基于重叠调制的自适应编码协作通信.doc

第11A期孙岳等：基于重叠调制的自适应编码协作通信65基于重叠调制的自适应编码协作通信孙岳，李颖，王新梅（西安电子科技大学 综合业务网国家重点实验室，陕西 西安 710071）摘 要：提出了一种新的自适应编码协作传输分集方式，协作用户基于基站的有限反馈，选择性地将中继信号与本地信号进行重叠调制，基站对接收到的信号采用多用户检测然后译码。在相同的系统带宽和发送总功率下，与传统的协作传输方式相比，该方式下用户的发送功率可以在本地信号和中继信号间得到有效的分配。瑞利块衰落信道下的性能仿真表明，该方式下的系统性能可获得有效提高。此外对信号重叠系数对协作系统性能的影响进行了分析。关键词：协作通信；传输分集；重叠调制；块衰落信道中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1000-436X(2008)11A-0062-04Adaptive coded cooperative communication basedon superposition modulationSUN Yue, LI Ying, WANG Xin-mei(State Key Lab of Integrated Service Network, Xidian University, Xian 710071, China)Abstract: A new coded cooperative diversity scheme based on adaptive superposition modulation was presented. Each user superposed the relay and the local signals adaptively on the basis of the limited feedback of the destination. Multiuser detection was adopted at the destination before decoding. Compared with traditional cooperative scheme, the power could be allocated between the relay and local signals effectively. Simulation results show that the performance can be improved high on the block Rayleigh fading channel in the same system bandwidth and transmitting power. Furthermore, the effect of superposition coefficient on the system performance was analyzed.Key words: cooperative communication; transmit diversity; superposition modulation; block fading channel1 引言收稿日期：2008-09-10基金项目：国家高技术研究发展计划（“863”计划）基金资助项目（2007AA01Z215）；国家自然科学基金资助项目（60502046）；高等学校学科创新引智计划资助项目（B08038）Foundation Items: The National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (2007AA01Z215); The National Natural Science Foundation of China(60502046); National 111 Program of Introducing Talents of Discipline to Universities (B08038)无线通信中多天线（MIMO）技术可提高系统的容量以及获得传输分集。MIMO技术可以有效地应用到蜂窝网和无线局域网，但是由于受到体积、成本或硬件等因素的限制，移动终端并不适于多天线技术。例如无线ad hoc网络节点和无线传感器网络节点等。因为这些限制，最新无线领域中的传输分集研究主要集中于协作通信的研究。单天线用户通过共享自己的天线和其他无线资源，可构成一个虚拟的多天线协作系统。协作分集被广泛认为是一种抵抗移动衰落信道中衰落影响的有效方式。协作通信大致可以归为下列三种模式：放大中继模式、检测中继模式和编码协作模式。Nosratinia等第一次研究了基于RCPC码的编码协作通信方式1，证明了将经典的信道编码和协作分集相结合在各种信道状态下可显著地改善系统的性能，并对编码协作通信的理论性能进行了分析。 Larsson等研究了基于信号重叠调制的无线传输分集技术3。文献4,5在他们的基础上提出了基信号重叠调制的编码协组分集方式。本文给出了一种新的信号重叠编码协作通信模式，通过协作通信中基站对协作用户引入有限的反馈，协作用户可自适应的将中继信号与自己的本地信号进行信号重叠调制，使得用户总功率在两用户信号间得到有效的分配。这样编码协作系统的性能会得到很大提升。2 系统模型这里考虑两个节点T1和T2与一个共同目的节点D间的无线协作通信系统。节点处于半双工通信模式，即在同一时间节点不能同时发送和接收。在每一时隙，节点T1和T2依次发送自己的信息到节点D。对每一节点，信息比特经过编码后，在协作模式下恰当地经过两条独立信道传输。两节点用户在第t个时隙产生的信息分组计为和。在编码协作下，每一分组被编码两次，一次是在源节点作为本地分组，另外一次是在协作节点作为中继分组。对于信息分组，相应的码字为和。类似的对于信息分组有码字和。自适应信号重叠编码协作分集处理如下。设在第t个时隙的第一部分，节点T1处于协作状态，节点T1将本地码字和前一时隙节点T2的中继码字分别调制生成本地和中继信号，并传输两个信号的欧式叠加信号。中继信号和本地信号在叠加前分配有不同的功率，但两信号的总功率保持不变。假设节点T1的叠加因子为，则节点T1将自己总功率的一部分用于中继。在本地信号和中继信号都采用BPSK调制下，协作模式下节点T1的发送信号为(1)由于本地信号和中继信号分配有不同的功率，所以两个BPSK信号的加权叠加构成一个不对称的4-PAM星座，如图1所示。图1 节点T1进行重叠调制假设节点T1发送的信号被节点T2和D通过两个独立的块衰落信道接收到。节点T2从接收信号中减去中继信号，该信号对节点T2是已知的。然后从的噪声衰落信号中译出。节点D观测到一个非对称的4-PAM信号，然后通过软解调（MAP）计算出和的对数似然比。对数似然比计算如下(2)这里是节点D的接收信号，是联合解调的两个符号，h为无线信道的增益，表示噪声每维的方差。和是符号和的先验概率。这里认为解调时无任何先验信息，即。节点D将的似然比屏蔽掉，将的似然比送入一个高码率码的译码器进行译码，并将是否正确译码的结果通过一个信息比特及时反馈给节点T2来调整节点T2在下一时刻的发送信号。这里译码结果正确与否可通过CRC校验来实现。如果节点T2译码成功，且节点D反馈给节点T2的关于分组的译码结果为错误，则在时隙t的第二部分，节点T2转为协作模式，由正确译得信息分组编码生成中继码字，将其和本地码字分别调制生成中继和本地信号，并传输两个信号的欧式叠加信号。节点T2的叠加因子为。如果节点T2对节点T1的分组的译码结果为错误，或节点D反馈的关于分组的译码结果为正确，则节点T2转为非协作模式，节点T2将自己全部的功率用于本地码字的调制信号的发送。图2 节点D对的译码为了使该协议能有效工作，节点T1（或T2）必须告知节点T2（或T1）自己发送的分组是否包含重叠数据。这可以通过在每一分组包含一个标识信息比特来实现。该信息比特的引入对整个分组的长度的影响几乎可以忽略。这里认为该标识比特总能被正确接收。假设在第t个时隙的第二部分，节点T2处于协作状态，目的节点对接收到的信号采用软解调计算出和的对数似然比。将的对数似然比屏蔽掉，通过利用和以前获得的的对数似然比，采用一个针对低码率码的译码器对进行译码判决。同时节点D将的似然比屏蔽掉，将的似然比送入一个高码率码的译码器进行译码，并将是否正确译码的结果通过一个标识信息比特及时反馈给节点T1来调整节点T1在下一时刻的发送信号。接收节点D对节点T1的信息的译码如图2所示。为了简单起见，这里假设接收节点已知信道的状态信息，并采用相关解调。系统设计的一个重要参数是用于中继信号传输的功率比例，即叠加因子。如果中继信号的功率太小，将导致分集增益的减小，相反太多的功率用于中继，将会减小协作成功的概率，从而导致差的系统性能。在第三部分将对叠加因子对协作系统性能的影响进行了分析。在重叠调制系统里，传输节点知道重叠因子，它可认为是自身信号的干扰因子，然而目的节点D不知道这个干扰因子。因此从信息论角度讲，这种系统可认为是一种dirty-paper编码5。3 仿真结果本文对两个协作用户下的自适应重叠编码协作通信方式在不同信道状态下的性能进行了仿真分析，并与传统的信号重叠调制编码协作下系统的性能进行了比较。这里考虑块衰落信道情况。本地码字和对应的生成矩阵为15, 178，中继码字和对应的生成矩阵为13, 158，码率为1/2。在中继信号不存在时（非协作模式下），目的节点采用1/2码率生成矩阵为15, 178 的译码器对其进行译码。当中继信号存在时，目的节点采用1/4码率生成矩阵为15, 17, 13, 158的译码器进行译码。设所有信道，包括节点T1和T2间的两个信道，独立同分布，服从方差为1的瑞利块衰落。所有信道的平均SNR相同，即。每一信息分组长度为K512bit，包含500个信息比特，外加12位的CRC校验比特用于协作节点和目的节点来检测译码结果是否正确。图3是在叠加因子和 情况下自适应重叠调制编码协作系统和传统重叠调制编码协作通信以及非协作通图3 瑞利信道下分组错误概率（用户间信道相互独立，用户上行信噪比相同，）信下的性能比较。从图中可以看出自适应方式较传统的非自适应重叠调制编码协作方式性能有了很大的提升。在处，当b35%时，自适应重叠调制编码协作较传统的协作方式有3.8dB的增益，当b10%时，自适应重叠调制编码协作较传统的协作方式有0.8dB的增益。此外从图中还可以发现，在低信噪比时自适应协作方式与非协作方式相比性能相近，而不像传统的协作方式下有较大的性能损失。在传统的协作方式中叠加因子对系统的性能影响较大，而在自适应方式中也存在着重要的影响。图4是平均信噪比为20dB时，对系统性能的影响情况。从图中可以看出叠加因子对自适应协作方式下系统性能的影响不像传统协作方式那么明显，并且两种方式下，最优的叠加因子值是不一致的。传统方式的最优叠加因子值是0.12，而自适应协作下的最优叠加因子值是0.25。图4 分组错误概率对叠加因子（平均信噪比为20dB）4 结束语本文提出了一种自适应信号重叠编码协作通信模式。通过第一时间目的节点的反馈，中继节点调整自己的工作模式，使得有限的能量得到有效的利用。瑞利块衰落信道下的仿真和分析表明在相同的系统带宽和发送总功率下该方式可有效的提高系统的性能。下一步将对其作进一步的研究，考虑其他编码模式（如TURBO码和LDPC码）下自适应协作通信系统的性能，并希望从理论上对其性能进行分析。此外将对基于协作通信模式下的自动重传系统进行理论研究和分析。参考文献：1NOSRATINIA A, HUNTER T E, HEDAYAT A. 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