唐 猛 陳建華 張 艷② 張榆鋒

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基于分層調(diào)制的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼研究

唐 猛①陳建華*①?gòu)?艷①②張榆鋒①

①(云南大學(xué)信息學(xué)院 昆明 650091)②(云南大學(xué)軟件學(xué)院 昆明 650091)

在實(shí)際的移動(dòng)通信環(huán)境中，信道的狀態(tài)復(fù)雜多變，該文針對(duì)雙向中繼信道的非對(duì)稱(chēng)性，提出采用分層調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案。首先構(gòu)建源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)均采用分層(2/4-PSK)調(diào)制的雙向中繼通信系統(tǒng)模型；其次給出了中繼節(jié)點(diǎn)的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼解調(diào)及映射規(guī)則，推導(dǎo)出加性高斯白噪聲下中繼誤比特率及端到端誤比特率理論計(jì)算公式；最后仿真驗(yàn)證了理論分析結(jié)果。與采用傳統(tǒng)QPSK調(diào)制技術(shù)的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼相比，該方案利用分層調(diào)制的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，確保較優(yōu)信道的高速率傳輸，也兼顧了較差信道的傳輸可靠性。

物理層網(wǎng)絡(luò)編碼；分層調(diào)制；雙向中繼信道；非對(duì)稱(chēng)信道

1 引言

在傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)傳輸方案中，雙向中繼信道(Two-Way Relay Channel, TWRC)的基本模型[1]含兩個(gè)信源節(jié)點(diǎn)和一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，完成雙向信息互換需要4個(gè)時(shí)隙。2000年，“網(wǎng)絡(luò)編碼(Network Coding, NC)”的技術(shù)概念在文獻(xiàn)[2]中提出，文獻(xiàn)[3]對(duì)其支撐理論給予完善。NC的核心是在中繼節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)發(fā)，以提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。文獻(xiàn)[4,5]對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)與三節(jié)點(diǎn)雙向中繼傳輸系統(tǒng)相結(jié)合展開(kāi)研究，實(shí)現(xiàn)3個(gè)時(shí)隙完成雙向信息互換，其吞吐量比傳統(tǒng)方案提升了33%。

在2006年，基于對(duì)進(jìn)一步提升無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)研究，文獻(xiàn)[6]提出物理層網(wǎng)絡(luò)編碼(Physical-layer Network Coding, PNC)的概念。PNC基本思想是：在三節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)雙向中繼通信中，利用電磁波特有的疊加特性，將兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送所形成的疊加干擾信號(hào)，在中繼節(jié)點(diǎn)處當(dāng)作有用信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，完成PNC映射后廣播出去，接收節(jié)點(diǎn)利用自信息消除干擾，獲取所需信息，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)時(shí)隙完成雙向信息互換，系統(tǒng)吞吐量相比傳統(tǒng)方案提高了1倍，這一優(yōu)異的特性，使其立即成了眾多學(xué)者研究的焦點(diǎn)。

在實(shí)際的移動(dòng)TWRC系統(tǒng)中，各時(shí)隙的信道條件往往不對(duì)稱(chēng)，且處于動(dòng)態(tài)變化中，有時(shí)非對(duì)稱(chēng)情況會(huì)很?chē)?yán)重，這就要求系統(tǒng)必須隨著信道狀態(tài)的變化及時(shí)調(diào)整合適的調(diào)制方式來(lái)保障通信。然而，到目前為止，大部分的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼研究工作都是基于對(duì)稱(chēng)信道，即系統(tǒng)各階段的信道條件相同，針對(duì)非對(duì)稱(chēng)性的研究文獻(xiàn)很少。文獻(xiàn)[10]分析了4種非對(duì)稱(chēng)信道條件下的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼性能下降問(wèn)題，但卻未提出解決方案。

在非不對(duì)稱(chēng)性信道下，文獻(xiàn)[11]把分層調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到中繼通信中，使系統(tǒng)增益得到明顯改善。文獻(xiàn)[12]針對(duì)采用分層調(diào)制的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)給出了低復(fù)雜度的譯碼算法。2010年，文獻(xiàn)[13]針對(duì)非對(duì)稱(chēng)TWRC系統(tǒng)，提出網(wǎng)絡(luò)編碼和分層調(diào)制技術(shù)相結(jié)合(Hierarchically Modulated-Network Coding, HM-NC)的方案：在源節(jié)點(diǎn)采用分層調(diào)制技術(shù)，把非編碼信號(hào)依據(jù)優(yōu)先級(jí)的高低劃分為“基本層”數(shù)據(jù)和“附加層”數(shù)據(jù)，分配不同的功率調(diào)制發(fā)送，在3個(gè)時(shí)隙內(nèi)完成信號(hào)交換。HM-NC方案通過(guò)分層調(diào)制滿(mǎn)足信道的差異化需求，實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)速率傳輸，有效提升了系統(tǒng)的容錯(cuò)性。但文獻(xiàn)[13]的HM-NC方案僅在鏈路較優(yōu)的源節(jié)點(diǎn)采用分層調(diào)制技術(shù)，且要求兩個(gè)端節(jié)點(diǎn)可以直接通信，中繼轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)時(shí)依然受限于質(zhì)量差的一端，自適應(yīng)性不好。因此，一些學(xué)者在分層調(diào)制、中繼技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)編碼結(jié)合上繼續(xù)相關(guān)的研究工作，文獻(xiàn)[14]在HM-NC方案的基礎(chǔ)上引入信道編碼，采用比特交織編碼調(diào)制技術(shù)來(lái)改善非對(duì)稱(chēng)TWRC系統(tǒng)的BER性能，文獻(xiàn)[15]在雙中繼的協(xié)同通信模型中對(duì)分層調(diào)制的功率比進(jìn)行優(yōu)化研究，以降低系統(tǒng)的BER。

基于非對(duì)稱(chēng)TWRC通信系統(tǒng)，本文提出聯(lián)合分層調(diào)制與物理層網(wǎng)絡(luò)編碼(HM-PNC)的方案。主要研究在非對(duì)稱(chēng)的加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise, AWGN)雙向中繼信道下，源節(jié)點(diǎn)均采用分層調(diào)制技術(shù)發(fā)送信號(hào)到中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的疊加信號(hào)完成物理層網(wǎng)絡(luò)編碼后，再以分層調(diào)制方式廣播發(fā)送信號(hào)到兩端節(jié)點(diǎn)，端節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行處理，恢復(fù)出新信號(hào)，在兩個(gè)時(shí)隙內(nèi)完成信息交換，既能充分利用較優(yōu)信道條件實(shí)現(xiàn)高速率傳輸，又能兼顧較差信道傳輸可靠性。與傳統(tǒng)的采用QPSK調(diào)制技術(shù)的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案相比，該方案在移動(dòng)通信中無(wú)需根據(jù)信道狀況的頻繁變化而不斷改變調(diào)制方式，只需保持一種調(diào)制方案就能保障正常通信，體現(xiàn)出更好的移動(dòng)性能。

2 系統(tǒng)模型

2.1HM-PNC系統(tǒng)模型

聯(lián)合分層調(diào)制與物理層網(wǎng)絡(luò)編碼(HM-PNC)系統(tǒng)模型，如圖1所示，包含兩個(gè)階段：上行階段(時(shí)隙1)，又稱(chēng)多址接入階段和下行階段(時(shí)隙2)，即廣播階段。假設(shè)兩個(gè)信源節(jié)點(diǎn)A和B之間不能直接通信，需借助中繼節(jié)點(diǎn)R進(jìn)行信息交換，所有節(jié)點(diǎn)均工作在半雙工通信模式，系統(tǒng)上行、下行階段的各個(gè)信道具有不同的信道條件。在HM-PNC系統(tǒng)中，各節(jié)點(diǎn)均采用2/4-PSK分層調(diào)制技術(shù)傳輸，依據(jù)所發(fā)送信息的重要性不同劃分兩層優(yōu)先級(jí)。如在圖1中，節(jié)點(diǎn)的信息由代表高優(yōu)先級(jí)的基本層數(shù)據(jù)和代表低優(yōu)先級(jí)的附加層數(shù)據(jù)兩個(gè)部分組成，。在時(shí)隙1，源節(jié)點(diǎn)A和B同步發(fā)送分層數(shù)據(jù)給中繼R；在時(shí)隙2，中繼節(jié)點(diǎn)R對(duì)信號(hào)解調(diào)、PNC映射后以2/4-PSK分層調(diào)制信號(hào)，廣播發(fā)送到兩端節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)A和B依據(jù)自身信息提取新信息，完成信息交換。因此，在完成一次雙向信息互換的通信中， HM-PNC系統(tǒng)僅需兩個(gè)時(shí)隙，相對(duì)于需要4個(gè)時(shí)隙的傳統(tǒng)方案可以得到100%的吞吐量性能提升，相比需要3個(gè)時(shí)隙的網(wǎng)絡(luò)編碼方案能有效提升50%吞吐量。

圖1 HM-PNC系統(tǒng)模型

2.2 2/4-PSK分層調(diào)制

圖2(a)表示的是標(biāo)準(zhǔn)的QPSK調(diào)制星座圖，各星座點(diǎn)具有相同的幅度值。圖2(b)表示的是2/4-PSK分層調(diào)制星座圖，每個(gè)碼元所含2 bit信息用代表，，選取高位比特?cái)?shù)據(jù)作為具有高優(yōu)先級(jí)的基本層數(shù)據(jù)，選取低位比特?cái)?shù)據(jù)為優(yōu)先級(jí)較低的附加層數(shù)據(jù)。在2/4-PSK分層調(diào)制中，基本層數(shù)據(jù)的調(diào)制歐式距離為，附加層數(shù)據(jù)調(diào)制的歐式距離為，二者的調(diào)制能量比,。越大，使高優(yōu)先級(jí)比特獲得較高的發(fā)送功率，其誤比特率(Bit Error Ratio, BER)性能相應(yīng)地越好；與之對(duì)應(yīng)的低優(yōu)先級(jí)比特獲得的發(fā)送功率就較小，其BER性能就較差。當(dāng)時(shí)，2/4-PSK分層調(diào)制就轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的QPSK調(diào)制。

圖2 QPSK和2/4-PSK 分層調(diào)制星座圖

3 HM-PNC的系統(tǒng)方案

3.1非對(duì)稱(chēng)雙向中繼信道

在非對(duì)稱(chēng)的AWGN雙向中繼信道條件下，系統(tǒng)上行、下行階段的各個(gè)信道條件不一樣，即擁有各自不同的信噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)。在表1中，端節(jié)點(diǎn)向中繼節(jié)點(diǎn)R發(fā)送數(shù)據(jù)的信道定義為，與之對(duì)應(yīng)的信噪比定義為，而中繼節(jié)點(diǎn)R向端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的信道定義為，相應(yīng)的信噪比定義為,。

表1 非對(duì)稱(chēng)信道狀態(tài)表

3.2聯(lián)合2/4-PSK分層調(diào)制與物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的設(shè)計(jì)

在HM-PNC系統(tǒng)中，采用2/4-PSK，只需兩個(gè)時(shí)隙就能完成雙向信息交換任務(wù)：

(1)在時(shí)隙1，屬系統(tǒng)通信的上行階段，如圖3所示，源節(jié)點(diǎn)根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)的重要性不同，劃分優(yōu)先級(jí)，分配給高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)更高的調(diào)制功率，以保證其BER性能滿(mǎn)足較差信道的可靠性要求；而低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)給予較低的發(fā)送功率，以滿(mǎn)足較優(yōu)信道對(duì)數(shù)據(jù)傳送速率的需求。其中，節(jié)點(diǎn)A的分層調(diào)制能量比，則調(diào)制后發(fā)送的信號(hào)；節(jié)點(diǎn)B的分層調(diào)制能量比，則調(diào)制后發(fā)送的信號(hào)；兩節(jié)點(diǎn)同步發(fā)送信號(hào)，中繼R收到分層的疊加信號(hào)及兩條鏈路帶來(lái)的AWGN干擾噪聲，進(jìn)行物理層網(wǎng)絡(luò)編碼處理。

圖3 HM-PNC的上行階段傳輸模型

(2)在時(shí)隙2，屬系統(tǒng)通信的下行階段，如圖4所示，中繼R的分層調(diào)制能量比，則調(diào)制后廣播發(fā)送的信號(hào)；各端節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的中繼信號(hào)解調(diào)譯碼后，再與自身已知信息異或，提取出新信號(hào)，從而完成信息交換。在HM-PNC系統(tǒng)中，中繼節(jié)點(diǎn)處采用分層調(diào)制方式發(fā)送，以解決下行階段中繼到兩端節(jié)點(diǎn)的兩條鏈路信道條件不對(duì)稱(chēng)難題，和傳統(tǒng)方案相比具有更好的適應(yīng)性，具體的理論分析及性能對(duì)比將在后文給出。

圖4 HM-PNC的下行階段傳輸模型

3.3 中繼解調(diào)及映射方案

中繼對(duì)兩路疊加信號(hào)的處理過(guò)程是物理層網(wǎng)絡(luò)編碼研究的難點(diǎn)之一，依據(jù)文獻(xiàn)[6]的中繼節(jié)點(diǎn)PNC映射法則，在表2中給出HM-PNC系統(tǒng)中繼對(duì)信源()的異或、PNC輸入、PNC映射輸出及2/4-PSK分層調(diào)制輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系，確保一一對(duì)應(yīng)。在表2中，表示高優(yōu)先級(jí)信號(hào)，表示低優(yōu)先級(jí)信號(hào)。

表2 HM-PNC中繼調(diào)制解調(diào)與映射關(guān)系

表2 HM-PNC中繼調(diào)制解調(diào)與映射關(guān)系

PNC輸入PNC映射輸出2/4-PSK輸出 0 1 1 0

4 AWGN信道條件下HM-PNC的BER性能分析

在AWGN下的TWRC通信系統(tǒng)中，HM-PNC主要針對(duì)兩類(lèi)典型的非對(duì)稱(chēng)信道進(jìn)行研究：

(1)Ⅰ類(lèi)非對(duì)稱(chēng)信道，即系統(tǒng)的上行階段對(duì)稱(chēng)，而下行階段不對(duì)稱(chēng)。例如：時(shí)隙1信道A2R與信道B2R的條件同為“優(yōu)”或“差”，二者視為對(duì)稱(chēng)情況；時(shí)隙2信道R2A與信道R2B的條件相反，一“優(yōu)”一“差”，二者視為不對(duì)稱(chēng)情況。(2)Ⅱ類(lèi)非對(duì)稱(chēng)信道，即系統(tǒng)的上行階段不對(duì)稱(chēng)，下行階段對(duì)稱(chēng)。例如：時(shí)隙1信道A2R與信道B2R的條件為相反，一“優(yōu)”一“差”，二者視為不對(duì)稱(chēng)情況；時(shí)隙2信道R2A與信道R2B的條件同為“優(yōu)”和“差”，二者視為對(duì)稱(chēng)情況。分析這兩類(lèi)典型的非對(duì)稱(chēng)信道下的HM-PNC抗噪聲性能，具有重要意義。

4.1 Ⅰ類(lèi)非對(duì)稱(chēng)信道下HM-PNC的BER性能分析

基于Ⅰ類(lèi)非對(duì)稱(chēng)信道的定義，在文中假設(shè)：時(shí)隙1信道A2R、信道B2R 與時(shí)隙2信道R2A條件為“優(yōu)”，而時(shí)隙2信道R2B條件為“差”。

(1)時(shí)隙1：信道A2R、信道B2R條件為“優(yōu)”，源節(jié)點(diǎn)同步發(fā)送分層調(diào)制信號(hào)，中繼能有效解調(diào)出疊加的基本層和附加層數(shù)據(jù)，考慮兩條信道的噪聲影響，由文獻(xiàn)[6]得到中繼收到的信號(hào)為

在2/4-PSK分層調(diào)制中，基本層和附加層均只含一位比特，由文獻(xiàn)[16]可推出中繼節(jié)點(diǎn)所接收分層疊加信號(hào)的BER計(jì)算公式為

由于輸入的基本層、附加層信息是等概率分布的，則中繼總的BER為

(2)時(shí)隙2：中繼對(duì)收到的疊加信號(hào)進(jìn)行物理層網(wǎng)絡(luò)編碼處理后，以2/4-PSK分層調(diào)制廣播信號(hào)到A , B 兩端。在A端，信道R2A條件為“優(yōu)”，高低優(yōu)先級(jí)比特信息均可解調(diào)出，收到的信號(hào)為

參照式(4)和式(5)，可推出中繼R到A端的BER計(jì)算公式為

所以，B到A的端到端BER可表示為

同理，A到B的端到端BER可表示為

4.2 Ⅱ類(lèi)非對(duì)稱(chēng)信道下HM-PNC的BER性能分析

基于Ⅱ類(lèi)非對(duì)稱(chēng)信道的定義，在文中假設(shè)：時(shí)隙1信道B2R條件為“差”，信道A2R與時(shí)隙2信道R2A信道R2B條件為“優(yōu)”。

(1)時(shí)隙1：由于上行階段信道不對(duì)稱(chēng)，通過(guò)分層調(diào)制發(fā)送信號(hào)，則，可有效保證高優(yōu)先級(jí)信號(hào)和的BER性能，中繼能解調(diào)出和疊加的基本層數(shù)據(jù)。然而，B2R信道條件不好，致使的BER性能下降嚴(yán)重，對(duì)和疊加的附加層數(shù)據(jù)BER性能造成較大影響，使過(guò)大，在中繼處只能把這部分疊加信號(hào)視為干擾信號(hào)，可不予考慮。因此，在這種非對(duì)稱(chēng)情況下，只有代表著高優(yōu)先級(jí)的基本層疊加數(shù)據(jù)有效可靠，其BER可表示為

(2)時(shí)隙2：下行階段對(duì)稱(chēng)，信道條件“優(yōu)”，意味著在中繼處疊加形成的高誤比特率附加層信息也能傳輸?shù)浇K端，最終造成整個(gè)HM-PNC系統(tǒng)端到端的附加層信息誤比特率高，無(wú)法解碼，低優(yōu)先級(jí)信號(hào)傳送失敗。然而，高優(yōu)先級(jí)的信息比特仍然可以有效送達(dá)，其A到B的端到端BER可表示為

同理，高優(yōu)先級(jí)信息從B到A的端到端BER可表示為

若下行階段也不對(duì)稱(chēng)，即HM-PNC系統(tǒng)的上下行通信均為非對(duì)稱(chēng)情況。由于上行信道的不對(duì)稱(chēng)，決定了中繼收到的低優(yōu)先級(jí)疊加信號(hào)誤比特率高，高優(yōu)先級(jí)疊加信息誤比特率低。而下行信道不對(duì)稱(chēng)時(shí)，由于中繼轉(zhuǎn)發(fā)的低優(yōu)先級(jí)信號(hào)具有較高的誤比特率，不管傳送的信道好壞，終端收到的低優(yōu)先級(jí)信號(hào)只會(huì)更差。因此，該情況下的信息傳送效果與Ⅱ類(lèi)非對(duì)稱(chēng)相似，都只能保障高優(yōu)先級(jí)信號(hào)的有效傳輸。

5 兩類(lèi)非對(duì)稱(chēng)AWGN信道下HM-PNC的BER性能仿真

5.1 HM-PNC系統(tǒng)中繼R的BER性能

在Ⅰ類(lèi)非對(duì)稱(chēng)信道下，兩條上行鏈路擁有對(duì)稱(chēng)、信道好的條件，從圖5可看出中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)疊加信號(hào)的譯碼效果很好，2/4-PSK分層調(diào)制的高位比特?cái)?shù)據(jù)和低位比特?cái)?shù)據(jù)及QPSK調(diào)制的比特?cái)?shù)據(jù)均有以上的BER表現(xiàn)，即信號(hào)分層與不分層調(diào)制的BER表現(xiàn)相近。

圖5 Ⅰ類(lèi)非對(duì)稱(chēng)信道下中繼R的BER

在圖6的Ⅱ類(lèi)非對(duì)稱(chēng)信道下，兩條上行鏈路不對(duì)稱(chēng)、信道一“好”一“差”，采用QPSK調(diào)制的信號(hào)，在中繼處疊加信號(hào)的譯碼表現(xiàn)很差，BER比差，可以判斷為譯碼失敗，即信號(hào)發(fā)送失敗，需更換調(diào)制方式重新發(fā)送數(shù)據(jù)。然而，采用2/4-PSK分層調(diào)制的高位比特?cái)?shù)據(jù)BER依然有明顯好于的效果，保證了高優(yōu)先級(jí)信息的傳送。以上分析均體現(xiàn)出在端到中繼的信息傳輸中，HM-PNC方案的可靠性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的QPSK-PNC方案。

圖6 Ⅱ類(lèi)非對(duì)稱(chēng)信道下中繼R的BER

5.2 HM-PNC系統(tǒng)端到端的BER性能

從圖7和圖8可知，在信號(hào)從A到R再到B的鏈路中，若經(jīng)歷Ⅰ類(lèi)非對(duì)稱(chēng)信道，則要受到下行鏈路R2B的較差信道影響；若經(jīng)歷Ⅱ類(lèi)非對(duì)稱(chēng)信道下，則要受上行鏈路B2R的較差信道影響。在這兩類(lèi)狀態(tài)下，均導(dǎo)致采用QPSK-PNC方案的信號(hào)端到端BER大于，相當(dāng)于信號(hào)發(fā)送失敗，需更換調(diào)制方式重新發(fā)送數(shù)據(jù)。然而，采用HM-PNC方案的高位比特?cái)?shù)據(jù)的BER依然保持小于的效果，保證了高優(yōu)先級(jí)信息的傳送；低位比特?cái)?shù)據(jù)的誤比特率BER雖大于，但這部分?jǐn)?shù)據(jù)影響不大，可舍去。從以上仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出，HM-PNC方案在端到端的數(shù)據(jù)傳輸可靠性方面依然優(yōu)于傳統(tǒng)的QPSK-PNC方案。

圖7 Ⅰ類(lèi)非對(duì)稱(chēng)信道下A到B的BER

圖8 Ⅱ類(lèi)非對(duì)稱(chēng)信道下A到B的BER

在信號(hào)從B到R再到A的鏈路中，若經(jīng)歷Ⅰ類(lèi)非對(duì)稱(chēng)信道，則整個(gè)鏈路均享受著較好的信道條件，從圖9可看出，HM-PNC方案有著與傳統(tǒng)的QPSK-PNC方案相近的端到端BER性能，能滿(mǎn)足信道的高速率傳輸。若經(jīng)歷Ⅱ類(lèi)非對(duì)稱(chēng)信道下，則要受上行鏈路B2R的較差信道影響，從圖10可看出，QPSK-PNC方案已失去意義，而HM-PNC方案仍能保證高位比特?cái)?shù)據(jù)傳輸可靠性。

圖9 Ⅰ類(lèi)非對(duì)稱(chēng)信道下B到A的BER

圖10 Ⅱ類(lèi)非對(duì)稱(chēng)信道下B到A的BER

5.3 不同的調(diào)制能量比對(duì)HM-PNC系統(tǒng)BER的影響

圖11不同調(diào)制能量比下的基本層BER

圖12 不同調(diào)制能量比下的附加層BER

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)非對(duì)稱(chēng)信道條件下，傳統(tǒng)調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼性能下降問(wèn)題，文中提出了HM-PNC解決方案。在兩類(lèi)典型的非對(duì)稱(chēng)AWGN信道條件下，給出了2/4-PSK分層調(diào)制下的PNC方案中繼及端到端BER計(jì)算理論公式，并與采用傳統(tǒng)QPSK調(diào)制的PNC方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真比對(duì)。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，在信道條件較好時(shí)， HM-PNC性能與傳統(tǒng)的QPSK-PNC方案相近，有著優(yōu)于的BER表現(xiàn)，能保障系統(tǒng)的高速率信息傳送。相比傳統(tǒng)方案和網(wǎng)絡(luò)編碼方案，能有效提升吞吐量性能。在信道條件不好時(shí)，HM-PNC系統(tǒng)基本層信息的BER也好于，確保高優(yōu)先級(jí)信息傳輸?shù)目煽啃?，?duì)系統(tǒng)增益的提升效果明顯。這些特點(diǎn)，使得HM-PNC方案在實(shí)際的無(wú)線(xiàn)通信中具有更好的移動(dòng)性能。由于對(duì)HM-PNC方案的研究還不多，如何充分挖掘HM-PNC的特性是值得深入研究的問(wèn)題。

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Physical-layer Network Coding Based on Hierarchical Modulation

TANG Meng①CHEN Jianhua①ZHANG Yan①②ZHANG Yufeng①

①(,,650091,)②(,,650091,)

In wireless communication network, the channel state information is complicated. A joint Hierarchical Modulation and Physical-layer Network Coding (HM-PNC) scheme is proposed for the asymmetric Two-Way Relay Channel (TWRC). In this scheme,the two source nodes and the relay node adopt the hierarchical modulation technology (2/4-PSK). In the relay node, a special demodulation/modulation and PNC mapping rule is designed.Corrupted byAdditive White Gaussian Noise (AWGN), the relay Bit Error Ratio (BER) and the end-to-end BER expressions are derived. Simulation results show that the HM-PNC scheme not only improves the data rate in better links, but also takes into account the transmission reliability of the poor channels. Compared with the traditional QPSK-PNC scheme, the HM-PNC scheme has better mobile performance.

Physical-layer Network Coding (PNC); Hierarchical modulation; Two-Way Relay Channel (TWRC); Asymmetric channels

TN925

A

1009-5896(2016)10-2568-07

10.11999/JEIT151470

2015-12-24；改回日期：2016-07-22；網(wǎng)絡(luò)出版：2016-07-15

陳建華 chenjh@ynu.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金(61062005, 61561049)

The National Natural Science Foundation of China (61062005, 61561049)

唐 猛： 男，1979年生，副研究員，博士生，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)編碼、協(xié)同通信.

陳建華： 男，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾畔鬏斃碚撆c應(yīng)用.

張 艷： 女，1978年生，講師，博士生，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)編碼.

張榆鋒： 男，1965年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閿?shù)字信息處理理論與微弱信號(hào)檢測(cè)、醫(yī)學(xué)電子學(xué)等.