摘 要： 提出了結(jié)構(gòu)半隨機(jī)LDPC碼的編碼協(xié)同方案，并對(duì)該方案在不同的源到中繼信道" title="中繼信道">中繼信道特性下的誤比特性能進(jìn)行了仿真評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示該協(xié)同方案在不增加傳送和接收功率的情況下，能夠提供更好的性能。
關(guān)鍵詞： 協(xié)同編碼 半隨機(jī)LDPC碼 碼率兼容
在無線通信中，傳輸分集是抵抗衰落、提高系統(tǒng)容量的強(qiáng)有力手段，但在大多手持設(shè)備、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等情形中受硬件大小的限制，不能支持多傳輸天線。新近提出的協(xié)同通信" title="協(xié)同通信">協(xié)同通信[1]概念,通過用戶終端相互作為中繼,在沒有增加設(shè)備復(fù)雜度與設(shè)備量的條件下,實(shí)現(xiàn)用戶終端的分集接收。國(guó)外研究結(jié)果已初步揭示了協(xié)同通信的一些優(yōu)點(diǎn)。協(xié)同通信被認(rèn)為是一種極具應(yīng)用前景的通信技術(shù),可期望用在移動(dòng)通信、無線局域網(wǎng)、Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)中。目前的協(xié)同方法主要有：直接前向放大、前向檢測(cè)和編碼協(xié)同。編碼協(xié)同是一種將信道編碼引入?yún)f(xié)同的方法，它讓用戶碼字的不同部分經(jīng)過相互獨(dú)立的不同衰落路徑到達(dá)接收端。當(dāng)不能協(xié)同時(shí)，各用戶自動(dòng)轉(zhuǎn)成非協(xié)同模式。編碼協(xié)同有效性的關(guān)鍵是通過碼設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)協(xié)同的自動(dòng)管理，而用戶之間不需要反饋信息。已有文獻(xiàn)[2]研究了速率兼容卷積碼[3]和Turbo[4]的編碼協(xié)同通信方法。
LDPC碼性能好，譯碼復(fù)雜度低，但由于隨機(jī)LDPC碼沒有碼率兼容的特性。目前LDPC碼的編碼協(xié)同通信方法還未見文獻(xiàn)研究，本文在半隨機(jī)LDPC碼的基礎(chǔ)上提出了結(jié)構(gòu)化的半隨機(jī)LDPC碼[5]。結(jié)構(gòu)半隨機(jī)LDPC碼SSR_LDPC碼(Structured Semi_Random LDPC codes)是一種特殊的LDPC碼，它編、譯碼簡(jiǎn)單，碼參數(shù)(碼長(zhǎng)和碼率)選擇靈活，是一類性能優(yōu)異的速率兼容LDPC碼。在結(jié)構(gòu)半隨機(jī)LDPC碼的這些優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出了結(jié)構(gòu)半隨機(jī)LDPC碼的編碼協(xié)同通信方案。
1 結(jié)構(gòu)半隨機(jī)LDPC碼
信息向量為d的(N,K)結(jié)構(gòu)半隨機(jī)LDPC碼將碼的校驗(yàn)矩陣H分解為兩個(gè)子矩陣H=[Hd,Hp]，其中，Hd是N-K×K的矩陣，稱為信息矩陣，它是隨機(jī)構(gòu)造的矩陣；Hp是N-K×N-K的矩陣，稱為校驗(yàn)子矩陣， Hp有如下形式：
其中I是m×m單位陣，0是m×m全零矩陣。Hd由Sm×Km階基矩陣和多個(gè)m×m階分量矩陣構(gòu)成，這里，Sm×m=N-K,Km×m=K。基矩陣由‘0’和‘1’組成，分量矩陣為同構(gòu)矩陣，將基矩陣中元素為‘1’的位置用不同分量矩陣代替，基矩陣中元素為‘0’的位置用全零矩陣代替。結(jié)構(gòu)半隨機(jī)LDPC碼的碼字可表示為：C=[d C1 C2…CKm]
例如：有基矩陣B如下：
其中，I(1)、I(2)、I(3)分別是不同的同構(gòu)矩陣(Permutation matrix)。以式(3)的校驗(yàn)矩陣為例，截取校驗(yàn)矩陣的部分得到相同信息位長(zhǎng)度，不同碼率的碼校驗(yàn)矩陣，如圖1所示。可見SSR_LDPC碼是一種速率兼容的一組嵌套碼，編、譯碼具有兼容性。
2 協(xié)同傳送方案
由此可見用戶終端一個(gè)碼字的不同部分經(jīng)過兩個(gè)獨(dú)立的不同衰落路徑到達(dá)基站。若中繼終端不能正確譯碼，則自動(dòng)轉(zhuǎn)為非協(xié)同方式，在第二個(gè)傳送幀，用戶1和用戶2各自傳送自己碼字的第二部分。
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3 系統(tǒng)模型
SSR_LDPC碼編碼協(xié)同通信系統(tǒng)模型" title="系統(tǒng)模型">系統(tǒng)模型如圖3所示。編碼后信號(hào)經(jīng)BPSK調(diào)制在平坦Rayleigh衰落信道上傳送，用戶之間的信道和用戶與基站之間的信道相互獨(dú)立，用戶i傳送的離散時(shí)間信號(hào)基帶模型為：
這里a i,j(n)是用戶i和j之間信道的衰落系數(shù)。
該系統(tǒng)在中繼終端使用簡(jiǎn)單的BF譯碼方法譯碼，在基站使用迭代和積譯碼方法譯碼。
4 數(shù)值模擬
選取信息塊長(zhǎng)度為K=512，將1/3碼率的SSR-LDPC碼分成1/2碼率的兩部分，對(duì)兩用戶的協(xié)同通信性能進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)。
首先考慮終端一根發(fā)送天線基站一根接收天線" title="接收天線">接收天線時(shí)的情形，仿真比較了SSR_LDPC碼編碼協(xié)同與非協(xié)同SSR-LDPC碼編碼的誤比特(BER)性能。結(jié)果如圖4所示，可以看到BER=10-3 時(shí)，當(dāng)源到中繼的信道信噪比" title="信噪比">信噪比為6dB時(shí)，使用協(xié)同可獲得3.5dB的增益；當(dāng)源到中繼的信道信噪比為20dB時(shí)，使用協(xié)同可獲得9dB的增益；在源到中繼的信道信噪比為20dB時(shí)的性能與源到中繼的信道為理想信道的性能非常接近。
對(duì)于終端一根發(fā)送天線基站兩根接收天線時(shí)的情形，在BER=10-3 時(shí)，當(dāng)源到中繼的信道信噪比為6dB時(shí)，使用協(xié)同可獲得3.8dB的增益 ；當(dāng)源到中繼的信道信噪比為20dB時(shí)，使用協(xié)同可獲得 8dB的增益；同樣在源到中繼的信道信噪比為20dB時(shí)的性能與源到中繼的信道為理想信道的性能非常接近，結(jié)果如圖5所示。
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本文提出了使用結(jié)構(gòu)半隨機(jī)LDPC碼的編碼協(xié)同方案，并對(duì)該方案在不同的源到中繼信道特性下的誤比特(BER)性能進(jìn)行了仿真評(píng)價(jià)。仿真結(jié)果顯示該協(xié)同方案在不增加傳送和接收功率的情況下，能夠提供更好的性能。同時(shí)由于結(jié)構(gòu)半隨機(jī)LDPC碼的碼參數(shù)選擇靈活，使得該方案有較好的靈活性可以適應(yīng)各種不同的信道條件。
參考文獻(xiàn)
1 Sendonaris A, Erkip E and Aazhang B. Increasing uplink capacity via user cooperation diversity. In Proc IEEE ISIT, Cambridge, MA, August 1998:156
2 Hunter T E and Nosratinia A. Cooperation diversity through Coding. In Proc IEEE ISIT, Lausanne, Switzerland, June 2002:220
3 Hagenauer J. Rate-compatible punctured convolutional codes.IEEE Trans Comm, 1988;36(4):389～400
4 Zhao B and Valenti M. Distributed turbo coded diversity for the relay channel, IEE Electron. Lett, 2003;39(10)786～787
5 Li Ping, Leung W. K and Nam Phamdo. Low density parity check codes with semi-random parity check matrix. Electron.Lett, 1999;35(1):38～39
6 Gallager R G. Low density party-check codes. IRE Trans. Inf Theory, 1962;8(1):21～28
7 Mackay D.J.C and Neal R.M. Near shannon limit perfor- mance of low-density parity check codes. Electron Lett, 1996；32(8):1645～46