基于ldpc的無線通信系統(tǒng)多天線技術(shù)

基于ldpc的無線通信系統(tǒng)多天線技術(shù)

1協(xié)作通信的實(shí)現(xiàn)方式多輸入多輸出系統(tǒng)（mimo）通過使用多個傳輸和接收天線來獲得區(qū)域積累，以對抗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的衰落，提高系統(tǒng)性能。在蜂窩移動通信系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和其他無線通信系統(tǒng)中，由于體積、重量、功能耗和成本等因素的限制，人們很難實(shí)現(xiàn)多天線。近年來，一些科學(xué)家提出了合作通信的概念。云計算的核心思想是在單個天線上進(jìn)行合作，共享它們的天線，并實(shí)現(xiàn)各種虛擬的天線。圖1顯示了一起使用合作通信的用戶之間的合作通信模型。在第二階段，用戶可以發(fā)送一些來自基礎(chǔ)設(shè)施的信號，并接收合作伙伴發(fā)送的信號。在第一階段，用戶可以發(fā)送一些來自基礎(chǔ)設(shè)施的信號。在第二階段，用戶可以發(fā)送一些來自基礎(chǔ)設(shè)施合作伙伴的信號。在這一步中，用戶可以發(fā)送一些來自基礎(chǔ)設(shè)施合作伙伴的信號。當(dāng)參與這一進(jìn)程的用戶還沒有準(zhǔn)備好時，他們之間的訪問通道相互獨(dú)立，因此基站接收每個用戶的信號都有兩個獨(dú)立的副本，以便進(jìn)行傳輸收集?，F(xiàn)在，合作通信主要有三種實(shí)現(xiàn)方法。(1)放大-轉(zhuǎn)發(fā)方式.用戶將在第一階段接收到的協(xié)作伙伴的信號簡單地進(jìn)行放大后發(fā)送給基站.(2)檢測-轉(zhuǎn)發(fā)方式.用戶在收到協(xié)作用戶的信號后,對其進(jìn)行檢測和估計,嘗試恢復(fù)出原始信號,并將其發(fā)送給基站.(3)編碼協(xié)作方式.這種方式下,用戶不是重復(fù)發(fā)送協(xié)作用戶的信號,而是利用編碼的特點(diǎn),分別發(fā)送碼字的不同部分.由于編碼碼字內(nèi)部不同部分間固有的相關(guān)特性,若基站是通過相互獨(dú)立的信道接收到碼字的不同部分,也就意味著每個碼字?jǐn)y帶的信息是通過兩個信道傳送的,因此也能實(shí)現(xiàn)發(fā)送分集.從信息論的角度來看,在信道的利用上,編碼協(xié)作方式要優(yōu)于前兩種方式.這種協(xié)作方式可以采用現(xiàn)有的信道編碼,包括線性分組碼和卷積碼,也可以設(shè)計專用的編碼來實(shí)現(xiàn).編碼的性能越好,碼字內(nèi)部的相關(guān)性越強(qiáng),則編碼協(xié)作的性能也越好.低密度奇偶校驗(yàn)(LDPC)編碼具有優(yōu)異的性能,在長碼的情況下達(dá)到甚至超過了Turbo碼的性能.同時由于其是一種線性分組碼,相比Turbo碼而言,在譯碼上具有潛在的速度優(yōu)勢.用LDPC編碼來進(jìn)行編碼協(xié)作通信,可在不明顯增加系統(tǒng)帶寬和發(fā)送功率的情況下,利用LDPC編碼在糾錯能力上的性能優(yōu)勢,能獲得可觀的分集增益,有效地提升系統(tǒng)性能,而系統(tǒng)設(shè)備的成本和復(fù)雜度并不會有明顯的增加.本文的第二部分介紹基于LDPC編碼的協(xié)作通信的原理和實(shí)現(xiàn)方法,第三部分是仿真的結(jié)果,最后是全文的總結(jié).2協(xié)作通信分析這里考慮蜂窩系統(tǒng)中兩個用戶間采用LDPC編碼進(jìn)行編碼協(xié)作通信的情況,其模型如圖1所示.設(shè)編碼總的碼率為R=R1R2,碼長為N,信息位長為K=RN.將一個碼字分為兩個部分,長度分別為N1、N2,N=N1+N2.編碼時先按碼率R1對信息位進(jìn)行第一次編碼,得到長度為N1=K/R1的碼字,作為協(xié)作通信時第一階段發(fā)送的數(shù)據(jù).協(xié)作伙伴在收到這一部分的數(shù)據(jù)后,對其進(jìn)行譯碼.如果譯碼正確,則按碼率R2,并采用系統(tǒng)碼的形式對譯碼結(jié)果進(jìn)行第二次編碼,生成長度為N=N1/R2=K/R1R2=K/R的碼字.其中,第二次編碼碼字的檢驗(yàn)位長度為N2=N-N1=(1/R2-1)K/R1,作為第二階段的數(shù)據(jù)發(fā)送到基站.如果譯碼不正確,則直接按第二次編碼的規(guī)則對自己第一階段發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼并發(fā)送其校驗(yàn)位.因此每個用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)總長度恒為N=N1+N2.編碼協(xié)作中,第一次編碼是為了使信息能更可靠地為協(xié)作伙伴接收,同時使協(xié)作伙伴能夠?qū)邮盏臄?shù)據(jù)是否正確進(jìn)行判斷,避免出現(xiàn)誤碼擴(kuò)散.第二次編碼是實(shí)現(xiàn)分集的關(guān)鍵.如果編碼的糾錯能力越強(qiáng),碼字內(nèi)部碼元間的相關(guān)性越高,那么一個碼字通過相互獨(dú)立的多個信道傳輸所能獲得的分集效果也就越好.由于LDPC碼具有優(yōu)異的性能,因此兩次編碼均選擇使用LDPC編碼.一種特殊的情況是當(dāng)用戶間信道性能較好時,用戶第一階段發(fā)送的數(shù)據(jù)可以采用CRC校驗(yàn),協(xié)作伙伴只進(jìn)行檢錯,不進(jìn)行糾錯.現(xiàn)在很多無線通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)鏈路層或媒體接入控制(MAC)子層為了實(shí)現(xiàn)差錯檢測-反饋重發(fā)功能,都在其發(fā)送的數(shù)據(jù)塊中加入了CRC校驗(yàn)位.進(jìn)行編碼協(xié)作通信時可利用這一特點(diǎn),不再進(jìn)行第一次編碼.這樣可以提高系統(tǒng)碼率.考慮兩用戶間是否正確地譯出對方第一階段發(fā)送的數(shù)據(jù),可將協(xié)作通信分為下面4種情況,如圖2所示.情況1:協(xié)作雙方均正確地譯出對方第一階段發(fā)送的數(shù)據(jù),第二階段兩用戶均發(fā)送對方的校驗(yàn)位.此為完全協(xié)作通信情況,如圖2(a)所示.情況2:協(xié)作雙方均未能正確地譯出對方第一階段發(fā)送的數(shù)據(jù),第二階段兩用戶均發(fā)送自己的校驗(yàn)位.此為不協(xié)作通信情況,如圖2(b)所示.情況3:用戶1正確地譯出了用戶2第一階段發(fā)送的數(shù)據(jù),但用戶2未能正確地譯出用戶1發(fā)送的數(shù)據(jù).第二階段用戶1和用戶2均發(fā)送用戶2的校驗(yàn)位.此為部分協(xié)作通信情況,如圖2(c)所示.情況4:與情況3類似,只是用戶1和用戶2互換了位置.如圖2(d)所示.在接收端(即基站),在情況1和情況2下,只需簡單地將第一階段和第二階段接收到的數(shù)據(jù)按用戶簡單地進(jìn)行裝配,然后就可以按照正常的譯碼方式進(jìn)行第一次譯碼,譯出用戶第一階段發(fā)送的長為N1的數(shù)據(jù).然后再進(jìn)行第二次譯碼,譯出長為K的信息位.在情況3下,基站沒有接收到用戶1第二次編碼的校驗(yàn)位,因此只進(jìn)行第二次譯碼.同時,基站接收到了用戶2第二次編碼校驗(yàn)位的兩個獨(dú)立的副本,基站采用最佳組合方式對其進(jìn)行組合,然后如情況1、2進(jìn)行兩次譯碼.情況4與情況3類似,只是用戶1和用戶2互換位置.圖3是協(xié)作通信過程中編、解碼的流程圖.其中(a)是發(fā)送方(終端用戶)的編碼流程,(b)是接收方(基站)的解碼流程.圖3(b)中只畫出了對用戶1的解碼過程,對用戶2的解碼過程類似,只是對情況3和情況4的處理作一下掉換.定義協(xié)作系數(shù)為Cc=N2/N=1-R2,表示協(xié)作的程度,也就是由協(xié)作伙伴發(fā)送的數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的比例,Cc≤0.5.在保持總的碼率R不變的情況下,協(xié)作系數(shù)Cc減小,R2增大,這意味著協(xié)作程度降低;但另一方面R1減小,意味著對方能正確譯出第一次編碼的概率增加,處于協(xié)作狀態(tài)的概率也增加.因此,協(xié)作系數(shù)的設(shè)置將會對系統(tǒng)的性能有較大的影響,應(yīng)根據(jù)用戶間信道的情況進(jìn)行設(shè)置.如果用戶間的信道較好,那么將協(xié)作系數(shù)設(shè)置在0.5附近將能獲得較好的性能;而如果用戶間的信道較差,那么適當(dāng)?shù)亟档蛥f(xié)作系數(shù)更為有利.另外,如果兩用戶的上行信道性能有較大差距時,通過協(xié)作,上行信道較好的用戶能通過犧牲自己的一部分性能來幫助上行信道較差的用戶大幅提高性能.即協(xié)作通信能夠平衡兩用戶的性能,縮小性能差距.在這種情況下,協(xié)作系數(shù)能在一定程度上控制調(diào)節(jié)的力度,較大的協(xié)作系數(shù)有較大的調(diào)節(jié)能力.在進(jìn)行編碼協(xié)作通信時,協(xié)作用戶間不需要專門的反饋信道控制協(xié)作.當(dāng)用戶不能正確譯出對方的數(shù)據(jù)時就轉(zhuǎn)為不協(xié)作狀態(tài),因此不會產(chǎn)生誤碼擴(kuò)散、導(dǎo)致系統(tǒng)性能的惡化,協(xié)作通信系統(tǒng)的性能始終不會低于非協(xié)作通信系統(tǒng)的性能.相對于放大-轉(zhuǎn)發(fā)和檢測-轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作方式在用戶間信道很差時會產(chǎn)生嚴(yán)重的誤碼擴(kuò)散,并導(dǎo)致系統(tǒng)性能的急劇惡化而低于非協(xié)作通信的性能,編碼協(xié)作在這方面具有明顯的優(yōu)勢.但這里帶來的一個問題是基站需要知道用戶在第二階段發(fā)送的是哪個用戶的數(shù)據(jù),這需要由用戶為基站提供一個指示,而且對這個指示必須進(jìn)行很強(qiáng)的差錯保護(hù),以免因該指示出錯而造成基站譯碼的嚴(yán)重錯誤.這會在一定程度上增加系統(tǒng)的開銷,但不會對系統(tǒng)的性能和復(fù)雜度帶來大的影響.當(dāng)用戶間信道是對稱信道時,通過對協(xié)作通信的4種情況進(jìn)行分析,可以知道在用戶間信道性能較好的情況下,系統(tǒng)多處于情況1下,能獲得較完全的分集增益.當(dāng)用戶間信道性能很差時,系統(tǒng)多處于情況2下,基本未進(jìn)行協(xié)作通信,系統(tǒng)與非協(xié)作通信的性能相當(dāng).當(dāng)用戶間信道性能介于前兩者的之間時,系統(tǒng)可處于4種情況下,進(jìn)行部分協(xié)作通信,性能也介于前兩者之間,可獲得部分分集增益.3復(fù)配系統(tǒng)性能仿真為驗(yàn)證基于LDPC編碼的編碼協(xié)作通信的性能,我們進(jìn)行了仿真.仿真在以下假設(shè)條件下進(jìn)行:協(xié)作用戶間信道和用戶到基站的上行信道為瑞利衰落信道,衰落系數(shù)在一個碼字長度時間內(nèi)保持不變;接收端已知信道特性(對于基站而言是用戶到基站的上行信道特性,對于用戶而言是用戶間信道特性);用戶能夠正確判斷第一階段接收到的數(shù)據(jù)是否正確(這對于信息數(shù)據(jù)塊中已包含CRC檢驗(yàn)位而言是合理的),不進(jìn)行第一次編碼.選擇碼長N=504、碼率R=0.5的二進(jìn)制LDPC規(guī)則碼進(jìn)行協(xié)作通信,并采用系統(tǒng)碼的形式,BPSK調(diào)制.仿真針對兩用戶間進(jìn)行協(xié)作通信的情況進(jìn)行,其模型如圖1所示.LDPC編碼的譯碼采用和-積譯碼算法,協(xié)作系數(shù)Cc=1-R=0.5.圖4是兩用戶上行信道信噪比完全相同時的仿真結(jié)果.由于兩用戶具有完全相同的性能,因此圖中只畫出其中一個用戶的仿真結(jié)果.圖中的4條曲線分別是用戶間信道信噪比為0dB、10dB、20dB,以及非協(xié)作通信時的仿真結(jié)果.從圖中可以看出,在用戶間具有較好的信道時,可獲得明顯的性能改善,分集增益隨著上行鏈路信噪比的改善而增加.如當(dāng)用戶間信道信噪比為20dB、誤比特率(BER)=10-4時約有5.5dB的分集增益.當(dāng)用戶間信道變差時,系統(tǒng)的性能也相應(yīng)有所下降,但仍能獲得一定的分集增益.如當(dāng)用戶間信道信噪比為10dB、BER=10-4時約有3dB的分集增益.當(dāng)用戶間信道很差時,系統(tǒng)的性能與非協(xié)作通信非常接近,如圖中用戶間信道信噪比為0dB的曲線所示.這與我們的預(yù)期十分吻合.圖5是兩用戶上行信道信噪比不相同時的仿真結(jié)果.其中,用戶2的上行信道信噪比恒定為30dB,用戶間信道信噪比為20dB.用戶1在上行信道比用戶2差的情況下(即30dB以下)時能獲得很大的性能改善,如在BER=10-3時約有7.5dB的分集增益,BER=10-4時約有6.5dB的分集增益.盡管用戶1的上行信道較用戶2差,但在信噪比差值小于11.5dB以下(即用戶1的信噪比大于18.5dB)時用戶2仍能從協(xié)作通信中獲得性能改善,并隨著用戶1上行信道信噪比的改善而增加,如在用戶1上行信道信噪比為24dB時用戶2的BER=1.22×10-4,而在非協(xié)作通信時要達(dá)到這個BER,用戶2的上行信道信噪比須達(dá)到約33dB,這說明用戶2獲得了約3dB的增益(用戶2的上行信道信噪比固定為30dB);在用戶1上行信道信噪比為28dB時,用戶2的BER=7.58×10-5,在非協(xié)作通信時達(dá)到這個BER時的上行信道信噪比約為35dB,因此用戶2獲得了約5dB的增益.當(dāng)用戶1的上行信道信噪比達(dá)到30dB以上時,其性能已經(jīng)好于用戶2的上行信道性能,用戶1從協(xié)作中的獲益減少,而用戶2的獲益增加并超過了用戶1.這說明在協(xié)作用戶上行信道信噪比不相同的情況下,通過編碼協(xié)作通信,信噪比好的用戶能顯著地幫助信噪比差的用戶提高性能,同時除在對方上行信道信噪比很差的情況下性能會有所損失外,自身也能通過協(xié)作通信受益.這使系統(tǒng)的整體性能得到了顯著改善.4基于ldpc編碼的編碼協(xié)作通信通過分析和仿真,證明基于LDPC編碼的協(xié)作通信可以有效地提升系統(tǒng)的性能,而付出的代價主要是終端用戶需要接收協(xié)作伙伴第一階段發(fā)送的數(shù)據(jù)并譯碼,然后進(jìn)行第二次編碼.系統(tǒng)占用的帶寬和發(fā)送功耗并未增加.比較采用放大-轉(zhuǎn)發(fā)和檢測-轉(zhuǎn)發(fā)兩種重復(fù)發(fā)送方式的協(xié)作機(jī)制,編碼協(xié)作在帶寬效率、發(fā)送功率,以及誤碼擴(kuò)散等問題上具有明顯的優(yōu)勢.本文提出的編碼協(xié)作通信機(jī)制也可采用其它線性分組碼,并且兩次編碼可以采用不同的編碼方案.Hunter研究了基于卷積碼和Turbo碼的編碼協(xié)作通信方式,其研究結(jié)果也表明編碼協(xié)作能給系統(tǒng)性能帶來很大的提升.考慮到LDPC編碼是一種線性分組碼,