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基于多進制相移鍵控調制的互信息轉發方案
摘 要： 基于Rayleigh衰落信道，為保證信息傳輸的有效性和可靠性，對協作轉發方案進行研究，提出了在多進制調制后的互信息轉發方案，并將其與放大轉發方案、檢測轉發方案、估計轉發方案做誤碼率性能方面的比較。仿真實驗結果表明：多進制相移鍵控調制后的互信息轉發方案的誤碼率性能始終優于其他三種方案；當信噪比相同時，隨著調制階數的增加，數據率增大，可靠性降低，在需要一定傳輸速率的情況下，可犧牲一部分可靠性來換取傳輸的有效性。
關鍵詞： 多進制相移鍵控； 分集技術； 協作通信； 互信息轉發方案
中圖分類號： TN925?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）19?0033?04
0 引 言
近年來，隨著無線通信的快速發展，人們對高速率、高質量無線通信的需求不斷增加。無線通信在利用無線電波進行信息傳輸過程中會產生多徑衰落，而無線信道的衰落特性是阻礙信道容量增加和服務質量改善的主要原因之一[1]。空間分集技術可有效抑制多徑衰落[2]，協作分集技術作為一種空間分集技術，可通過共享相鄰用戶的天線而獲得空間分集度，因而可以顯著提高系統性能[3?7]。
協作通信與組網是一個新興的并具有巨大潛力和應用前景的研究領域[8]。協作通信技術中，無記憶中繼方案由于其算法簡單和功耗低，在實際應用中獲得了廣泛普及。無記憶中繼轉發方案可以簡單的分為三類：放大轉發方案（Amplify?and?Forward，AF）、檢測轉發方案（Detect?and?Forward，DF）和軟信息轉發方案（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]。現有研究結果顯示軟信息相比硬判決，系統誤碼率性能表現更好。基于此理念，K. S. Gomadam和S. A. Jafar等人提出了估計轉發方案（Estimate?and?Forward，EF）[12]。M. A. Karim等人提出互信息轉發方案（Mutual Information based Forwarding，MIF）[13]，MIF方案首次將互信息運用至協作中繼網絡的軟判決，作為中繼轉發符號的可靠性度量，充分保證了軟判決的可靠性。
現有研究結果發現：在數據率和信噪比等其他條件均相同的前提下，互信息轉發方案具有更高的可靠性，但現有成果停留在高斯信道及衰落信道中的二進制調制。由于用戶對數據率具有很高的要求，在實際當中多采用高階調制。當前對于AF方案和DF方案的高階調制研究已較為成熟，但互信息轉發的成果則相對甚少。對此本文針對互信息轉發方案，對其進行多進制研究。
1 系統模型
本文僅考慮網絡中只存在一個中繼節點協助源節點的發送。系統模型如圖1所示。源節點S、中繼節點R、目的節點D，每個節點都有一個半雙工全向收發天線。
信號的傳輸過程分為兩個階段：
第一個階段，源節點分別向中繼節點和目的節點傳輸信息。此時中繼處的信息傳輸模型為：
[r=ρhSRx+wSR] （1）
目的接點處的信息傳輸模型可寫成：
[ySD=ρhSDx+wSD] （2）
式中：[ρ]為源的發射功率；[x]是需要發送的調制后的信號；[hSR]和[hSD]分別表示源到中繼和源到目的的衰落系數，由于本文采用Rayleigh衰落信道，故[hSR]和[hSD]都分別服從復高斯分布（0，1）。[wSR]和[wSD]分別為中繼處和目的節點處的加性高斯白噪聲（AWGN），分別被建模為零均值且方差為[N0]的復高斯隨機變量。
第二個階段，中繼節點將處理后的信號轉發至目的節點，信息傳輸模型為：
[yRD=ρhRDf（r）+wRD] （3）
此時，在目的節點處進行簡單的信號合并，合并后的信號[y]為：
[y=ySD+yRD] （4）
2 衰落信道中的MPSK信號轉發方案
源信息在經過MPSK調制后，映射成調制信號[xl]，[xl∈exp（j2πl/L）， l=0，1， 2，… ，L]，其中[L]為MPSK調制階數。
在中繼處接收信號的概率分布函數為：
[p（r|xl）=1πexp-r-ρxlhSR2] （5）
2.1 放大轉發方案
在AF方案中，中繼節點將接收到的信號用放大因子簡單的量化放大后轉發給目的節點，AF方案的中繼處理函數可表示為：
[fAF（r）=βAFr] （6）
其中，放大因子[βAF=1ρhSR2+1]。
中繼節點將處理后的信號轉發至目的節點，那么目的節點最終接收到的信號可簡單合并為：
[y=βAFρhSRhRD+ρhSDxl+wAF] （7）
等效噪聲[wAF=βAFρhRDwSR+wRD+wSD，]可以看出AF方案在放大有用信息的同時也同等倍數的放大了噪聲。
2.2 檢測轉發方案
在DF方案中，中繼對接收到的信號進行硬判決， DF方案的中繼處理函數為：
[fDFr=argminxlr-ρhSRxl2] （8）
因此硬判決可表示為[r]：[r=fDF（r）]，中繼將處理后的信號廣播至目的節點，經簡單合并后，在目的節點處所接收到的信息為：
[y=ρhRDr+ρhSDxl+wDF] （9）
其中，等效噪聲[wDF=wRD+wSD。]
2.3 估計轉發方案
EF方案的基本原理就是中繼通過最優化最小均方非相關誤差來使得目的端獲得最大廣義信噪比，實質上是在中繼處轉發信號的條件期望，EF方案的中繼處理函數可表示為： [fEF（r）=βEFE[xl|r]] （10）
式中[βEF=1E[E[xl|r]2]]為歸一化因子，使得[EfEF（r）2=1]。
傳輸信號的條件期望[E[xl|r]]為：
[E（xl|r）=l=0LxlPr（xl|r）] （11）
其中：
[Pr（xlr）=p（r|xl）l=0L-1p（r|xl）] （12）
然后中繼將處理后的信息廣播至目的節點，經簡單合并后，在目的節點處所接收到的信息為：
[y=ρhRDβEFExlr+hSDxl+wEF] （13）
其中，等效噪聲[wEF=wRD+wSD。]
2.4 互信息轉發方案
MIF方案的基本原理是通過中繼節點對接收到的信號進行硬判決并計算其互信息來構造中繼處理函數，其實質是DF方案與互信息的結合。MIF方案的中繼處理函數可表示為：
[fMIF（r）=βMIF?Ixl；r?r] （14）
式中：[βMIF=1EI（xl；r）2]為歸一化因子，以使[EfMIF（r）2=1。][r]代表中繼處的硬判決，與DF方案相同。
互信息[I（xl；r）]的計算過程如下[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]的條件下，關于[xl]不確定度減少的量，[I（xl；r）]越大，表示信號傳輸的可靠性越高，因此互信息可作為信號傳輸可靠性的度量。
中繼將處理后的信息廣播至目的節點，經簡單合并后，目的節點處接收到的信息可表示為：
[y=ρhRDβMIFIxl|rr+hSDxl+wMIF] （16）
其中，等效噪聲信息[wMIF=wRD+wSD。]
3 仿真結果分析
從圖3可以看出，在經過8PSK調制后，對比QPSK調制，各方案誤碼率性能雖有所下降，但MIF方案仍要優于AF方案、DF方案、EF方案，在BER=10-4時，分別有0.8 dB，0.8 dB，4.5 dB的信噪比增益。
另外，可以看出，當對信號的傳輸速率有較高要求時，可以采用多進制調制后的MIF方案，雖犧牲一部分可靠性，但是其在可靠性與有效性之間達到了最優的權衡。
4 結 語
本文以3個節點組成一個簡單的協作網絡模型，提出了在Rayleigh衰落信道下的MPSK調制的互信息轉發方案，并對方案進行仿真對比，實驗結果表明：當信噪比相同時，隨著進制數的增大，數據速率逐漸增大，各方案的可靠性明顯降低，但是MIF方案的誤碼率性能始終優于其他三種方案。當對信號的傳輸速率有較高要求時，可以采用多進制調制后的MIF方案，雖犧牲一部分可靠性，但是其在可靠性與有效性之間達到了最優的權衡。
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