（通信与信息系统专业论文）基于ldpc码的协作分集研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着无线通信的发展，协作分集技术的研究引起广泛关注。该技术借助移动 终端的两个或多个协作伙伴的天线形成虚拟多天线结构来完成通信。通过协作， 用户之间可共享网络资源和用户资源，可以有效地克服阴影、衰落、提高系统容 量、改善系统性能，尤其对m i m o 技术实用化具有很大的应用价值。 本文讨论了协作分集的原理、特点以及低密度奇偶校验码( l d p cc o d e ) 的编 译码，在此基础上，对基于l d p c 码的检测一转发机制和编码协作机制进行了研 究。主要工作包括：第一，建立基于l d p c 码的检测一转发协作机制，该机制可 以明显降低系统的误码率，但是牺牲了带宽。第二，给出了一种基于l d p c 码的 编码协作机制，该方法可以弥补检测一转发协作机制的缺陷，在不增加带宽和系 统发射功率的前提下有效改善系统性能。m a t l a b 仿真表明，本文所作的工作到 达了预期的效果，具备了一定的应用价值。 关键词：l d p c 码，协作分集，检测一转发机制，编码协作 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t t h ea d v a n t a g e so fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yh a v eb e e nw i d e l ya c k n o w l e d g e d , w h i c ha l l o w s i n g l e a n t e n n am o b i l e st or e a pt h eb e n e f i t so fm i m os y s t e m t h em o b i l ew i r e l e s s c h a n n e ls u f f e r sf r o mf a d i n g ；b u tt r a n s m i t t i n gi n d e p e n d e n tc o p i e so fs i g n a lg e n e r a t e s d i v e r s i t ya n dc o m b a t st h ee f f e c t so ff a d i n ge f f e c t i v e l y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e so fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya n di t sc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e e n c o d i n ga n dd e c o d i n go fl o w - d e n s i t yp a r i t y - c h e c kc o d e ( l d p cc o d e s ) ，a n dt h e n p r o p o s e sas c h e m eo fd e t e c t f o r w a r dc o o p e r a t i v eb a s e do nl d p cc o d e sa n das c h e m e o fc o d e dc o o p e r a t i v eb a s e do nl d p cc o d e s a u t h o r sm a i nw o r ki n c l u d e st w op a r t s ：t h e f i r s ti sp r e s e n t i n gd e t e c t f o r w a r db a s e do nl d p cc o d e s ，t h ec o d ew o r dt r a n s m i t t e d t w i c eb yt h eb o mu s e r s t h eb e rp e r f o r m a n c ei m p r o v e s ，b u tt h eb a n d w i d t hw a s t e s ；t h e s e c o n di sp r e s e n t i n gc o d e dc o o p e r a t i v eb a s e do nl d p cc o d e s ：c o o p e r a t i o no c c u r s t h r o u g hp a r t i t i o n i n gc o d ew o r ds u c ht h a tp a r to f t h ec o d ew o r di st r a n s m i t t e db yt h eu s e r i t s e l f , w h i l et h er e m a i n d e ri s t r a n s m i t t e db yt h e p a r t n e r , t h e r ei s n or e p a r t i t i o n s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ep a p e r sw o r kh a sa c h i e v e da n t i c i p a t ep u r p o s ea n dp o s s e s s p r e f e r a b l ea p p l i c a t i o nw o r t h k e y w o r d s ： l d p cc o d e ；c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ；d e t e c t - f o r w a r dc o o p e r a t i v e ；c o d e dc o o p e r a t i v e u 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 协作分集技术的提出背景 人类社会已进入了信息时代，而现代通信技术是信息时代的基础和标志。经 过2 0 多年的高速发展，有线通信技术和有线网络已经达到了一个相当成熟的程度， 而无线通信技术和无线网络的快速发展只有近1 0 年的时间。随着社会的发展，人 们对无线通信的需求也在不断增加，主要体现在能够灵活、快捷、方便地进行可 靠的、快速地通信。现在已大规模运营的第二代移动通信系统( 简称2 g ) 是无线 通信系统的典型代表，它提供的主要业务是话音业务，以及一些辅助的数据业务。 随着人们对数据业务和其它多媒体业务需求地不断提高，第二代移动通信已经不 能满足需求。为了满足用户不断涌现的新需求，人们又研究开发新的无线通信系 统：第三代蜂窝移动通信系统、无线城域网( w m a n ) 、无线局域网( w l a n ) 、 卫星通信系统等【l 吲。新的无线通信系统各有特点，能在网络覆盖、数据传输速率、 终端移动性、用户接入灵活性等某个或某几个方面满足用户的需求，但都不能在 这几个方面同时很好地满足用户的需求。如果有种新的通信系统可以在网络间和 用户间进行协作，那么就能通过网络的资源和用户资源的共享，充分发挥各个网 络的优势，有效地提高网络性能，更好地满足用户的需求。这种采用协作方式进 行的通信被称为协作通信。通过网络资源和用户资源的共享，可以有效地提高网 络的性能。无线通信系统中的协作通信可在不同层次、不同网络和不同用户之间 进行，协作的方式和内容可多种多样，但其核心思想是资源共享。用户间的协作 分集是协作通信的一种方式，是目前协作通信研究的重点，是未来提高无线通信 系统性能的关键技术之一。目前学术界所说的协作通信多是指协作分集。 分集是无线通信中经常使用以抵抗衰落的一种方法。所谓分集，就是为保障 传输质量，发送端采取某种方法通过相互独立的衰落信道传输同一信号的多个副 本( 也称为分集分支) ，以降低接收端无法辨识信号概率的一种技术。目前主要包括 时间分集、频率分集、空间分集这三种典型的分集技术。典型的空间分集是在发 射端或接收端由空间上分开排列的多个天线或天线阵列来实现的。多个天线在物 理空间上分开一定的距离，使得各个天线接收的信号互不相关。在空间分集中， 发射信号副本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， 空间分集不会额外占用时间和带宽资源并可以与其他分集方式结合，这一特性对 于未来的高速无线数据通信是很有吸引力的。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 根据发射或接收是否使用多根天线，可以把空间分集分成两类：发射分集和 接收分集【4 】。接收分集是在接收端使用多个天线接收发射信号的独立副本，合理合 并发射信号的副本能够降低多径衰落的影响，并且提高总的接收信噪比( s n r ， s i g n a lt on o i s er a t i o ) 。发射分集则是在发射端使用多根天线，信号经发射机处理后 经多根天线辐射出去。 理想的m i m o 多天线系统要求相邻天线之间的间距要远大于电波波长，并且 多个收发天线之间的传输信道是不相关的，而由于质量、体积和功耗等的限制， 移动终端很难实现多个天线的安置。于是s e n d o n a r i s 等人提出了一种新的空域分 集技术协作分集 5 1 ，其基本原理是：每个单天线的移动终端都有一个或多个协 作伙伴( p a r t n e r ) ，它除了要传输自己的信息外，还要负责传输其协作伙伴的信息。 这样，相当于相互协作的移动终端共享了彼此的天线，构造了一个“虚拟 的 m i m o ，虚拟m i m o 因此得名。在协作分集系统中，每个终端在传输信息的过程 中既利用了自己又利用了其它终端的空间信道，从而获取了一定的空间分集增益， 实现了单天线移动终端的空域分集。在平衰落环境下，虚拟m i m o 可以扩大系统 容量，提高网络服务质量，改善系统性能。 1 2 选题意义 在无线通信中，信号是通过自由空间进行传输的。相比有线信道较为稳定的 信道条件，无线信道是随机变化的，同时还存在多径效应的影响，其主要的表现 形式是衰落。衰落是影响系统性能的重要因素。分集技术是一种对抗衰落十分有 效的技术。用多发送和接收天线技术实现空间分集的多输入一多输出( m i m o ： 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 ) 系统，在不增加系统带宽和天线发射总功率的情况 下，能几倍甚至几十倍地提高系统容量，对系统性能的改善十分显著。但是在诸 如蜂窝移动通信这样的系统中，终端设备( 如手机) 由于受到体积、重量、功耗 及成本等因素的限制，实现多天线技术较为困难：即使在终端设备上实现了多天 线，但由于天线间的距离不够远，也不能获得明显的分集增益。这样物理上的多 天线就只能在基站上实现，对系统性能的改善较为有限。为了能在终端上也能实 现多天线，协作分集的思想应运而生，其核心思想是通过在只有单天线的终端用 户间进行协作，以某种方式共享他们的发送天线，实现虚拟的多发送天线，获得 分集增益，改善系统性能。 协作分集按照信号处理方式分为放大转发模式( a m p l i f y a n d - f o r w a r d ，a f ) 、 检测转发模式( d e c o d e a n d - f o r w a r d ，d f ) 和编码协作模式( c o d e dc o o p e r a t i o n ， c c ) 。在放大转发模式中，每个用户接收它协作伙伴发送过来的带有噪声的信号， 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 并对该信号进行放大，然后将放大的信号发送向基站。对于检测一转发模式，用 户首先尝试检测出协作伙伴的数据比特，然后将检测出的比特重新发送向基站。 编码协作模式是信道编码思想和协作的综合，它通过不同用户的独立衰落信道来 发送每个用户码字的不同部分，当用户间的信道非常恶劣时，该机制自动恢复到 非协作模式，其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。 本文重点研究基于低密度奇偶校验码( l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c kc o d e l d p c ) 的检测一转发和编码协作等两种协作分集的机制，以及用户上行信道差异对性能 的影响。 l d p c 编码是由r o b e r tgg a u a g e r 博士于1 9 6 3 年提出的一类具有稀疏校验矩 阵的线性分组码，其长码性能接近香农限，并优于t u r b o 码。l d p c 编码是基于校 验矩阵定义和构造的，其校验矩阵为稀疏矩阵，也就是说：其校验矩阵大部分元 素均为零，只有极少量的非零元素。使用稀疏校验矩阵构造编码，有利于降低译 码复杂度。l d p c 码不仅性能良好，而且译码复杂度较低，结构灵活，是近年来信 道编码领域的研究热点，目前已广泛应用于深空通信、光纤通信、卫星数字视频 和音频广播等领域。l d p c 编码已成为第四代通信系统( 4 g ) 强有力的竞争者，而基 于l d p c 码的编码方案已经被下一代卫星数字视频广播标准d v b s 2 采纳。 1 3 协作分集的研究现状 协作分集的研究最早见于a s e n d o n a r i s 等人的文献中降7 1 ，他们提出了协作分 集的概念，并对协作分集的性能进行了研究。后j n l a n e m a n 等提出了一些协作 分集的方法瞒一，主要是放大转发方式和检测- j 专发方式，对系统性能和 协作的系统协议进行了研究。t e h u n t e r 等人提出了一种新的协作分集的方法： 基于信道编码的协作分集，并对协作分集的网络结构进行了研究0 0 q t l 。s t c f a n o v 等人对协作用户间信道不理想时的系统性能进行了研究【1 8 】。 协作分集技术目前已应用于晰f i 网络中，同时，它是w i m a x 工业标准的一 部分，也由3 g p pw c d m a 长期演化计划l t e 和3 g p p 2c d m ae v - d o 版本c 标 准所规范。可以说，该技术为m i m o 多天线技术走向实用提供了一条新的途径。 该技术可以扩大系统容量，提高网络服务质量，改善系统性能，同时，它也将在 一定程度上影响现有的商业模式。由于系统中的用户之间需要相互合作，而不同 用户各方面条件( 终端、信道条件、业务种类等) 具有不对称性，协作过程中某 特定用户的“所得和“所失 可能并不平衡，这就需要配备相应的流量计费系 统来进行均衡，根据统计的结果采取适当的方式对相对“得到 较多的用户进行 收费，同时对“付出 较多的用户进行相应补偿。也只有这样才可以驱动用户为 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 其他用户“付出” 1 9 1 1 2 0 1 。 目前，协作分集技术已逐渐向着商品化的方向迈进。2 0 0 6 年l o 月，北电网络 进行了业界首次利用虚拟m i m o 技术的无线传输试验。这一技术可以帮助移动运 营商大幅度增加宽带用户。对于4 g 运营商来说，这一技术意味着同样的投资可以 换来更大的收入。2 0 0 7 年5 月，诺基亚西门子合资公司目前已经与德国f r a u n h o f e r 电信研究所共同完成了虚拟多入多出技术( v t r t u a lm 蹦o ) 的测试，大大提高手机 数据传输速度，下一代无线高速l t e ( 长期演进) 手机的数据上传速度能够达到 1 0 8 m b s 。这些无疑都为运营商向4 g 移动通信技术演化提供了更加明确的途径。 1 4 论文研究内容以及章节安排 本文主要研究了基于l d p c 码的检测一转发和编码协作机制，以及用户上行 信道差异对性能的影响，章节内容如下。 第二章介绍协作分集技术的原理、特点及其分类，并对三种协作机制和四种 不同的分集接收方式进行了分析。 第三章讨论了l d p c 编码及其特点，并分析了码的构造与和积译码算法。 第四章研究了基于l d p c 码的检测一转发协作算法，并对此算法进行了仿真 和性能分析。 第五章分析了编码协作及其主要特点，给出了基于l d p c 码的编码协作机制， 并对此算法在不同的用户环境下进行了仿真和性能分析。 第六章概括性地总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作分集技术的原理和分类 第二章协作分集技术的原理和分类 空域分集也称为天线分集，其基本思想是利用空间上分离的多个发射信号样 本或多个接收信号样本( 多个不相关的信道) 来对抗多径衰落。近年来提出的多输入 多输f l j ( 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 i m o ) 天线技术，通过同时在接收端和发射 端安置多个天线，形成m i m o 信道结构，从而充分利用空域资源，大幅度提高了 信道容量。尽管m i m o 多天线技术具有明显的优势，并已逐渐被新一代无线通信 系统的主流协议所采纳，但却不适合在移动通信中应用。具体地讲，现有的多天 线都设置在基站端，而移动终端由于体积、质量、功耗等问题很难安置多天线。 2 1 协作分集技术原理及其特点 s e n d o n a r i s 等人提出了一种新的空域分集技术协作分集，使单天线的移动 终端也可以实现空域分集。它的基本思想是：系统中的每个终端都拥有一个或多 个协作伙伴( p a r t n e r ) ，协作伙伴之间有责任在传输自己信息的同时，也帮助其协作 伙伴传输信息。这样，每个移动终端在传输信息的过程中同时利用了自己和协作 伙伴的空间信道，从而获得了一定的空间分集增益。现有的研究结果表明：在平 坦衰落环境下，协作分集可以扩大系统容量，提高网络服务质量，改善系统性能。 由于协作分集中的协作伙伴共享彼此的天线，从而构成了虚拟的m i m o 多天线系 统，从这个意义上讲，协作分集为m i m o 多天线技术走向实用提供了一条新的途 径。 无线信道具有的多径衰落特性是阻碍信道容量增加和服务质量改善的主要原 因之一。分集技术可以通过在发射端发射多个信号样本，在接收端合并多个经历 独立衰落的信号样本，以对抗无线信道中的衰落。由于移动终端对体积、质量和 功耗的要求远比基站苛刻得多，所以在移动终端很难安置多天线。协作分集可以 使单天线的移动终端也可以实现空域分集：每个终端在传输信息的过程中既利用 了自己又利用了其它用户的空间信道，从而获得了一定的空间分集增益。 下图以两个用户之间的协作为例简单介绍一下协作通信： 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作分集技术的原理和分类 用疗m i 用尸m 2 图2 1 协作通信示意图 以无线蜂窝网络为例，小区中的每个用户都拥有一个协作伙伴( p a r t n e r ) ，互 为伙伴的两个用户除了要传输自己的信息之外，还要负责传输其协作伙伴的信息。 如图2 1 所示，两个用户m l 和m 2 互为协作伙伴，m l 除了要向基站( b s ) 传送自己的信 息外，还要把从m 2 接收到的信息发送给基站。同时，m l 的一部分信息也由m 2 接收， 并转发给基站。这样，用户1 与基站间就产生两条独立衰落路径：一条是m l 与b s 之间的直接传输路径；另一条是m l 通过m 2 到b s 间的间接传输路径。从本质上说， 协作分集就是希望借助于合作伙伴的天线，与其自身天线共同构造多发射天线系 统，并通过模仿传统的多发射天线分集来获得空间分集增益。 2 2 系统基本模型 设两个互相协作移动终端为巨，易，要发送的信息为彤，则系统模型如图 2 2 所示。 6 重庆邮电大学硕士论文第二章协作分集技术的原理和分类 l 图2 2 信道模型 每个用户都接收其伙伴发射的、经过信道衰落的加噪信号，并用该信号和自 己要传输的数据构成新的信号向目的端传输，目的端接收到的信号则是这两个用 户所发射信号的叠加。这一过程可以用如下的数学模型表示： y o ( t ) = q o 五( f ) + 局。五o ) + z o ( f ) ( 2 1 ) r , c t ) = l 五( f ) + z l ( f ) ( 2 2 ) y 2 ( t ) = k 2 五( ，) + z 2 ( f ) ( 2 3 ) 式中：y o ( t ) 、巧( f ) 和k ( ，) 分别为一个符号周期内，目的端、用户2 对用户1 发 送信号和用户1 对用户2 发送信号的基带模型；五( ，) 是用户f 的发射信号，其平均 功率为p t ( i = 1 ，2 ) ；互( f ) 分别是目的端、用户l 和用户2 接收端的加性噪声，服从均 值为0 、方差为已( f = 1 ，2 ) 的正态分布： k 盯 是各信道的衰落因子，保持至少一个 符号周期不变，形成非频率选择性衰落。通过上式可以看出，我们假定各个用户 不会再接收到自己发送的信号，系统可以精确同步以及各用户信道之间的状态是 可知的。 2 3 协作分集的分类 协作分集可以有多种分类方式，按照网络结构，协作分集可分为双跳协作和多 跳协作：双跳协作即从信源发出的信号经过一次协作即到达目的端；而多跳协作 则是从信源发出的信号经过多个阶段的协作后才能到达目的端。按照多址方式或 信道的正交方式，协作分集也可以分别在码分多址( c d m a ) 、时分多址( t d m a ) 和频分多址( f d m a ) 等模式下实现。此外，协作分集还可以按照是否要求精确的 同步分为同步协作系统和异步协作系统等。 在这里我们把协作分集按照信号处理方式分为放大一转发模式 7 重庆邮电大学硕士论文第二章协作分集技术的原理和分类 ( a m p l i f y a n d - f o r w a r d ，a f ) 、检测一转发模式( d e c o d e - a n d - f o r w a r d ，d f ) 和编 码协作模式( c o d e dc o o p e r a t i o n ，c c ) 。 2 3 1 放大一转发模式 放大一转发模式在概念上是最简单的协作方法。每个用户接收它协作伙伴发 送过来的带有噪声的信号，并对该信号进行放大，然后将放大的信号发送向基站， 图2 3 以用户1 为例介绍放大一转发模式。基站将对用户和其协作伙伴传送来的数据 进行合并判决。尽管协作者在进行放大时也放大了噪声，但是由于基站接收到两 个独立的衰落信号，最后也能做出较好的判决。 用户i 图2 3 放大一转发模式 该模式f l 了l a n e m a n 提出并进行了详细的分析。其研究表明，在高信噪比时，在 两个用户的情况下，该模式可以获得的分集阶数为2 。在放大一转发模式中，假设 该模式已知用户间信道系数，从而可以进行最优译码，所以该模式必须进行必要 的信道估计和信息交换。对该模式而言另一个挑战是对于模拟信号的抽样、放大、 重传并不是一个简单的技术。但是总的来说该机制还是一个比较简单的协作机制， 它便于分析和进一步理解后面两种协作机制。图2 4 、2 5 分别是放大一转发方式的 系统模型和信道模型。 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作分集技术的原理和分类 用户1 用户2 蓦i 净 l 鬯生q - i 放奎i 主 i l l 唧啊b 到 fi用户l全都码字j用户问ii 用户问l 用户2 全部码事! 1 信道l l 信通r 月 ： 等等 合并 上 解调 上 译码 输出 图2 4 放大一转发算法系统模型 图2 5 放大一转发算法信道模型 a f 系统中，基站接收到的信号可用式( 2 4 ) 表示： jk = 岛k 五+ 乙( 2 4 ) 【艺- p h 耐x + 乙 其中五= 岛k 五+ 乙，岛为用户l 发射信号符号能量，k ，k ，分别表 示用户l 到用户2 、用户l 到基站、用户2 到基站的信道衰落系数；z j r ，z 0 ，z 0 分 别表示用户1 到用户2 、用户l 到基站、用户2 到基站的噪声。为用户2 处的放 大倍数，如式( 2 5 ) 所示。 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作分集技术的原理和分类 = 岳忘 ( 2 5 ) 上式可见：发射功率与用户1 和用户2 的发送功率以及用户间信道情况有关， 如何分配磊和最，通过功率控制来合理利用功率也是未来研究的方向。 2 3 2 检测一转发模式 图2 6 以用户1 为例介绍了检测一转发模式。在该方法中用户首先尝试检测出用 户伙伴的数据，然后将检测出的数据发送向基站( 图2 4 ) 。协作伙伴可以通过基 站或者其它某些技术来指定。 用户2 酬 耸 用户l 图2 6 检测一转发模式 该模式首先由s e n d o n a r i s ，e r k i p ，和a a z a h a n g = 人提出。他们首先在一个c d m a 系统中使用检测一转发模式来发送协作信号。在该模式下，两个用户成对地进行 协作。每个用户都具有各自的扩频码q ( r ) 和c 2 ( t ) 。两个用户的数据比特分别是反刖， 其中扛1 ，2 为用户索引号，n 表示信息的时间标记。表示其伙伴对用户f 的检 测估计。因子珥，表式信号的幅度，体现了对各个部分的功率分配。每个信号周期 包括三比特间隔。我们用五( d 表示用户l 的信号，而用五( ，) 表示用户2 的信号。于 是可以表示为： 五( r ) = q 1 2 j f l q ( ，) ，a 1 2 2 j f 2 c l ( ) ，a 1 3 6 l ( 2 ) q ) + q 4 b 6 2 e 2 ( t ) ( 2 6 ) 砭o ) = a 2 l 噬n c 2 ( t ) ， a 2 2 噬2 乞( ，) ，口2 3 占i ”q p ) + 口2 47 2 ( 2 ) c 2 ( f ) ( 2 7 ) 换句话说，在第一和第二个时间间隔内每个用户都发送自己的比特信息。每 个用户都检测另外用户的第二比特( 表示为) 。而在第三个时间间隔内，两个用 户均发送自己第二比特和伙伴第二比特的线性组合，每一个用户的比特信息都乘 以自己的扩频码。对于第一、二、三时间间隔，其发送的功率是可变的，根据上 行信道和用户间信道之间的条件可以对相关的发射功率进行优化，该方法对信道 的状态具有自适应能力。功率分配是通过因子口f ，进行的，这样可以保持平均发射 功率不变。简单的说，当用户之间的信道状态较好时，更多的功率将分配用于协 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作分集技术的原理和分类 作，反之，当用户之间的信道状态不好时，用户协作的功率将减小。 这种信号处理机制较简单且对信道状态具有自适应能力。但是在这种机制下， 用户可能会转发对其伙伴错误的估计( ) ，这时协作对在基站进行的最后检测 是有害的。为了减少这种损害，我们可以用最佳检测器( 如最大似然检测器) 来 权衡使与用户间信道的误比特率( b e r ) 成比例。为了获得最优译码基站需要 知道用户之间信道的差错特性。 为了避免上面提到的差错传播问题，l a n c m a n 等提出了一种混合译码转发方 法，当衰落信道具有较高的信噪比( s n r ) 时，用户可以对其伙伴的数据进行译码， 而当信道具有低s n r 时，用户返回到非协作模式。l a n c m a n 提出的这种方案在信噪 比较高时，两个用户的检测一转发模式不仅和放大一转发模式一样，可以达n - 阶的分集增益，而且可以获得更低的误比特率( b e r ) 和误块率( b l e r ) 。 在以上两种协作模式的基础上，还有另外一类延伸，即增强中继。增强中继 是根据用户一基站间的信道质量来决定是否进行中继，一般的实现方式是，基站 以广播的形式发送一个反馈信息，然后用户和其伙伴根据反馈信息决定是否协作， 若基站认为信道质量较好，不需要进行协作，则用户发送下一部分信息，从而提 高了频谱效率。 以上放大一转发模式和检测一转发模式有一些局限性：第一，两种模式都包 括一定形式的重发，并不是对可用带宽最好的利用。第二，检测一转发模式可能 会转发对其伙伴错误估计的信息，而放大一转发模式传播其伙伴的噪声。错误的 传播会降低性能，特别是当用户间的信道较差时。第三，这两种模式为了在接收 端得到最佳性能所采取的最大似然检测需要知道用户间信道的误比特率( b e r ) 和信噪比( s n r ) 。最后，用户在发送其伙伴的模拟信号时有一定的延时，在实 际中，存储足够的信息来复制模拟信号是比较困难的。 2 3 3 编码协作模式 编码协作模式是信道编码思想和协作的综合。编码协作模式通过不同用户的 独立衰落信道来发送每个用户码字的不同部分。当用户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，图2 7 以用户l 为例介绍了编码协作方式。 用户将信源数据分为若干数据块，每一个数据块都增加了一个循环冗余校验 码( c r c ) 。假设每一数据块包含尺比特的信息( 包括c r c 比特信息) ，然后每 一个数据块与码率为尺的纠错码编码后，每一个数据块有n = k r 比特的信息。 两个协作用户将含有比特码字的数据发送周期分为两个阶段，我们称每一个阶 重庆邮电大学硕士论文第二章协作分集技术的原理和分类 段为一帧。在第一帧中，每一个用户发送一个码率足 r 的码字，该码字含有 m = k 冠比特的信息。每一个用户都接收并尝试对协作伙伴的数据进行译码，如 果译码正确( 由c r c 决定) ，用户则在第二帧中计算并发送其伙伴的第二部分，包括 ，个比特。否则用户将在第二帧传送自己的第二部分，也是个比特。这样每个 用户每个周期都是发送n = j r , + ，个比特。每一个用户仅在自己的信道中传播。 用户2 删脚 包 用户l 用户l 图2 7 编码协作方式 包， 用赳 她眈 图2 8 编码协作传输结构图 图2 8 为编码协作的传输结构图，我们把 定义为协作水平，即用户为协 作伙伴传送的比特数目与总传输比特数的比值。 通常，各种信道编码方法都可以用于编码协作网络中。例如整个码字可以是 分组码( 如l d p c 码) ，也可以是卷积码，或者是二者的结合。m 和的值可以通 过凿孔、乘积码或其他串联的形式得到。 用户在第二帧中的行为是独立的，并不知道它们自己的第一帧是否被成功译 码。因此，在第二帧的传输中有四种可能的情况( 图2 9 ) 。 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作分集技术的原理和分类 包 用户l 用户2 j 一， 用户1 信息嘉 全部译码成功 “芝：一 i 1 1 葛繇l ，夕鼍 冀一嘉 “烂：一 嘭。一： 冀篓：二 “笠：一 ，7 ，白砩 亲一二 图2 9 第二帧的传输中有四种可能的协作方案 在第一种情况中，在第一帧时两个用户都成功的检测到对方( 全部译码成功) ， 所以在第二帧中它们都传输其伙伴的，比特信息，可以达到完全增益。第二种情 况在第一帧时两个用户都不能成功的检测到对方( 全部译码失败) ，系统此时返 回到非协作模式。第三种情况，第一帧时用户2 可以成功的检测到用户1 ，但用户l 不能成功检测到用户2 ，或者相反( 部分译码失败) 。从而在第二帧时，两个用户 都传输用户1 的比特信息，用户2 的比特则不被传输。用户1 中两个独立的 t 和比特译码前在接收端可以得到最优的合并。 毫无疑问，在接收端，基站需要知道两个用户间究竟发生了上面那四个情况 中的那一种，从而来正确的对其所收到的信息进行解码。我们就此给出两种解决 方法。 第一种方法是，每一个用户在第二帧的时候顺带发送一个附加位，来向基站 说明其在第一帧对协作伙伴发送信息的检测解码情况。我们必须对这个附加位进 行严格的保护，例如，可以用重复编码来实现这一点。 另一种方法是，基站根据这4 种情况发生的相对概率，对这4 种情况进行连续 的解码，直到译码正确( 由c r c 决定) 。这种方法对整个系统的性能和码率并不 产生影响，但会增加接收端的复杂度。 1 3 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作分集技术的原理和分类 2 4 分集接收的分类 分集技术的关键在于信号经过不同用户独立的信道后，同时出现深衰落的概 率较小。使用分集技术的通信系统的性能通常取决于接收端将如何合并多个信号 副本来提高总的接收s n r 。因此，可以按照接收端使用的合并方法的类型对分集 方案进行分类。根据接收端实现的复杂性和合并方法所需的信道状态信息量，主 要分为四种合并技术，分别为选择合并、切换合并、最大比合并和等增益合并。 2 4 1 选择合并 选择合并是一种较为简单的分集合并方法。对于接收天线数为的接收分集 系统，选择合并方案的原理如图2 1 0 所示。该系统选择每个符号间隔处具有最大 瞬时信噪比( s n r ) 的信号作为输出，因此输出信号的s n r 等于最好输入信号的 s n r 。在实际使用中，由于s n r 很难测量，一般采用信号和噪声功率之和s + n 最 大的信号。 i 逻辑选择器 2 4 2 切换合并 输出 上 图2 1 0 选择合并 对于图2 1 1 所示的切换合并分集系统，接收机扫描所有的分集支路，并选择 s n r 在预设门限之上的特定分支。在该信号的s n r 降低到所设的门限值之下之前， 选择该信号作为输出信号。当s n r 低于设定的门限时，接收机开始重新扫描并切 换到另一个分支。该方案也称为扫描合并。 由于切换合并并非连续选择最好的瞬时信号，因此性能比选择合并可能要差 一些。但是，切换合并不需要同时连续不停的监视所有的分集分支，因此这种方 法实现较为简单。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的一 个信号。另外，合并时不需要知道信道状态信息。因此，这两种合并方案即可用 1 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作分集技术的原理和分类 于相干调制也可以用于非相干调制。 i扫描切换单元 2 4 3 最大比合并 输出 上 图2 1 1 切换合并 最大比合并是一种线性合并方法。在一般的线性合并过程中，各个输入信号 分别按权加在一起得到输出信号。加权因子的选择可以有多种方式。图2 1 2 给出 了最大比合并分集的原理框图。 上 输出 图2 1 2 最大比合并 输出信号为所有接收信号的加权副本的线性组合。此加权和为： 。 ，= q ，： ( 2 8 ) j l l 式中，是第f 根接收天线的接收信号，口f 是第f 根接收天线的加权因子。在最大 比合并中，选择每个天线的加权因子与其信号电压和噪声功率比成正比。设4 和旃 分别代表接收信号r 的幅度和相位。假设每根天线具有相同的平均噪声功率，可以 得到相应的加权因子 口j = 4 e 一 ( 2 9 ) 由于此方法能达到最大的输出信噪比鼢浓，因此也称为最优合并。己经证明 最大输出信噪比s n r 等于单个信号的瞬时s n r 的和。此方案中各信号必须同相， 并且用各自相应的幅度加权后求和。由于此方案需要知道信道衰落幅度和信号相 位的信息，因此只能用于相干检测的场合，而不能用于非相干检测。 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作分集技术的原理和分类 2 4 4 等增益合并 等增益合并是一种次优，但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，而是按照下式将加权因子的幅度设为单位值l 。 a j = p 一 ( 2 1 0 ) 采用等增益合并，即所有的接收信号经相位变化后用等增益相加。等增益合并的 性能只是在边缘上比最大比合并差，而其复杂性要比最大比合并低很多。 2 5 本章小结 本章主要介绍了协作分集的基本原理和特点，并建立协作分集系统的模型， 对协作分集的三种主要方式进行了介绍，最后对选择合并、切换合并、最大比合 并、等增益合并四种主要分集接收方法进行了介绍。 1 6 重庆邮电大学硕士论文 第三章l d p c 码的编译码 第三章l d p c 码的编译码 本章主要讨论了l d p c 码及其编译码算法。1 9 6 2 年，1 l g g a l l a g c r 提出了低密 度奇偶校验( l d p c ) 编码，该编码是基于校验矩阵定义和构造的一类线性分组码， 其校验矩阵为稀疏矩阵，即：其校验矩阵大部分元素均为零，只有极少量的非零 元素。在接收端，使用和积算法( 又称信度传播算法) 对该编码进行译码【2 l - 2 4 。 3 1l d p c 码的编码算法 3 1 1 线性分组码的生成矩阵和校验矩阵 低密度奇偶校验编码是一类线性分组码。一个长度为玎，码率为k n 的线性分 组码可以采用k 刀的生成矩阵g 来表示。信源序列s ( s 为k 1 的列矢量) 经矩阵 作用t ：= g t s 得到码字t ( t 为k 1 的列矢量) 。如果编码为系统码，则矩阵g 具 有标准形式，g 兰l i 。ipl ，编码出的码字前k 个符号与信源符号相同。此处 c = aib 表示矩阵c 划分为分块矩阵的形式，矩阵c 由分块矩阵a 和b 构成，i 。 为七k 的单位矩阵。另外，线性分组码还可以使用维度为一后) 刀的校验矩阵h 来加以描述。设m = 刀一k ，如果编码为系统码，则校验矩阵具有h = i pi 。l 的形 式。校验矩阵的每一行确定了该编码的一个线性约束，该编码的每一个码字都满 足此线性约束。注意到h g t = 0 ，设接收矢量为r ，则有 h r = h ( t - f e ) = h g t s + h e = h e ：= z ( 3 1 ) 此处e 为错误图样，z 为r ( 或e ) 的伴随式矢量。译码器的任务就是根据该 伴随式矢量以及信道特性寻找出发送端最可能的发送的码字。这里我们假定信道 接收解调后的信号矢量送入信道译码器之前已经进行判决。本文使用l d p c 码的 和积译码算法进行译码时，一般不需要预先进行判决。和积算法只需要将每一信 道符号的后验概率密度输入译码器即可进行译码，并寻找出最可能发送的码字。 3 1 2 二进制规则l d p c 编码 i l g g a l l a g e r 于1 9 6 0 年他的博士论文中提出低密度奇偶校验编码时，虽然也 考虑了基于群码的多进制l d p c 码，但主要研究的还是二进制规则码。l d p c 编码 采用校验矩阵来定义和构造，其校验矩阵h 除了极少量的非零元素外，主要由零 1 7 重庆邮电大学硕士论文 第三章l d p c 码的编译码 元素组成。g a l l a g e r 采用三个参数疗，p 和g 来定义长度为忍的( 万，p ，q ) 二进制规则 l d p c 编码，其校验矩阵h 每行所含“1 的数量相同，都为q ；其每列所包含“1 的数量也相同，都为p 。同时还需要满足条件p 3 。注意到矩阵所有行所含“l 元素数量之和应与其所有列所含“1 元素数量之和相同，应有m q = n p 。如果校 验矩阵h 为满秩矩阵，则编码码率r = 一m ) n = l - p q 。如果h 的秩为p ，则该编 码的码率r = 仰一p ) n 。下图是g a l l a g e r 给出的一个( 2 0 ，3 ，4 ) 规则l d p c 编 码示例【2 l 】。 图( 3 1 ) ( 2 0 ，3 ，4 ) 规则l d p c 编码 l d p c 码是基于校验矩阵来定义和构造的，如果编码长度刀和码率盘已经确 定，同时又给定了每行包含“l 的数量g ，则编码构造的任务就是构造一个稀疏 二进制m 拧满秩矩阵h 。，使矩阵每行恰含g 个“1 ，每列恰含p = 肼q n 个“l 。 此处m = ( 1 - r ) 刀。 当矩阵h 。构造出来之后，采用高斯消元法行初等变换和列置换可以化为系统 码形式的校验矩阵h 。= 卜p ii m 】，从而得到生成矩阵g 兰 i kp 】。同时，记矩阵h 为矩阵h 。在高斯消元进行标准化过程中每进行一次列置换，对应进行相应列置换 得到的结果。定义矩阵h 为我们所构造出来的l d p c 码的校验矩阵。容易知道， 矩阵h 和原矩阵h 。的稀疏程度完全相同，其所定义的编码仅仅是码元位置具有差 异，因而也具有完全一致的h a m m i n g 距离特性。现使用矩阵g 就可以实现l d p c 的编码。 3 1 3 二进制非规则l d p c 编码和多进制l d p c 编码 r g a l l a g e r 最：初提出的低密度校验编码主要考虑的是规则码，即编码校验矩阵 每行或列的重量( 不为零的元素数量) 都相同。后来，人们发现非规则的l d p c 码( 即：每行或列的重量不一定相同) 的性能可以比规则码的性能优异。在此基 1 8 一一 l o 0 o 0 - 1 0 0 0 0 1 1 0 o 0 o 重庆邮电大学硕士论文 第三章l d p c 码的编译码 础上，人们发现当码长和码率给定时，校验矩阵的行重量分布、列重量分布以及 校验方程总重量对于l d p c 码的性能的影响至关重要瞄呓州。 近年来，多进制l d p c 编码引起人们的很大的关注并已经取得了许多研究结 果。多进制l d p c 编码相对于二进制编码具有或者可能具有以下一些优点。首先， 节省有限的无线信道带宽资源，可以与多进制调制直接结合完成l d p c 编码调制； 如果采用二进制l d p c 编码和多进制调制，则在发送端我们需要完成二进制向多 进制转换，在接收端还要将叠加了噪声的信号转换成等效二进制调制的似然比信 息才能送入l d p c 译码器以完成译码。按照信息论的观点，处理环节的增加有可 能会造成额外的信息量损失。从复杂度方面来看，虽然多进制l d p c 码的译码比 二进制码的译码复杂，但对于同样长度的信源序列的编码，二进制l d p c 的编码 长度是q 进制编码长度的l o g ，q 倍，在很大程度上减少了二进制码译码复杂度的优 势。而且，如果q 是2 的整数次幂，基于有限域g f ( q ) 的l d p c 码译码还具有快速 算法。另外，对于长码，l d p c 码无论在译码复杂度还是性能方面都优于t u r b o 码； 但对于短码，t u r b o 码仍优于l d p c 码。多进制的l d p c 码的短码则有希望能够在 性能和译码复杂度优于t u r b o 码。 3 2l d p c 码的译码与和积解码算法 3 2 i 树图和因子图 l d p c 编码可以采用和积算法( 即信度传