物联网协作通信中混合编码调制方法研究*

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物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段[1]。物联网的兴起，促进大规模节点采用无线方式连入网络进行通信，对无线通信技术提出更高的要求。由于物联网用户的数量巨大，传统的点到点链路连接模式己不能满足业务的需求，因此需要利用中继等协作方式实现用户分层接入来减轻网络负载压力。中继协作传输能扩大传输距离、提高传输可靠性，是满足万物互联需求的一项核心技术，随着用户数量的剧增以及物联网多形态传输的发展，用户之间的协作会成为常态[2]。基于此，围绕物联网中继协作通信技术的研究工作得到了高度重视，例如，在基于车辆的中继系统中的移动终端经由多跳中继重传向基站发送信号[3]。Qian等人在基于物联网的无线传感器网络中设计了双接口中继协作以提高系统功效[4]。

在物联网中继协作网络中，通常用户到中继以及用户到接收端的信道条件不相同，我们称之为非对称信道，而这种信道的非对称性会对接收端获取信息的接收能力造成影响[5]。在传统的调制方式中：若用户采用低阶的调制方式，则难以充分利用高质量信道，从而造成一定的信道资源浪费；若用户采用高阶的调制方式，信息接收的可靠性往往会受到低质量信道的较大影响。为了更好地解决这个两难问题，通常采用分层调制技术，将用户信息划分为高优先级信息和低优先级信息，以此改善信道非对称问题，提高网络吞吐量[6-7]。网络编码是另一种提高网络吞吐量的有效技术，通过在中间节点对信息进行线性或非线性的处理，使得中间节点能同时发送接收到的多个信息流，接收端再通过一定的解码方式解码处需要信息，可进一步提高网络吞吐量和频带利用率[8-10]。

当前，已有大量文献针对中继协作、分层调制技术和网络编码技术在物联网中的应用展开了研究。文献[11]针对无线物联网中多跳场景，提出了一种基于网络编码的多中继协作切换机制。文献[12]针对无线物联网能量有限的应用场景，提出一种基于网络编码的能量受限数据传输机制NCDT。文献[13]针对单用户中继系统提出采用分层调制方式的物理层网络编码方案。上述文献对物联网络中结合网络编码技术的研究做出了相当大的贡献，但如何进一步利用分层调制和网络编码改善物联网多用户多中继协作网络性能仍然是值得进一步研究的内容，因此，本文针对物联网系统中多用户多中继无线协作网络，考虑无线信道的不对称性，为进一步提高系统的传输性能，提出一种结合分层调制和网络编码的混合调制编码（HMC）协作机制。

1 混合调制编码协作机制

1.1 系统模型

以物联网中两用户两中继协作网络作为研究对象，建立无线通信系统模型，如图1所示。用户A和用户B是两个用户节点，中继节点为R1和R2，用户均可通过直传链路和中继协作链路传输自身信息给接收端。

图1 物联网多用户多中继协作模型

考虑到传输距离对信息接收的影响，通常传输距离越大信号接收质量越差，因此，假设靠近用户A的中继节点R1能够接收到用户A的全部信息和用户B的高优先级传输信息，靠近用户B的中继节点R1能够接收到用户B的全部信息和用户A的高优先级传输信息，而接收端只能接收到两个用户的高优先级传输信息。

1.2 混合调制编码方案

1.2.1 源端分层调制处理

在非对称信道条件下，用户到中继、用户到接收端以及中继到接收端信道条件各不相同，即不同信道拥有不同的信噪比。对于HMC协作系统，源端用户采用分层调制技术对传输信息进行处理，使得接收节点能根据各自的信道条件解码出部分或全部的用户信息，以此改善信道的非对称性，有效利用系统边信息，提高系统传输性能。

图2 分层调制处理

同理，用户B的传输信息经分层调制后可表示为

1.2.2 中继编码码字设计

在中继处，采用联合网络编码和分层调制的技术对接收到的信息进行编码码字设计，以中继R1为例，如图3所示，中继R1通过信道估计获取不同信道条件的信道信息，可解码出，然后将的调制结果作为其高优先级的数据，和经物理层网络编码处理后的映射结果作为其低优先级的数据。即经信息处理后，中继R1获得的编码包为，其中

图3 中继编码码字设计

为进一步分析中继编码码字设计方案，分层调制均采用2/8PSK分层调制，即假设一个信息包总共包含3个比特信息，经分层调制后，其高优先级信息（N可以为

由HMC系统模型建立可知，由于信道质量和传输距离的影响，接收端通过直传链路传输信息包仅能解码出用户高优先级信息。协作链路，通过分级最大似然估计算法，可以优先解码出中继转发的高优先级信息和，由1.2.2分析可知，协作链路可解码出用户低优先级；同时，由于协作链路的信道条件较直传链路更好，接收端可解码出中继转发的低优先级信息）包含信息为1比特，低优先级包含的信息为2比特。图4给出了2/8PSK分层调制的星座模型示意图。其中黑色圆点代表实际处理后信息，蓝色圆点和白色圆圈均是为了分析的虚拟信息。

图4 分层调制星座图(2/8PSK）

1.2.3 接收端解码设计

在HMC协作系统中，接收端可以从直传链路和协作链路接收到信息包，采用最大似然估计算法可部分或者全部解码出分层调制信息包[14]，其核心算法公式如下：和，以此通过式（4）和式（7）再次解码出用户高优先级信息。因此，获得了用户高优先级信息的次级增益，能够提高系统信息传输有效性。

2 系统传输性能分析

本文分析了此方案的端到端传输的误比特性能，假设系统采用的是半双工模式。由于采用分层调制后的信息由高优先级信息和低优先级信息组成，二者同时影响系统端到端的误比特性能。以用户A到接收端的误比特性能为例，可知误比特率可由如下公式进行计算

其中，是用户A高优先级信息的端到端误比特率，是用户A低优先级信息的端到端误比特率。

2.1 用户A的低优先级信息误比特率

由1.1系统模型建立可知，用户A的低优先级信息只能通过中继进行转发到接收端，其经历的链路为A-R1，R1-D。在经历A-R1链路时，即中继接收到用户A的低优先级信息，在A-R1链路产生的误比特率为

然后，中继通过码字设计将解码出的用户A的低优先级信息作为编码包的高优先级信息转发给接收端，即R1-D链路产生的误比特率为

因此，接收端接收用户A的低优先级信息产生的误比特率为

2.2 用户A的高优先级信息误比特率

由第一章节可知，接收端可以通过两条路径收到用户A的高优先级信息：一是通过直传链路接收用户A高优先级信息；二是通过协作链路接收用户A的高优先级信息编码包。两种接收方式的误比特率分析如下：

接收端通过直传链路接收高优先级信息的误比特率为

接收端通过协作链路接收高优先级信息产生的误比特率为

其中，是中继接收用户B高优先级信息的误比特率，和是接收到接收到中继1和中继2低优先级信息的误比特率。

结合直传链路和协作链路的分析结果，接收端接收用户A的高优先级信息产生的误比特率为

因此，接收端接收用户A信息的端到端误比特率为

3 仿真分析

本节对在多用户多中继协作网络中采用分层调制和网络编码的HMC机制端到端误比特性能进行了仿真分析。假设信道为高斯白噪声信道，发送端采用2/8PSK分层调制，中继采用物理层网络编码方式。

图5 不同方案中系统端到端的BER

图5给出了多用户多中继协作模型中采用HMC方案与传统网络编码的传输性能的比较结果：随着信道条件的改善，两种传输方案的传输性能均得到了提升，但采用分层调制技术的HMC方案的传输性能明显优于传统的网络编码方案。这是因为HMC方案采用分层调制技术对传输信息进行处理，使得接收节点能根据各自的信道条件解码出部分或全部的用户信息，有效利用系统边信息，改善信道非对称性的影响，提高系统传输性能。

图6 不同高优先级低优先级功率比值下的HMC方案BER

图6给出了不同信噪比下HMC方案系统传输性能与信息分级功率分配比值的关系图。由图可知，系统端到端误比特率性能随着功率分配比值的增加，呈先增大后逐渐减小的趋势，并在P1/P2=0.8附近达到最小值。由第2节系统性能分析可知，采用分层调制技术后，系统端到端传输性能受高优先级信息和低优先级信息的共同影响；同时，当高优先级信息与低优先级信息的功率分配比值为P1/P2=0.8时，分层调制的各星座点间的欧式距离到达最大值，因此系统性能此时到达最优。

4 结论

针对物联网系统中多用户多中继无线协作网络，考虑无线信道的不对称性，在传统网络编码的基础上，引入了分层调制技术，提出了结合分层调制和网络编码技术的HMC方案。通过理论分析和数值仿真得出以下结论。

（1）当分层信息功率分配比值设置为P1/P2=0.8时，系统得到最优传输性能。

（2）HMC方案充分利用了系统边信息，使系统传输性能得到了有效提高。