《电子技术应用》

基于结构半随机LDPC码的协同编码通信

作者:文 红1, 周 亮1, 张忠培
2008/5/20 16:47:13

  摘 要: 提出了结构半随机LDPC码的编码协同方案,并对该方案在不同的源到中继信道" title="中继信道">中继信道特性下的误比特性能进行了仿真评价,结果显示该协同方案在不增加传送和接收功率的情况下,能够提供更好的性能。
  关键词: 协同编码 半随机LDPC码 码率兼容


  在无线通信中,传输分集是抵抗衰落、提高系统容量的强有力手段,但在大多手持设备、无线传感网络等情形中受硬件大小的限制,不能支持多传输天线。新近提出的协同通信" title="协同通信">协同通信[1]概念,通过用户终端相互作为中继,在没有增加设备复杂度与设备量的条件下,实现用户终端的分集接收。国外研究结果已初步揭示了协同通信的一些优点。协同通信被认为是一种极具应用前景的通信技术,可期望用在移动通信、无线局域网、Ad Hoc网络、无线传感器网络等系统中。目前的协同方法主要有:直接前向放大、前向检测和编码协同。编码协同是一种将信道编码引入协同的方法,它让用户码字的不同部分经过相互独立的不同衰落路径到达接收端。当不能协同时,各用户自动转成非协同模式。编码协同有效性的关键是通过码设计实现协同的自动管理,而用户之间不需要反馈信息。已有文献[2]研究了速率兼容卷积码[3]和Turbo[4]的编码协同通信方法。
  LDPC码性能好,译码复杂度低,但由于随机LDPC码没有码率兼容的特性。目前LDPC码的编码协同通信方法还未见文献研究,本文在半随机LDPC码的基础上提出了结构化的半随机LDPC码[5]。结构半随机LDPC码SSR_LDPC码(Structured Semi_Random LDPC codes)是一种特殊的LDPC码,它编、译码简单,码参数(码长和码率)选择灵活,是一类性能优异的速率兼容LDPC码。在结构半随机LDPC码的这些优点基础上,提出了结构半随机LDPC码的编码协同通信方案。
1 结构半随机LDPC码
  信息向量为d的(N,K)结构半随机LDPC码将码的校验矩阵H分解为两个子矩阵H=[Hd,Hp],其中,Hd是N-K×K的矩阵,称为信息矩阵,它是随机构造的矩阵;Hp是N-K×N-K的矩阵,称为校验子矩阵, Hp有如下形式:
  
  其中I是m×m单位阵,0是m×m全零矩阵。Hd由Sm×Km阶基矩阵和多个m×m阶分量矩阵构成,这里,Sm×m=N-K,Km×m=K。基矩阵由‘0’和‘1’组成,分量矩阵为同构矩阵,将基矩阵中元素为‘1’的位置用不同分量矩阵代替,基矩阵中元素为‘0’的位置用全零矩阵代替。结构半随机LDPC码的码字可表示为:C=[d C1 C2…CKm]
  例如:有基矩阵B如下:
  
  其中,I(1)、I(2)、I(3)分别是不同的同构矩阵(Permutation matrix)。以式(3)的校验矩阵为例,截取校验矩阵的部分得到相同信息位长度,不同码率的码校验矩阵,如图1所示。可见SSR_LDPC码是一种速率兼容的一组嵌套码,编、译码具有兼容性。


2 协同传送方案

由此可见用户终端一个码字的不同部分经过两个独立的不同衰落路径到达基站。若中继终端不能正确译码,则自动转为非协同方式,在第二个传送帧,用户1和用户2各自传送自己码字的第二部分。

 


3 系统模型
  SSR_LDPC码编码协同通信系统模型" title="系统模型">系统模型如图3所示。编码后信号经BPSK调制在平坦Rayleigh衰落信道上传送,用户之间的信道和用户与基站之间的信道相互独立,用户i传送的离散时间信号基带模型为:

  这里a i,j(n)是用户i和j之间信道的衰落系数。
  该系统在中继终端使用简单的BF译码方法译码,在基站使用迭代和积译码方法译码。
4 数值模拟
  选取信息块长度为K=512,将1/3码率的SSR-LDPC码分成1/2码率的两部分,对两用户的协同通信性能进行仿真评价。
  首先考虑终端一根发送天线基站一根接收天线" title="接收天线">接收天线时的情形,仿真比较了SSR_LDPC码编码协同与非协同SSR-LDPC码编码的误比特(BER)性能。结果如图4所示,可以看到BER=10-3 时,当源到中继的信道信噪比" title="信噪比">信噪比为6dB时,使用协同可获得3.5dB的增益;当源到中继的信道信噪比为20dB时,使用协同可获得9dB的增益;在源到中继的信道信噪比为20dB时的性能与源到中继的信道为理想信道的性能非常接近。
  对于终端一根发送天线基站两根接收天线时的情形,在BER=10-3 时,当源到中继的信道信噪比为6dB时,使用协同可获得3.8dB的增益 ;当源到中继的信道信噪比为20dB时,使用协同可获得 8dB的增益;同样在源到中继的信道信噪比为20dB时的性能与源到中继的信道为理想信道的性能非常接近,结果如图5所示。

 


  本文提出了使用结构半随机LDPC码的编码协同方案,并对该方案在不同的源到中继信道特性下的误比特(BER)性能进行了仿真评价。仿真结果显示该协同方案在不增加传送和接收功率的情况下,能够提供更好的性能。同时由于结构半随机LDPC码的码参数选择灵活,使得该方案有较好的灵活性可以适应各种不同的信道条件。
参考文献
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

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