时合作通信系统 何丽。 ( 1 7 ) 因此，该协议可以看成是具有两个发射端的重复码，不同的是中继节点将本节点 处的噪声也放大并发送给了目的节点了。目的节点通过合并不同时刻接收到的信 号，对原始发送信号x , t n 进行估计。因此，系统的输入和输出之间的最大平均互 信息可以表示为 k = 告1 。g1 + s n r i h , a 2 + f ( s n p x t h s r f f , s n r i h 。1 2 ) ) ，0 - 8 ) 其中( x ，y ) = x y ( x + y + 1 ) 。对于瑞利衰落信道，l f 1 2 服从参数为啄2 的指数分布， 在高s n r 时，中断概率可近似表示为 蹄c 蹦叫曲t k 卟( 芳辫 ( 蒜 2 。 c ，柳 f l q ( 1 9 ) 可知，a f 模式下的固定中继协议可以实现完全分集，分集系数为2 。 对于译码前向( d f ) 模式，在门= 0 ，n 4 时刻，中继节点对从源节点处接收 到的信号弦m 】进行检测，得到如【n 1 的估计信号i 。【 1 。若使用重复编码方案，那么 中继节点0 在甩= n 1 4 十1 ，n 2 时刻向目的节点转发 h = 鼻i n - 4 】。 ( 1 - l o ) 假设中继节点是完全译码的，那么系统的输入输出之间的最大平均互信息为 k = 圭i n i n1 。g ( 1 + s n r i h ，, 1 2 ) ，l 。g ( 1 + s n r 蚶+ s n r i h , 。1 2 ) ) 。( 1 - 1 1 ) 公式( 1 1 1 ) 中的第一项为中继节点可以对y ， n l 进行准确译码的最大速率，第二项为 目的节点可以对源和中继发送的重复信号进行准确译码的最大速率。要使两个互 信息取到最小，就要求中继节点和目的节点均能无误地进行译码。对于瑞利衰落 信道，中断概率在高s n r 时有 础( s n r ，r ) = p r 1 2 - g ( s n r ) p r i bj 2 + i k l 2 g ( s n r ) ，( 1 - 1 2 ) 12 2 “一1 s n r 其中g ( s 1 q r ) = ( 2 “- 1 ) s n r 。( 1 1 2 ) 中的1 s n r 表明在d f 模式下，系统的分集 系数为1 ，并不能提供分集增益。其主要原因是固定中继协议要求中继节点对接 收信号进行完全译码，而这限制了d f 模式下的系统性能。 选择中继协议 选择中继协议可以有效地克服译码前向( d f ) 模式在固定中继协议中不能提供 分集增益的缺点。该协议在每个时隙自适应她选择是采取中继传输还是直传通信。 7 浙豇大学硕士学位论文 l d p c 编码的分布式空时合作通信系统 当中继节点认为不能正确译码时，由源节点向目的节点发送重复信号，此时最大 平均互信息为从源节点到目的节点的重复编码的互信息；当中继节点认为可以正 确译码时，最大平均互信息为从源节点和中继节点到目的节点的重复编码的互信 息。所以，系统的最大平均互信息可表示为 臻2 ：鬻m 聊 对于瑞利衰落信道，中断概率可以表示为 p ”o n t ( s n r ，r ) = p r ( k r ) = p r i 时 g ( s n r ) p r 2 蚶 g ( s n r ) 。( 1 - 1 4 ) + p r b , 1 2 g ( s n r ) p r k h k l 2 器挣r 茎蒙 = r 唧( 一蒙h 一唧( 一蒜 。 m = 扎o x p ( 一些s g gj 1 1 ：= j ( r ) 对于特定的平均频谱效率豆，式( 1 1 6 ) q 6r 的值是很重要的。如果定义函数 五盏( 豆) = m i n 矗矗( 更) 为从良到r 的映射，通过( 1 一1 6 ) 可知r 应该越小越好。为了 与无反馈协议进行比较，在高s n r 时采用修正中断概率 搿( s 眠磕( 州击酱 ( 蒜 2 0 m 埘 本节对无线网络中几个简单的合作分集协议进行了介绍。基于重复码的a f 模式下的固定中继协议，选择中继协议和增量中继协议可以实现完全分集，而d f 模式下的固定中继协议的分集系数仅为l 。随着系统中节点数目的增加，可以应 用更多的通信协议。对于多节点的网络，如何确定合理有效的通信协议将是以后 研究的莺点之一。 1 4 论文主要内容 本论文在后面的章节中通过对传统单中继和双中继分布式空时合作( d s t c ) 系 统1 1 5 1 。【1 8 l 的研究，提出了一种带反馈信息的双中继d s t c 系统，并在a f 模式和d f 模式下给出了具体的反馈机制和实现方法。然后本文介绍了低密度奇偶校验 ( l d p c ) 码【l ，并对l d p c 码与空时分组编码的级联方案( l d p c s t b c ) 进行了分析。 鉴于l d p c s t b c 在传统多天线系统中所体现的优越性，可以将l d p c s t b c 扩展 到了分布式通信系统中，所以本文提出了l d p c 编码的分布式空时合作系统 ( l d p c - d s t c ) 。在a f 模式下，该系统采用固定中继协议来实现，文章给出了多个 信号处理方案：而在d f 模式下，系统采用选择中继协议，并通过凿孑l l d p c 码以 及更换l d p c 码组的方式来实现。 论文其余章节安排如下：第2 章主要研究传统单中继和双中继d s t c 系统，然 后提出了带反馈的双中继d s t c 系统；第3 章主要介绍l d p c 码及其译码算法，并讨 论了u ) p c 码与空时分组编码( s t b c ) 的级联系统；第4 章提出了l d p c 编码的分布 式空时合作通信系统，并分别在a f 模式和d f 模式下说明了实现方法，同时探讨了 l d p c 码在d s t c 系统中的优化问题；第5 章对全文进行了总结。 9 浙江大学硕士学位论文 l d p c 编码的分布式空时合作通信系统 第2 章分布式空时合作通信系统 分布式空时合作( d s t c ) 通信系统最早是由l a n e m a n 提, q q , 的t z 0 3 a 该系统中天线 分布在通信网络中的各个用户节点上，这些节点可以作为中继，通过空时编码( s t c ) 帮助源节点传递信号到目的节点，所以亦称为分布式空时编码系统。一种合作分 集的方案是在时域上分为两个时隙，在第一个时隙，源节点使用不同的频段向中 继节点发送信号；在第二个时隙，中继节点使用与接收信号相同的频段，以空时 编码的形式转发在第一时隙接收到的信号。在高信噪比的情况下，该合作通信系 统能够实现完全的空间分集，即分集系数等于合作节点的数量。a n g h e l 和k a v e h 提出了采用a l a m o u t i 编码方案【2 1 j 的单中继和双中继d s t c 系统的具体实现方案 【1 5 】。【1 8 j 。在单中继d s t c 系统中，由源节点和中继节点在第二个时隙合作采用 a l a m o u t i 编码进行传输；而在双中继d s t c 系统中，则由两个中继节点进行合作。 但是在以上双中继d s t c 系统中，源节点没有被完全利用；如果目的节点在解码 时忽略第一个时隙接收到的信号，那么系统的分集系数将总小于2 2 2 o 为了充分 利用源节点，可以在双中继系统中加入合作节点的选择机制，所以我们提出了带 反馈的双中继d s t c 系统，从而使得系统性能得到很大的提高。 这一章首先对传统的单中继和双中继d s t c 系统 1 5 1 - 1 1 8 1 进行了介绍，然后分别 针对放大前向( a f ) 模式和译码前向( d f ) 模式下给出带反馈的双中继d s t c 系统的 实现方法。 2 1 分布式通信系统模型 图2 1 给出了双中继d s t c 系统的抽象模型。双中继d s t c 系统包含源节点s 、 目的节点d 和两个中继节点而，飓。对于单中继d s t c 系统，它可以看作是双中 继d s t c 系统的一个特例，即网络中的某个中继节点无法使用或退出了网络。所 有这些节点都仅配备一根天线。为了表示方便，我们将节点s ，r 1 ，r 2 和d 分别 标记为0 ，1 ，2 ，3 。节点i 到节点，之间的距离为磊，其信道由衰落系数来表 征。设定信道是时变平缓块衰落的瑞利信道，衰落块长度为厶相邻衰落系数是 相互独立的，且服从均值为0 ，方差为1 的复高斯分布。 一西1 一蜀岛 一一 图2 - 1 双中继d s t c 系统模型 1 0 d 浙江大学硕士学位论文l d p c 编码的分布式空时合作通信系统 在d s t c 系统中，假设所有接收节点均知道其前向信道状态信息( c s i ) ，目的 节点知道系统中所有信道的c s i ，而发射节点不知道后向信道的c s i 。系统中所有 节点都是同步的，中继节点在同一信道资源下只转发来自源节点的信号，而不发 送自带的信号。我们都假定中继节点在合作过程中是固定不动的。为了消除中继 节点的白干扰，中继节点使用不同的信道资源发送和接收信号，即输入信号和输 出信号在时域或者频域上是分离的。系统采用频分双x ：( f d d ) 方式，分配给中继节 点两个互不重叠的频段彳和口来分别进行接收和发送。在第一时隙中，源节点用 频段4 发送信号；如果源节点与中继节点需要进行合作，那么源节点s 就在第二 时隙用频段