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基于多进制相移键控调制的互信息转发方案
摘 要： 基于Rayleigh衰落信道，为保证信息传输的有效性和可靠性，对协作转发方案进行研究，提出了在多进制调制后的互信息转发方案，并将其与放大转发方案、检测转发方案、估计转发方案做误码率性能方面的比较。仿真实验结果表明：多进制相移键控调制后的互信息转发方案的误码率性能始终优于其他三种方案；当信噪比相同时，随着调制阶数的增加，数据率增大，可靠性降低，在需要一定传输速率的情况下，可牺牲一部分可靠性来换取传输的有效性。
关键词： 多进制相移键控； 分集技术； 协作通信； 互信息转发方案
中图分类号： TN925?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）19?0033?04
0 引 言
近年来，随着无线通信的快速发展，人们对高速率、高质量无线通信的需求不断增加。无线通信在利用无线电波进行信息传输过程中会产生多径衰落，而无线信道的衰落特性是阻碍信道容量增加和服务质量改善的主要原因之一[1]。空间分集技术可有效抑制多径衰落[2]，协作分集技术作为一种空间分集技术，可通过共享相邻用户的天线而获得空间分集度，因而可以显著提高系统性能[3?7]。
协作通信与组网是一个新兴的并具有巨大潜力和应用前景的研究领域[8]。协作通信技术中，无记忆中继方案由于其算法简单和功耗低，在实际应用中获得了广泛普及。无记忆中继转发方案可以简单的分为三类：放大转发方案（Amplify?and?Forward，AF）、检测转发方案（Detect?and?Forward，DF）和软信息转发方案（Soft Information Forwarding，SIF）。AF方案最早由Laneman等人最早提出[9]，DF方案由Sendonari等人提出 [10?11]。现有研究结果显示软信息相比硬判决，系统误码率性能表现更好。基于此理念，K. S. Gomadam和S. A. Jafar等人提出了估计转发方案（Estimate?and?Forward，EF）[12]。M. A. Karim等人提出互信息转发方案（Mutual Information based Forwarding，MIF）[13]，MIF方案首次将互信息运用至协作中继网络的软判决，作为中继转发符号的可靠性度量，充分保证了软判决的可靠性。
现有研究结果发现：在数据率和信噪比等其他条件均相同的前提下，互信息转发方案具有更高的可靠性，但现有成果停留在高斯信道及衰落信道中的二进制调制。由于用户对数据率具有很高的要求，在实际当中多采用高阶调制。当前对于AF方案和DF方案的高阶调制研究已较为成熟，但互信息转发的成果则相对甚少。对此本文针对互信息转发方案，对其进行多进制研究。
1 系统模型
本文仅考虑网络中只存在一个中继节点协助源节点的发送。系统模型如图1所示。源节点S、中继节点R、目的节点D，每个节点都有一个半双工全向收发天线。
信号的传输过程分为两个阶段：
第一个阶段，源节点分别向中继节点和目的节点传输信息。此时中继处的信息传输模型为：
[r=ρhSRx+wSR] （1）
目的接点处的信息传输模型可写成：
[ySD=ρhSDx+wSD] （2）
式中：[ρ]为源的发射功率；[x]是需要发送的调制后的信号；[hSR]和[hSD]分别表示源到中继和源到目的的衰落系数，由于本文采用Rayleigh衰落信道，故[hSR]和[hSD]都分别服从复高斯分布（0，1）。[wSR]和[wSD]分别为中继处和目的节点处的加性高斯白噪声（AWGN），分别被建模为零均值且方差为[N0]的复高斯随机变量。
第二个阶段，中继节点将处理后的信号转发至目的节点，信息传输模型为：
[yRD=ρhRDf（r）+wRD] （3）
此时，在目的节点处进行简单的信号合并，合并后的信号[y]为：
[y=ySD+yRD] （4）
2 衰落信道中的MPSK信号转发方案
源信息在经过MPSK调制后，映射成调制信号[xl]，[xl∈exp（j2πl/L）， l=0，1， 2，… ，L]，其中[L]为MPSK调制阶数。
在中继处接收信号的概率分布函数为：
[p（r|xl）=1πexp-r-ρxlhSR2] （5）
2.1 放大转发方案
在AF方案中，中继节点将接收到的信号用放大因子简单的量化放大后转发给目的节点，AF方案的中继处理函数可表示为：
[fAF（r）=βAFr] （6）
其中，放大因子[βAF=1ρhSR2+1]。
中继节点将处理后的信号转发至目的节点，那么目的节点最终接收到的信号可简单合并为：
[y=βAFρhSRhRD+ρhSDxl+wAF] （7）
等效噪声[wAF=βAFρhRDwSR+wRD+wSD，]可以看出AF方案在放大有用信息的同时也同等倍数的放大了噪声。
2.2 检测转发方案
在DF方案中，中继对接收到的信号进行硬判决， DF方案的中继处理函数为：
[fDFr=argminxlr-ρhSRxl2] （8）
因此硬判决可表示为[r]：[r=fDF（r）]，中继将处理后的信号广播至目的节点，经简单合并后，在目的节点处所接收到的信息为：
[y=ρhRDr+ρhSDxl+wDF] （9）
其中，等效噪声[wDF=wRD+wSD。]
2.3 估计转发方案
EF方案的基本原理就是中继通过最优化最小均方非相关误差来使得目的端获得最大广义信噪比，实质上是在中继处转发信号的条件期望，EF方案的中继处理函数可表示为： [fEF（r）=βEFE[xl|r]] （10）
式中[βEF=1E[E[xl|r]2]]为归一化因子，使得[EfEF（r）2=1]。
传输信号的条件期望[E[xl|r]]为：
[E（xl|r）=l=0LxlPr（xl|r）] （11）
其中：
[Pr（xlr）=p（r|xl）l=0L-1p（r|xl）] （12）
然后中继将处理后的信息广播至目的节点，经简单合并后，在目的节点处所接收到的信息为：
[y=ρhRDβEFExlr+hSDxl+wEF] （13）
其中，等效噪声[wEF=wRD+wSD。]
2.4 互信息转发方案
MIF方案的基本原理是通过中继节点对接收到的信号进行硬判决并计算其互信息来构造中继处理函数，其实质是DF方案与互信息的结合。MIF方案的中继处理函数可表示为：
[fMIF（r）=βMIF?Ixl；r?r] （14）
式中：[βMIF=1EI（xl；r）2]为归一化因子，以使[EfMIF（r）2=1。][r]代表中继处的硬判决，与DF方案相同。
互信息[I（xl；r）]的计算过程如下[14]：
[I（xl；r）=H（xl）-H（xl|r）=log2 L+l=0L-1log2Pr（xl|r）?Pr（xl|r）] （15）
可以看出互信息[I（xl；r）]表示在收到[r]的条件下，关于[xl]不确定度减少的量，[I（xl；r）]越大，表示信号传输的可靠性越高，因此互信息可作为信号传输可靠性的度量。
中继将处理后的信息广播至目的节点，经简单合并后，目的节点处接收到的信息可表示为：
[y=ρhRDβMIFIxl|rr+hSDxl+wMIF] （16）
其中，等效噪声信息[wMIF=wRD+wSD。]
3 仿真结果分析
从图3可以看出，在经过8PSK调制后，对比QPSK调制，各方案误码率性能虽有所下降，但MIF方案仍要优于AF方案、DF方案、EF方案，在BER=10-4时，分别有0.8 dB，0.8 dB，4.5 dB的信噪比增益。
另外，可以看出，当对信号的传输速率有较高要求时，可以采用多进制调制后的MIF方案，虽牺牲一部分可靠性，但是其在可靠性与有效性之间达到了最优的权衡。
4 结 语
本文以3个节点组成一个简单的协作网络模型，提出了在Rayleigh衰落信道下的MPSK调制的互信息转发方案，并对方案进行仿真对比，实验结果表明：当信噪比相同时，随着进制数的增大，数据速率逐渐增大，各方案的可靠性明显降低，但是MIF方案的误码率性能始终优于其他三种方案。当对信号的传输速率有较高要求时，可以采用多进制调制后的MIF方案，虽牺牲一部分可靠性，但是其在可靠性与有效性之间达到了最优的权衡。
参考文献
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