联合子载波抑制与配对的双向DF-PLNC OFDM中继

韩　序，马文峰，许　魁，徐友云

(解放军理工大学，江苏 南京 210007)

Foundation Item:Jiangsu Province National Science Foundation for Young Scholar(BK2012055);National Natural Science Foundation of China(No.61371123);National Natural Science Foundation of China for Young Scholar(No.61301165);China Postdoctoral Science Foundation(2014M552612)

摘　要：子载波抑制(SS)技术已被证明能够显著提高正交频分复用(OFDM)系统的误码率性能，因此引起了学术界的广泛关注。在双向OFDM中继网络(TWRN)中，由于两个源节点与中继之间的链路具有独立性，直接应用子载波抑制技术会造成两条链路的活跃子载波具有非对称性，从而导致大量子载波在中继节点无法实现网络编码。提出了一种联合子载波抑制与子载波配对(SP)的双向译码转发(DF)-物理层网络编码(PLNC)OFDM中继系统。该方法对中继两端链路的非对称活跃子载波进行配对，在配对的子载波上发送物理层网络编码信息。仿真结果表明，该方法显著改善了误码率性能，消除了原有的误码平台并且提高了系统的吞吐量性能。

关键词：双向中继网络；正交频分复用；物理层网络编码；子载波配对；子载波抑制

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.002

联合子载波抑制与配对的双向DF-PLNC OFDM中继

韩序，马文峰，许魁，徐友云

(解放军理工大学，江苏 南京 210007)

Foundation Item:Jiangsu Province National Science Foundation for Young Scholar(BK2012055);National Natural Science Foundation of China(No.61371123);National Natural Science Foundation of China for Young Scholar(No.61301165);China Postdoctoral Science Foundation(2014M552612)

摘要：子载波抑制(SS)技术已被证明能够显著提高正交频分复用(OFDM)系统的误码率性能，因此引起了学术界的广泛关注。在双向OFDM中继网络(TWRN)中，由于两个源节点与中继之间的链路具有独立性，直接应用子载波抑制技术会造成两条链路的活跃子载波具有非对称性，从而导致大量子载波在中继节点无法实现网络编码。提出了一种联合子载波抑制与子载波配对(SP)的双向译码转发(DF)-物理层网络编码(PLNC)OFDM中继系统。该方法对中继两端链路的非对称活跃子载波进行配对，在配对的子载波上发送物理层网络编码信息。仿真结果表明，该方法显著改善了误码率性能，消除了原有的误码平台并且提高了系统的吞吐量性能。

关键词：双向中继网络；正交频分复用；物理层网络编码；子载波配对；子载波抑制

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.002

收稿日期：2015-03-01；修回日期：2015-05-05Received date:2015-03-01；Revised date：2015-05-05

基金项目：江苏青年基金项目(BK2012055)；国家自然科学基金项目(61371123)；国家自然科学基金青年项目(61301165)；中国博士后科学基金面上二类资助(2014M552612)

中图分类号：TN929.5

文献标志码：码：A

文章编号：号：1002-0802(2015)06-0637-05

Abstract：Since subcarrier suppression， known as an efficient approach to improving BER performance of OFDM transmission system, now attracts much attention from acdemic circles. Due to the independence of links between terminals and relay, the direct use of subcarrier suppression in a two-way relay network would cause the asymmetry of active subcarriers in two symmetrical sides, thus leading to infeasible network coding of large numbers of subcarriers. In this paper, a decode-and-forward PLNC OFDM relaying systemjoint subcarrier suppression and subcarrier pairing is proposed. In this method, active subcarriers asymmetrical to two sides of relay are paired.Simulation results indicate that this new method is superior to the traditional methods in both BER and throughput performance and eliminate the BER floor as well.

作者简介：

Joint Subcarrier Suppression and Subcarrier Pairing for

Two-Way OFDM Relay with DF-PLNC

HAN Xu，MA Wen-feng，XU Kui，XU You-yun

(College of Communications Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing Jiangsu 210007, China)

Key words：two-way relay network; OFDM;physical layer network coding;subcarrier pairing; subcarrier suppression

0引言

近年来，中继技术在扩大无线通信覆盖范围、提高无线通信网络的安全性方面发挥了重要作用。最基本的两个中继协议为：放大转发(amplify-and-forward，AF)[1]和译码转发(decode-and-forward，DF)[2]。在放大转发中，中继仅将接收信号放大并转发给目的节点；而译码转发则是中继对两个源节点的信号进行译码，然后再回传给两端。在双向中继网络(Two-Way Relay Network，TWRN)中使用物理层网络编码(physical layer network coding，PLNC)，源节点可以利用无线传输信道的广播特性获得多个信号的线性叠加，因此进一步提高了传输的有效性。

采用时分TDMA技术，网络编码[3]的应用可以把完成两个源节点间双向通信[4]的时隙数从4个时隙减少到2个时隙。根据两种中继协议可得到放大转发物理层网络编码(AF-PLNC)[5]和译码转发物理层网络编码(DF-PLNC)[6]。在放大转发的物理层网络编码中有用信号被放大，但是噪声信号也会随之加强，所以译码转发物理层网络编码方式相对更加可靠。为了进一步提高数据传输速率，OFDM技术因其高传输速率、高频谱利用率和抗多径衰落能力强等特点被广泛应用。在基于放大转发的双向OFDM中继系统中，采用子载波配对技术[7]已被证明能够提高系统的速率。子载波抑制[8]，是对信道增益小于某一特定阈值的子载波进行抑制，并且将节省下来的功率分配在其它未被抑制的子载波上从而降低误码率。在双向OFDM中继网络(TWRN)中，由于两个源节点与中继之间的链路所具有的独立性，直接应用子载波抑制技术会造成两条链路的活跃子载波具有非对称性，从而导致大量子载波在中继节点无法实现网络编码，降低了系统传输的有效性。为了解决这一问题，本文提出了一种联合子载波抑制与配对的网络编码传输方法，这种方法对中继两端链路的非对称活跃子载波进行配对，在配对的子载波上发送物理层网络编码信息，改善了整体系统的可靠性与有效性。

1系统模型

如图1所示，系统模型为一个半双工、单天线且采用TDMA的OFDM双向中继网络，其中两个源节点S1和S2通过中继节点R，采用DF-PLNC方式交互信息，这里假设中继节点已知全部的信道状态信息(CSI)。中继接收到来自S1节点和S2节点的第i个和第j个子载波上的信噪比SNR分别表示为Γ1,i=Ps1,iγ1,i和Γ2,j=Ps2,jγ2,j，则链路(i,j)的链路容量[9]为：

(1)

(2)

其中ρi,j是子载波配对的指示值，当它等于1时表示第i个和第j个子载波配对。

图1　系统模型图

(3)

信道反转可以使信号在整个带宽上更加平坦，并且对于中继节点R而言，可以很容易地通过预编码的导频信号得到标准化因子F1和F2。因此，可以得到新的阈值判决门限[8]为：

(4)

(5)

2联合子载波抑制与配对(SSSP)的网络编码传输

本节主要阐述子载波抑制技术的原理以及提出子载波配对的算法。为了提高系统性能，文献[8]提出了选择性子载波抑制准则：首先用λ表示抑制阈值，抑制掉信道增益小于某一特定阈值的子载波；其次，将节省下来的功率分配给活跃的子载波，充分利用功率、避免浪费，因此如文献[8]所述，标准化因子F1、F2的值取决于λ：

(其中m=1,2)

(6)

由上面两个式子可以看出被抑制的子载波数目与标准化因子Fλ,m随着λ的增加而增加，又因为误码率Pe取决Fλ,m，所以抑制差的子载波可以提高误码率性能，正如文献[8]中提出ISS策略一样，如图2所示：

图2ISS子载波抑制策略

图3　联合子载波抑制的子载波配对策略

ISS中的一个主要问题是在MA阶段被抑制的子载波却被中继节点R在BC阶段使用，而BC阶段中，这些子载波的增益比抑制阈值要低。假设有N个非对称活跃子载波，则需要配对的子载波数目就有1/2「K-N⎤对。中继对于两端链路的非对称活跃子载波进行配对后，BC阶段再在配对的子载波上发送物理层网络编码信息。

(7)

再用集合θ和ω存储中继两边每个子载波的信道增益，配对算法如下所示：

算法：子载波配对

(1)令集合η=∅和μ=∅为空集合

第一步：找到使得链路容量最大的非对称活跃子载波矩阵

(2)fork=1:Ndo

(3)找出中继两边信道增益非对称的子载波

(4)将中继两边非对称的子载波的序号分别存入集合

(5)end for

(6)设集合θ={h1,i}，ω={h2,j}

(7)fori=1:Ndo

(8) forj=1:Ndo

(10)end for

(11)end for

第二步：非对称活跃子载波配对

(13)返回

如图3所示，这种方法主要有四种情况：(1)相同位置上活跃的子载波采用PLNC物理层网络编码；(2)相同位置上仅抑制单边的子载波采用QPSK解调；(3)相同位置上都抑制的子载波则弃置；(4)对于采用配对算法的子载波，在BC阶段中继在两条信道上都广播左右两端各自较好信道上信息的异或值，源节点S1和S2将其通过PLNC译码后再根据配对位置信息矩阵将信息传给对应位置的子载波，从而实现信息的交互。

3仿真结果

这一节主要通过计算机仿真来分析基于子载波抑制与配对的网络编码传输方法的性能，从而证明这种方法的优势。仿真中假设带宽为1MHz且用B表示；OFDM子载波个数K=64，且每一个子载波使用QPSK调制方式调制；此外假设循环前缀为16比特并且源节点S1和S2在BC阶段采用迫零均衡来克服多径效应。这里主要分析误码率BER性能，而误码率主要来自于活跃子载波和配对后的子载波的PLNC过程以及配对后对应位置子载波单边抑制情况下的QPSK过程。在这种配对方法中，误码率主要分两种情况讨论。第一种情况为双边都不抑制且采用PLNC方法的误码率；第二种情况为单边不抑制且进行配对后的误码率，从而可以得到总误码率：

(7)

文献[8]提出的选择性子载波抑制方法的目标是选取最优的λ值使得误码率最低，因此可以根据目标误码率选取合适的λ值，如图4所示：

图4不同信噪比误码率—抑制阈值

图5　ISS与子载波配对策略误码率对比图

图6　ISS与子载波配对策略吞吐量对比图

由图 4可以看出不同信噪比下误码率随抑制阈值的趋势大致相同。λ在0至0.01时误码率下降比较明显；而λ取0.1时误码率趋于平稳。因此，如图5所示，选取三种不同的阈值λ=0.010,0.050和0.100，并且以文献[8]提出的ISS策略作为基准比较在不同信噪比SNR下的系统整体误码率Pe。就整体而言，配对后的子载波抑制的误码率曲线在相同阈值时均比ISS的要好，在信噪比较小时，子载波配对的误码率曲线与ISS的曲线基本一致，性能有小幅提高，而随着λ的增加并且在大信噪比SNR情况下，误码率性能有了明显改善。从图中可以看出，当SNR为20 dB且λ=0.100时，ISS误码率约为5×10-3，子载波配对后误码率约为3.1×10-5，性能改善了2.2 dB。尤其要注意的是ISS策略中，很明显可以看出随着阈值λ的增加，误码率Pe曲线不再下降，出现了误码平台。而文中提出的采用子载波配对后的子载波抑制技术很明显地解决了这一问题。

此外，定义吞吐量为每个时隙正确传输的比特数。图6分别给出了不同信阈值情况下，ISS与子载波配对后的吞吐量在不同的信噪比下的数值曲线图。整体而言，相同信噪比，相同阈值λ时，子载波配对后正确传输的比特数较ISS要多。并且当信噪比小时，配对方法对于吞吐量性能的改善更加明显。随着信噪比的增大，不同阈值的曲线在子载波配对后趋于相同。可以得出：对于吞吐量性能而言，子载波配对是对于信噪比不足的一个很好的补充。

4结语

本文主要在采用译码转发协议和物理层网络编码的OFDM系统中采用了一种联合子载波抑制与子载波配对的网络编码传输技术。文中提出了具体的配对算法，并且给出了其误码率和吞吐量曲线的仿真图，以ISS为基准进行了性能比较。证明了这种方法在误码率性能上相对于传统的子载波抑制策略在大信噪比时有明显的改善，且在小信噪比时，配对方法对于提高吞吐量起到了一定作用。从仿真结果及具体分析可以看出，这种联合子载波抑制与子载波配对技术有着良好的性能和应用前景。

参考文献：

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韩序(1990—)，男，硕士研究生，主要研究方向为网络编码。