基于AF-CDC-OFDM的差分網絡編碼

李民政, 歐陽繕, 謝躍雷, 肖海林

(1. 桂林電子科技大學廣西信息科學實驗中心, 廣西 桂林 541004;

2. 西安電子科技大學電子工程學院, 陜西 西安 710071)

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基于AF-CDC-OFDM的差分網絡編碼

李民政1,2, 歐陽繕1, 謝躍雷1, 肖海林1

(1. 桂林電子科技大學廣西信息科學實驗中心, 廣西 桂林 541004;

2. 西安電子科技大學電子工程學院, 陜西 西安 710071)

摘要：在多子載波、頻率選擇性衰落、雙向中繼轉發信道中提出多中繼協作的基于AF-CDC-OFDM的差分網絡編碼方法。通過多個協作中繼的分布式循環延時編碼及功率放大處理,兩路終端發送的差分編碼分組可獲得完全的協作分集和頻率分集增益。兩路終端在檢測對方的發送信號之前需要消除自干擾信號,為此,提出基于統計相關的自干擾分量估計方法。仿真結果表明，提出的差分網絡編碼能夠獲得完全的分集增益性能,對應的自干擾分量相關統計估計算法在慢衰落信道中與干擾分量完全消除的檢測性能相比,僅有0.5 dB的信噪比損耗。

關鍵詞：差分網絡編碼; 循環延時編碼; 放大轉發

0引言

雖然雙向中繼信道(two way relay channel, TWRC)中物理層網絡編碼(physical network codes, PNC)提高了傳輸效率,但相干檢測使PNC所需的信道估計開銷更大,挑戰更高[1-4]。在此情況下,差分網絡編碼成為更現實的選擇。基于解碼轉發(decode and forward, DF)的差分網絡編碼對中繼而言接收的是雙向疊加信號,當雙向發送符號和信道狀態信息(channel status information,CSI)均不可知時,可通過雙向CSI的二階矩構建中繼檢測方法,以此完成雙向接收信號的檢測和差分網絡編碼的實施[5-6]。其缺點是中繼檢測復雜度高、處理環節繁雜、開銷大。為此,文獻[7-9]提出了基于模擬網絡編碼(analog network codes,ANC)的差分編碼方案,中繼僅需放大轉發(amplify and forward, AF)雙向疊加信號,以此保障兩路終端能有效接收轉發信號。這種編碼方法可有效降低中繼的處理復雜度,兩路終端在消除自干擾分量后,能夠以傳統差分檢測方法得到對方的發送信息。文獻[10-13]結合最佳中繼選擇策略提出了可獲得高分集增益的差分ANC方案。文獻[14-15]提出了基于ANC的差分空時編碼方法,獲得了完全的協作分集增益。然而,快衰落、多中繼、多子載波通信環境中,結合正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)的差分網絡編碼研究比較少見,文獻[16]提出了平坦衰落信道中結合OFDM和循環延時編碼(cyclic delay codes,CDC)的差分ANC方案,但兩路終端的差分檢測仍然需要知道自身到中繼的CSI,因此,這種差分網絡編碼并非完全的差分檢測,也只能獲得協作分集增益。

本文提出適用于頻率選擇性衰落信道的基于AF-CDC-OFDM的差分網絡編碼,通過多個協作中繼對雙向疊加信號進行CDC和AF處理,使兩路終端的編碼分組可獲取完全的協作和頻率分集增益。其理想檢測的前提是兩路終端自干擾分量完全消除,為此,提出基于統計相關的自干擾分量估計和消除方法。理論分析和仿真結果表明,提出的差分網絡編碼能獲得相應的分集性能,對應的自干擾分量相關統計估計算法在慢衰落信道中是有效的。

1差分網絡編碼模型

圖1　基于AF-CDC-OFDM的差分網絡編碼模型

2差分網絡編碼方法

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3誤碼性能分析

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式中,|hf(l)|2(l=1,…,KL2)為獨立同分布的指數隨機變量,因此,式(16)可表示為

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4仿真實驗與性能分析

圖2為基于AF-CDC-OFDM差分網絡編碼在協作中繼個數K=1, 2, 3, 4時,通過仿真獲得的終端T1(或T2)的BER性能。同時,為了驗證提出的自干擾分量估計(self interference component elimination,SICE)算法的有效性,圖中還給出完全消除自干擾分量(genie-aided,GA)后的BER性能。

從圖2可看出,隨著協作中繼個數K的增加,基于AF-CDC-OFDM的差分網絡編碼BER性能逐漸改善,分集增益也相應增加,當BER為10-4時,對應中繼個數K=2,3,4處的信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)分別為20 dB,17 dB,15 dB,BER性能依次改善了約3 dB和2 dB,這與理論分析所能獲得KL1(或KL2)階分集增益的結論相一致,也表明提出的差分網絡編碼能夠獲得完全的協作和頻率分集性能;協作中繼個數K相同時,提出的SICE方法與GA相比,BER性能相同時,SNR約有0.5 dB的損耗,這表明在慢衰落信道中提出的SICE算法能有效估計和消除自干擾分量。

圖2　中繼個數K=1, 2, 3, 4時的BER

圖3為SICE算法在時變特性逐漸增強的信道中獲取的BER性能,仿真中對應的信道相干時間分別為τ=100T、50T、30T,協作中繼個數K=3,自干擾分量估計統計所需的OFDM幀符號個數分別為J=100、200、300。

圖3　信道相干時間τ=100T、50T、30T時的BER

從圖3可以看出,隨著信道時變特性的增強及信道相干時間τ的降低,提出的SICE算法與GA方法相比,對應的BER性能呈下降趨勢,即使自干擾分量估計所需的OFDM幀符號數J由100增加到300,SICE算法的BER性能也未有明顯改善。當BER性能為10-3時,GA方法所需要的SNR為15 dB,提出的SICE算法在τ=100時與GA略差0.5 dB,在τ=50時與GA略差2 dB,在τ=30時與GA略差4 dB,這表明隨著信道時變特性的加劇,通過SICE算法得到的自干擾分量的估計誤差會相應增加。如何在快衰落信道中更好地估計和消除自干擾分量尚需要進一步研究。

5結論

在多子載波、頻率選擇性衰落、雙向中繼轉發信道中提出多中繼協作的基于AF-CDC-OFDM的差分網絡編碼方法。通過多個協作中繼的分布式循環延時編碼及功率放大處理,雙向終端發送的差分編碼分組可獲得完全的協作分集和頻率分集增益。雙向終端在檢測對方的發送信號之前需要消除自身干擾信號,為此,提出基于相關統計的自干擾分量估計消除方法。仿真結果表明，提出差分網絡編碼能獲得相應的分集性能,提出的自干擾分量相關統計估計消除算法在慢衰落信道中是有效的。

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李民政(1972-),男,副教授,博士,主要研究方向為協作分集編碼與網絡編碼。

E-mail:minzhengli@126.com

歐陽繕(1960-),男,教授,博士,主要研究方向為陣列信號處理。

E-mail:hmoyshan@guet.edu.cn

謝越雷(1974-),男,副教授,碩士,主要研究方向為通信信號及陣列信號處理。

E-mail:ylxie_guet@126.com

肖海林(1976-),男,教授,博士,主要研究方向為移動通信與個人通信。

E-mail:hailinxiao@guet.edu.cn

網絡優先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20150104.1720.009.html

AF-CDC-OFDM based differential network coding

LI Min-zheng1,2, OUYANG Shan1, XIE Yue-lei1, XIAO Hai-lin1

(1.GuangxiExperimentCenterofInformationScience,GuilinUniversityofElectronicTechnology,

Guilin541004,China; 2.SchoolofElectronicEngineering,XidianUniversity,Xi’an710071,China)

Abstract:Based on the amplify and forward-cylic delay codes-orthogonal frequency division multiplexing (AF-CDC-OFDM) technology, a differential network coding method with multi-relay cooperation is proposed over the multi-carrier and frequency selective two-way relay channel. The two-way terminals can obtain the maximum cooperation diversity gains and frequency diversity gains through the distributed relay cyclic delay coding and power amplification processing. However, the two terminals need to eliminate the self-interference component among received signals before detecting the transmit symbol. Therefore, a self-interference elimination method is proposed with correlation statistical processing. The simulation results demonstrate that the proposed differential network encoding method can obtain the full diversity gain, and the proposed self-interference component eliminating method only has 0.5 dB SNR loss compared with the Genie-aided method over the slow fading channel.

Keywords:differential network coding; cyclic delay codes (CDC); amplify and forward (AF)

作者簡介：

中圖分類號：TN 925

文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2015.07.29

基金項目：國家自然科學基金(61362007,61371186,61261018,61461015);廣西可信軟件重點實驗室基金(KX201414);廣西自然科學基金(2013GXNSFFA019004,2014GXNSFAA118399,2014GXNSFGA118007);廣西教育廳重點項目(ZD2014052)資助課題

收稿日期：2014-07-18；修回日期：2014-11-23；網絡優先出版日期：2015-01-04。