LDPC编码的自适应放大转发协作通信方案

刘焕兵，严晓兰，姜 晖，陈 翔

(解放军电子工程学院信息工程系，安徽合肥230037)

近十年来，用户间协作通信技术引起了业界的广泛关注，其基本思想是无线终端之间通过共享天线，构成一个虚拟的多输入多输出系统以获得分集增益，在不增加终端天线数量的情况下有效地对抗多径衰落。

按照用户间协作通信的不同方式，可以将协作通信分为放大转发(AF)、译码转发(DF)和编码协作3种模式［1-2］。其中译码转发是对接收到的码字先解码，译码成功后再重新编码，然后转发;而编码协作还要采用新的校验矩阵对解码后的信息序列重新进行编码，然后转发。两者都比较复杂，对中继节点收发机的要求较高。而放大转发是对接收到的码字直接进行放大，然后转发，对接收机的要求比较低，在源节点和中继节点间信道状态比较好的情况下，也能获得满分集增益［1］，与另外两种协作模式相比，具有复杂度低的优势。

然而，传统的放大转发模式放大倍数固定，这固然降低了操作的复杂度，但在源节点和目的节点间信道状态不是很差的情况下，会造成系统功率的浪费，本文针对以上不足，基于互信息模型［3-4］及其查找表［5-6］，根据给出的误码率要求，自适应调节放大转发的放大倍数，在保证给定误码率要求的前提下，尽可能节省中继节点的电池电量消耗，从而延长终端的待机时间。

1 协作通信原理

1.1 放大转发方案的系统模型

放大转发协作通信的原理图如图1所示［1-2］，其中S为源节点，R为中继节点，D为目的节点。放大转发协作分两个阶段：第一阶段，源节点向目的节点及中继节点发送码字;第二阶段，中继节点将接收到的码字放大后发送到目的节点。如果源节点与中继节点相距足够远，就可以认为它们到目的节点的上行信道是相互独立的，因而目的节点收到的源节点和中继节点发送的两个码字相互独立，可以有效地对抗多径衰落，实现发送分集，获得分集增益。

图1 放大转发协作通信的基本原理

传统的放大转发协作通信，中继节点将接收到的码字按固定倍数放大后进行转发，在D链路信道状态不是很差，且S—R链路信道状况比较好的情况下，往往会造成系统能量的浪费。如果能够在满足误码率要求的前提下自动调节放大倍数，就能够有效地减少电能的浪费。

链路自适应设计需要准确预测信道的差错概率。互信息模型便能根据多状态信道当前的信道状态向量准确预测误码率［3］。

1.2 互信息模型

MI模型的原理框图如图2所示。MI模型假设在一定的传输时间间隔(TTI)内，多载波/多天线系统各个子载波/子信道的信道状态不发生变化。SIj表示一个TTI内各个子信道经历的信道状态。每个子信道采用的调制方式可能不同，但从译码器的角度看，每个子信道的输出是各个解调器的软输出携带的互信息，它是基于信道互信息的信息度量，即调制符号级互信息(SI)为

式中：信干噪比(SINR)γ=Es/N0表示调制符号X经历的信道状态;P(X)是X的先验信息;Y=YR+i×YI是接收到的符号;P(Y|X，γ)是Y在信干噪比γ下的条件概率密度函数。式(1)表明SI代表的是离散输入、连续输出的信道。

图2 互信息(MI)模型的原理框图

SI收集单元将调制模型输出的SI累加起来得到已接收编码比特互信息(RBI)，并对其进行归一化，得到每个编码比特的互信息，即已接收编码比特信息率(RBIR)，显然，RBIR的取值范围是0～1。式中：J表示子载波个数;γj表示第j个子载波的信道状态;mj表示第j个子载波的调制阶数;N表示码长。RBIR是互信息模型中很关键的量，链路质量映射单元根据RBIR值查表得到与最初的瞬时SNIR向量对应的瞬时误块率(BLEP)。

MI模型的链路差错预测分为3个步骤［3］：1)通过加性高斯白噪声(AWGN)信道下的链路级仿真建立有效SINR或RBIR到误码率的查找表;2)将瞬时SINR向量映射为有效SINR或RBIR;3)由有效SINR在查找表中找到相应的误码率性能。

2 方案分析

放大倍数固定的放大转发协作，在S—D链路信道状态不是很差，且S—R链路信道状况比较好的情况下，会造成系统能量的浪费，在信道状况较差的情况下，会使误码率无法满足系统的可靠性要求。如果能根据S—D，R—D链路的信道状况正确预测需要转发的信息量，进而准确预测放大倍数，将节省下的能量用于新信息的传输，在恰好满足系统误码率要求的情况下，使终端的电量得到更充分有效的利用。

2.1 互信息(MI)模型的两个查找表

1)查找表1：BLEP—RBIR的查找表。

通过AWGN信道下的链路级仿真建立误码率到有效SINR或RBIR的查找表。如图3所示。

图3 BLEP—RBIR的查找表

2)查找表2：SINR矢量—有效SINR或RBIR的查找表。

通过互信息模型，可以将SINR矢量映射为有效SINR或RBIR，可以建立由SINR矢量到有效SINR或RBIR的查找表，如图4所示。

图4 SINR矢量—有效SINR或RBIR的映射图

2.2 放大倍数计算

在理想信道估计，即准确预测信道状态的前提下，利用MI模型计算放大倍数的方案如下所示。

在放大转发方案中，R—D链路传输与S—D链路传输的码字相同，信噪比不同，分别为SINR1和SINR2。若两次传输的调制方式不同，可通过MI模型将SINR1和SINR2映射为BPSK调制下的等效信干噪比SINRBPSK，1和SINRBPSK，2。那么两次传输等效为一次传输，等效信噪比实际上是两次传输的SINR(非dB值)的累加

设传输码长为N，两次传输的总信息量

定义满足给定的误码率要求所需传输的信息量为RBItarget。如果RBIcom≥RBItarget，那么译码成功的概率肯定会大于BLEPtarget，从而满足系统的误码率要求。令RBIcom=RBItarget，由查找表查得SINReq，便可求得恰好满足系统误码率要求的放大倍数Gmin，亦即使系统功率效率最大的放大倍数

计算出放大倍数Gmin后，中继节点将接收到的码字放大Gmin倍，然后转发给目的节点，目的节点将从源节点和中继节点接收到的码字按最大比合并后译码，便可以满足误码率要求。

3 仿真结果及分析

为验证本文设计的自适应放大转发方案的性能和功率有效性，按三点式系统模型搭建链路级仿真平台，比较自适应放大转发方案与传统的固定功率放大转发方案的误码率性能及放大倍数。其中，前向纠错码采用IEEE 802.16e标准规定的(576，288)低密度奇偶校验码(LDPC)，调制方式为BPSK，S—D、R—D和S—R链路是3个相互独立的单径瑞利(Rayleigh)快衰落信道。

假设所要求的误块率BLEPtarget=0.01，传统放大转发放大倍数为1，自适应放大转发放大倍数上限为1，经仿真得自适应放大转发协作通信方案与传统放大转发协作通信方案的误码率性能比较如图5所示，自适应放大转发协作通信方案与传统放大转发协作通信方案放大倍数如图6所示。

由图5和图6可以看出，当信噪比在-8～-5 dB之间变化时，传统放大转发方案与自适应转发方案均放大1倍，此时两者误块率都大于0.01，说明在信噪比较低、链路情况较差的情况下，放大转发无法满足系统可靠性，此时应使用译码转发或者编码协作方案;当信噪比处于-5～-2 dB时，传统放大转发方案与自适应放大转发方案误块率均小于0.01，而自适应放大转发方案的放大倍数随信噪比变大逐渐减少，从而减少了终端功率的消耗，有效地利用了电池电能;当信噪比处于-2 dB时，链路状态较好，自适应放大转发放大倍数为0，即不需要转发仍然能满足系统误块率要求，此时传统放大转发方案放大倍数仍为1，明显浪费了终端电能。由以上仿真可以看出，自适应方案能明显提高系统的功率效率。

4 结束语

传统的放大转发协作通信方案中，中继转发倍数是固定的，在链路情况较好时，会浪费终端电能，本文提出了一种自适应调节放大转发倍数的译码转发方案，可以根据链路情况自动调节放大倍数，从而明显提高系统的功率效率。

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［2］HUNTER T E，NOSRATINIA A.Diversity through coded cooperation［J］.IEEE Trans.Wireless Communications，2006，5(2)：283-289.

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［4］XIANG C，LEI W，ZHENYUAN G，et al.The application of EESM and MI-based link quality models for rate compatible LDPC codes［C］//Proc.the 2007 IEEE 66th Vehicular Technology Conference，2007.［S.l.］：IEEE Press，2007：1288-1292.

［5］XIANG C，ZESONG F，JINGMING K，et al.The application of the MI-based link quality model for link adaptation of rate compatible LDPC codes［C］//Proc.the IEEE 67th Vehicular Technology Conference，2008.［S.l.］：IEEE Press，2008：754-758.

［6］陈翔.基于LDPC码的链路自适应和协作通信技术研究［D］.北京：北京理工大学，2010.