（通信与信息系统专业论文）非理想协作通信系统及其联合迭代译码性能的研究.pdf

、 0 囊 n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f i n f o r m a t i o ns c i e n c ea n d t e c h n o l o g y r e s e a r c ho nn o n i d e a lc o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n s y s t e ma n d - 一 i t s1 0 i n ti t e r a t i v ed e c o d i n gp e r t h n n a n c e a t h e s i si n c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g y a n gx i u y u n a d v i s e db y p r o f e s s o ry a n g f e n g f a n s u b m i u e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g j a n u a r y ，2 0 1 0 m 6川5删752m 8 iiii_舢y lhi 一一 v t 可j， 卜 。， 各 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：扬杰之 日 期：翟f 旦：5 。l5： 1一 i r 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着无线通信的发展，协作通信技术引起学者的广泛关注。该技术可以使具有单根天线的 移动终端获得类似于m i m o 系统中的分集增益，其基本思想是在多用户环境中，具有单根天线 的移动终端可以按照一定的方式来共享彼此的天线，产生一个虚拟m i m o 系统。 近几年来，在协作通信领域中，大多数的研究是基于t u r b o 码和l d p c 码的理想中继协作 通信，即信源信息传送给中继节点时默认不出错，但在实际无线通信环境中，由于噪声的存在， 出错是不可避免的，中继节点重新编码传输信息时，进而造成错误扩散。可见，在非理想协作 通信环境下如何将信道编码方式与协作通信的理念相结合带来更大的增益设计出有效的协作 通信方案有很高的学术研究价值和现实意义。 本文的研究工作主要包括以下几方面： 1 在充分理解s h a n n o n 信道容量和有噪信道编码定理的基础上，着重从编码的角度研究协作 通信的几种基本的信道及其信道容量。 2 在点对点通信的环境下，研究了t u r b o 码和正规l d p c 码的编译码方式及其性能。 3 提出了基于t u r b o 码的理想和非理想中继协作通信方案。方案中在发送端使用卷积码编码， 而在目的接收端使用t u r b o 码进行译码经研究表明，在发送信源信息所需总功率相同的 条件下，协作通信优于点对点通信。可见，协作通信系统带来了一定程度的编码增益和分 集增益。在非理想中继协作通信环境下，分析了在中继节点处几种出错情况，并给予了相 应的补救措施。 4 主要研究了基于非正规l d p c 系统码的源节点到中继节点的通信链路无噪声的理想中继协 作通信系统和有噪声的非理想中继协作通信系统。提出了有效的联合迭代译码技术和新颖 的预译码技术，构造了非正规l d p c 系统码。在该协作通信方案发送端的编码阶段源节 点与中继节点使用不同的非正规l d p c 系统码进行编码，降低了两组校验序列的相关性， 其作用类似于t u r b o 码中的交织器。在目的接收端的译码阶段采用联合迭代译码，其类似 于t u r b o 码译码器中的串行级联和反馈机制，在译码的每一次迭代中都完成了两个子译码 器的信息传递。虽然由源节点和中继节点间的通信链路上信道条件的不理想给系统带来了 一定程度的性能下降，但通过协作通信及其联合迭代译码，编码增益和分集增益被充分利 用，显著地提高了整个系统的性能，充分体现了编码协作通信的优势 关键词：非正规l d p c 系统码，中继协作通信，联合迭代译码技术，预译码技术，联合校验矩 阵，编码协作通信 非理想协作通信系统及其联合迭代译码性能的研究 a b s t r a c t w i 廿lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，r e s e a r c h o nv a r i o u s c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e sa t t r a c t sg r e a ta t t e n t i o n t h i st e c h n i q u eo f f e r s am o b i l e t e r m i n a lw i 廿las i n g l ea n t e n n aa sm u c hb e n e f i to nd i v e r s i t ya st h a to f am i m os y s t e m r e g a r d i n gt h er e s e a r c ha r e a so fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n s ，m u c hc u r r e n tr e s e a r c hi sf o c u s e do n t h et u r b o l d p c - b a s e di d e a lr e l a yc o d e dc o o p e r a t i o nu n d e rt h ea s s u m p t i o no fe r r o r - f r e ed e c o d i n gf o r t h ei n c o m i n gs i g n a lf r o mt h es o u r c ea tt h er e l a y a c t u a l l ys u c ha h y p o t h e s i si sn e v e rp o s s i b l ed u et h e n o i s yc h a n n e lb e t w e e nt h es o u r c ea n dt h er e l a y t h u s ，i ti sr e a l l yac h a l l e n g er e s e a r c ht o p i co fb o t h p r a c t i c a la n dt h e o r e t i c a lv a l u et od e s i g na ne f f e c t i v ec o d e dc o p e r a t i o nt og e tm o r eb e n e f i t sf r o mt h e c o d i n ga n dd i v e r s i t yg a i n si na n o n - i d e a lr e l a yc o o p e r a t i o n t h em a i nc o n t r i b u t i u o n so f t h et h e s i sa 佗b a s i c a l l ys u m m a r i e da sf o l l o w s ： 1 f u l l yu n d e r s t a n d s h a n n o nc h a n n e lc a p a c i t ya n dn o i s yc h a n n e lc o d i n gt h e o r e m s m o r e i m p o r t a n t l y , w eh a v es t u d i e ds e v e r a lf u n d m e n t a lc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e l sa n dt h e i r c h a n n e lc a p a c i t yf r o mt h ev i e w p o i n t so fr a n d o mc o d i n g 2 u n d e rt h ep o i n t - t o - p o i n tc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t , w es t u d i e dt h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n g p r i n c i p l e so f t u r b oa n dl d p cc o d e s 嬲w e l l 豁t h e i rp e r f o r m a n c eo v e rt h en o i s yc h a n n e l s 3 t h ea u t h o rp r o p o s e si d e a la n dn o n i d e a lt u r b o - b a s e dr e l a yc o o p e r a t i o ns c h e m e s t h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo fc o d e dc o o p e r a t i o ni sm u c h b e t t e rt h a nt h a to fas i m p l ep o i n t - t o - p o i n tc o m m u n i c a t i o nw i t h o u tc o o p e r a t i o nu n d e rt h ei d e n t i c a l c o n d i t i o no f t h es a m et r a n s m i t t e dp o w e r 4 i n v e s t i g a t ei n - d e p t ht h ei d e a la n dn o n - i d e a li r r e g u l a rs y s t e m a t i cl d p c - c o d e dr e l a yc o o p e r a t i o n s a l t h o u g ht h en o n - i d e a lc h a n n e lb e t w e e ns o u r c ea n dr e l a yn o d em a yb r i n gs o m el o s st ot h eo v e r a l l c o o p e r a t i o ns y s t e m , h o w e v e rt h ep r o p o s e dn e ws t r a t e g yc l e a r l ye n h a n c e st h es y s t e mp e r f o r m a n c e b ye f f e c t i v e l yc o m b i n i n gt h eb e n e f i t so fc o d m ga n ds p a t i a ld i v e r s i t yi n t oo n es y n e r g yu s i n gt h e i n t r o d u c e dj o i n ti t e r a t i v ed e c o d i n gt e c h n i q u e k e yw o r d s ：i r r e g u l a rs y s t e m a t i cl d p cc o d e ，r e l a yc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n , j o i n ti t e r a t i v e d e c o d i n gt e c h n i q u e ，p e - d e c o d i n gt e c h n i q u e , j o i n tp a r i t y - c h e c km a t r i x , c o d e dc o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n h 。 v ， _ 瞄 i 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 数字通信系统的构成1 1 2 协作通信技术2 1 2 1 协作通信提出2 1 2 2 协作分集技术3 1 2 3 协作通信方式4 1 2 4 协作通信意义5 1 3 协作通信研究成果7 1 4 论文主要工作及内容安排。7 第二章协作通信基本理论9 2 1 有噪信道编码定理。9 2 2 协作通信的基本信道及其信道容量l8 2 2 1 广播信道1 9 2 2 2 高斯广播信道2 0 2 2 3 多址信道2 2 2 2 4 高斯多址信道2 3 2 2 5 中继信道2 5 2 2 6 高斯中继信道。2 6 2 2 7 多级中继信道2 7 2 3 本章小结2 8 第三章t u r b o 码编译码技术2 9 3 1t u r b o 码的编码技术2 9 3 1 1t u r b o 编码器的构成。2 9 3 1 2r s c 的结构和表示方法3 0 3 1 3 交织器3i 3 2t u r b o 码的译码原理3 2 3 2 1t u r b o 码译码器的结构3 2 3 2 2t u r b o 码的迭代译码原理3 3 3 2 3 迭代译码过程中外信息的计算3 7 3 3 加性高斯白噪声信道下t u d d o 码性能分析3 8 l i i 非理想协作通信系统及其联合迭代译码性能的研究 3 3 1 信噪比对译码性能的影响3 8 3 3 2 迭代次数对译码性能的影响3 9 3 3 3 交织器长度对译码性能的影响4 0 3 4 本章小结。4 0 第四章l d p c 码编译码技术4 l 4 1l d p c 码的基本原理4 l 4 1 1l d p c 码的校验矩阵日4 l 4 1 2l d p c 码的t a n n e r 图表示法4 2 4 1 3l d p c 码的子码表示法4 3 4 2l d p c 码的编码4 4 4 3l d p c 码的b p 译码算法及性能分析4 6 4 3 1u ) p c 码的b p 译码算法4 6 4 3 2 环路对b p 算法译码性能的影响。5 l 4 4 加性高斯白噪声信道下b p 算法的性能分析5 3 4 4 1 信噪比对性能的影响5 3 4 4 2 迭代次数对性能的影响5 4 4 4 3 码长对性能的影响5 5 4 4 4 码率对性能的影响5 6 4 5 本章小结5 6 第五章基于t u r b o 码的单中继非理想协作通信。5 7 5 1 基于t u r b o 码的单中继理想协作通信系统5 7 5 2 编码中继协作技术5 7 5 3 基于t u r b o 码的单中继非理想协作通信系统5 8 5 3 1 单中继非理想协作通信系统5 8 5 3 2 中继节点译码错误情况分析5 9 5 3 3 预译码技术6 l 5 3 4 中继协作通信系统中各种极限情况6 2 5 4 在b i a w g n 环境下基于t u r b o 码中继协作通信系统的性能分析6 3 5 4 1 理想单中继协作通信系统的性能分析6 4 5 4 2 非理想单中继协作通信系统的性能分析6 5 5 5 本章小结6 6 第六章基于非正规l d i ：，c 系统码的非理想中继协作通信及其联合迭代译码技术6 8 6 1 基于非正规l d p c 系统码的理想中继协作通信系统6 8 6 2 编码中继协作技术6 8 6 3 理想中继协作联合迭代译码技术7 0 i v f “ l l 南京航空航天大学硕士学位论文 6 4 基于非正规l d p c 系统码的非理想中继协作通信系统7 3 6 4 1 非理想中继协作通信系统7 3 6 4 2 预译码技术7 3 6 5 在b i a w g n 环境下基于非正规l d p c 系统码的中继协作通信系统的性能分析7 4 6 5 1 理想中继协作通信系统的性能分析7 4 6 5 2 非理想与理想中继协作通信系统的性能比较7 6 6 6 本章小结7 6 第七章总结与展望7 8 7 1 本文工作的总结7 8 7 2 后续工作展望7 8 参考文献8 0 j g 【谢8 4 在学期间的研究成果及发表的学术论文8 5 附录一8 6 l f t 录二9 ：! v 非理想协作通信系统及其联合迭代译码性能的研究 v i 图表清单 图1 1 数字通信系统的基本模型l 图1 2 协作通信方式示意图3 图1 3 协作通信的四种场景6 图2 4 中继协作通信的网络结构1 9 图2 5 中继信道。1 9 图2 6 广播信道1 9 图2 7 高斯广播信道2l 图2 8 多址信道2 2 图2 9 高斯多址信道。2 3 图2 1 0 高斯多址信道容量2 4 图2 1 l 三节点中继信道2 5 图2 1 2 多级中继信道2 7 图3 1 码率为l 2 的t u r b o 编码器2 9 图3 2 ( 7 ，5 ) 递归系统卷积码编码框图。3 0 图3 3t u r b o 码状态分配和状态3 i 图3 4 ( 7 ，5 ) 递归系统卷积码的编码器格状图3 l 图3 5 行写列读3 3 分组交织器3 2 图3 6 码率为l ：2 的t u r b o 码译码器3 3 图3 7 在不同信噪比下的译码性能。3 9 图3 8 在不同迭代次数下的译码性能3 9 图3 9 在不同交织器长度下的译码性能4 0 图4 1 正规l d p c 码a ( 9 ，2 ，3 ) 的t a n n e r 图4 3 图4 2 正规l d p c 码彳( 9 ，2 ，3 ) 的( 3 ，2 ) 子码4 3 图4 3 正规l d p c 码彳( 9 ，2 ，3 ) 经过列变换后的t a n n e r 图。4 5 图4 4b p 算法第二步中信息传播流程示意图4 9 图4 5b p 算法第三步中信息传播流程示意图。5 0 图4 6 正规l d p ca ( 8 ，2 ，4 ) 校验矩阵对应的t a n n e r 图一5 l 图4 7t a n n e r 图中两个长度为4 的环5 l 图4 8 长度为4 的环在校验矩阵中的表示5 2 f - 夕 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 9 长度为8 的环在校验矩阵中的表示5 2 图4 1 0b p 算法中信息在环中的传输示意图5 2 图4 1 l 正规l d p c 码0o o o ，3 ，6 ) 在迭代1 次下的译码性能。5 4 图4 1 2 正规l d p c 码0 0 0 0 ，3 ，6 ) 在不同迭代次数下的译码性能5 5 图4 1 3r = i 2 时，不同长度的l d p c 码在迭代1 0 次下的性能比较5 5 图4 1 4 不同码率的正规l d p c 码在迭代5 次下的性能比较5 6 图5 1 单中继理想协作通信系统示意图5 7 图5 2 单中继非理想协作通信系统示意图5 8 图5 3 中继协作通信系统中各种极限6 3 图5 4 通信链路h ，的信噪比分别为3 d b 、4 d b 时与理想协作及非协作三者比较6 4 图5 5 通信链路卅与通信链路州上信噪比相同与不同的比较6 5 图5 6 通信链路乙，信噪比为4 d b 的非理想协作与非协作的性能比较6 6 图5 7 通信链路，。，信噪比为4 d b 的非理想协作性能比较6 6 图6 1 理想中继协作通信示意图6 7 图6 2 非正规l d p c 系统码字a ( 5 ，1 0 ，2 ，3 ) 的t a n n e r 图6 9 图6 3 两个时隙目的节点d 处的码字合成过程6 9 图6 4 目的节点d 处的联合t a n n e r 图7 2 图6 5 非理想中继协作通信系统示意图7 3 图6 6 中继节点误码率为0 0 0 2 5 下的非理想协作误码性能比较7 5 图6 7 中继节点误码率0 1 l 下的非理想协作的误码性能比较7 5 图6 8 非理想协作改进后的误码性能比较。7 5 v u 非理想协作通信系统及其联合迭代译码性能的研究 g b c l d p cc o d e s b p b e r s n r n n g n b s c d m c m 魄p m i m o l l r a p p r s cc o d e s n s cc o d e s f d m a t d m a c d m a v i 注释表 g a 吣s i a nb r o a d c a s tc h a n n e l l o w - d e n s i t yp a r i t y - c h e c kc o d e s b e l i e fp r o p a g a t i o na l g o r i t h m b i te r r o rr a t e s i g n a lt on o i s er a t i o a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b i n a r ys y m m 矧cc h a n n e l d i s c r e t em e m o 叫l e s sc h a n n e l m a x i m u map o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y 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 l o g - l i k e l i h o o dr a t i o a p o s t e r i o rp r o b a b i l i t y r e c u r s i v es y s t e m a t i cc o n v o l u t i o n a lc o d e s n o n s y s t e m a t i cc o n v o l u t i o n a lc o d e s f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 高斯广播信道 低密度奇偶校验码 置信传播算法 误比特率 信噪比 加性白高斯噪声 二进制对称信道 离散无记忆信道 最大后验概率 多输入多输出 对数似然比 后验概率 递归系统卷积码 非系统卷积码 频分多址 时分多址 码分多址 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 数字通信系统的构成 第一章绪论 图1 1 数字通信系统的基本模型 图1 1 显示了一个基本的数字通信系统的功能框图和基本组成部分 信源的功能是将载有信息的消息传送出去，其输出可以是模拟信号，如音频或视频信号； 也可以是数字信号，如电传机的输出，该信号在时间上是离散的，并且具有有限个输出字符。 由信源产生的消息经信源编码器交换成二进制数字序列。理论上，应当用尽可能少的二进制数 字表示信源输出，换句话说，我们要寻求一种信源输出的有效表示方法，使其很少产生或不产 生冗余。将模拟或数字信源的输出有效地变换成二进制数字序列的处理过程称为信源编码或数 据压缩。由信源编码器输出的二进制数字序列称为信息序列它被传送到信道编码器。 众所周知信道中各种噪声和干扰是造成数字通信系统接收机误码的主要原因与信源编 码器的解相关作用相反，信道编码器则是对信源编码器输出的离散信息序列适当地添加冗余度 ( 或相关性) ，使接收机译码器具有自动纠检错能力，以降低比特( 或符号) 误码率。信道编 码的最终目的就是在发射信号功率，传输系统所占用的信道带宽和译码算法复杂度等因素的共 同制约下提高信息传输的可靠性。 信道编码器输出的数字信号通常不适合直接在信道中传输，而调制器的作用就是将该数字 信号转化成易于在信道中传输的模拟信号。调制器产生有一定时间宽度的，适合于传输媒质传 输的时间有限信号，所有有限信号组成信道符号集。因此信道编码器的输出被转换成该集合中 非理想协作通信系统及其联合迭代译码性能的研究 相应的信号波形。 信道的功能是承载和存储信息。它包括从调制器输入至解调器输出的所有硬件设备，传输 媒质和存储媒质。硬件设备中存在热噪声和各种非线性失真，而传输媒质会引入各种自然和人 为的干扰，存储媒质则容易受到损伤。如移动通信中的多径传播和信号衰落，光缆中的信号色 散，暴露在存储媒质表面的细小硬颗粒和读写设备不佳对存储媒质所造成的物理损伤等。由于 上述种种因素使得到达接收端的信号不可避免地产生失真，从而使解调器的输出出现错误。有 时为分析方便，我们亦把导致接收信号失真的各种干扰，噪声和失真从信道中分离出来等效为 一个如图1 1 所示的独立噪声源。 在接收端，解调器通常输出q 进制( q 2 ) 或模拟信号作为对受到噪声和干扰损伤的接 收信号的估计，随后信道译码器依据编码准则，信道特征和解调器的输出共同估计发射端所传 送的信息。如果将解调器的输出量化成两个电平，那么我们称之为硬判决解调，相应的译码过 程为硬判决译码。反之，如果将解调器的输出量化成q 个( q 2 ) 电平，我q n 称之为软判 决解调。作为软判决解调的一个极端情况，q = 0 0 意味着无穷量化或直接对解调器输出的模拟 信号进行采样。与软判决解调相应的译码过程为软判决译码。由于硬判决解调通常会造成信息 不可逆转的损失，因此对性能要求较高的通信系统一般均采用软判决解调。 同样信源译码器依据信源编码准则和信道译码器的输出共同估计发射端信源的输出，最终 将此估计输出传递给信宿( 用户) 。 1 2 协作通信技术 1 2 1 协作通信提出 随着当代社会对无线通信需求的日益增长，人们不断追求更高质量的无线传输速率和服务 质量。近年来，多输入多输出( m i m o ) 技术脱颖而出，理论研究表明该技术在提高无线通信系统 的可靠性和有效性方面发挥着极其重要的作用由于受到移动终端体积、功率、天线位置等因 素的限制，m i m o 技术很难直接在无线移动终端中得到应用。因此有关学者提出协作通信的概 念。其基本思想是利用网络中的多个用户可以通过协作共享彼此的天线，并向目的节点发送载 有相同信息信号，由于这些信号是相关的并经历了独立的信道衰落，接收端处可获得多个独立 衰落信号，因此协作通信达到了分集的目的。这种分集技术使得单天线终端在一个多跳无线 网中可以有效地对抗信道中的衰落。 协作通信系统网络如图1 2 所示，它具有一个天线终端( 或节点) ，一方面通过源节点( s ) 和 目的节点( d ) 之间的通信链路直接传输信息；另一方面，它把其他空间相邻终端作为中继节点限) 或协作伙伴，利用协作分集，与中继节点或协作伙伴上的天线就形成了一个虚拟天线阵列，每 2 卜 南京航空航天大学硕士学位论文 根天线都向目的节点发送源节点的信号，此时，即可将其看作虚拟m i m o 系统。该网就可以 利用它们把信息由r 向d 以多跳的方式进行可靠的传输。由于多跳操作可减少信号在长距 离传输时所经历的无线路径损耗从而节省功耗，协作通信技术既通过分布的天线阵获得了 空间分集，又结合多跳的方式从而带来节省功耗的优点。 图1 2 协作通信方式示意图 s ：s o u r 源节点 r ：r e l a y 中继节点d ：d e s t i n a t i o n 目的节点 1 2 2 协作分集技术 协作通信技术既不同于传统意义的空间分集技术也不同于以往的无线中继技术，而是目 的终端借助一个或多个协作终端天线形成虚拟天线结构或借助一个或多个协作终端中继转发信 息而完成通信的技术，所以凭借协作，协作通信网可以兼具多天线分集和中继通信的多种优势。 分集接收的基本原理是如果选取了一个信号的两个或多个独立的采样样本，这些样本的衰 落是不相关的，如果尸是单个样本低于一个给定电平的概率，那么，肘个样本同时低于该电 平的概率是，要远远小于尸。因而，由不同样本经过一定的策略而得到的发射信息比由任 一单个样本得到的发射信息要准确得多。 常见的分集方式主要有时间分集、频率分集和空间分集。时间分集主要是通过在不同的时 隙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个不相干的衰落信号 频率分集主要是通过使用许多不同的频率发送相同的信息来实现的。空间分集也叫天线分集， 其基本思想是利用空间上分离的多个发射信号的样本或多个接收信号样本( 来自多个不相关信 道) 来对抗多径衰落。 协作分集是空间分集借助协作通信而提出的一种分集技术【3 删。其基本思想是系统中每个 移动终端都有一个或多个协作伙伴( p a r t n e r ) 协作伙伴间有责任在传输自己信息的同时帮助 其伙伴传输信息，这样，每个终端在传输信息的过程中既利用了自己又利用了协作伙伴的空间 信道，从而获取了一定的空间分集增益l 钔 不同的无线通信系统，具有不同的性能要求，根据性能要求选择不同的分集技术或者把多 个分集技术结合起来使用 3 非理想协作通信系统及其联合迭代译码性能的研究 1 2 3 协作通信方式 在中继协作通信系统中，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 据中继处理方式的不同，一般有放大前向方式、检测转发方式和编码协作方式等。 ( 1 ) 放大前向方式 在该方式中，每个用户接收其协作伙伴发送过来的被噪声污染的信号，并对该信号进行放 大，然后将放大的带有噪声信号重新发送。基站将对用户及其协作伙伴传送来的数据进行联合 判决。尽管协作伙伴在进行放大时也放大了噪声但是基站接收到两个独立的衰落信号，最后 仍能作出较好的判决。 该方式由i 石t n e m a n 提出并进行了详细的分析p l 。其研究表明，在高信噪比时，在两个用户 的情况下，该方式可以获得的分集阶数为2 。假设该方式已知用户问信道系数，从而可以进行 最优译码，所以该方式必须进行必要的信道估计和信息的交换。对该方式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。总的来说，该方式还是一个比较简单的协 作方式，它便于分析，对于进一步理解后面的协作通信系统是非常有帮助的。 ( 2 ) 检测一转发方式 现以两个用户伙伴相互协作为例，用户首先尝试通过硬判决检测出用户伙伴的数据比特， 然后将检测出的比特重新发送。用户伙伴可以通过基站或者其它某些技术来指定。这样在实际 中，每个用户都有一个伙伴来为它提供第二条路径，从而形成空间分集。 检测转发方式的实例可以参考s e n d o n a r i s 发表的专著【7 l 【引。在该专著中分析了在码分多址 ( c d m a ，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 系统下的检测转发协作方式。在该方式中，两个用 户成对的进行相互协作。每个用户都具有各自的扩频码c i ( f ) 和c 2 ( f ) 。两个用户的数据比特分别 是巧，其中i = l 2 为用户索引号，刀表示信息的时间标记。因子岛，表示信号的幅度，体现了 对各个部分的功率分配。每个信号周期包括3 b i tf e - 隔。我们用五( ，) 表示用户1 的信号，而用五( r ) 表示用户2 的信号。于是可以表示为： 五( r ) = 【口l l 研1 c l ( f ) ，q 2 b ( 2 ) q c t ) ，q 3 研2 q ( f ) + 口1 4 鹰2 乞( f ) 】 ( 1 1 ) x 2 ( t ) = 【口2 噬1 c 2 ( f ) ，a 2 2 噬2 乞( f ) ，a 2 3 郡2 ) c ( f ) + 口2 噬2 c 2 ( f ) 】 ( 1 2 ) 在第一和第二时隙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 示为丘) 而在第三个时隙内，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对 于第一、二、三时隙，其发送的功率是可变的，根据上行链路和用户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q 进行的， 这样可以保持平均发射功率不变。简言之，当用户之间的信道状态较好时，更多的功率将分配 4 南京航空航天大学硕士学位论文 用于协作，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 这种方式简单易行且对信道状态具有自适应能力。但是该方式仍有不足之处：第一，用户 对协作伙伴信号的检测可能会失败，这时协作在基站进行的最后检测是有害的。第二，为了最 优译码基站需要知道用户之间信道的差错特性。 ( 3 ) 编码协作方式 编码协作是信道编码思想和协作的综合1 1 0 l t jj l 。其通过两条独立的信道来发送每个用户码字 的不同部分其基本思想是每个用户都将增加的冗余信息发送给其伙伴。当他们之间的信道非 常恶劣时，该方式自动恢复到非协作状态。该方式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。 在该方式中，协作用户在接收到用户所发送的信号后，首先对其进行译码，然后对译码器 输出的信息序列的估计值进行重新编码调制，再发送给目的终端。 三种协作方式进行对比，编码协作方式带来的协作增益最为突出，在高信噪比通信环境下， 提供的分集等价于两个发射天线和单根接收天线所产生的分集。前两种方式还存在一定的局限 性：首先前两种方式都包括一定形式的重发，并不能最好地利用可用带宽；其次，检测转发方 式可能会转发协作伙伴错误估计的信息，而放大前向方式传播协作伙伴的噪声；再次，这两种 方式为了在接收端得到最佳的最大似然检测，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，用户在发送协作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。而编码协作方式避免了这些局限性，通过信道编码设计来实 现协作，无需用户间的反馈，其性能远优于其它协作方式。 而对于编码协作方式来说，一个很自然的问题就是尽可能的设计一个好的编码方式。通常， 各种信道编码方法都