无线多跳通信系统中的一种改进方法

叶 伟， 纪小红

(①华东师范大学 信息科学技术学院，上海 200241；②东南大学 信息科学与工程学院，江苏 南京 210096)

0 引言

在LTE中引入了中继（Relaying）技术，中继技术在未来的蜂窝无线移动通信中将起着重要的作用：增加蜂窝边缘地区用户的吞吐量，改善蜂窝中盲点的覆盖，提高部分热点地区用户的传输速率，延伸蜂窝的覆盖范围等等[1]。但由于该中继技术是在蜂窝无线移动通信中建立的，因此我们不得不考虑无线信道的特性，充分考虑好无线信道的特性并采取相应处理方法将会更好的传输效率，如采用合作分集技术[2]，网络编码[3]，预编码技术[4]等。

本文主要讨论的是双向放大吞吐量的中继（Relaying with Bi-directional Amplification of Throughput）[5]，它的主要传输方式如图1所示。在图1中(a)是传统的中继传输模式，即A,B之间的通信是分开的，需要四个时隙完成它们之间的通信，频谱使用效率不高；(b)是采用 DF BAT-relaying的传输模式，A,C先分别发信息到节点B，在节点B处对它们分别解码再做异或处理发射到A,C处，它的频谱使用较前者提高，且使用DF，在改善误码率上得到很大提高；(c)中采用AF BAT-relaying的传输模式，即A,C同时向节点B处发消息，在B处接受到消息并乘以功率因子再分别发到A,C处，此种方法只需两个时隙即可完成A,C之间的通信，但存在噪声放大的问题，将会很大成度上影响系统的性能。有关DF和AF的述说见文献[6-7]。

图1 BAT-relaying的传输方式

本文在考虑AF BAT-relaying基础上提出了一种新的方法，即在节点B处先除去噪声再转发消息，通过仿真分析，它相对于传统的AF BAT-relaying方案有着明显的改善，提高了频谱效率。

1 BAT-relaying的传输方法

假设在A、C处要传输的比特流为b=(b[1],b[2],…,b[N])N个比特，经过映射（BPSK、QPSK、16QAM、64QAM）后的符号流为x=(x[1],x[2],…,x[M])∈X,其中X为不同调制方式的符号集，并且符合

对于DF BAT-relaying传输方式，在第一时隙，节点A首先发信息给节点B，节点B在接受到A发来的信息时，把它解调成对应的比特b()；在第二时隙，节点C发信息给节点B，节点B在接受到C发来的信息时，把它解调成对应的比特b(；在第三时隙，节点B把b()和b()对应比特作异或处理，并把异或后得到的比特信息调制成 x(b[m])发射出去。假定在节点A,B,C处的噪声为和分别为节点B到节点A和C的信道的衰落系数，则在节点A,C处接受到的信号为：

节点A,C处在接受到信息时也先解调，由于节点A和C知道自己发射的信息，因此，他们再作一次异或处理即可提取处从对方发来的消息。

对于AF BAT-relaying传输方式，在第一时隙，节点A和C同时分别向节点B发信息xAC和xCA，则节点B处接受到的信息为：

在第二时隙，节点B处对信号yB先作归一化处理再分别向A,C处发射，即乘以归一化因子

在节点A处，由于节点A处知道自己先前发的信息xAC，并假设节点A知道信道信息hAB、 hCB、hBA和β，则节点A得到从节点C发来的信息为：估计处的信息为：,同理可得节点 C处接受到的信息 ()ACx 。

本文提出的改进的AF BAT-relaying传输方式工作过程为：和上面介绍的AF BAT-relaying传输方式时隙结构大部分一样，只是在节点B处不是作简单的功率归一化处理，而是在该处作符号判决，得到去噪声的估计符号 x(AC)和x(CA)，再把它们相加乘以功率归一化因子后发射给节点 A和C处。假设节点A和C处映射的符号集（xA[m] xC[m]）∈X,在节点B处的处理步骤为：第一步根据下式计算出最佳的(x(A[m]),x(C[m])),

2 仿真分析

这部分主要通过仿真分析验证各个双向传输方案的频谱使用效率。在仿真中假设多跳链路中的各跳信噪比都相同，即。仿真时采用的参数为：调制方式是QPSK，信道编码为1/2Turbo码，帧长为N=1 020，在高斯信道（hAB=hCB=1）下各种传输方案的性能如图2所示。

图2 四种BAT-relaying在AWGN信道下的性能

在图2中的各个传输方案的频谱效率的定义为：

其中 BLER为误块率,M为调制数值(M=4),R为码率(R=2)。从图2中我们可以看到，改进的AF BAT Relaying方案在AWGN信道下的性能比传统的AF BAT Relaying方案的性能要好1.6 dB左右，体现了本文改进的方案的优越性。

3 结语

在LTE的无线通信中，多跳中继技术以其可以扩展覆盖和增加容量、简单、灵活、可快速部署和成本有效等诸多特性，已经成为下一代移动通信系统的候选关键技术之一。

本文在讨论双向中继技术时，针对传统的AF双向中继提出了一种改进方法，并通过仿真分析验证它的可行性。但作为目前学术界和产业界的热点之一，双向多跳中继系统的还有诸多技术需要进一步研究和优化。

[1] 何晓炜.下一代移动通信系统中的中继技术[J].移动通信,2008,32(20):

[2] Laneman J N,Tse D N C,Wornell G W.Cooperative Diversity in Wireless Networks: Efficient Protocols and Outage Behavior[J].IEEE Trans.Inform. Theory,2004,50(12):3062-3080.

[3] Lun D S,Medard M,Koetter R.Efficient Operation of Wireless Packet Networks Using Network Coding[C]//In Proc. International Workshop on Convergent Technologies (IWCT) 2005.

[4] 郑侃.预编码技术在协同中继系统中的应用[J].电信科学，2008(08):65-69.

[5] Popovski P, Yomo H.The Anti-Packets Can Increase the Achievable Throughput of a Wireless Multi–Hop Network[C].2006 IEEE;3885-3890.

[6] Wu Y, Chou P A, Kung S Y. Information Exchange in Wireless Networks with Network Coding 3 and Physicallayer Broadcast[R].Microsoft,Tech. Rep. MSR-TR-2004-78,2004.

[7] Larsson P,Johansson N,Sunell K E.Coded Bidirectional Relaying[C].in 5thScandinavian Workshop on Ad Hoc Networks(ADHOC’05),Stockholm,Sweden,2005.