白恩健，徐飛飛

(東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

空間分集技術(shù)是一種抵抗信道中衰落影響的有效方法［1］，利用多輸入多輸出(MIMO)天線技術(shù)［2］能充分利用空域資源，大幅提高信道容量。然而實(shí)際中受到大小、成本或硬件等因素的限制，一個(gè)較小的移動(dòng)平臺(tái)較難設(shè)置多根天線。Sendonaris等人提出一種基于中繼信道模型的協(xié)作分集技術(shù)［3－4］，使單天線的移動(dòng)終端也可實(shí)現(xiàn)空域分集。多中繼網(wǎng)絡(luò)中，各中繼相互協(xié)作可在無(wú)明顯改變骨干網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的同時(shí)顯著提高系統(tǒng)性能［5］。在無(wú)線通信系統(tǒng)中，HARQ的差錯(cuò)控制方案能夠在信道誤碼率較高的情況下，利用前向糾錯(cuò)碼糾正盡可能多的錯(cuò)誤，降低ARQ系統(tǒng)的重傳頻率，提高整個(gè)系統(tǒng)的性能［6］。Turbo碼譯碼復(fù)雜度較高，且在碼長(zhǎng)較長(zhǎng)的情況下性能比LDPC碼差。文中研究基于LDPC碼的多中繼HARQ系統(tǒng)的性能，采用Matlab仿真不同中繼數(shù)目下對(duì)系統(tǒng)平均誤碼率，平均時(shí)延以及吞吐量的影響，并與基于Turbo碼的多中繼HARQ系統(tǒng)進(jìn)行比較。數(shù)據(jù)傳送給中繼節(jié)點(diǎn)，然后中繼節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)傳送給目的節(jié)點(diǎn)，期間會(huì)經(jīng)過(guò)編碼和解碼過(guò)程。

1 系統(tǒng)模型

1.1 多中繼信道模型

系統(tǒng)模型如圖1所示。多中繼節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)包含用戶節(jié)點(diǎn)S，目的節(jié)點(diǎn)D和中繼節(jié)點(diǎn)Ri。用戶先將數(shù)據(jù)傳送給中繼節(jié)點(diǎn)，然后中繼節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)傳送給目的節(jié)點(diǎn)，期間將經(jīng)過(guò)編碼和解碼過(guò)程。

圖1 多中繼信道模型

1.2 HARQ系統(tǒng)類(lèi)型

根據(jù)HARQ過(guò)程中重傳內(nèi)容的不同，HARQ主要分為 TypeⅠHARQ、TypeⅡHARQ、TypeⅢHARQ 3 種類(lèi)型:TypeⅠHARQ是一種簡(jiǎn)單的ARQ和FEC的結(jié)合，發(fā)送數(shù)據(jù)塊進(jìn)行CRC編碼后再進(jìn)行FEC編碼，在接收端對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行FEC譯碼后，CRC進(jìn)行校驗(yàn)。如果數(shù)據(jù)出錯(cuò)，則接收端通知發(fā)送端重傳，而錯(cuò)誤的分組被丟棄;TypeⅡHARQ方案屬于增量冗余的HARQ方案，接收端CRC校驗(yàn)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，錯(cuò)誤分組被存在接收端的寄存器中，并向發(fā)送端發(fā)送重傳的控制消息，發(fā)送端重傳的信息不是前一次數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單重復(fù)，而是不同的增量冗余信息，重傳分組無(wú)法自解碼，接收端將重傳的增量冗余信息與寄存器中分組數(shù)據(jù)合并后再進(jìn)行譯碼，由于增加了新的冗余位信息幫組譯碼，因此糾錯(cuò)能力增強(qiáng)，提高了系統(tǒng)性能;TypeⅢHARQ方案也屬于增量冗余方案，與TypeⅡHARQ相似，接收錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包將保留，接收機(jī)將其存儲(chǔ)后與后續(xù)的重傳數(shù)據(jù)合并進(jìn)行解碼，TypeⅢHARQ重傳的數(shù)據(jù)包具有自解碼能力，重傳的數(shù)據(jù)包與初傳的數(shù)據(jù)包采用合并的方式獲得最大的譯碼增益［7］。

1.3 LDPC碼

LDPC碼是校驗(yàn)矩陣H中只有較少的元素為“1”，大部分元素都是“0”的一種線性分組碼。其具有較好的特點(diǎn):譯碼復(fù)雜度低，在碼長(zhǎng)較長(zhǎng)的情況下性能較好，可逼近香農(nóng)極限，適合理論研究和硬件實(shí)現(xiàn)。

1.4 基于LDPC碼的HARQ系統(tǒng)模型

TypeⅢHARQ重傳的數(shù)據(jù)具有自解碼的能力，故文中采用TypeⅢHARQ方案。在發(fā)送端采用BPSK調(diào)制，并設(shè)置一個(gè)發(fā)端緩存器來(lái)存儲(chǔ)編碼后的信息，利用LDPC碼進(jìn)行信道編碼，因LDPC碼具有自動(dòng)檢錯(cuò)功能，故不采用CRC作為檢錯(cuò)碼。在接收端設(shè)置一個(gè)收端緩存器來(lái)接收譯碼后的信息，并將譯碼信息傳送給誤碼判決器，通過(guò)誤碼判決分析譯碼是否成功，若譯碼正確，發(fā)送ACK到中繼，通過(guò)中繼發(fā)送ACK通知信源發(fā)送新的數(shù)據(jù)包，并將正確的信息傳遞給信宿;若譯碼錯(cuò)誤，發(fā)送NAK給中繼，通過(guò)中繼發(fā)送NAK通知信源進(jìn)行重發(fā)。在所有進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的中繼內(nèi)，該系統(tǒng)將自動(dòng)選擇一個(gè)信道條件較好的中繼傳送數(shù)據(jù)，以提高系統(tǒng)傳輸?shù)男?，具體流程如圖2所示。

圖2 基于LDPC碼的HARQ系統(tǒng)圖

2 仿真結(jié)果

為驗(yàn)證基于LDPC碼的多中繼協(xié)作HARQ系統(tǒng)的性能，利用Matlab進(jìn)行仿真。采用LDPC碼進(jìn)行信道編碼，對(duì)不同中繼數(shù)目協(xié)作時(shí)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了比較，包括平均誤碼率PER，吞吐量η以及平均時(shí)延E(T)。選擇無(wú)中繼、1個(gè)中繼、2個(gè)中繼以及3個(gè)中繼這4種情況進(jìn)行分析，同時(shí)給出采用與LDPC碼等長(zhǎng)的Turbo碼的多中繼HARQ系統(tǒng)的性能圖。

表1 仿真參數(shù)表

仿真結(jié)果如圖3～圖5所示。從圖3可看出，在無(wú)中繼時(shí)誤碼率最高，中繼數(shù)目越多，平均誤碼率越小。隨著信噪比增加，效果越明顯。這說(shuō)明中繼數(shù)目越多，形成的空間分集增益越大，系統(tǒng)性能越高，誤碼率越低。如圖4所示，隨著中繼數(shù)目的增加，系統(tǒng)吞吐量越來(lái)越大，特別是信噪比越大，差異效果越明顯，在無(wú)中繼時(shí)，吞吐量最小。如圖5所示，中繼數(shù)目越多，平均時(shí)延越小。無(wú)中繼時(shí)，數(shù)據(jù)包無(wú)重傳，平均時(shí)延為1。在所有進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的中繼之內(nèi)，該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選擇一個(gè)信道條件較好的中繼傳送數(shù)據(jù)，這將使得平均誤碼率降低，吞吐量的提高以及平均時(shí)延的降低。同時(shí)也可看到，在碼長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，LDPC碼的性能比 Turbo碼好。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了多中繼信道模型，HARQ系統(tǒng)類(lèi)型，LDPC碼以及基于LDPC碼的多中繼HARQ系統(tǒng)模型。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，增加中繼數(shù)目可顯著提升系統(tǒng)的性能，且系統(tǒng)性能優(yōu)于基于Turbo碼的HARQ系統(tǒng)?；贚DPC碼編碼的復(fù)雜度，下一步將研究如何降低LDPC碼的編碼復(fù)雜度。

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