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无线多中继系统中判决门限辅助的快速Z转发协作.docx
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无线多中继系统中判决门限辅助的快速Z转发协作.docx
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1. 引言
在无线通信中,用户可通过中继彼此间的消息到达目的节点来完成协作
[1-3]
,以获得空
间分集增益,提高传输有效性和可靠性
[4]
。目前,主要有以下几种常用中继协作:放大转
发(Amplifier-Forward, AF)
[5]
、译码转发(Decode-Forward, DF)
[5]
协作。在 AF 协作中,中继节
点放大有用信号的同时,噪声也被放大,存在噪声放大问题
[6]
。在 DF 协作中,中继节点通
过译码可去除源-中继链路(S-R)传输时引入的噪声,能有效解决 AF 协作噪声放大得问题。
但当 S-R 链路信道质量较差时,中继节点无法正确译码,极大影响系统误码率
[7,8]
。研究表
明,在不同信道条件下,AF 协作和 DF 协作各有其优点
[5,9]
。
为结合 AF 协作和 DF 协作优点,弥补两者之间不足,现有多种改进方法。如基于信
噪比
[10]
或循环冗余校验码
[11]
的 AF, DF 切换机制,多中继系统中基于信噪比
[12]
或对数似然
比
[13]
(Log-Likelihood Ratio, LLR)的中继选择机制等。但当所有中继链路信道质量都较差
时,前面所提的切换和中继选择机制并无多大帮助
[14,15]
。为解决这一挑战,学者着手研究
软消息转发协作
[16-19]
。
比如在译码放大转发(Decode-Amplify-Forward, DAF)协作
[16]
中,中继节点解码接收到
的消息,但不执行硬判决,仅将计算出的软信息 LLR 放大后协作前传,较好结合了 AF 协
作和 DF 协作的优良性能。但该种协作转发方式使得中继节点处转发的信息取值范围过
大,将增加调制难度。故出现了一种估计转发 (Estimated-and-Forward, EF)协作
[17]
,在信道
软译码后,计算 tanh(LLR/2)后转发,较好地约束了中继节点处转发信息的取值范围。然而
tanh(x)为非线性函数,若中继节点采用 EF 协作策略转发消息,在目的节点处接收到信号的
概率密度函数将无法计算,仅能使用最大比值合并(Maximal Ratio Combining, MRC)进行判
决译码。但计算 tanh(LLR/2)本质上等于计算软信息,故使用 MRC 判决译码,有时会导致
译码错误。为逼近 tanh(x)函数曲线,并使转发函数具有线性或分段线性,出现了一种分段
转发(Piecewise-and-Forward, PF)协作
[18]
。其中继函数可看作 tanh(x)函数的分段逼近和简
化。但 PF 协作的门限设置只考虑了单 S-R 链路的信道情况,当多中继时,对软消息可靠
性的利用并不充分。虽性能略优于 AF 协作和 DF 协作,但远非最优。因此,出现了一种
Z 向转发(Z-Forward, ZF)协作
[19]
,受 PF 协作的启发,ZF 协作根据中继节点第 1 时隙接收
信号的 LLR,也将输入信号分割成 3 个区域。当 LLR 绝对值大于门限时,在第 2 时隙转发
门限值或其相反数,否则直接转发计算得到的 LLR。
在 ZF 协作中,即使 S-R
i
链路信道质量较差,中继节点 R
i
依旧参与协作转发。但当
LLR
i
较小时,它所包含的可靠性消息不足,对目的节点正确译码帮助不大,且在第 2 时隙
协作传输过程中需要的发射功率更大,导致中继节点能耗利用不合理。基于这一事实,本
文提出一种门限辅助判决快速 Z 向转发(Decision Threshold-aided Fast Z-Forward, DT-FZF)协
作。当中继节点处接收信号 LLR 的绝对值小于门限时,中继节点不参与协作转发;否则中
继节点协作转发经截断后的 LLR。
2. DT-FZF 协作
两跳多中继系统模型如图 1 所示,由 1 个源节点 S,1 个目的节点 D 和 M 个中继节点
组成,源节点与目的节点之间无直传链路。信号采用最简单的二进制相移键控(Binary
Phase Shift Keying, BPSK)调制,各链路为准静态瑞利衰落信道,在每个码字传输过程中,
信道系数保持不变,但在不同码字传输过程中,信道系数随机变化。中继节点与目的节点
均可通过信道估计算法获得各链路较为准确的信道状态信息。
图 1 两跳多中继系统模型
下载: 全尺寸图片 幻灯片
整个协作传输过程分两个时隙完成。第 1 时隙,源节点 S 广播信号给所有中继节点,
此时各中继节点接收到的信号为
ySRi=PS−−−√hSRixS+nSRi,i=1,2,⋅⋅⋅,MySRi=PShSRixS+nSRi,i=1,2,···,M
(1)
其中,P
S
为源节点发射功率;hSRihSRi 为链路 S-R
i
信道系数,服从均值为 0、方差为
δ2SRiδSRi2 的复高斯随机分布;nSRinSRi 是均值为 0、方差为 σ2SRiσSRi2 的加性高斯白噪
声。
第 2 时隙,中继节点 R
i
首先计算从链路 S-R
i
接收到信号的 LLR
i
:
LLRi=ΔlgP(xs=+1|ySRi)P(xs=−1|ySRi)=2PS−−−√hSRiσ2SRiySRiLLRi=ΔlgP(xs=+1|ySRi)P(xs=−1|ySRi)=2PShSRiσSRi2ySRi
(2)
将式(1)代入式(2)得
LLRi=2PS−−−√hSRiσ2S(PS−−−√hSRixS+nSRi)=mixs+n1iLLRi=2PShSRiσS2(PShSRixS+nSRi)=mixs+n1i
(3)
其中
mi=2PSh2SRiσ2SRimi=2PShSRi2σSRi2
(4)
n1i∼N(0,σ21i)=N(0,4PSh2SRiσ2SRi)n1i∼N(0,σ1i2)=N(0,4PShSRi2σSRi2)
(5)
当 LLR
i
较小时,它所包含的可靠性消息不足,对目的节点正确译码帮助不大,且在
第 2 时隙协作传输过程中需要的发射功率更大,导致中继节点能耗利用不合理。当 LLR
i
较
大时,将增加实际协作转发过程中的调制难度。故中继节点 R
i
将计算所得的 LLRiLLRi 发
送到目的节点之前,需根据门限 θ1iθ1i 与 θ2iθ2i 对 LLR
i
进行截断
li=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪−θ1i, LLRi≤−θ1iLLRi,−θ1i<LLRi≤−θ2i0,−θ2i<LLRi≤θ2iLLRi,θ2i<LLRi≤θ1iθ1i, LLRi>θ1ili={−θ1i, LLRi≤−θ1iLLRi,−θ1i<LLRi≤−θ2i0,−θ2i<LLRi≤θ2iLLRi,θ2i<LLRi≤θ1iθ1i, LLRi>θ1i
(6)
其中,0≤θ2i<θ1i0≤θ2i<θ1i。由式(6)得,θ1iθ1i 与 θ2iθ2i 取值是 DT-FZF 协作的关
键,其计算方法将在本文第 2 节给出。
接下来,中继节点发送处理过的信号 l
i
到目的节点 D。此时目的节点接收到中继节点
R
i
发送过来的信号为
yRiD=PRi−−−√hRiDli+nRiD, i=1,2,⋅⋅⋅,MyRiD=PRihRiDli+nRiD, i=1,2,···,M
(7)
其中,PRiPRi 为中继节点 R
i
发射功率;hRiDhRiD 为 R
i
-D 链路信道系数,服从均值为
0、方差为 δ2RiDδRiD2 的复高斯随机分布;nRiDnRiD 是均值为 0、方差为 σ2RiDσRiD2 的
加性高斯白噪声。
最后,在目的节点处使用 MRC 合并所有接收到的信号,用以译码。
DT-FZF 协作的流程图如图 2 所示。AF, DF, PF 和 ZF 协作可看作 DT-FZF 协作的特殊
情况:
图 2 DT-FZF 协作流程框图
下载: 全尺寸图片 幻灯片
当 θ
1i
= +∞, θ
2i
= 0 时,中继节点直接转发从 S-R
i
链路接收到信号的 LLR
i
。由式(2)和式
(7)得,这相当于适当放大信号 ySRiySRi 后转发。此时,DT-FZF 协作等同于 AF 协作。
当 θ
1i
= 0, θ
2i
= 0 时
li={1, LLRi≥0−1,LLRi<0li={1, LLRi≥0−1,LLRi<0
(8)
此时,中继节点相当于对信号 ySRiySRi 译码后转发,DT-FZF 协作等同于 DF 协作。
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