基于LDPC码的多中继HARQ系统研究

摘要 根据不同中继节点建立的通信信道衰落特性的不同，利用中继节点可增强无线信道空间分集，提高整个链路的传输性能。纠错码的使用可更有效地提高信道传输效率的特点。史中介绍了基于LDPC码的多中继HARQ系统模型，在不降低传输速率的条件下，可更高效地传输数据。利用Matlab仿真了不同中继个数对系统平均误码率、吞吐量以及平均时延产生的不同影响，仿真结果表明，采用该系统模型可降低系统的平均误码率和平均时延，提高了系统的吞吐量。同时在码长较长的情况下，采用LDPC码的多中继HARQ系统性能优于采用Turbo码的多中继HARQ系统性能。
关键词 中继；LDPC码；HARQ；平均误码率；吞吐量；平均时延

    空间分集技术是一种抵抗信道中衰落影响的有效方法，利用多输入多输出(MIMO)天线技术能充分利用空域资源，大幅提高信道容量。然而实际中受到大小、成本或硬件等因素的限制，一个较小的移动平台较难设置多根天线。Sendonaris等人提出一种基于中继信道模型的协作分集技术，使单天线的移动终端也可实现空域分集。多中继网络中，各中继相互协作可在无明显改变骨干网络结构的同时显著提高系统性能。在无线通信系统中，HARQ的差错控制方案能够在信道误码率较高的情况下，利用前向纠错码纠正尽可能多的错误，降低ARQ系统的重传频率，提高整个系统的性能。Turbo码译码复杂度较高，且在码长较长的情况下性能比LDPC码差。文中研究基于LDPC码的多中继HARQ系统的性能，采用Matlab仿真不同中继数目下对系统平均误码率，平均时延以及吞吐量的影响，并与基于Turbo码的多中继HARQ系统进行比较。数据传送给中继节点，然后中继节点再将数据传送给目的节点，期间会经过编码和解码过程。

1 系统模型
1．1 多中继信道模型
    系统模型如图1所示。多中继节点系统包含用户节点S，目的节点D和中继节点Ri。用户先将数据传送给中继节点，然后中继节点再将数据传送给目的节点，期间将经过编码和解码过程。

1．2 HARQ系统类型
    根据HARQ过程中重传内容的不同，HARQ主要分为TypeI HARQ、TypeⅡHARQ、TypeⅢHARQ 3种类型：Type I HARQ是一种简单的ARQ和FEC的结合，发送数据块进行CRC编码后再进行FEC编码，在接收端对接收数据进行FEC译码后，CRC进行校验。如果数据出错，则接收端通知发送端重传，而错误的分组被丢弃；TypeⅡHARQ方案属于增量冗余的HARQ方案，接收端CRC校验发现错误时，错误分组被存在接收端的寄存器中，并向发送端发送重传的控制消息，发送端重传的信息不是前一次数据的简单重复，而是不同的增量冗余信息，重传分组无法自解码，接收端将重传的增量冗余信息与寄存器中分组数据合并后再进行译码，由于增加了新的冗余位信息帮组译码，因此纠错能力增强，提高了系统性能；TypeⅢHARQ方案也属于增量冗余方案，与TypeⅡHARQ相似，接收错误的数据包将保留，接收机将其存储后与后续的重传数据合并进行解码，TypeⅢHARQ重传的数据包具有自解码能力，重传的数据包与初传的数据包采用合并的方式获得最大的译码增益。
1．3 LDPC码
    LDPC码是校验矩阵H中只有较少的元素为“1”，大部分元素都是“0”的一种线性分组码。其具有较好的特点：译码复杂度低，在码长较长的情况下性能较好，可逼近香农极限，适合理论研究和硬件实现。
1. 4 基于LDPC码的HARQ系统模型
    TypeⅢHARQ重传的数据具有自解码的能力，故文中采用TypeⅢHARQ方案。在发送端采用BPSK调制，并设置一个发端缓存器来存储编码后的信息，利用LDPC码进行信道编码，因LDPC码具有自动检错功能，故不采用CRC作为检错码。在接收端设置一个收端缓存器来接收译码后的信息，并将译码信息传送给误码判决器，通过误码判决分析译码是否成功，若译码正确，发送ACK到中继，通过中继发送ACK通知信源发送新的数据包，并将正确的信息传递给信宿；若译码错误，发送NAK给中继，通过中继发送NAK通知信源进行重发。在所有进行传输数据的中继内，该系统将自动选择一个信道条件较好的中继传送数据，以提高系统传输的效率，具体流程如图2所示。

2 仿真结果
    为验证基于LDPC码的多中继协作HARQ系统的性能，利用Matlab进行仿真。采用LDPC码进行信道编码，对不同中继数目协作时系统的性能进行了比较，包括平均误码率PER，吞吐量η以及平均时延E(T)。选择无中继、1个中继、2个中继以及3个中继这4种情况进行分析，同时给出采用与LDPC码等长的Turbo码的多中继HARQ系统的性能图。

    仿真结果如图3～图5所示。从图3可看出，在无中继时误码率最高，中继数目越多，平均误码率越小。随着信噪比增加，效果越明显。这说明中继数目越多，形成的空间分集增益越大，系统性能越高，误码率越低。如图4所示，随着中继数目的增加，系统吞吐量越来越大，特别是信噪比越大，差异效果越明显，在无中继时，吞吐量最小。如图5所示，中继数目越多，平均时延越小。无中继时，数据包无重传，平均时延为1。在所有进行传输数据的中继之内，该系统会自动选择一个信道条件较好的中继传送数据，这将使得平均误码率降低，吞吐量的提高以及平均时延的降低。同时也可看到，在码长较长时，LDPC码的性能比Turbo码好。

3 结束语
    文中介绍了多中继信道模型，HARQ系统类型，LDPC码以及基于LDPC码的多中继HARQ系统模型。通过仿真发现，增加中继数目可显著提升系统的性能，且系统性能优于基于Turbo码的HARQ系统。基于LDPC码编码的复杂度，下一步将研究如何降低LDPC码的编码复杂度。