基于多進(jìn)制相移鍵控調(diào)制的互信息轉(zhuǎn)發(fā)方案

摘 要： 基于Rayleigh衰落信道，為保證信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃裕瑢f(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)方案進(jìn)行研究，提出了在多進(jìn)制調(diào)制后的互信息轉(zhuǎn)發(fā)方案，并將其與放大轉(zhuǎn)發(fā)方案、檢測轉(zhuǎn)發(fā)方案、估計(jì)轉(zhuǎn)發(fā)方案做誤碼率性能方面的比較。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：多進(jìn)制相移鍵控調(diào)制后的互信息轉(zhuǎn)發(fā)方案的誤碼率性能始終優(yōu)于其他三種方案；當(dāng)信噪比相同時，隨著調(diào)制階數(shù)的增加，數(shù)據(jù)率增大，可靠性降低，在需要一定傳輸速率的情況下，可犧牲一部分可靠性來換取傳輸?shù)挠行浴?/p>

關(guān)鍵詞： 多進(jìn)制相移鍵控； 分集技術(shù)； 協(xié)作通信； 互信息轉(zhuǎn)發(fā)方案

中圖分類號： TN925?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）19?0033?04

0 引 言

近年來，隨著無線通信的快速發(fā)展，人們對高速率、高質(zhì)量無線通信的需求不斷增加。無線通信在利用無線電波進(jìn)行信息傳輸過程中會產(chǎn)生多徑衰落，而無線信道的衰落特性是阻礙信道容量增加和服務(wù)質(zhì)量改善的主要原因之一[1]。空間分集技術(shù)可有效抑制多徑衰落[2]，協(xié)作分集技術(shù)作為一種空間分集技術(shù)，可通過共享相鄰用戶的天線而獲得空間分集度，因而可以顯著提高系統(tǒng)性能[3?7]。

協(xié)作通信與組網(wǎng)是一個新興的并具有巨大潛力和應(yīng)用前景的研究領(lǐng)域[8]。協(xié)作通信技術(shù)中，無記憶中繼方案由于其算法簡單和功耗低，在實(shí)際應(yīng)用中獲得了廣泛普及。無記憶中繼轉(zhuǎn)發(fā)方案可以簡單的分為三類：放大轉(zhuǎn)發(fā)方案（Amplify?and?Forward，AF）、檢測轉(zhuǎn)發(fā)方案（Detect?and?Forward，DF）和軟信息轉(zhuǎn)發(fā)方案（Soft Information Forwarding，SIF）。AF方案最早由Laneman等人最早提出[9]，DF方案由Sendonari等人提出 [10?11]。現(xiàn)有研究結(jié)果顯示軟信息相比硬判決，系統(tǒng)誤碼率性能表現(xiàn)更好。基于此理念，K. S. Gomadam和S. A. Jafar等人提出了估計(jì)轉(zhuǎn)發(fā)方案（Estimate?and?Forward，EF）[12]。M. A. Karim等人提出互信息轉(zhuǎn)發(fā)方案（Mutual Information based Forwarding，MIF）[13]，MIF方案首次將互信息運(yùn)用至協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)的軟判決，作為中繼轉(zhuǎn)發(fā)符號的可靠性度量，充分保證了軟判決的可靠性。

現(xiàn)有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在數(shù)據(jù)率和信噪比等其他條件均相同的前提下，互信息轉(zhuǎn)發(fā)方案具有更高的可靠性，但現(xiàn)有成果停留在高斯信道及衰落信道中的二進(jìn)制調(diào)制。由于用戶對數(shù)據(jù)率具有很高的要求，在實(shí)際當(dāng)中多采用高階調(diào)制。當(dāng)前對于AF方案和DF方案的高階調(diào)制研究已較為成熟，但互信息轉(zhuǎn)發(fā)的成果則相對甚少。對此本文針對互信息轉(zhuǎn)發(fā)方案，對其進(jìn)行多進(jìn)制研究。

1 系統(tǒng)模型

本文僅考慮網(wǎng)絡(luò)中只存在一個中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)助源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送。系統(tǒng)模型如圖1所示。源節(jié)點(diǎn)S、中繼節(jié)點(diǎn)R、目的節(jié)點(diǎn)D，每個節(jié)點(diǎn)都有一個半雙工全向收發(fā)天線。

信號的傳輸過程分為兩個階段：

第一個階段，源節(jié)點(diǎn)分別向中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)傳輸信息。此時中繼處的信息傳輸模型為：

[r=ρhSRx+wSR] （1）

目的接點(diǎn)處的信息傳輸模型可寫成：

[ySD=ρhSDx+wSD] （2）

式中：[ρ]為源的發(fā)射功率；[x]是需要發(fā)送的調(diào)制后的信號；[hSR]和[hSD]分別表示源到中繼和源到目的的衰落系數(shù)，由于本文采用Rayleigh衰落信道，故[hSR]和[hSD]都分別服從復(fù)高斯分布（0，1）。[wSR]和[wSD]分別為中繼處和目的節(jié)點(diǎn)處的加性高斯白噪聲（AWGN），分別被建模為零均值且方差為[N0]的復(fù)高斯隨機(jī)變量。

第二個階段，中繼節(jié)點(diǎn)將處理后的信號轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)，信息傳輸模型為：

[yRD=ρhRDf（r）+wRD] （3）

此時，在目的節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行簡單的信號合并，合并后的信號[y]為：

[y=ySD+yRD] （4）

2 衰落信道中的MPSK信號轉(zhuǎn)發(fā)方案

源信息在經(jīng)過MPSK調(diào)制后，映射成調(diào)制信號[xl]，[xl∈exp（j2πl(wèi)/L）， l=0，1， 2，… ，L]，其中[L]為MPSK調(diào)制階數(shù)。

在中繼處接收信號的概率分布函數(shù)為：

[p（r|xl）=1πexp-r-ρxlhSR2] （5）

2.1 放大轉(zhuǎn)發(fā)方案

在AF方案中，中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的信號用放大因子簡單的量化放大后轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)，AF方案的中繼處理函數(shù)可表示為：

[fAF（r）=βAFr] （6）

其中，放大因子[βAF=1ρhSR2+1]。

中繼節(jié)點(diǎn)將處理后的信號轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)，那么目的節(jié)點(diǎn)最終接收到的信號可簡單合并為：

[y=βAFρhSRhRD+ρhSDxl+wAF] （7）

等效噪聲[wAF=βAFρhRDwSR+wRD+wSD，]可以看出AF方案在放大有用信息的同時也同等倍數(shù)的放大了噪聲。

2.2 檢測轉(zhuǎn)發(fā)方案

在DF方案中，中繼對接收到的信號進(jìn)行硬判決， DF方案的中繼處理函數(shù)為：

[fDFr=argminxlr-ρhSRxl2] （8）

因此硬判決可表示為[r]：[r=fDF（r）]，中繼將處理后的信號廣播至目的節(jié)點(diǎn)，經(jīng)簡單合并后，在目的節(jié)點(diǎn)處所接收到的信息為：

[y=ρhRDr+ρhSDxl+wDF] （9）

其中，等效噪聲[wDF=wRD+wSD。]

2.3 估計(jì)轉(zhuǎn)發(fā)方案

EF方案的基本原理就是中繼通過最優(yōu)化最小均方非相關(guān)誤差來使得目的端獲得最大廣義信噪比，實(shí)質(zhì)上是在中繼處轉(zhuǎn)發(fā)信號的條件期望，EF方案的中繼處理函數(shù)可表示為：

[fEF（r）=βEFE[xl|r]] （10）

式中[βEF=1E[E[xl|r]2]]為歸一化因子，使得[EfEF（r）2=1]。

傳輸信號的條件期望[E[xl|r]]為：

[E（xl|r）=l=0LxlPr（xl|r）] （11）

其中：

[Pr（xlr）=p（r|xl）l=0L-1p（r|xl）] （12）

然后中繼將處理后的信息廣播至目的節(jié)點(diǎn)，經(jīng)簡單合并后，在目的節(jié)點(diǎn)處所接收到的信息為：

[y=ρhRDβEFExlr+hSDxl+wEF] （13）

其中，等效噪聲[wEF=wRD+wSD。]

2.4 互信息轉(zhuǎn)發(fā)方案

MIF方案的基本原理是通過中繼節(jié)點(diǎn)對接收到的信號進(jìn)行硬判決并計(jì)算其互信息來構(gòu)造中繼處理函數(shù)，其實(shí)質(zhì)是DF方案與互信息的結(jié)合。MIF方案的中繼處理函數(shù)可表示為：

[fMIF（r）=βMIF?Ixl；r?r] （14）

式中：[βMIF=1EI（xl；r）2]為歸一化因子，以使[EfMIF（r）2=1。][r]代表中繼處的硬判決，與DF方案相同。

互信息[I（xl；r）]的計(jì)算過程如下[14]：

[I（xl；r）=H（xl）-H（xl|r）=log2 L+l=0L-1log2Pr（xl|r）?Pr（xl|r）] （15）

可以看出互信息[I（xl；r）]表示在收到[r]的條件下，關(guān)于[xl]不確定度減少的量，[I（xl；r）]越大，表示信號傳輸?shù)目煽啃栽礁撸虼嘶バ畔⒖勺鳛樾盘杺鬏斂煽啃缘亩攘俊?/p>

中繼將處理后的信息廣播至目的節(jié)點(diǎn)，經(jīng)簡單合并后，目的節(jié)點(diǎn)處接收到的信息可表示為：

[y=ρhRDβMIFIxl|rr+hSDxl+wMIF] （16）

其中，等效噪聲信息[wMIF=wRD+wSD。]

3 仿真結(jié)果分析

從圖3可以看出，在經(jīng)過8PSK調(diào)制后，對比QPSK調(diào)制，各方案誤碼率性能雖有所下降，但MIF方案仍要優(yōu)于AF方案、DF方案、EF方案，在BER=10-4時，分別有0.8 dB，0.8 dB，4.5 dB的信噪比增益。

另外，可以看出，當(dāng)對信號的傳輸速率有較高要求時，可以采用多進(jìn)制調(diào)制后的MIF方案，雖犧牲一部分可靠性，但是其在可靠性與有效性之間達(dá)到了最優(yōu)的權(quán)衡。

4 結(jié) 語

本文以3個節(jié)點(diǎn)組成一個簡單的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)模型，提出了在Rayleigh衰落信道下的MPSK調(diào)制的互信息轉(zhuǎn)發(fā)方案，并對方案進(jìn)行仿真對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)信噪比相同時，隨著進(jìn)制數(shù)的增大，數(shù)據(jù)速率逐漸增大，各方案的可靠性明顯降低，但是MIF方案的誤碼率性能始終優(yōu)于其他三種方案。當(dāng)對信號的傳輸速率有較高要求時，可以采用多進(jìn)制調(diào)制后的MIF方案，雖犧牲一部分可靠性，但是其在可靠性與有效性之間達(dá)到了最優(yōu)的權(quán)衡。

參考文獻(xiàn)

[1] TSE D， VISWANATH P. Fundamentals of wireless communication [M]. Cambridge， U.K.： Cambridge University Press， 2005.

[2] 張鵬.無線協(xié)作通信的策略及協(xié)議研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2009.

[3] CHEN D Q， LANEMAN J N. Modulation and demodulation for cooperative diversity in wireless systems [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2006， 5（7）： 1785?1794.

[4] YUAN Jin?hong， ZHUO Chen， LI Yong?hui， et al. Distributed space?time trellis codes for cooperative system [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2009， 8（10）： 4897?4905.

[5] YUAN Jin?hong， LI Yong?hui， LI Chu. Differential modulation and relay selection with detect?and?forward cooperative relaying [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2010， 59（1）： 261?268.

[6] RAY LIU K J， SADEK A K， SU Wei?feng， et al. Cooperative communications and networking [M]. Cambridge， U.K.：Cambridge University Press， 2009.

[7] 王亞南.協(xié)作通信系統(tǒng)中繼策略研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

[8] 季薇.無線協(xié)作通信的若干關(guān)鍵問題研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

[9] LANEMAN J N， TSE D N G， WORNELL G W. Cooperative diversity in wireless networks： efficient protocols and outage behavior [J]. IEEE Transactions in Information Theory， 2004， 50（12）： 3062?3080.

[10] SENDONARIS A， ERKIP E， AAZHANG B. User cooperation diversity?part Ⅰ： system description [J]. IEEE Transactions on Communication， 2003， 51（11）： 1927?1938.

[11] SENDONARIS A， ERKIP E， AAZHANG B. User cooperation diversity?part Ⅱ： implementation aspects and performance analysis [J]. IEEE Transactions on Communication， 2003， 51（11）： 1939?1948.

[12] GOMADAM K S， JAFAR S A. Optimal relay functionality for SNR maximization in memoryless relay networks [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2007， 25（2）： 390?400.

[13] KARIM M A， YANG T， YUAN J H， et al. A novel soft forwarding technique for memoryless relay channels based on symbol?wise mutual information [J]. IEEE Communications Letters， 2010， 14（10）： 927?929.

[14] LAND I， HOEHER P A， GLIGOREVIC S. Computation of symbol?wise mutual information in transmission systems with LogAPP decoders and application to EXIT charts [C]// Proceedings of the International ITG Conference on Source and Channel Coding. Erlangen， Germany： SCC， 2004： 173?181.