文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2015)02-0101-05
0 引言
無人機(jī)在信息化戰(zhàn)爭中發(fā)揮著越來越重要的作用,其作為中繼平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-2],。將物理層網(wǎng)絡(luò)編碼[3]技術(shù)應(yīng)用在無人機(jī)通信中,,在同步條件下可以使網(wǎng)絡(luò)吞吐量比直接網(wǎng)絡(luò)編碼模式和傳統(tǒng)中繼轉(zhuǎn)發(fā)模式分別提高50%和100%,信號傳輸速率也分別提高50%和100%[4],,但是在實際環(huán)境中,由于地面反射,、高樓阻擋等不同傳播路徑的影響,導(dǎo)致兩個信道的距離和特性不同,,造成中繼節(jié)點(diǎn)接收到的兩個源節(jié)點(diǎn)信號存在符號偏移和相位偏移。在異步條件下,,對于BPSK調(diào)制方式,,符號偏移和載波相位偏移將會導(dǎo)致誤碼率在最壞的情況下會降低 3 dB,而對于QPSK調(diào)制方式,,誤碼率在最壞情況下會有6 dB的損失[5-6],。
針對無人機(jī)在異步通信條件下誤碼率高的問題,提出了基于卷積信道編碼的異步物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的方案,。由于卷積碼編碼后的n個碼元不僅與當(dāng)前組的k個信息比特有關(guān),,而且與前N-1個輸入組的信息比特有關(guān),使得其編碼率越低,,約束長度越大,,系統(tǒng)的誤碼率就越低,明顯優(yōu)于其他分組碼,。通過卷積碼和物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的結(jié)合,,降低符號偏移和相位偏移對系統(tǒng)的影響。仿真結(jié)果表明使用聯(lián)合信道譯碼網(wǎng)絡(luò)編碼(Jt-CNC)這種方式,可以更好地抵制相位偏移和符號偏移對通信系統(tǒng)影響,。
1 系統(tǒng)模型
為了研究方便,,將無人機(jī)的中繼模型簡化成雙向中繼系統(tǒng)模型,如圖1所示: A和R之間的信道設(shè)置為信道1,,B和R之間的信道設(shè)置為信道2,,信道的距離、類型不同,,中繼節(jié)點(diǎn)處理信號的方式也就不同,。實線表示多址接入階段,虛線表示廣播階段,。
直接網(wǎng)絡(luò)編碼模式和傳統(tǒng)中繼轉(zhuǎn)發(fā)模式因為傳輸所需要的時間長而不再使用,,這里直接采用兩個時隙的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸模式。采用如圖2所示的模型進(jìn)行研究:在第一時隙,,節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B的信號UA和UB經(jīng)過卷積信道編碼后變成CA和CB,,在交織器的作用下得到DA和DB,再經(jīng)過調(diào)制器得到XA和XB后發(fā)射出去,。兩個信號在中繼節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行疊加得到Y(jié)R,,此時并不是將疊加信號直接發(fā)射出去,而是經(jīng)過解調(diào),、解交織和信道譯碼得到UR后,,在第二個時隙發(fā)射出去。目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)得到的UR,,利用緩存中的信息還原并得到對方的信息,,從而完成一次信息交換。
為方便解決信號異步的問題,,作出以下假設(shè)條件:兩個源節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率相等,,但是信號不同步,包括載波相位偏移和符號偏移,,信道均為加性高斯白噪聲信道,。卷積編碼方式采用咬尾卷積碼[7],且碼率r=1/3,,交織器采用分組交織器[8],,調(diào)制器采用BPSK調(diào)制。
定義源節(jié)點(diǎn)A和B的序列如下:
其中表示源節(jié)點(diǎn)i在時隙k的輸入比特,。Ui經(jīng)過信道編碼之后得到如下序列:
式中,,M=3K是由其編碼率r決定的,表示源節(jié)點(diǎn)i在時隙k的第j(1≤j≤3)個輸入比特,。Ci經(jīng)過分組交織器后得到:
將所有時隙對應(yīng)的第j個(1≤j≤3)代碼組成一個組,,這樣就形成了三個分組,。Di經(jīng)過BPSK調(diào)制器產(chǎn)生對應(yīng)的序列:
式中,N=M=3K,,兩個源節(jié)點(diǎn)的信號經(jīng)過一系列處理后被發(fā)射出去,,在中繼節(jié)點(diǎn)處得到疊加信號:
式中,xA和xB是經(jīng)過下變頻和低通濾波器后的數(shù)據(jù)包,,表示中繼節(jié)點(diǎn)接收到的A的信號幅度,,準(zhǔn)表示中繼節(jié)點(diǎn)接收到的B的信號幅度,且表示由于載波振蕩器和不同路徑延遲產(chǎn)生的相位偏移,,p(t-nT)是矩形脈沖函數(shù),,其周期為T。wR(t)是高斯白噪聲,,且其功率譜密度為Sw(f)=N0/2,。為了方便研究,假設(shè):PA=PB=P,,T=1,,0<?駐<1(即符號偏移小于一個周期)。則在中繼節(jié)點(diǎn)處接收的疊加信號為:
2 異步卷積編碼
在中繼節(jié)點(diǎn)處理疊加信號的方法多種多樣,,基于比特的異或(XOR)[9-10],、基于符號的疊加(Superposition,SUP),、基于碼字的向量模加(Vector modulo addition,,VMA)[11-13]以及基于排斥準(zhǔn)則的近鄰成簇(Closest-Neighbor Cluster,CNC)映射[14]等方法,。經(jīng)過對比可以得到,,基于比特的異或(XOR)與聯(lián)合信道譯碼網(wǎng)絡(luò)編碼(Jt-CNC)結(jié)合起來,既不會丟失信息,,且計算復(fù)雜度也不高。
針對符號偏移我們設(shè)計如圖3所示的框架,。
在樣本層,,中繼節(jié)點(diǎn)對信號進(jìn)行采樣;在BP層,,中繼節(jié)點(diǎn)使用BP算法解決符號偏移,;在解交織層對信號的序列進(jìn)行還原;在Jt-CNC層對信號進(jìn)行信道譯碼和網(wǎng)絡(luò)編碼,。經(jīng)過以上四層,,中繼節(jié)點(diǎn)完成對異步信號的處理,并在第二個時隙將信號發(fā)送出去,。
2.1 樣本層
在中繼節(jié)點(diǎn)處通過雙倍采樣技術(shù)獲得每個符號周期的兩個采樣,,從而得到下面的序列[15]:
YR=(yR[1],,yR[2],…,,yR[2N+1])(7)
在中繼節(jié)點(diǎn)處一共獲得2N+1個點(diǎn),,其中:
2.2 BP層
使用BP算法[16]從樣本層中提取的2N+1個樣本中求取P(xA,xB|YR),,如圖4所示,。
圖4為BP的樹狀圖,其中X表示變量節(jié)點(diǎn),,代表校驗節(jié)點(diǎn),。通過該樹狀圖,兩個相鄰變量節(jié)點(diǎn)的相關(guān)性通過校驗節(jié)點(diǎn)被模式化為兩個約束節(jié)點(diǎn)o,、e(o和e分別代表奇數(shù)和偶數(shù)),,且定義為:
根據(jù)上述公式,可以使用標(biāo)準(zhǔn)的BP和積準(zhǔn)則進(jìn)行信息更新,。圖4具有樹狀結(jié)構(gòu),,也就意味著BP算法可以精確地計算,從而消除符號偏移,。
2.3 解交織層
在BP層消除符號偏移得到下面的重合序列:
中繼節(jié)點(diǎn)對重合序列進(jìn)行解交織,,得到下面的重合序列:
2.4 Jt-CNC層
中繼節(jié)點(diǎn)對接收的信號經(jīng)過一系列的處理在物理層得到兩個源信號的網(wǎng)絡(luò)編碼信息,即:
而可以由下面的式子得出:
式中,。由BP層和解交織層容易得到,,可通過Jt-CNC層得到。
圖5為Jt-CNC層信道譯碼與網(wǎng)絡(luò)編碼,。向量S=(s0,,s1,…,,sK)表示狀態(tài)變量,,sK聯(lián)合了兩個源節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息;表示來自節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B的經(jīng)過信道譯碼后的源數(shù)據(jù)包的聯(lián)合,,其中,;向量C=表示虛擬的信道編碼數(shù)據(jù)包(假定兩個源節(jié)點(diǎn)使用相同的信道編碼方式),其中,;F=(f1,,f2,…,,fK)表示網(wǎng)格中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù),,每一個fk是與它相連接的所有變量的函數(shù)。
通過圖6可以更詳細(xì)地解釋Jt-CNC層,。在前向信息方向傳遞中,,信息從sk-1到fk傳遞使用(sk-1)表示,,從fk到sk使用(sk)表示;在反向信息傳遞過程中,,信息從sk到fk使用(sk)表示,,從fk到sk-1使用(sk-1)表示;,。
根據(jù)和積算法規(guī)則,,計算需要三個步驟:初始化、前向后向遞歸計算和輸出,。在初始化過程中,,由于咬尾卷積碼的使用,兩個源節(jié)點(diǎn)卷積碼編碼器的初始狀態(tài)和最終狀態(tài)是一樣的,,并且由隨機(jī)輸入的信息決定,,且一致地分布在所有的狀態(tài)中,因此信息初始?琢(s0)和?茁(sk)被設(shè)定為:
式中Ns是每一個階段的狀態(tài)數(shù),。
信息基于YR的似然函數(shù),,其可由下式得到:
進(jìn)行初始化后進(jìn)行前向和后向遞歸計算,可以通過下面的式子對?琢(sk)和?茁(sk)進(jìn)行更替,。
經(jīng)過前向和后向遞歸計算后得到輸出結(jié)果,,也就是,即:
令,,如果輸入,,經(jīng)過遞歸計算可以得到,則fk(e)=1,,否則fk(e)=0,。
3 數(shù)值仿真
在無人機(jī)信道條件下,分別采用BPSK調(diào)制和QPSK調(diào)制兩種調(diào)制方式對所提方案進(jìn)行仿真,,并和其他方式下的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼進(jìn)行比較,,得到下面的仿真結(jié)果。
圖7為不同卷積編碼率條件下誤碼率隨信噪比的變化曲線,。兩條曲線都是在同步條件下,,采用BPSK調(diào)制方式得到的結(jié)果。通過圖像可知,,隨著編碼率的降低,系統(tǒng)的誤碼率逐漸降低,,而且當(dāng)誤碼率為10-3時,,兩者相差0.5 dB。
圖8列出了RA信道編碼[17],、未進(jìn)行信道編碼和卷積信道編碼三種方式下誤碼率隨信噪比的變化曲線,。三條曲線都是在同步條件下且使用QPSK調(diào)制得到的結(jié)果,。從圖形中可以看到:信道編碼之后系統(tǒng)的誤碼率要明顯低于未進(jìn)行信道編碼系統(tǒng)的誤碼率,當(dāng)誤碼率為10-3時,,RA碼信道編碼和卷積信道編碼與未進(jìn)行信道編碼相比信噪比分別降低了2 dB和3 dB,,而RA碼信道編碼與卷積信道編碼相比信噪比相差1 dB,從圖形中可以看到本文所提方案在降低系統(tǒng)誤碼率方面的優(yōu)勢,。
圖9是各種方式分別在同步條件和相位偏移為?仔/4條件下誤碼率隨信噪比的變化曲線,。從圖中可以看到相位偏移的產(chǎn)生增加了系統(tǒng)的誤碼率,而信道編碼可以提高系統(tǒng)的魯棒性,,減少相位偏移對系統(tǒng)的影響,。當(dāng)相位偏移為/4時,卷積信道編碼的誤碼率最低,,也就表明卷積信道編碼可以更好地抵制相位偏移對系統(tǒng)帶來的影響,。
圖10為各種方式分別在同步條件和符號偏移為0.5條件下誤碼率隨信噪比的變化曲線。從圖中可以看到符號偏移的產(chǎn)生增加了系統(tǒng)的誤碼率,,而信道編碼可以減少符號偏移對系統(tǒng)的影響,。當(dāng)符號偏移為0.5時,卷積信道編碼的誤碼率最低,,也就表明卷積信道編碼可以更好地抵制符號偏移對系統(tǒng)帶來的影響,。
4 結(jié)論
將卷積信道編碼應(yīng)用在物理層網(wǎng)絡(luò)編碼上,在中繼節(jié)點(diǎn)通過聯(lián)合信道譯碼與網(wǎng)絡(luò)編碼對接收到的疊加信號進(jìn)行處理,,明顯地提高了系統(tǒng)的通信性能,。在同步條件下,對于卷積信道編碼,,隨著編碼率的降低,,系統(tǒng)的誤碼率逐漸降低;通過未進(jìn)行信道編碼和RA信道編碼方式的比較,,可以得到卷積信道編碼在降低系統(tǒng)誤碼率方面的優(yōu)勢,。在異步條件下,所提的方案與未進(jìn)行信道編碼和RA碼信道編碼方式相比誤碼率最低,,提高了系統(tǒng)的魯棒性,,可以更好地抵制相位偏移和符號偏移對系統(tǒng)帶來的影響。
參考文獻(xiàn)
[1] BERIOLI M,,MOLINARO A,,MOROSI S.Aerospace comm-unications for emergency applications.Proceedings of the IEEE[C],2011,,99(11):1922-1938.
[2] CERASOLI C.An analysis of unmanned airborne vehicle relay coverage in urban environments[C].IEEE Military Communications Conference,,2007:1-7.
[3] Zhang Shengli,Soung Chang Liew,,Patrick P.Lam.Physical-layer network coding[C].The Annual International Conferenceon Mobile Computing and Networking(ACM Mobi-Com).2006:358-365.
[4] 陳志成.無線通信中物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的研究[D].南京:南京郵電大學(xué),,2012.
[5] Hao Yonggang,,GOECKEL Dennis,Ding Zhiguo.Achievable rates of physical layer network coding schemes on the exchange channel[C].Proceedings of 2007 IEEE Mil Comm Conf,,2007:1-7.
[6] Zhang Shengli,,Soung-Chang Liwe,Patrick P.LAM.On the synchronization of physical-layer network coding[C].Pro-ceedings of 2006 IEEE Information Theory Workshop,,2006:404-408.
[7] 徐明,,錢驊.一種低復(fù)雜度咬尾卷積碼譯碼算法[J].通信技術(shù),2013,,46(4):57-61.
[8] 畢成余,,趙力.交織在信道編碼中的應(yīng)用[J].信息技術(shù)與信息化,2005(2):36-38.
[9] POPOVSKI P,,YOMO H.Physical network coding in two-way wireless relay channels[C].IEEE International Confer-ence on Communications(ICC),,2007.
[10] Liu Chunhung,Xue Feng.Network coding for two-way relaying: rate region, sum rate and opportunistic schedu-ling[C].IEEE International Conference on Communi-cations (ICC),,2008.
[11] Wooseok Nam,,Sae-Young Chung,Yong H.Lee.Capacity bounds for two-way relay channel[C].International Zurich Seminar on Communications(IZS),,2008:144-147.
[12] NARAYANAN K,,WILSON M P,SPRINTSON A.Joint physical layer coding and network coding for bi-directionarelaying[J].IEEE Transactions on Information Theory,,2010,,56(11):5641-5654.
[13] NAM W,Chung Sae-Young,,LEE Y H.Capacity of the Gaussian two-way relay channel to within 1/2 bit[J].IEEE Transactions on Information Theory,,2010,56(11):5488-5494.
[14] Toshiaki Koike-Akino,,Petar Popovski,,Vahid Tarokh.Optimized constellations for two-way wireless relaying with physical network coding[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2009,,27(5):773-787.
[15] Lu Lu,,Soung Chang.Asynchronous physical-layer network coding[J].Wireless Communications,IEEE Transactions,,2012,,11(2):819-831.
[16] 鄧勇強(qiáng),朱光喜,,劉文明.基于置信傳播的優(yōu)化譯碼算法研究[J].電子與信息學(xué)報,,2007,29(3):657-660.
[17] 宋歡.基于自由光/電磁傳播環(huán)境的無線物理層網(wǎng)絡(luò)編碼研究[D].上海:上海交通大學(xué),2013.