（通信与信息系统专业论文）无线中继信道上的降噪转发策略研究.pdf

摘要 中继协作通信技术可以给系统带来巨大增益，因而受到了广泛的关注。无线 中继网络的物理层网络编码技术，可以在不损失分集增益的前提下有效地改善中 继网络的传输速率和吞吐量，是目前学术界的研究热点之一。 本文首先研究了基于两时隙无线双向中继衰落信道的系统模型下的几种新型 中继降噪转发方案，并分别介绍了方案的设计准则及算法。降噪转发方案中，中 继节点运用物理层网络编码，并且其编码方式随无线衰落信道状态的不同自适应 变化，并得到了背离传统的五维码字，设计了相应的5 q a m 星座调制。利用计算 机仿真比较了几种降噪方案的性能差异，并跟据基于最小距离网络编码的仿真结 果，讨论了节点具有多天线时的情况。 结合降噪转发策略设计准则，提出了一个新型的混合伪放大转发和最优四进 制网络编码的中继转发方案。为了进一步改进系统的误比特性能，文中将t u r b o 码应用于上述模型中，研究了软判决情况下几种中继转发方案的性能。最后将新 型降噪转发方案推广到多址接入中继信道，设计了一个结合信道编码及信道迭代 译码和调制迭代译码的多址接入中继系统。仿真结果分析了检测迭代次数对系统 性能的影响。 关键词：中继网络物理层网络编码协作通信降噪转发t u r b o 码 a b s t r a c t c o o p e r a t i v er e l a y i n gt e c h n i q u e sh a v eb e e ne x t e n s i v e l ya t t r a c t e di n w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sd u et ot h eh u g eg a i ni tb r i n g st ot h es y s t e m p h y s i c a ln e t w o r kc o d i n g u s e di nr e l a yn e t w o r kc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h et r a n s m i s s i o nr a t ea n dt h r o u g h p u to f t h en e t w o r kw i t h o u tl o s so fd i v e r s i t yg a i n w ei n t r o d u c es e v e r a ld e n o i s e - a n d f o r w a r d ( d n f ) p r o t o c o l sb a s e do nt w o w a y r e l a y i n gf a d i n gc h a n n e lw h i c ho n l yc o n s i s t so ft w os t a g e s ，a n dd e s c r i b et h ed e s i g n p r i n c i p l e s o fm o d u l a t i o na n dn e t w o r kc o d i n gt h a ts u i t e df o r t h eb cs t a g eb y c o n s i d e r i n gt h es u p e r p o s e dc o n s t e l l a t i o n sd u r i n gt h em as t a g e s i m u l a t i o ns h o w st h e p e r f o r m a n c ed i f f e r e n c e 1 h es c e n a r i ot h a tt h et e r m i n a l sh a v em u l t i p l ea n t e n n a si s d i s c u s s e db a s e do nt h es i m u l a t i o no fo n es c h e m e w ei n t r o d u c ea l li m p r o v e da m p l i f y - a n d - f o r w a r d ( a f ) s c h e m et e r m e dp s e u d oa f ( p a f ) a n dp r o p o s eas c h e m ew h i c ha d a p t i v e l ys w i s h e sn e t w o r kc o d i n ga n dp a f a c c o r d i n gt ot h ec h a n n e li n f o r m a t i o n i no r d e rt oi m p r o v et h eb e r p e r f o r m a n c eo ft h et w o w a yr e l a yc h a n n e l ，t h et u r b o c o d ei su s e do nt h em o d e la sd e s c r i b e da b o v e s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c e o f t w o - w a yr e l a yc h a n n e li sh i g h l yi m p r o v e dw h e nt e r m i n a l si ss o rd e c o d e d f i n a l l y ，w ef u r t h e ra p p l yo u rd n fp r o t o c o l si nm u l t i p l ya c c e s sr e l a yc h a n n e l ，a n d d e s i g nam u l t i p l ya c c e s sr e l a yc h a n n e ls y s t e mt h a tu s e db o t hi t e r a t i v e l yd e t e c t i o na n d d e c o d i n g s i m u l a t i o ns h o w s t h ep e r f o r m a n c eo f m u l t i p l ya c c e s sr e l a yc h a n n e li sh i g h l y i m p r o v e dw h e nt e r m i n a l si si t e r a t i v e l yd e t e c t e da n dd e c o d e d k e y w o r d s ：r e l a yn e t w o r k sp h y s i c a ln e t w o r kc o d i n g t u r b oc o d e c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n d e n o i s e - a n d - f o r w a r d 第一章绪论 第一章绪论 本章阐述了中继传输和协作分集在无线通信中的应用，介绍了无线双向中继 信道的几种信息传输模式，给出了本文的主要工作和以后章节的安排 1 1 引言 利用中继节点来帮助源节点转发数据，可以获得分集增益及额外的编码增益。 受到中继信道【2 0 】的启发，s e n d o n a r i 等人提出了协作分集 1 8 - 1 9 1 的概念。协作分集中 两个用户通过共享对方天线来传输各自的数据，这样每个用户只有一根天线的组 成的多用户通信系统中也可以提供发射分集。利用中继节点进行协作通信，可为 移动用户提供额外的空域分集增益来对抗多径衰落的影响，是近年来的研究热点。 现有研究结果表明：在慢衰落环境下，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。 协作分集和中继传输是一个崭新的研究领域，可应用于蜂窝移动通信系统、无线 传感器网络、无线局域网以及无线a dh o c 网络等多种场合。目前，中继节点上的 物理层传输技术的研究主要集中在中继节点上的网络编码技术、信道编码调制技 术等方面。下面首先介绍了适用于无线双向中继信道的几种传输模式。 1 2 无线双向中继信道信息传输模式 无线双向中继信道1 4 模型是无线网络通信的基本研究模型。其信道概念由 s h a n n o n 于1 9 6 1 年首次提出，就此展开了关于双向中继的相关的理论研究【5 1 。无 线双向中继信道的模型如图1 1 所示，它由两个源节点a ，b 和一个中继节点r 构 成，需实现源节点a 、b 间的信息互换。 模型中假设源节点a ，b 间的信道状况较差，不在对方节点的传播范围内，而 中继在两个源节点之间并且在两个源节点的传输范围之内。因此，中继r 仅作为 协作节点，帮助源节点a ，b 交换各自信息s 。，& 。本文假设所有的节点都是半双 工的，即每个节点都不能同时发送和接收信号。 2 无线中继信道卜的降噪转发策略研究 图1 1 无线双向中继信道模型：( a ) 传统传输模式；c o ) 直接网络编码模式：( c ) 两时隙传输模式 本节详细介绍了基于无线双向中继信道的几种信息传输模式：( a ) 传统传输模 式，( b ) 直接网络编码模式和( c ) 两时隙传输模式。 i 2 1 传统传输模式 图1 1 ( a ) 是无线双向中继信道的传统传输模式。该模式需要通过四个时隙完 成源节点a 和源节点b 间的信息交换。 在传统的无线通信网络中，将同时传输的信号所产生的叠加信号认为是干扰 信号。为了避免干扰，两路信号分两个时隙来分别传输各自的信息。e 分别是源 节点a 发送的信息，& 是源节点b 发送的信息。在传统传输模式中，两个源节 点首先分别占用一个时隙将信息s 。，& 发送到中继节点，中继节点再分别占用二 个时隙将信息s 。，& 进行转发。因此，源节点a 和源节点b 交间的信息交换需要 四个时隙来完成，中继转发效率为欺b = r b a = 1 4 。 第一章绪论 3 1 2 2 直接网络编码模式 图1 1 ( b ) 是无线双向中继信道的直接网络编码模式，它主要运用了无线网络 的广播特性。 图中咒，& 和& 分别是源节点a 、源节点b 和中继节点r 的发送信息。前两 个时隙，两个源节点分别占用一个时隙将信息配，发送到中继节点；中继处接 收到信息邑，& 后，将邑，品的信息进行模2 和，得到一个经过网络编码的数据帧 s r ： 叉= eo & ( 1 1 ) 其中，o 代表邑和& 的所有比特位都按位异或操作。 第三时隙，中继节点r 将网络编码信息& 广播给两个源节点。当源节点a 接收到& 后，可以根据自身信息和& 进行模2 和，恢复出源节点b 的信息： & 0 只= s ao & o 只= & ( 1 2 ) 同理，源节点b 可恢复出源节点a 的信息s 。 由上述传输过程可得，直接网络编码模式需要三个时隙完成源节点a 和源节 点b 间的信息交换，系统的转发效率为：r - a 3 = r b a = l 3 。这个模式的网络吞吐量 比传统传输模式提高了3 3 ，但是这个方案主要将网络编码应用于上层技术中， 没有考虑诸如调制和信道编码等物理层技术。 1 2 3 两时隙传输模式 图1 1 ( c ) 是无线双向中继信道的两时隙传输模式，该模式通过网络编码技术 和其他相关技术的结合，只需两个时隙即可完成源节点a 和源节点b 间的信息交 换。 第一个时隙，源节点a 、b 同时传送信息到中继节点r ；第二个时隙，中继 节点r 将接收的叠加信号转换为两个源节点信息的网络编码信息，再广播到两个 源节点。 对于第二个时隙中的“中继将叠加信号转换成网络编码信息”，有多种转换 方法，本文介绍两种具体的传输方案：多址接入方案和物理层网络编码方案。 多址接入模式：在多址接入模式中，中继节点首先根据接收的叠加信号分别 译码得到s ，墨，再将咒，品模2 和，得到配0 & ，进行编码转发。中继对叠加 信号的分别译码实质上是一个多址接入问题，中继首先将数据帧& 当作干扰信号 译出一个数据帧邑，再将译出的信号值只从中减去，译出品。当只，& 全部译出 4 无线中继信道上的降噪转发策略研究 时，将译出的信号进行处理，得到s 。o 是。 物理层网络编码方案：由于中继节点仅用于帮助两个源节点转发数据，它只 需要获得网络编码信息s 。o & 即可，并不需要两个源节点的各自具体的信息 s 。，& 去形成网络编码信息s 。0 & 。同时考虑到单独译出两个源节点的信息去获 得网络编码信息会带来一部分的性能损失，因此，中继可以根据接收的叠加信息 译出两个源节点的网络编码信息。 基于上述思想，s z h a n g ，s c l i e w 和p l a m 等设计了物理层网络编码 引( p h y s i c a l - - l a y e rn e t w o r kc o d i n g ，p n c ) ，他们将网络编码应用于物理层，可以 直接译出源节点信息比特的网络编码信息。物理层网络编码方案的转发策略如图 1 1 ( c ) 所示：第一个时隙，源节点a ，b 同时传输信息s 。，& 到中继节点；中继将接 收到的叠加信号通过解映射，译为网络编码信息并在第二个时隙广播给两个源节 点。也就是说，直接的网络编码方案的模2 操作可以通过一个物理层网络编码解 映射实现。 以b p s k 为例，中继节点的物理层网络编码的调制解调方法如表1 1 所示。 源节点发送信号的可能取值为l 忙1 ) 或1 ( 乒0 ) ，x 为比特信息。假设中继获得的 两个源节点的信号相位和幅度同步，忽略噪声，则接收信号y r 一1 , 0 ，1 。 中继希望可以直接得到两个源节点信息的模2 信息。当两个源节点发送的信 号相同的时候，模2 信息为0 ，中继的接收信号为+ 2 或2 ，因此，当接收的信号 幅度为+ 2 或者2 时，将把信号解映射为0 ；同理，当两个源节点发送的信号不同 的时候，模2 信息为l ，那么当中继接收的信号幅度为0 时，将信号解映射为l 。 表1 1b p s k 调制，物理层网络编码的调制解调映射 x a x as as b坛x r oo- l- 12o 0l- ll0l loil0i llll2o 采用物理层网络编码方案两个源节点交换一次数据需要两个时隙，系统的转 发效率为r a b 钮b a = 1 2 。可以看出物理层网络编码方案可以有效提高网络的传输 速率，增大网络的吞吐量。 1 3 本文的研究工作及内容安排 本文结合“新一代宽带无线移动通信网”国家科技重大专项“面向 i m t - a d v a n c e d 协作中继的网络编码技术研究”课题，采用分析与仿真的方法，研 第一章绪论 5 究了基于网络编码的协作传输技术。本文首先基于两时隙无线双向中继衰落信道 的系统模型，研究了该信道下的几种新型中继转发方案，将物理层网络编码和调 制根据信道状态，进行了联合设计；接着将信道编码运用到系统中，改善了系统 性能；最后将新型降噪转发方案推广到多址接入中继信道，设计了一个结合信道 编码及信道迭代译码和调制迭代译码的多址接入中继系统。 文章的主要内容和章节安排如下： 第二章着重介绍了两时隙无线双向中继衰落信道模型，针对该模型介绍了几 种不同的中继降噪转发模式，讨论了物理层网络编码和调制在无线中继衰落信道 上的联合设计方法，着重介绍了k p t 网络编码调制原理及5 q a m 星座图，并比 较了所介绍的几种中继降噪转发模式的系统性能。在结果分析中，还依据基于最 小距离网络编码的仿真结果，讨论了节点具有多天线时情况。 第三章首先介绍了伪放大转发的概念，并结合上一章中k p t 提出的新型降 噪转发策略思想，提出了一个新型的混合伪放大转发和最优四进制网络编码的中 继转发方案，同时将信道编码t u r b o 码运用到系统中，仿真验证了整个无线双向 中继系统性能的提高。 第四章中将新型降噪转发方案推广到多址接入中继信道，设计了一个结合信 道编码及信道迭代译码和调制迭代译码的多址接入中继系统。 第五章对全文进行总结，并给出了进一步可研究的方向。 第二章无线双向中继信道上的降噪转发策略 7 第二章无线双向中继信道上的降噪转发策略 本章针对两时隙无线双向中继衰落信道模型介绍了几种不同的中继降噪转发 模式，讨论了物理层网络编码和调制在无线中继衰落信道上的联合设计的方法， 着重介绍了k p t 网络编码调制原理及5 q a m 星座图，并比较了所介绍的几种中 继降噪转发模式的系统性能。 2 1 两时隙无线双向中继系统模型 如图1 1 ( c ) 所示。在多址接入阶段，源节点a ，b 同时传送信息到中继节点r ；在 广播阶段，中继节点r 将接收的叠加信号转换为两个源节点信息的网络编码信息， 再广播到两个源节点。第二个时隙，中继将叠加信号转换成网络编码信息，有多 种转换方法，本章采用物理层网络编码方案。 2 1 1 多址接入阶段 两个源节点( a ，b ) 分别进行调制，并同时发送给中继节点，本文采用基于 格雷映射的q p s k 调制。m 表示两个源节点处的q p s k 星座映射，来自a ，b 的 传输信号可以分别表示成= m ( 只) ，= m ( s b ) ，其中，咒，& z 。表示分别 来自a ，b 的每符号的数字数据， z 。= o ，l ，q - 1 ) 表示小于g 的非负整数。假设 q p s k 星座为单位能量并运用格雷映射。中继从多址信道接收的信号为： 坛= h a + 巩+ 乙 ( 2 1 ) 其中，矾，分别表示源节点a ，b 到中继的信道衰落系数。乙为高斯噪声，服 从均值为零，方差盯2 的高斯分布。 2 1 2 中继降噪转发 叫最两测 降噪网络编码 & = c ( 文，受) 调制映射 lx = 心( & ) 广 图2 1 中继处理接收信号过程 如图2 1 ，中继节点r 对接收信号砭进行处理，得到中继发送信号，具体 处理过程为： 8 无线中继信道卜的降噪转发策略研究 1 ) 通过一个最大似然联合检测，由坛得到e 和& 的估计值： ( 羹，文) 2 ( 呐a r g 阳m i 坳n y r 一( 矾m ( 而) + h b m ( s z ) ) 1 2 ( 2 2 ) 注意这里得到的配，& 并不一定是真正的咒，& 值。 2 ) 将估计矢量竟，文进行网络编码c ，得到数据& = c ( 吼，文) ； 3 ) 将& 进行星座映射，得到降噪信号以= m r ( s r ) 。 中继节点采用的网络编码算法c 及星座映射m 。的设计，将在2 3 节中进行讨 论研究。 2 1 3 广播阶段 中继节点将得到的发送信号x r 广播到两个源节点a ，b ，a 和b 的接收信号 分别为： 匕= h a + z a ，匕= 巩+ 乙 ( 2 3 ) 其中，乙，乙为高斯噪声，服从均值为零，方差仃2 的高斯分布。为简化处理，假 设两个时隙的信道状态是相互的。 假设中继节点成功转发，使得c ( 寞，& ) = c ( 邑，品) ，则源节点a 可以通过 自身信息邑进行检测，得到信号品： 岛= a r g m ，i n 阢一只鸠( c ( 邑，s ) ) r ( 2 4 ) s e 乙 。 同样，源节点b 也可以通过相同的方法得到源节点a 的信息，从而实现a ，b 间的信息互换。 2 2 中继处降噪映射及星座映射设计 由2 1 2 节可知，中继节点的降噪转发策略包含了两个部分：网络编码c 及星 座映射m 。的设计。对于这两者的设计，t 0 s h i a k ik o i k e a k i n o 、p e t a l o p o v s k i 和 v a h i dt a r o k h ( 以下简称k r t ) 三人在文【l 】 3 1 p 提出了关于双向中继网络信道 上的针对信号星座和网络编码优化的设计策略一降噪转发策略 ( d e n o i s e a n d f o r w a r d ) 。该协作方案的设计理念与传统的无线设计方案完全背离， 它不仅在信息理论意义上更在通信理论意义上带来了巨大增益。 中继节点的降噪映射网络编码设计主要是为了减少中继接收信号中两源节点 信号间的多址干扰，其设计准则如下： ( 1 ) 为保证正确译码，降噪映射c 必须符合专属定理( e x c l u s i v el a w ) ，如下： 第二章无线双向中继信道一i 二的降噪转发策略 9 ( 2 ) 为最小4 9 c ( s 爿，& ) c ( 寞，文) 时产生的错误概率，降噪映射c 应尽可 能增大两个映射成不同码字的点之间的欧式距离。因为多址干扰使得m a 阶段比 b c 阶段更能决定系统的性能，降噪映射c 的优化设计需尽可能的最小化m a 阶 段处不同码字间的成对差错概率。假设中继节点检测得到的数据对编码错误，即 c ( g ，s b ) c ( ，& ) ，此时的成对错误概率就可以表示如下： p r ( ( 以，品) 一( 邑，& ) ) = 三咖 其中平方欧氏距离： ( 2 6 ) 噍，品h 吼剐= l 吼1 2 i a ( s a ，竞) + y e 帕( & ，) l ， ( 2 7 ) ( & 9 ) = m ( 砷一川9 ) ，h b 吼= 7 e 甩，丫，0 分别代表信道的幅度比和相位差。总 的错误率是由所有可能的成对错误概率的加权和估计得到的。由上式可知，决定 总的错误率关键因素是最小平方欧氏距离( 以下简称最小平方距离) ： 吒n c ( 甄，躺吼。岛) 咯，品h 六，岛) ( 2 8 ) 因此，在设计降噪映射c 的过程中，以增加最小平方距离为准则。 基于文【l 】- 3 】，下面详述了从最简单的异或网络编码方式到k p t 三人提出的 降噪网络编码方式的具体设计方案及系统性能。 2 2 1 异或网络编码 异或网络编码( x o r ) 方式是最常见的，运用最广泛的网络编码方式。即降 噪映射c o ( 咒，& ) = 配 s b ，其中。表示异或运算。异或网络编码得到码字维数为 4 ，因此广播阶段的符号星座映射m r 可以和多址接入阶段的一样采用q p s k 调制。 $q 乙乙 屯墨 蒯删 乙乙 蕞 甍 墨是 唧 删 岛尼 是 ，p p d o c c * 瓷 & 是 c c 1 0 无线中继信道一卜的降噪转发策略研究 ( 钉以h 一= 1( b ) t t 一= j 图2 2 采用x o r 时不同信道状态下的中继接收信号星座图 如图2 3 所示，宰表示中继接收信号的星座叠加位置，其旁边的两位数字代表 对应e ，& 的取值。c 0 专i ( iz 。) 表示节点经过异或网络编码对应的编码后的码 字。由叠加星座图可以看出：当信道状态。= l 时，异或编码能很好的将临 近的且符合式( 2 5 ) 专属定理的序列对编码为同一码字。这样，即使中继最大似然 检测时错判成临序列对，源节点也能跟据自身信息正确判决得到另一个节点的信 息；而当信道状态以以= j 时，采用异或编码，临近的且符合式( 2 3 ) 的序列对 不能编码为同一码字。由上述分析可得，异或网络编码无法适用于全部的信道状 态。 2 2 2 最优四进制网络编码 当信道状态h b 也= ，时，其星座叠加图相当于原来的逆时针旋转9 0 度后与x 。的叠加图。因此，文【l 】中提出了一个适用于此时信道状态的改进x o r 方式： c l ( s a ，& ) = s ao 缈( s b ) ( 2 9 ) 其中吵( s ) 为9 0 度旋转操作( ( o ) = l ，v j ( 1 ) = 3 ，y ( 2 ) = o ，沙( 3 ) = 2 ) 。 如下图2 4 ( a ) ，当巩= 时采用改进的x o r 能达到图2 3 ( a ) 巩= 1 时相似的编码情况，将相邻的符合专属定理的信息对编码成相同的码字。 因此，文【l 】中争对中继信道只采用四进制网络编码情况，提出了一个最优的 四进制网络编码方案：当j t a n 纠l ( 彬= y e 埘) 时，中继采用异或网络编码c o ； 当l t a n 0 | l 时，中继采用改进的异或网络编码c i 。 第二章无线双向中继信道上的降噪转发策略 l l 图2 3 采用改进x o r 时不同信道状态下的中继接收信号星座图 2 2 3 基于最近邻簇的网络编码 如图2 4 ( b ) ，当玩巩= ( 1 + j ) 2 ， i p o = n - 4 ，y = l 乏时，采用上述的四 进制x o r 或改进的x o r 网络编码都不能完全将临近的序列对编成相同码字，四 维码字无法满足其需要。基于专属定理，此时最小的网络编码码字维数为5 ，如 下t c 3 ( 只，& ) = 0 ，f o r ( s a ，& ) = ( o ，o ) ，( 1 ，1 ) ，( 2 ，2 ) ，( 3 ，3 ) ) 1 ， f o r ( 邑，& ) = t ( o ，3 ) ，( 2 ，o ) ，( 3 ，1 ) 2 ， f o r ( 只，品) = 迎! 巡：三( 2 ，3 ) ) ( 2 1 0 ) 3 ， f o r ( s a ，& ) = ( 3 ，2 ) ，( 2 ，1 ) ( 1 ，o ) ) 4 ， f o r ( 只，& ) = ( 1 ，3 ) ，( 3 ，o ) ( o ，2 ) 上述的降噪映射就成功的将相近的序列对编成一簇，对应同样的编码码字。 因此，k p t 三人就文 1 l q ，提出了基于最近邻簇的网络编码设计算法，该算 法根据信道状态的不同，即日。h a = y e 旧取值的不同，设计对应的适合的映射码。 这些码字都满足专属定理，并尽量使信号( s 。，最) 与其最相邻的信号映射成同一个 码字，即成为一簇，从而增大不同码字间的最小平方欧氏距离，以提高系统性能。 该算法遍历信道比值情况0 y ，0 0 2 n ，得到了l o 种降噪映射码，分 别对于不同信道状态区域，如图2 5 。表2 1 给出了对应的1 0 种网络编码策略， 其中2 种为4 进制码，8 种5 进制码。 1 2 无线中继信道上的降噪转发策略研究 e 图2 4 根据信道比基于最近邻簇算法得到的自适应降噪映射选择图 表2 1 由提出的设计方法得到的十种最优降噪映射 s j s 口( 0 , 0 ) ( o ，1 ) ( 0 , 2 ) ( o ，3 )( 1 ，o ) ( 1 ，1 ) ( 1 ，2 ) ( 1 ，3 )( 2 ，o ) ( 2 ，1 ) ( 2 ，2 ) ( 2 ，3 )( 3 ，0 ) ( 3 ，1 ) ( 3 ，2 ) ( 3 ，3 )维数 c o ol23l03223ol32lo4 c 1 l302o2133l202o3l4 g o24l3024l3024l3o5 c 3 32olol 2 4l3 4o 4o325 c 4 2l04o43232l010435 g 2l30l4o23ol4o2435 6 6 l4204203203l03l45 glo 2 3 4 2 l0 o 4 3 i 23o 4 5 g 4ol2234 0 ol23 3 4015 c 9 03l2204l4l0334205 2 2 4 基于最小距离准则的网络编码 2 2 3 节提出的网络编码是基于最近邻簇的，且码字种类较多，五维码字所占 比例较高。由式( 2 6 ) 可知，决定总的错误概率关键因素是最小平均欧氏距离，并 且广播阶段的星座调制维数越低，星座点间的欧式距离越大，性能越好。因此， k p t 三人在文【l 】中又将基于最近邻簇的网络编码进行了优化改进，提出了基于 最小距离准则的网络编码设计算法： 1 ) 通过上述基于最近邻簇的网络编码设计算法，得到表2 1 中的l o 种最优 第：章无线双向中继信道上的降噪转发策略 1 3 码； 2 ) 在某种信道状态下，对这1 0 种最优码字，计算对应的映射成不同码字时 的平方欧氏距离，即当q ( 配，& ) q ( 以，) ( 其中q z i 。，( e ，& ) ( 包，文) z 4 z 4 ) 时，计算平方欧式距离d 【2 吼，岛h 邑，岛) ，将其存入1 0 种码字各自对应的距离集： 3 ) 取每个距离集中各自的最小距离响，g z l 。令这1 0 个最小平方距离 的最大值为： 丘= m 州a x d 2 ，； 4 ) 在所有码字距离集中选出包含亿的集合，选取其中对应基数最小的码字， 该码字即为此时信道状态下的编码方式； 5 ) 遍历信道状态比值0 7 0 0 ，0 秒2 r r 的情况，得处各个情况下对应的编 码码字。 该算法只关注于最大化最小平方距离，将最佳的网络编码数从1 0 种减为了6 种，并在很多信道状态下，尽可能地用4 进制降噪码代替了5 进制码。由上述改 进算法，遍历信道比值情况0 ，0 秒2 n ，得到6 种网络编码对应不同的 信道比巩h 。= y ( c o s o + j s i n o ) 分布如下图： 1 , s i n o ! i c 0 c o 2 丫c o s o 图2 5 根据信道比摹于最小距离准则算法得到的简化的自适应降噪映射选择图 1 4 无线巾继信道 ：的降噪转发策略研究 2 2 5 中继星座映射 2 2 3 4 节中设计的网络编码包含了4 ，5 两种维数。维数为4 的码字，中继可 以采用q p s k 进行星座映射：维数为5 的码字，其星座映射为非传统的码字。 为了降低螈( c ( 寞，品) ) m 。( c ( 只，& ) ) 或( c ( 邑，岛) ) 螈( c ( 只，& ) ) 时产生 的错误概率，设计中继节点星座映射m 。时，应遵循星座点的距离尽可能大的原 则。中继节点星座映射m 。的维数越低，星座点间的欧式距离越大。 为最大化星座点间的距离，文【l 】中根据球垛原理设计了一个非传统的5 q a m 星座图。对于维数为5 时码字，星座映射方式如图2 6 所示( 其中r = 3 , g ， 冠：8 以石) ： ；， ；。； 一每羔：萄青z ! 二， i 一，。：二。j 二，j - 、一。，。 ，、一 图2 6 由球垛原理优化设计的5 q a m 星座图 2 3 性能仿真及分析 为了解上述各个方案各方面的性能，本节对中继节点采用不同降噪网络编码 进行硬判决时的性能进行了仿真。仿真中。源：符点a ，b 码块长均为1 0 2 4 ，采用 q p s k 调制。两个源节点和中继间信道均为频率平坦瑞利衰落信道，中继已知与 两个源节点问的信道状态，源节点已知各自与中继问的信道状态。信道噪声是均 值为零，方差为盯2 的a w g n 信道噪声。 定义平均信噪比( a v e r a g es n r ) 为 e 陋。0 2 + l l g 口| | 2 2 0 - 2 。 图2 7 给出了中继：悔点对估计的源信号对采用不i 司的降噪网络编码方案时进 第二章无线双向中继信道，卜的降噪转发策略 1 5 行硬判决的误码率性能比较图，其中中继节点采用的降噪方案包含：单种异或方 式编码方案( 图中对应p u r ex o r ，即c o ) ；最优四进制网络编码方案( 图中对应 2c o d e s ，以下简称两码字) ；基于最近邻簇设计算法得到的网络编码方案( 图中 对应1 0c o d e s ，以下简称十码字) ；基于最小距离准则设计算法得到的网络编码方 案( 图中对应m o d i f i e d6c o d e s ，以下简称六码字) 。 图2 7 中继采用不同的网络编码方案的硬判决性能比较图 由图2 7 可以得到以下结论： ( 1 ) 提出的三种中继降噪方案性能都优于传统的单异或网络编码：采用最优 四进制网络编码方案、基于最近邻簇网络编码方案和最小距离网络编码方案，这 三种新型方案得到的误码率性能都比采用传统的单异或网络编码时要好。 ( 2 ) 基于将相近的码字集成一簇，过多采用五进制网络编码，并不能很好的 优化性能：在高信噪比下，十码字方案的误码率性能仅比两码字方案好0 4 d b 。 可见虽然基于最近邻簇网络编码方案引入十种码字交替选择，但片面的基于将相 近的码字集成一簇，使得广播阶段过多地采用5 q a m 调制，而5 q a m 调制相较 于q p s k ，最小平方距离缩小，影响了系统性能。 ( 3 ) 将最小平方距离作为设计准则，有效地提高了系统性能：k p t 基于最 1 6 无线中继信道上的降噪转发策略研究 小平方距离将算法改进后，得到的六码字方案误码率性能在高信噪比时比十码字 的要好0 6 d b 左右。可见，六码字方案不仅码字数比十码字的要少将近一半，而 且因其以衡量错误率的最小距离为设计准则，并尽可能的使用码字数较少的四进 制网络编码，因此其性能较十码字有一定的提高。 图2 8 给出了中继采用最小距离准则的网络编码方案时，六个码字分别产生 的误码率性能比较图。图中将c i ( i 0 ，1 ，3 ，5 ，7 ，9 ) 产生的误码比特数分别从总 错误比特数中剥离，除以采用c ：编码的总比特数，得到g 对应的误码率性能曲线 ( 图中对应c o d ei ) 。6c o d e s 对应曲线表示采用最小距离准则的网络编码方案时的 总误码率。 图2 8 最小距离准则的网络编码方案中各个码字对应的误码率性能 由图2 8 可以看出： ( 1 ) 中继采用六码字方案时，仅采用四进制码字c 0 时的误码率性能比总误码 率差。可见因c 0 码字所占信道状态区域最大，其与对应信道区域匹配性最差。 ( 2 ) 误码率为1 o e 一3 时，四进制码字c l 的误码率与总误码率相差1 0 d b 以上， 其性能远优于总的误码率。可见g 码字所占信道状态区域最小，其与对应信道区 域匹配性最优。 ( 3 ) 五进制码字c 3 、c 5 、c 7 、c 9 的误码率性能基本相同，仅与c l 相差2 d b 左 第二章无线双向中继信道上的降噪转发策略 1 7 右。该结果符合图2 6 中各个码字对应信道状态比的分布区域图。码字c l 所占区 域最小，且维数为4 ，与对应区域匹配度最高。码字g 、g 、c 7 、c 9 对应区域大 小相同，且维数为5 ，故性能相同，但因5 q a m 星座点间的距离比q p s k 要小， 故性能较c i 略差。 ( 4 ) 六种码字误码率性能为：b e r ( c , ) b 职( c 3 、c 5 、c 7 、g ) b e r ( c o ) ， 同样说明落在码字c l 区域的信道状态情况是最好的。 图2 9 为三个节点多天线时的性能仿真图，其中根据上图2 8 仿真结果及结论， 将系统改进： 简化起见，假设源节点a 、b 和中继的收发天线数都同为m 根。多址阶段， 源节点a ( b ) 在m 根天线上发送相同的信息，中继将m 路接收信息依据六码字 方案的得到信道状态好坏结论进行判断、选择，选取其中一组信道状况最好的天 线上的接收信号进行降噪处理并广播发送，即信道状态条件在图2 5 中对应码字 的选择顺序为：c 优先c 3 、c 5 、c 7 、c 9 优先c o ，将中继的这一操作称为选择性六 码字。最后源节点b ( a ) 采用最大比合并方式检测a ( b ) 的信息。 这里同时做了中继处的网络编码只采用异或方式时的性能仿真，为方便比较。 叱 山 a v e r a g es n r ( d b ) 图2 9 节点多天线时性能比较图 1 8 无线中继信道l 的降噪转发策略研究 如图2 9 给出了天线数m = i 、2 、4 的仿真结果。由图可看出：中继采用同种 编码方案时，随着天线数的增加，其系统误码率性能都有明显提高。其中采用异 或编码时，m 值为l 和2 问及2 和4 问的性能相差大致都为3 - 4 d b ，而中继采用 选择性六码字方案时，性能相差比异或编码时大很多，大致为6 - 7 d b 。在相同天 线数下，中继采用了六码字降噪方案的性能都比异或编码方案的要好很多，并且 随着天线数的增加，性能差距越来越大，甚至在高信噪比时，m = 2 的六码字性能 都比m = 4 时的异或性能要好。可见随着天线数的增加，中继处选择性的六码字方 案降噪性能越明显。 为进一步验证采用四进制或五进制网络编码，对性能的影响，以及自适应选 择性的六码字与各个单码字的性能差异，做了如下仿真。 图2 1 0 给出了六码字与中继只采用六个码字中的单个码字时的性能比较图。 同样，6c o d e s 对应曲线表示采用最小距离准则的网络编码方案时的总误码率，而 s i n g l ec o d ei 对应曲线表示中继只采用表2 1 中码字c 编码时的误码率。 a v e r a g es n r ( d b ) 图2 1 0 中继只采用单种码字时的误码率与最小距离准则网络编码方案的性能比较图 由图2 1 0 可以看出，中继只采用单种码字时，采用维数相同的码字间，其性 能几乎相同；采用四进制单码字( c 0 、c 1 ) 比采用五进制单码字( c 3 、c 5 、c 7 、c 9 ) 第二章无线双向中继信道卜的降噪转发策略 1 9 误码率性能略好0 8 d b 左右。由此验证了如下结论：广播阶段时，中的星座 维数越低，星座点间的欧式距离越大，系统性能越好。 2 4 本章小结 本章首先简单介绍了两时隙无线双向中继信道模型，并研究了该模型下的几 种中继降噪网络编码转发模式，并介绍了k p t 三人提出的新型降噪网络编码转 发方案，详述讨论了随无线衰落信道状态的不同，自适应改变物理层网络编码方 的设计方法，并介绍了相应的5 q a m 星座调制。 比较几种转发模式性能可知：中继采用最优四进制网络编码、基于最近邻簇 网络编码和最小距离准则的网络编码方案的性能都优于只采用异或网络编码。当 中继节点采用基于最小距离的网络编码时，不仅有效地消除了多址干扰，达到降 噪的效果，而且最大化了广播阶段的星座距离，具有最佳的性能。在结果分析中， 还依据基于最小距离网络编码的仿真结果，讨论了节点具有多天线时情况。 本章中只比较了源节点未编码时的各个降噪转发模式的性能，误码率性能较 差，且方案间的差距较小，不明显。因此，在下一章，将信道编码运用到双向中 继系统中，以改善系统性能并拉大方案间的性能差距。 第三章优化的降噪转发方案 2 1 第三章优化的降噪转发方案 本章结合第二章中k p t 提出的新型降噪转发策略思想，提出了一个新型的 混合伪放大转发和最优四进制网络编码的中继转发方案，同时将信道编码t u r b o 码运用到系统中，提高了整个无线双向中继系统的性能。 3 1 混合伪放大转发和网络编码转发方案 由第二章中仿真结论，并结合k p t 三人提出的优化网络编码方案的思想， 本节中提出的一个混合了伪放大转发( p s e u d o a m p l i f y a n d f o r w a r d ，p a f l 7 1 ) 和最 优四进制网络编码的中继方案( 以下简称混合方案) ，该方案中无需用到非传统的 5 q a m 映射。下面简单介绍了伪放大转发的概念及中继混合转发方案的设计。 3 1 1 伪放大转发 在传统的放大转发方案中，中继的发送信号为x 。= 口乓，其中当信号单位能 量时，口= l i 也1 2 + i 以1 2 + 盯2 。 而在伪放大转发方案中，中继将由最大似然联合估计得到的序列重构如下 立= 鸠( ) ，七 4 ，b ) 。中继的发送信号为 x r = h a x a + h b x b q 吣 其中，反表示一个伪信道系数，可取任意值。设置恰当的反，可以使得不可靠 的最相邻序列对可以自动簇成相近的信号，而使中继发送的降噪信号变得非常可 靠。因为中继的检测错误大部分情况下是将序列对错减成临近的星座点对应的序 列对，因此这里恰当的设定或= 以i 以1 2 + 1 1 2 ，方案就简化成了类似的传统 放大转发方案，但是它不包含噪声成分，也没有放大噪声。注意此处的丘并不一 定等于实际的信息五，故把该方案称之为伪放大转发方案。 3 1 2 混合伪放大转发和最优四进制网络编码方案 p a f 虽不会增加噪声成分，但采用上述方案，中继转发的信息不一定是实际 信息。由于功率分配，采用p a f 也会有一定的能量损耗，并且取定的反使得在 目的端检测信号时，两节点a ，b 必须完全已知信道状态信息。 无线中继信道上的降噪转发策略研究 由第二章中的最优四进制网络编码原理及仿真结果可以看出，最优四进制网 络编码方案适用于大部分的信道状态情况，并且较单异或网络编码时的情况，系 统性能已经有了较大的提高。只是当0 = 万4 等情况时，即两信源相位相差4 5 度角情况时，最优四进制网络编码方案并不能增大不同码字间的最小距离，进而 影响性能。 由2 3 节的降噪转法的设计准则可知，归结而言，最后决定总的成对错误率最 关键的因素是最小平方欧氏距离，在设计降噪转发过程中，也以增加最小距离为 准则。而由文【1 】中f i g 5 ( b ) ( 即图3 1 ) 所示的采用最优四进制网络编码时的最小 平方距离与信道状态关系图可以看出，除去原点附近，归一化的最小平方距离小 于l 的信道状态都位于图3 2 中四个圆中，若此处采用最优四进制网络编码，理 论的成对错误较大，这里将其称为信道状态条件较差区域；除此以外其他区域中， 最小距离均较大，此时采用最优四进制网络编码，理论的成对错误率值较小，因 此这里将其称为信道状态条件较好区域。 d 。2 2 l h 。i 二 图3 1 中继采用最优四进制网络编码时归一化的最小距离分布图 综上所述，提出了一个结合p a f 和最优四进制网络编码这两个方案优点的混 合方案：当信道条件较好时，即最小平方距离较大时采用最优四进制网络编码； 当信道条件较差时，采用p a f 方案。如下对应不同