基于MI模型的自适应译码协作通信方案⋆

刘焕兵，陈 翔，姜 晖

（合肥电子工程学院信息系，安徽合肥市，230037）

0 引言

近年来，协作通信技术逐渐引起人们的关注，协作通信的基本思想是无线网络终端之间通过共享天线，构成一个虚拟的多输入多输出系统以获得分集增益，在不增加终端天线的情况下有效的对抗无线信道衰落[4，8]。

按照中继节点的转发模式，可以将协作通信分为放大转发（AF）、译码转发（DF）和编码协作3种模式，其中译码转发复杂度较低，而且在源节点和中继节点之间的链路性能较差时也能有比较好的性能，但传统的译码转发模式固定转发原码字的长度，复杂度较低，但造成了系统资源浪费，本文针对这个不足，在满足系统给定的误码率要求前提下，自适应调节译码转发的码字长度，将节省下的无线资源用于新信息的传输，提高系统无线资源利用率。

1 原理

译码转发协作通信的原理图如图1所示[1-2]，其中S为源节点；R为中继节点；D为目的节点。译码协作分两个阶段，第一阶段，源节点向目的节点及中继节点发送码字，中继节点若译码成功就重新编码，为第二阶段准备。第二阶段，中继节点将重新编码后的码字发送到目的节点。若源节点与中继节点相距足够远，则可认为它们与目的节点之间的链路是相互独立的。目的节点收到源节点、中继节点发送的两个独立的码字，可以有效对抗多径衰落，实现发送分集，得到良好的性能。

在传统的译码转发协作通信方案中，中继节点会将全部码长的码字进行转发，在源节点与目的节点（S-D）、中继节点与目的节点（R-D）之间链路状况比较好的情况下，往往会造成系统资源的浪费，如果能够在满足误码率要求的前提下减少转发码长，就能节省出中继节点的无线资源，用于发送新的信息。

图1 译码转发协作通信的基本原理

2 方案

从信息论的观点来看，目的节点正确译码所需的信息量是固定的。由于信道状况是实时变化的，故S-D 链路发送的信息量随之变化，如果固定全码长译码转发，要么信息量不够，达不到误码率要求，要么信息量过多，使误码率大大低于系统的指标要求，造成无线资源的浪费，降低了系统的有效性。如果能根据信道状况正确预测所需转发的信息量，进而根据R-D 链路状况准确预测重传符号数，把节省出的无线资源用于新的信息的传输，那么系统的无线资源就能得到充分有效的利用，在恰好满足系统误码率要求的情况下，使系统吞吐量最大化。

2.1 互信息（MI）模型

自适应译码转发方案设计的关键是准确预测所需转发的信息量或中继符号数，而MI模型能根据信道当前的信道状态向量准确预测误码率[3]，从而完成此任务。

MI模型的框图如图2所示，MI模型假设在一定的传输时间间隔（TTI）内，多载波/多天线系统各个子信道的信道状态不发生变化。SINR1，SINR2，…，SINRJ，表示一个TTI内J个子信道各自经历的信道状态。每个子信道采用的调制方式可能不同，但从译码器的角度看，每个子信道输出的是各个解调器的软输出携带的互信息[5]，它是基于信道互信息的信息度量，即调制符号级互信息（SI）。

式中γ=Es/N0表示调制符号X经历的信道状态；P(X)是X的先验信息；Y=YR+i*Y1是接收的符号；P(Y|X，γ)是Y在信干噪比γ下的条件概率密度函数。式（1）表明SI 代表的是离散输入连续输出信道的容量。

图2 互信息（MI）模型的原理框图

SI 收集单元将调制模型输出的SI 累加起来得到已接收编码比特互信息（RBI），并对其进行归一化，得到每个编码比特的互信息，即已接收编码比特信息率（RBIR），显然，RBIR的取值范围是0到1。

其中J 表示子载波个数；γj表示第j个子载波的SNR 状态；mj表示第j个子载波的调制阶数；N 表示码长。RBIR 是互信息模型中很关键的量，链路质量映射单元根据RBIR值查表得到与最初的瞬时SNIR 向量对应的瞬时误块率（BLEP）。

MI模型的链路差错预测分为3个步骤：一是通过加性高斯白噪声（AWGN）信道中的链路级仿真建立有效信干噪比（SINR）或RBIR 到误码率的查找表；二是将瞬时SINR 向量映射为有效SINR或RBIR；三是由有效SINR或RBIR 在查找表中找到相应的误码率性能。

2.2 转发符号数预测

在理想信道估计条件下，利用MI模型计算转发符号数的方案如图3所示，译码转发中R-D链路中传输的是S-D 链路传输码字的一部分，可以与S-D 链路传输的码字按两次传输的信噪比加权合并，如图3所示，S-D 链路传输的码长为N，R-D 链路传输的码长为T，两次传输的信道状态不同，分别为SINR1和SINR2。若两次传输的调制方式不同，可通过MI模型将SINR1和SINR2映射为BPSK 调制下的等效信干噪比SINRBPSK，1和SINRBPSK，2。那么两次传输可等效为一次传输，采用BPSK 调制，码长为N，而T个码元的两次传输等效于增加了发射功率的一次传输，从累积条件互信息的计算可以看出，T个码元的等效信噪比实际上是两次传输的SINR（非dB值）的累加：

图3 自适应译码转发方案的转发符号数计算

而另外N-T个码元只传输了一次，经历的信道状态为SINR1。由MI模型可以得到两部分码字中每个比特携带的信息量分别为RBIRcq和RBIR1，两次传输的总信息量RBIcom：

定义满足误码率要求需要传输的为信息量为RBItarget，如果RBIcom≥RBItarget，那么译码成功的概率肯定会大于BLEPtarget，从而满足系统的误码率要求。令RBIcom=RBItarget，则由式（6）求出的Tmin是恰好满足系统误码率要求所需转发的最小码字长度，亦即使系统吞吐量最大的最佳转发码元数。

计算出所需转发的码元数Tmin后，中继节点转发长度为Tmin的码字，即可满足指定的误码率要求。

3 仿真结果及分析

基于3节点译码转发链路级仿真平台，验证该自适应译码转发方案的性能，信道编码为低密度奇偶校验码（LDPC）码[6-7]，采用BPSK、QPSK、16QAM、64QAM 4种调制模式，S-R、S-D 链路和R-D 链路为相互独立的单径Rayleigh 块衰落信道，S-D 链路和R-D 链路的平均信噪比相同，只在中继节点正确译码源节点的码字时才进行转发。

3.1 自适应译码转发与固定码长译码转发的方案比较

本仿真的目的是比较自适应译码协作方案与非自适应译码协作方案的误码率性能及中继符号数。设系统要求误块率不得低于BLERtarget=0.01，只采用BPSK 调制，所用LDPC 码为IEEE802.16e标准规定的(576，288)-LDPC 码，最大转发长度为576，最小转发长度为100。无协作，自适应译码转发和固定长度译码转发的误码率结果如图4所示，相应的转发调制符号数占总码长的比例如图5所示。从图中可以看出，当S-D 链路信噪比低于-4dB时，自适应译码转发和固定码长译码转发的误码率曲线几乎重合，这是因为信噪比很低，即使中继节点将所有的时隙都用于转发源节点的完整码字，也无法达到系统的误码率要求，误码率高于0.01；当信噪比从-3.5dB 变化到-1.5dB时，自适应译码转发方案的误码率保持在等于1%或略低于1%的水平，而相应的转发符号数逐渐从576下降到0，意味着MI模型正确预测了中继节点应转发的最少符号数，使系统在恰好满足误码率要求的前提下，最大限度地减少了无线资源的使用，而固定码长译码转发的误码率虽远低于系统要求，但始终转发576个调制符号存在浪费，系统有效性较低；当S-D 链路信噪比高于-1.5dB时，无需协作就已经满足误码率要求了。

图4 自适应译码转发方案与固定码长译码转发方案及无协作方案的误码率性能比较

图5 自适应译码转发方案与固定码长译码转发方案及无协作方案的中继比例比较

3.2 自适应调整中继节点调制方式的译码转发方案

设系统要求误块率不得低于BLERtarget=0.01，中继节点自适应的选择BPSK、QPSK、16QAM 和64QAM 等4种调制模式之一，所用LDPC 码为IEEE802.16e 标准规定的(576，288)-LDPC 码，最大转发长度为576，最小其转发长度为100。仿真结果如图6所示。从图中可以看出，在等效信噪比低于-1dB时，中继节点采用BPSK 调制，保证满足系统误码率要求，当等效信噪比高于-0.5dB时，中继节点切换到QPSK 调制模式，此时既能满足系统误码率要求，又能用较高阶调制方式提高系统的有效性，同理，在等效信噪比达到4.5dB时，中继节点切换到16QAM 调制方式；在等效信噪比达到9.5dB时，中继节点切换到64QAM 调制方式，节省出越来越多的无线资源用于新信息的传输，实现了在恰好满足系统可靠性要求的前提下，使系统吞吐量最大化的目标，提高了无线资源的利用率。

图6 自适应调整中继节点调制方式的译码转发方案的误码率性能

4 结论

针对传统的译码转发协作通信方案中，中继节点译码后转发固定长度码字导致无线资源利用率较低的问题，提出了一种自适应调整中继节点调制方式和转发码长的译码转发方案。该方案能在恰好满足误码 M 率要求的前提下使所需转发的调制符号数最小化，节省出无线资源用于新信息的传输，提高了无线资源利用率。

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