《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種基于BICM-ID的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼聯(lián)合設(shè)計(jì)方案
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
袁全盛,,胡永江,王長(zhǎng)龍,,楊志民
軍械工程學(xué)院 無(wú)人機(jī)工程系,,河北 石家莊050003
摘要: 基于迭代比特交織編碼調(diào)制(BICM-ID)提出了一種物理層網(wǎng)絡(luò)編碼與編碼調(diào)制技術(shù)聯(lián)合設(shè)計(jì)方案。該方案將編碼調(diào)制技術(shù)和物理層網(wǎng)絡(luò)編碼聯(lián)合設(shè)計(jì),,提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量,,通過(guò)設(shè)計(jì)一種星座映射方案,增大歐氏距離,,降低誤碼率,。此外,由于譯碼器部分只采用了一個(gè)SISO譯碼模塊,,編碼譯碼方式采用卷積碼,,使得譯碼復(fù)雜度大大降低。
中圖分類(lèi)號(hào): TN911.22
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.024
中文引用格式: 袁全盛,,胡永江,,王長(zhǎng)龍,等. 一種基于BICM-ID的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼聯(lián)合設(shè)計(jì)方案[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2015,,41(7):85-87,91.
英文引用格式: Yuan Quansheng,,Hu Yongjiang,,Wang Changlong,et al. Joint design of physical layer network coding and BICM-ID [J].Application of Electronic Technique,,2015,,41(7):85-87,91.
Joint design of physical layer network coding and BICM-ID
Yuan Quansheng,,Hu Yongjiang,,Wang Changlong,,Yang Zhimin
Unmanned Aerial System Engineering Department,Ordance Engineering College,Shijiazhuang 050003,,China
Abstract: A new joint scheme of coded modulation(CM) and physical layer network coding(PNC) is proposed based on bit-interleaved coded modulation with iterative decoding(BICM-ID)in the investigated two-way relay scenario. As a result of the adoption of new constellation mapping program ,the scheme improves the free distance of the coding sequence, thus more encoding gain is obtained. In addition, the proposed scheme combines coded modulation with physical layer network coding,,thus improve the network throughput. Furthermore, complexity of decoding recede as a result of application of a single SISO in decoding module and convolutional coding. In this way the complexity of the decoding at the relay node is reduced by almost 50%.
Key words : BICM-ID;PNC,;convolutional coding,;joint design

    

0 引言

    Ahlswede于2000年提出網(wǎng)絡(luò)編碼(Network Coding,NC)的概念[1],,其主要思想即中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的信息進(jìn)行編碼映射等操作后再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),。基于充分利用無(wú)線通信中疊加電磁波的目的,,Zhang于2006年提出物理層網(wǎng)絡(luò)編碼(Physical Layer Network Coding,,PNC)[2],物理層網(wǎng)絡(luò)編碼與傳統(tǒng)傳輸模式相比,,信息交換時(shí)隙減少一半,,網(wǎng)絡(luò)吞吐量提高一倍,但是誤碼率有所上升,。

    為提高物理層網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸?shù)目煽啃?,許多學(xué)者通過(guò)信道編碼與物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的聯(lián)合設(shè)計(jì)降低通信誤碼率。Maria提出一種Turbo碼與物理層網(wǎng)絡(luò)編碼聯(lián)合設(shè)計(jì)的方案(PNC-Turbo)[3],,該方案在中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)疊加和信號(hào)進(jìn)行軟處理,與未進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)時(shí)相比有4.5 dB的性能增益,。需要注意的是,,PNC-Turbo機(jī)制是目前能發(fā)現(xiàn)的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼設(shè)計(jì)中誤比特性能最好的,但是Turbo碼的譯碼器復(fù)雜度較高,。Li等采用Exit分析法,,將低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)和物理層網(wǎng)絡(luò)編碼聯(lián)合設(shè)計(jì)(PNC-LDPC)[4],與LDPC碼和網(wǎng)絡(luò)編碼聯(lián)合設(shè)計(jì)方案相比,,提出方案有0.8 dB的性能增益,,并且提高了信道容量。Chen等基于比特交織編碼調(diào)制(BICM)提出一種編碼調(diào)制(Coded Modulation,,CM)技術(shù)與物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的聯(lián)合實(shí)施機(jī)制(PNC-BICM)[5],,通過(guò)將物理層網(wǎng)絡(luò)編碼、信道編碼與調(diào)制三者聯(lián)合設(shè)計(jì),,分析同步和異步條件下通信系統(tǒng)性能,,證明了該聯(lián)合機(jī)制的優(yōu)越性。

    PNC-BICM在Rayleigh信道中具有良好的性能,,但是在AWGN信道中,,隨機(jī)交織器的存在造成歐氏距離減小,,使得系統(tǒng)可靠性下降。為進(jìn)一步降低誤比特率,,PNC-BICM-ID通過(guò)迭代技術(shù)使同一編碼單元中的各個(gè)碼元之間彼此獨(dú)立,,增大信號(hào)點(diǎn)之間的自由距離,提高大信噪比(Signal to Noise,,SNR)下的系統(tǒng)可靠性,。PNC-Turbo具有優(yōu)異的性能,但是由于譯碼時(shí)采用兩個(gè)SISO(soft-input soft-output)譯碼模塊,,譯碼復(fù)雜度較高,,為減小譯碼復(fù)雜度,本文提出的PNC-BICM-ID僅采用一個(gè)SISO譯碼模塊,,譯碼復(fù)雜度是PNC-Turbo的一半,。

1 系統(tǒng)模型

    本文使用雙向中繼信道模型(Two Way Relay Channel)[6],時(shí)隙控制協(xié)議為兩時(shí)隙不含直接鏈路傳輸[7],,如圖1所示,。節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B是端節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)R是中繼節(jié)點(diǎn),,由于A和B的距離超出可靠通信距離,,A和B只能通過(guò)R進(jìn)行信息交換。假定系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)工作在時(shí)分半雙工通信模式下,,系統(tǒng)完全同步,,信號(hào)發(fā)射功率相等,兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的距離相等,,信道為加性高斯白噪聲信道,,噪聲均值為0,噪聲方差為?滓2,,雙邊功率譜密度為N0/2,。

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2 基于BICM-ID的信道編碼與PNC的聯(lián)合設(shè)計(jì)

    研究表明,BICM-ID的傳輸可靠性超過(guò)了傳統(tǒng)的TCM和BICM等信道編碼方法,,其計(jì)算復(fù)雜度較低,,在AWGN和Rayleigh信道下具有良好的性能[8]。本文所提方案是基于BICM-ID的PNC與CM的聯(lián)合機(jī)制,。

2.1 PNC-BICM-ID設(shè)計(jì)

    假設(shè)節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B采用相同的編碼調(diào)制方式,。BICM-ID的編碼器選擇十分靈活,因?yàn)?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/卷積碼" title="卷積碼" target="_blank">卷積碼編譯碼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、延時(shí)小,、應(yīng)用廣泛,本文編碼器采用卷積編碼,。交織器采用偽隨機(jī)交織器,,由帶線性反饋的移位寄存器生成,,打亂編碼序列中的信息位順序,降低序列之間的相關(guān)性,。調(diào)制方式采用QPSK調(diào)制,。

    如圖2所示,在多址接入階段,,節(jié)點(diǎn)A(B)將信源編碼后二進(jìn)制比特序列bA(bB)通過(guò)卷積碼編碼器生成二進(jìn)制編碼比特序列cA(cB),,通過(guò)偽隨機(jī)交織器輸出xA(xB),通過(guò)QPSK調(diào)制器生成信息sA(sB),,并將其發(fā)送到中繼節(jié)點(diǎn)R,。中繼節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)為:

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    在廣播階段,節(jié)點(diǎn)R將yR解調(diào),、解交織,、譯碼生成廣播信息sR,該過(guò)程采用軟信息迭代反饋,,從而提高譯碼性能,。節(jié)點(diǎn)A(B)接收到sR后可利用自身緩存的信息以及接收到的廣播信息通過(guò)異或運(yùn)算得到節(jié)點(diǎn)B(A)的信息。

2.2 映射規(guī)則設(shè)計(jì)

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    根據(jù)中繼比特的判決結(jié)果,,基于PNC的特點(diǎn),,將yR映射成圖3中對(duì)應(yīng)的九個(gè)星座點(diǎn),其中ES為信號(hào)能量,。

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2.3 譯碼算法設(shè)計(jì)

    BICM-ID一個(gè)鮮明的特點(diǎn)是存在低復(fù)雜度的譯碼算法,。本文采用SISO譯碼模塊,如圖4所示,。中繼節(jié)點(diǎn)接收到多址接入信息后,,具體譯碼過(guò)程如下:

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    (1)解調(diào)器根據(jù)多址接入信息和先驗(yàn)信息產(chǎn)生解調(diào)信息D1。先驗(yàn)信息A1=ln(P(yR=1)/P(yR=0)),,假設(shè)發(fā)送先驗(yàn)概率相等,則首次迭代時(shí)A1=0,。

    (2)根據(jù)解調(diào)信息D1和先驗(yàn)信息A1生成外附信息E1,,送入解交織器。解交織器產(chǎn)生先驗(yàn)信息A2,,并送入MAP譯碼器,。

    (3)MAP譯碼器產(chǎn)生譯碼信息D2,廣播到目的節(jié)點(diǎn),,同時(shí)根據(jù)譯碼信息D2和先驗(yàn)信息A2生成外附信息E2,,送入交織器產(chǎn)生先驗(yàn)信息A1,進(jìn)行迭代,。

    其中,,A1,、A2、E1,、E2,、D1、D2都是對(duì)數(shù)似然比值,,且E1=D1-A1,,E2=D2-A2

3 誤比特率性能分析

    由于PNC-BICM-ID中偽隨機(jī)交織器和卷積碼的存在,,在理論上給出確定的誤比特率解析式十分困難,,此處基于BICM系統(tǒng)的經(jīng)典性能界進(jìn)行推導(dǎo)。

    BICM系統(tǒng)中碼率為k/n的分組碼誤比特率的聯(lián)合限為[9]

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其中,,W1(d)是所有錯(cuò)誤圖樣中漢明距離為d的碼字?jǐn)?shù)量,,dmin是碼字的最小漢明距離,f(d,,m,,c)為成對(duì)錯(cuò)誤概率(Pairwise Error Probability,PEP)的密度函數(shù),,其參數(shù)分別為漢明距離d,、映射圖樣m、信號(hào)星座集c,。f(d,,m,c)可由下式表示:

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式中,,fub(d,,m,c)為聯(lián)合界,,V(x,,z)=log p(y|x)-log p(y|z),φV(x,,z)為V(x,,z)的Laplace變換,a為L(zhǎng)aplace展開(kāi)式常量,,m為每個(gè)符號(hào)序列包含的比特?cái)?shù),,b為信息符號(hào)集且tx3-gs12-s1.gif為信息符號(hào)子集,x為信號(hào)點(diǎn),,z為星座點(diǎn),。

    BICM-ID系統(tǒng)在低誤比特率時(shí)將收斂到錯(cuò)誤平層(Error Floor Bound,EF Bound),此時(shí)PEP由下式表示:

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4 仿真試驗(yàn)

    仿真試驗(yàn)條件:信道為AWGN信道,,系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)工作在時(shí)分半雙工通信模式下,,系統(tǒng)完全同步,信號(hào)發(fā)射功率相等,。卷積編碼器碼元長(zhǎng)度為2 304,,碼率RC=1/2,約束長(zhǎng)度L=5,。調(diào)制方式為QPSK調(diào)制,。

    仿真包含方案:本文提出的PNC-BICM-ID機(jī)制、PNC-Turbo機(jī)制,、PNC-BICM機(jī)制,。圖5給出了不同信噪比下各個(gè)設(shè)計(jì)機(jī)制的誤比特率。為了便于對(duì)比,,各個(gè)設(shè)計(jì)機(jī)制的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度均為2 304 bit,。

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    圖5(a)中,橫坐標(biāo)表示信噪比,,其范圍為[0,,8]dB;縱坐標(biāo)表示誤比特率,,其范圍為[10-6,,100]。圖中的兩條曲線是在仿真條件下誤比特率隨信噪比的變化曲線,。從圖中可以得知,,兩條曲線在低信噪比時(shí)基本重合;在高信噪比時(shí)相比PNC-Turbo機(jī)制,,本文機(jī)制的誤比特性能相差1 dB左右,。由此表明,本文機(jī)制只采用一個(gè)SISO譯碼器,,誤比特率性能有所下降,,但是差距不大,同時(shí)本文機(jī)制的譯碼復(fù)雜度降低了50%,,更利于工程實(shí)現(xiàn),。

    圖5(b)中,橫坐標(biāo)表示信噪比,,其范圍為[0,10]dB,,縱坐標(biāo)表示誤比特率,,其范圍為[10-6,100]。圖中的兩條曲線是在仿真條件下誤比特率隨信噪比的變化曲線,。從圖中可以得知,,兩條曲線在低信噪比時(shí)誤比特率性能差距不大,在高信噪比時(shí)相比PNC-BICM機(jī)制,,本文機(jī)制的誤比特性能提高了4 dB左右,。表明本文機(jī)制采用迭代技術(shù),誤比特率明顯降低,,提高了編碼增益,,更適用于高斯信道。

5 結(jié)論

    本文提出了一種基于BICM-ID的編碼調(diào)制技術(shù)和物理層網(wǎng)絡(luò)編碼聯(lián)合設(shè)計(jì)的方案,,該方案將信道編碼,、調(diào)制和物理層網(wǎng)絡(luò)編碼三者統(tǒng)一考慮,設(shè)計(jì)中繼節(jié)點(diǎn)映射方案,,增大歐式距離,,降低通信傳輸誤碼率。同時(shí),,利用BICM-ID系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn)和卷積碼編譯碼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的性質(zhì),,減小了系統(tǒng)譯碼復(fù)雜度。從仿真結(jié)果看,,PNC-BICM-ID通過(guò)迭代譯碼提高了系統(tǒng)性能,。總之,,本文將BICM-ID和PNC聯(lián)合設(shè)計(jì),,既降低了系統(tǒng)的誤碼率,又減小了系統(tǒng)譯碼復(fù)雜度,。

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