（信息与通信工程专业论文）采用分布式turbo码的无线合作通信网络.pdf

浙江大学硕士学位论文 y87 7 2 7 1 y 采用分布式t u r b 。码的无线合作通信网络工采用分布式t u r b o 码的无线合作通信网络 采用分布式t u r b o 码的无线合作通信网络 摘要 合作通信使单天线用户通过与网络中其余用户的合作，在不增加额外发 送功率和扩展通信带宽的前提下，有效抵抗无线信道的选择性衰落，获取空 间分集增益，这种空间分集也被称作合作分集。常见的合作通信协议有放大 前向协议、译码前向协议和码的合作协议。本文详细分析采用这三种协议的 无线合作通信网络的性能，求出中断概率在高信噪比域的近似表达式，计算 合作分集指数，理论预测与仿真结果吻合。理论预测和仿真结果证明：从中 断概率角度考虑，这三类合作通信协议均能达到完全的合作分集增益。基于 中断概率在高信噪比域的近似表达式，讨论放大前向协议和译码前向协议的 合作伙伴选择策略和功率分配策略。 n 曲。码是信道编码技术的里程碑。迭代译码思想和基于概率的软译码方 法改变了信道编码技术的研究思想。空时分组码能提供空间分集增益，编译 码简单，易于实用。本文概要介绍t u r b o 码和空时分组码的编译码方法、理论 结果。推导n 曲o 。空时分组码系统基于概率的软译码方法，理论分析和仿真结 果证明t u r b o 空时分组码系统译码复杂度不高，性能优异，本文给出的译码算 法优于基于最小欧氏距离的算法近o 5d b 。 依据合作通信思想和t u r b o 码、空时分组码的编译码方法，提出不采用空 时分组码的级联分布式1 1 w b 0 码、采用空时分组码的级联分布式1 b o 码和不采 用空时分组码的凿孔分布式m b 0 码和采用空时分组码的凿孔分布式t u r b o 码 四种结构。推导瑞利准静态衰落信道下这四种系统在高信噪比域的误码率渐 进表达式。根据仿真结果，对这四种结构进行比较分析。 关键词：中断概率；合作通信；分集：t u r b o 码；空时分组码；无线网络 浙江人学硕十学位论文 采用分布式t u r b o 码的无线合作通信网络 w i r e l e s sc o o p e m t i v ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s w i t hd i s t r i b u t e dt u r b oc o d e s a b s t r a c t c o o p e r a t i v ec o 姗蚰u 1 1 i c a t i o ne n a _ b l e sm o b i l eu s e rw i t ho n et r a n s m i t t i n g a 1 1 t e m at oc o l l 曲o r a t ew i t ho t l e rm d b i l eu s e r si nm en e t w o r k s w i t h o u ta d d i n g a d d i t i o n a lt r a n s m i t t i n gp o w e ra 1 1 ds p r e a d i n gb a n d 、v i d t l l ，a l lt 1 1 em o b i l eu s e r sc a i l b e n e f i tf b mt m n s m i td i v e r s i t ya n de f r e c t i v e l yc o m b a tt h ee h e c t so fs e l e c t i v e f a d i n gi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h i ss p a t i a ld i v e r s i t yi sa l s oc a l l e dc o o p e r a d o n d i v e r s j 何t h i sd i s s e n a t i o nt h o r o u 曲1 ya 1 1 a l y z c st h ec o m m o n 锄p l i 母a n d - f o n a r d ， d e c o d e a n d f o r w a r da 1 1 dc o d e dc o o p e r a t i o np r o t o c o l sj nt e 咖so fo u t a g ee v e n t sa j l d a s s o c i a t e do u t a g ep m b a b i l i t i e s w ep u tf o r v v a r dt h e 印p r o x i m a t e de x p r e s s i o n si n h i g hs i 印a l - t on o i s er a t i o n ( s n r ) r e g i m ea n dc a l c u l a t ec o o p e r a “o nd i v e r s i t yo r d e l t h et h e o r e t i c a lp r c d i c t i o na g r e e s 谢ms i m u l a t i o nr e s u i t sv e r y 、v e l l 1 m e yb o t h d e m o n s 仃；l t et l l a tt h e s et l l r e ec o o d e r a t i v ec o 姗u n i c a t i o ns c h e m e sa c l l i e v ef u l l d i v e f s i t yg a i n s b a s e do nn l ea s y m p t o l j ce x p r e s s i o n so f o u t a g ep b a b i l i t i e si nh i 曲 s n r r e 西m e ，p a r t n c rs e l e c t i o ns t r a t e g i e sa n dp o w e r a 1 1 0 c a t i o ns 订a t e g i e sa r e d i s c u s s e d t h i b oc o d e sa r em i l e s t o n ei nc h 蛐e lc o d e s i t e m t i v ed e c o d i n gt 1 1 0 u g h t sa i l d s o rd e c o d i n gm e m o d sb a s e do np r o b a b i l i t yc h a n g e dt h e 咖d yp e 婶e c t i v eo f c h a n n e lc o d e s t h ep m m i s 访gs p a c e t i m eb l o c kc o d e sc a r ip r o v i d es p a t i a ld i v e 商t y g a i n sa i l dh a v es i m p l ee n c o d i n g d e c o d i n gs t m c t u r c t h eb a s i cs c h c m e sa 1 1 dt h e o r y a n a l y s i so f t u r b oc o d e sa n ds p a c e t i m eb l o c kc o d e sa i i n t r o d u c e d t h es o f t d e c o d i n gm e m o d sb a s e do np r o b a b i l i t yo ft h b o s t b cs y s t e ma r ef i r s t l yp r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a t1 1 u r b o s t b cs y s t e mh a sl o wd c c o d i n gc o m p l e x i t y a i l de x c e l k 眦p e d l o n a n c e t h ep m p o s e dd e c o d i n ga r i t h r n e t i ci ss u p e r i o rt ot h e a r i t i h n e t i cb a s e do nt h em i n i n l u me u c l i d e a nd i s t a i l c eb y0 5d b c 0 n c a t e n a t e dd i s l r i b u t e dt i l r b oc o d e sw i t l l o u ts p a c e - 廿m ec o d e s ，c o n c a t e n a t e d d i s t r i b u t e dt u r b oc o d e sw “h 印a c e t i m ec o d e s ，p u n c t u r e dd i 鲥b u t e dt u r b oc o d e s 谢t l l o u ts p a c e - t 油ec o d e sa 1 1 dp u n c t u r e d 出s t r i b u t e dt u r b oc o d e sw i m s p a c e t i m e c o d e sa r ea d v a n c e db yc o m b i n i n gc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nt h o u 兽灿sa n d e n c o d i n g d e c o d i n gm e t h o d s o f t u r b oc o d e sa | l ds p a c e - t i m eb l o c kc o d e s t h e t h e o r e t i c a la i i a l y s i so f d i s t r i b u t e dt u r b oc o d es y s t e mi se x t r e m e l yd i 蕊c u l t n eb 娃 e r r o rm t e ( b e r ) a s y m p t o t i ce x p r e s s i o n so f t l l e s ef o l l rs y s t e m sa r eb r o u 曲tf o n a r d o v e r r a y l e i 曲q u a s i s t a t i cf a d i n gc h a n n e l a 1 1 da c c o r d i n gt ot l l es i m u l a t i o nr e s u l t s ， t h c s ef b l l rs y s t 咖sa r ec o m p a r e da 1 1 d 柚a l y z e d k e yw o r d s ：0 u t a g cp r o b a b i l i t y ；c o o p e r a t i v ec o m m l l i l i c a t i o n ；d i v e r s i t y ；t u r b o c o d e s ；s p a c e t i m ec o d e s ；耐r e l e s sn e t w o r k s 儿一 浙江大学倾士学位论文 采用分布式t u b o 码的无线合作通信网络 a f ： a w g n ： b e r ： b l a s t ： b p s k ： c c ： c d t c ： c r c ： c s i ： d f ： f e r ： l d p c ： m i m o ： m p s k ： m r c ： o f d m ： p d t c ： q a m ： s a f ： s d f ： s i s o ： s n r ： s t b c c d t c ： s t b c p d t c ： s t b c ： s t c ： s t t c ： ) m a ： t u r b o s t b c ： v 从： u b ： 术语表 固定中继放大前向( 锄p l i f y 一柚d _ f o n v a r d ) 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 i ln o i s e ) 误比特率( b i te r r 讲t a 贝尔实验室分层编码( b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e ) 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 曲 码的合作( c o d e dc o o p e m t i o n ) 级联分布式m b o 码( c o n c a t e n a t e dd i s t 抽u t e dt u r b oc o d e s ) 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 ) 信道状态信息( c h a l l l l e is t a t ei n f o r n l a t i o n ) 固定中继译码前向( d e c o d e a n d f o n v a r d ) 误帧率f 舶m ee r r o rr a t e l 低密度校验码( 1 0 wd e n s i t yp a 打t yc h e c k ) 多输入多输出( m u l t i p l e j n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 多元相移键控( m u l t i p kp h a s e s h i f tk e y i n 曲 最大比合并( m a ) i m u mr a t i oc o m b i n i n 曲 正交频分复用技术( o n b o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nh 如l t i p l e x ) 凿孔分布式t u r b o 码( p l l i l c t i l r e dd i s t r i b u t e dt l l r b oc o d e s ) 正交幅度调制( q u a d r a t u r e 踟p l i t u d em o d u l a t i o n ) 选择中继放大前向( s e l e c t i o n 锄p l i 句一a 1 1 d f o n v a r d ) 选择中继译码前向( s c l e c t i o nd e c o d e a n d f o n a r d ) 单输入单输出( s i n 酉e i n p u ts i n 西e o u t p u t ) 信噪比( s i g n a lt on o i s er a t i o ) 采用空时分组码的级联分布式m b o 码 ( c o n c a t e n a t e dd i s t r i b u t e dt u r b oc o d e sw i t l ls p a c e t i m e d e s ) 采用空时分组码的凿孔分布式n 曲。码 ( p u n c t u r e dd i s t 曲u t e dt u r b oc o d e sw i t hs p a c e o i m ec o d e s ) 空时分组码( s p a c e t i m eb l o c kc o d e s ) 空时码( s p a c e t 曲ec o d e s ) 空时网格码( s p a c e t i m et r e l l i sc o d e s ) 时分多址( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) t u r b o 空时分组码( t u r b o s p a c e t i m eb l o c kc o d e s ) 虚拟天线阵列( v i r m a la 1 1 t e r u l aa 玎a y ) 一致上界( u n i o nb o u n 酃 浙江人学硕+ 学位论文 采用分布式r u r b 0 码的无线合作通信删络 1 1 研究背景 第一章绪论 第三代移动通信技术( 3 州g e n e r a t i o n ) 已经比较成熟，以宽带接入和分布式 网络为特点的下一代移动通信技术正逐渐成为研究的重点。下一代移动通信 网络e x tg e n e r a t i o n n e t w o r k s ) 以数据传输和图像传输为主，需要更高的带宽 和频谱利用率。由于无线频谱资源有限，无线网络f 与以i p 为核心的有线网络 逐渐融合。下一+ 代移动通信的关键技术有：1 ) 多输入多输出技术( m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ) ；2 ) 正交频分复用技术( o n i o g o n a lf 豫q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x ) ；3 ) 网络融合技术；4 ) 分组交换技术；5 ) 智能天线技术：6 ) 软切换技 术；7 ) 软件无线电技术( s o n w a r ed e n n e dr a t i o ) 。与前三代移动通信技术相比， 下一代移动通信的特点之一是重视利用空间。不过移动终端受功率、体积等 因素影响不可能采用多发射天线，限制了移动终端获取空间分集增益的能力。 合作通信技术融合m i m o 技术、分布式技术，可以使移动终端在单天线的情况 下享有空间分集增益，是目前研究的热点之一。合作通信网络技术的关键是 合作通信网络协议的建立以及对该网络协议的性能分析，合作通信网络的实 现需要分布式信源编码、分布式信道编码等技术。 1 2 研究动机 合作通信是一种思想，合作通信网络的目的在于提高频谱利用率、提高 通信质量、扩大网络覆盖范围和降低系统功耗，核心在于提出有效的合作通 信网络协议和对协议的理论分析和仿真实现。合作通信网络协议有多种衡量 标准，一个比较重要的衡量标准是中断概率【1 】。中断概率不考虑具体的编码 方式，能对合作通信网络协议性能进行较客观的衡量。最简单的合作通信网 络协议是固定中继放大前向协议。由于分析固定中继放大前向协议的数学复 杂性，目前国际上分析该协议性能的文献并不多，所得结论也有待进一步证 实。此外，固定中继译码前向协议和码的合作协议的研究结果也有待细化。 从中断概率角度对合作通信网络协议分析所得公式是合作通信网络的基本公 式，对功率分配策略和伙伴选择策略有重要指导意义。 合作通信网络协议是一个上层的传输框架，在具体实现时分布式信道编 码技术必不可缺。传统的信道编码技术是针对端到端通信设计的，并不适用 于分布式系统。凿孔技术提供了一种简便可行、将已有信道编码分布化的方 浙江人学硕+ 学位论文 采用分布式1 u b o 码的无线含作通信网络 法f 2 】。本文只考虑将t u r b o 码分布化的方法。m 。c e d t i 和z h a ob - n 首先提出 级联分布式t u r b o 码( c o n c a t e n a t e dd i s 仃i b u t e dt u r b oc o d e s ) ，系统缺点是合作 节点易产生译码错误【3 。t e h u n t e r 提出凿孔分筛式卷积码( p u n c t u r e d d i s t r i b u t e dt u r b oc o d e s l ，t e h u n t e r 的提议蕴涵了分布式系统的重要发展方 向：如何在合作节点处理信息才能避免错误传播并尽可能多的传输信息，不 过他对码的合作协议的理论分析结果不理想【4 】【5 】 6 】。 1 3 相关工作 a s e n d o n “s 最早提出合作通信的概念，通过合作通信可以提高传输速率 和通信质量，也为降低系统的总功率和提高系统容量提供可能【7 】 8 】。j ，n l a n e m a i l 将合作通信协议迸一步拓展和深化 9 】【1 0 】 “】 1 2 】【1 3 】【1 4 】，不仅提出 固定中继、选择中继和增量中继三种协议，还证明除固定中继译码前向协议 外，其余协议均能达到完全的分集增益。teh u n t e r 提出码的合作协议，尽管 所得结论仍有一定的争议，但码的合作协议将合作通信与信道编码结合起来， 具有指导意义。t e h u n t e r 从中断概率角度证明码的合作协议也可以达到完全 的分集指数。值得指出的是，无论j n l a n e m a n 还是t e h u n t e r ，他们的推导 过程都受l h 0 z a r o w 的影响，l h 。o z a m w 得出的一些结论对合作通信的研 究仍有重要意义【15 】。 合作通信网络容量的理论基础之一是m i m o 信道容量，i e t e l a t a r 详尽讨 论了高斯信道、瑞利衰落信道下m i m o 信道容量 16 】。m i m o 信道容量也是合 作通信网络最乐观情况下所达到的性能极限。当发送节点没有信道状态信息 ( c h a n n e ls t a t ei n 如n a t i o n ) ，空时编码( s p a c e - t i m ec o d e s ) 是达到m i m o 信道容 量、抵抗信道对信号旋转和衰落的有效手段。常见的空时编码策略主要有三 种：1 ) 贝尔实验室提出的分层空时编码( b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c et i m e ) ； 2 ) 空时网格编码( s p a c e t j m et r e l l i sc o d e s ) ；3 ) 空时分组码( s t b c ) 【1 7 】。前两者 综合编码增益、分集增益，译码复杂度较高。空时分组码没有编码增益，但 具有分集增益和较低的译码复杂度。vt a m k h 是空时分组码的提出者并对空时 分组码进行了较详尽的分析【1 8 】 19 】，b h a s s i b i 证明具有特定发射天线数目的 空时分组码能达到m i m o 信道容量【2 0 】。空时分组码也可以应用到合作通信网 络中，从而提高系统传输速率和鲁棒性。目前大多数讨论空时分组码与合作 通信协议相结合的文章仅给出仿真结果，并没有令人信服的理论分析。 c b e “d u 提出的t u r b o 码是编码界的突破 2 1 在当时引起极大轰动，是 逼近香农限的信道编码方法之一。不过c b e r r o u 仅给出仿真结果，并没有严 密的理论分析和解释。这激起许多学者的研究兴趣，j h a g e n a u e r 系统阐述 t u r b o 译码过程【2 2 】，将译码器的软输出分成三个部分：先验信息、信道信息 浙江人学碗+ 学位论文 采用分布式t u r b o 码的无线合作通信时络 和外部信息，为1 u b o 码的性能分析奠定基础，他根据交叉熵准则提出一种迭 代译码的中止准则。s b e n e d e t t o 提出均匀交织的概念，并利用一致上界技术， 给出了1 u b o 码的平均误码率上界【2 3 】。尽管t u r b o 码的研究文献很多，但对 1 u b o 码的“瀑布平层”和“错误平层”依然没有详尽的、令人信服的理论解 释。尤其在低信噪比的情况下，理论预测与仿真结果有很大的出入。t u r b o 码 的另一个研究方向就是简化算法。pr o b e n s o n 首先将t u r b o 译码运算在对数域 上进行，将译码过程所需的大量乘法运算转化为加法运算，极大降低了译码 复杂度，使t u r b o 码可以实用【2 4 】【2 5 】。 j h a g e n a u e r 首先提出凿孔技术【2 】，凿孔技术使码率可调，不过这是以牺 牲误码率为代价的。凿孔技术在自适应通信、多码率传输和不均匀保护方面 有重要应用价值。在合作通信中，凿孔技术也是t e h u n t e r 提出的码的合作协 议的重要部分，te ， i u n t e r 就是利用凿孔方法构造分布式卷积码。 1 4 本文的主要工作 对采用固定中继放大前向协议的无线合作通信网络进行理论分析，首次 得出b 类固定中继放大前向协议的中断概率在高信噪域的近似表达式，求出分 集指数，给出仿真结果。基于高信噪域中断概率的近似表达式，讨论固定中 继放大前向协议的功率分配策略和伙伴选择策略。 对采用固定中继译码前向协议的无线合作通信网络进行理论分析，得出 固定中继放大前向协议的中断概率和误码率在高信噪比域的近似表达式，求 出分集指数，给出仿真结果。基于高信噪域中断概率的近似表达式，讨论固 定中继译码前向协议的功率分配策略和伙伴选择策略。 首次推导t u r b o 空时分组码系统基于概率的软译码方法，推导过程和仿真 结果均证明，t u r b o 空时分组码系统译码复杂性低，性能优异。本文提出算法 比基于欧氏距离的译码算法性能优异o 5d b 。 对码的合作协议的无线合作通信网络进行理论分析，将t e h u n t c r 的工作 进一步深化，求出分集指数，给出仿真结果。提出四种采用1 b o 码的分布式 系统：不采用空时分组码的级联分布式n 曲。码系统( c d l ) 、不采用空时分组 码的凿孔分布式t u r b o 码系统( p d t c ) 、采用空时分组码的级联分布式码 系统( s t b c c d t c ) 、采用空时分组码的凿孔分布式1 、曲。码系统 ( s t b c p d t c ) 。首次分析这四种系统在准静态衰落信道下误码率上界，给出 仿真结果，并对仿真结果加以说明。 全文共分六部分：第一章绪论介绍研究背景、研究动机、相关工作和本 文的主要工作；第二章介绍合作通信网络的基础知识，包括信道模型、信道 容量、常见的分集方法和合并技术；第三章研究采用固定中继放大前向协议、 浙江大学硕上学位论文 采用分布式t u r b o 码的无线合作通信网络 固定中继译码前向协议的合作通信网络性能，得出中断概率在高信噪比域的 近似表达式，仿真验证。基于所得结果讨论功率分配策略和伙伴选择策略， 简要推导固定中继译码前向协议的误码率；第四章介绍丁u r b o 码和空时分组码 的基础知识，推导t u r b o 一空时分组码系统的译码方法，给出仿真结果；篼五章 提出采用分布式t u r b o 码的合作通信网络的几种传输协议，理论分析和仿真验 证；第六章全文总结和展望。从结构上看，第二章是全文所涉及的主要基础 知识；第三章的结论是采用固定中继协议的合作通信网络的基础，对网络协 议设计有重要指导意义；第四章的1 b 0 ，空时分组码系统是第五章提出的采用 空时分组码分布式t u r b o 码系统的基础；从理论分析角度，第五章是第三章的 继续；从实际系统构建角度，第五章是第四章的继续，第五章从理论和实际 系统设计两个方面构成了对采用码的合作协议的合作通信网络的整体论述。 浙江大学硕l 学位论文采用分布式t u r b o 码的无线合作通信翻络 第二章合作通信基础 对合作通信网络的研究可以从两方面入手：1 ) 高斯信道下合作通信网络的 信道容量问题；2 ) 合作通信网络抵抗无线信道选择性衰落的能力。尽管对前者 的研究有理论价值，但a s e n d o n 捌s 提出的合作通信的最根本目的是抵抗信道 的选择性衰落，合作通信更适用于选择性衰落信道。此外，对第一个方面的 研究结果也比较悲观，m g a s t p a r 证明：即使在采用理想的分布式信源信道联 合编码的情况下【2 6 】，合作通信网络的信道容量也仅与网络中节点个数的对数 成j 下比。实际信道往往存在选择性衰落，对第二方面的研究结果显示了合作 通信的极大应用价值。本文的研究集中在合作通信抵抗信道选择性衰落能力 上面，所需的基础知识是信道模型、信道容量和分集合并技术。 2 1 信道模型 无线通信工程师的任务就是克服恶劣的无线信道，进行满足一定要求的 通信，对无线信道的理解尤为重要。工程师常用信道转移函数刻画信道对信 号的失真，其参数有：频率、时间、发射多天线数、接收多天线数、发射节 点移位、接收节点移位、发射节点指向、接收节点指向【2 7 】。目前对时间和频 率方面的研究比较成熟，对后面诸多参数研究有待深化。这既是挑战也是一 种机遇：每个参量都会使本己十分复杂的信道更难以理解；每个参量的应用 又意味着多一维自由度，增加信道传输数据的能力。下一代无线通信的研究 重点之一就是考虑空间，提升系统的性能。 选择性衰落与相干性是描述无线信道最常见的两个术语。选择性衰落是 指：在一个感兴趣的窗口内，如果信道转移函数与时间、频率或空间有关， 则它具有选择性衰落。相干性是指：在一个感兴趣的窗口内，如果信道转移 函数与时间、频率或空间无关，则它具有相干性。 常见的选择性衰落有时间选择性衰落、频率选择性衰落和空间选择性衰 落。时间选择性衰落的最普遍原因是发射节点的运动或传播环境的严重散射。 如果在一段时间r 内，信道包络近似不变，称为相干时间。如果载波包络 以快于传输符号率的速度波动，信道被称为快衰落信道：如果载波包络以慢 于传输符号率的速度波动，信道被称为慢衰落信道。频率选择性衰落的最主 要原因是多径到达时延。如果在一段频率e 内，信道包络近似不变，b 称为 相干频率。如果相干频率小于传输信号带宽，信道被称为频率选择性衰落信 道：如果相干频率大于传输信号带宽，信道被称为频率平坦信道。空间选择 浙江大学硕士学位论文 采用分布式t u r b o 码的无线合作通信侧络 性衰落的最主要原因是多径到达方向。如果在一段距离口内，信道包络近似 不变，d ，称为相干距离。如果接收机移动的距离大于相干距离，信道经历小 尺度衰落。与小尺度衰落相对应的是大尺度衰落，大尺度衰落反映了路径损 耗和载波频率对信号衰落的影响。根据国际电信联盟给出的经验公式( 哈塔公 式) f 2 8 ，在一定的载波频率下，大尺度损耗的损耗与路径之间的公式为 上= 口+ ( 2 ” 其中，口是与频率、环境有关的常数，y 称为损耗因子( 衰落系数) ，与 环境有关的常数，一般为2 4 之间。 频率选择性衰落一般出现于宽带通信，可以通过r a k e 接收机或利用 o f d m 技术克服，本文暂不考虑频率选择性衰落的情况。时间选择性衰落在仿 真中有两种简单的近似：1 ) 快衰落信道，可以假设相邻两个符号的衰落系数独 立，这种信道称为瑞利选择性独立衰落信道( 独立衰落瑞利信道) ；2 ) 慢衰落信 道，可以假设在传输的一段时间内信道的衰落系数不变，相邻两段时间的信 道衰落系数独立分布，这种信道称为瑞利选择性准静态衰落信道( 准静态衰落 瑞利信道) 。实际环境中，快衰落信道并不常见，对慢衰落信道的准确仿真应 采用j a j ( e 信道模型。 瑞利选择性快衰落信道或独立衰落信道的信道容量可以用各态历经信道 容量也即香农容量刻画；瑞利选择性慢衰落信道或瑞利选择性准静态衰落信 道，不存在各态历经信道容量，信道容量用中断概率为e 的信道容量描述。 2 2 各态遍历信道容量 c e s h a n n o n 给出的信道容量是在如下条件下达到的：1 1 码字序列无限 长；2 ) 随机编码；3 ) 采用最大似然译码【2 9 】。s h 姗o n 信道容量是从统计角度给 出的信道所能承载信息的极限，t i l r b 0 码和低密度校验码( l o w d e n s 时p 莉t y c h e c k ) 等性能优异的信道编译码方法都与s h 锄1 0 n 思想吻合。信道容量是衡量 系统的一个重要指标。 高斯信道是最常用、晟简单的信道模型，独立衰落瑞利信道是最常见的 衰落信道模型，这两者的共同特点是存在s h 蛐o n 信道容量。根据信道输入信 号的种类，信道可以分为：离散输入连续输出和连续输入连续输出。对数字 通信而言，一般采用多元相移键控( m i l i t i p j ep h a s e s h i rk e y i n g ) 或正交幅度调 制( q l l a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 等方法，基带信号表达式是离散的，离散 输入连续输出的信道容量更有意义，对研究信道编码的性能更加直观，也是 本文对t u r b o 码仿真的理论基础。连续输入连续输出的信道容量是信道的极限 指标，参数只有信噪比和信道衰落系数( 衰落信道) ，不涉及具体编码方式，有 浙江人学硕上学位论文采用分布武t u r b o 码的无线合作通信网络 利于衡量系统所采用的通信协议性能。 2 2 1 单输入单输出( s i s o ) 信道容量 总体而论，无线通信系统是折中问题，为了取得某一方面的好处就要付 出一定的代价。 无线通信系统的常用衡量标准是误码率。将t 位信息比特的总能量固定： 巨。= + 毛，毛是每个信息位的能量，再将后位信息从不同系统发射，测量 各系统的平均误码率。这种方法的好处是：可以在能量约束的条件下比较不 同系统的性能。 通常，误码率与信道模型、符号能量和信道编码方式相关。若采用理想 编码，误码率仅是信嗓比的函数。信噪比定义为：删r ：= e 0 ，注意这里 使用的是信息比特能量与噪声功率之比，而不是输入信道的符号能量与噪声 功率之比。 为了降低误码率，必须采用信道编码方法。信道线性编码方法有分组码 与卷积码，实际上卷积码也可以看作是一种特殊的分组码。分组码的基本思 想是将女位信息比特编码成n 位码字( ” ) ，增加信息冗余度，使接收端可靠 译码。码率定义为：旯- 后序，则输入信道的符号能量三。= r + 毛。若采用8 路k 调制发射，则离散输入连续输出高斯信道模型如图2 1 。 x ( ，) _ 瓦列 ( o ，。) 图2 1 离散输入连续输出高斯信道模型 信道输入为二元符号，符号的电平幅度为e 。忽略时间系数，信道输 出为y = z + 胛，”服从均值为0 ，方差为n 的高斯分布。在发送x 的条件下， 接收y 的概率密度函数为： 科撕) = 矗c x p 卜挈卜， 按信道容量的定义： c 2 r ：簿7 ( 肖；y ) = r 糟 h ( x ) 一h ( x i y ) ( 2 3 ) 容易证明当媾概率分布，信道容量最大，此时h f x l ：1 浙江大学硕士学位论文 采用分布式t u r b o 码的无线合作通信网络 胃( j 伊，毒f m p ( w j j o 鲫( 石陟炒 = 静p f _ 华 l 0 9 2 卜p 卜等旷4 由于e = r 4 毛，得离散输入连续输出信道容量的表达式为： 一击唧( - 挈7 j 0 9 2 卜p 卜华肚s ， 上式没有闭式解，采用数值计算的方法，给定信噪比和码率可以计算相 图2 2 高斯信道容量 b m ， 图2 3 独立衰落瑞利信道容量 随着码率的降低，每个符号的能量要下降到胄t 毛，信道的容量也应随之 下降，但传输相同消息需要利用信道的次数为原来的l r 。由于在整个信息传 输时间内信息的总能量是固定的