解碼協作分集技術研究

史志舉， 康桂華， 胡 波， 李 杰

(河海大學 計算機信息工程學院，江蘇 常州213022)

0 引言

無線信道具有的多徑衰落特性是阻礙信道容量增加和服務質量改善的重要原因[1]， 分集技術可以通過在發射端發射多個信號樣本,在接收端合并多個經歷獨立衰落的信號樣本,以對抗無線信道中的衰落. 近年來提出的多輸入多輸出(MIMO)天線技術,通過在接收端和發射端同時安置多個天線,形成 MIMO信道結構,從而充分利用了空域資源,大幅度提高了信道容量.但是由于受到移動終端體積、功率、天線位置等因素的影響，MIMO很難在實際中應用[2]。為了更好地利用空間分集的優勢，人們提出了協作分集(Cooperative Diversity)[3]或協作通信(Cooperative Communication)的新型技術，使單天線的終端可以實現空域分集。協作通信中每個移動終端都有一個或多個協作伙伴，協作伙伴在傳輸自己信息的同時也幫助其伙伴傳輸信息，這樣每個移動終端在傳輸信息的過程中既利用了自己又利用了伙伴的信道，從而取得了空間分集的效果，實現了空間分集增益。

1 協作分集的概念

協作分集按照其信號傳輸的過程可分為三布[4]：第一步，源節點以廣播的形式發送信號，中繼節點和目的節點接收信號；第二步，中繼節點將接收到的信號處理后發送給目的節點，此時源節點也可以向目的節點發送重復信息或新的信息；第三步，目的節點按某種規則合并前兩步接收到的信號，并解碼信號，實現分集效果。

接下來我們以蜂窩移動環境下兩用戶間的協作為例來介紹協作分集。如下頁圖1示，用戶S1和S2互為協作伙伴，每一個用戶除了傳輸自己的信息，還要傳輸其協作伙伴的信息，即S1除了向基站BS傳輸自己的信息，還要在適當的時候傳輸其伙伴 S2的信息。同時，S2也在適當的時候傳輸 S1的信息至基站BS。我們以S1為主用戶，S2為其協作伙伴為例來說明。第一步，S1以廣播形式發送信號到BS和S2；第二步，S2將接收到的信息處理后也轉發給BS；第三步，BS將前兩步接收到的信息按照一定的規則譯碼。這樣用戶 S1到基站BS之間就有兩條獨立的衰落路徑，實現了分集效果。通過協作，用戶會犧牲自己的一部分資源，但另一方面，用戶也通過協作分集利用了其協作伙伴的空域資源，合理地設計協作方案可以使得協作分集帶來的增益大于其付出的代價，使每個用戶都實現最大的分集增益。

圖1 協作通信模型

2 協作分集協議

按照中繼用戶的信號處理方式不同，將協作分集分為：放大中繼（Amplify-and-Forward,AF）、解碼中繼(Decodeand-Forward,DF)[5]、編碼協作(Coded Cooperation,CC）和壓縮轉發（Compress-Forward，CF）模式。

2.1 放大中繼模式(AF)

放大中繼[6]是最簡單的協作模式,如圖2所示[7]。在放大中繼模式下,協作節點 S2接收并放大源節點 S1的信號,然后轉發到目的節點BS。目的節點BS接受來自源節點S1和協作節點S2的信號并對其進行合并。雖然協作節點S2在放大信號的同時也放大了噪聲，但是由于目的節點BS接收到的是兩個經歷獨立衰落的信號，所以也可以更好地對信號進行判決。

圖2 放大中繼（AF）模型

在協作節點，根據自動增益控制對接收到的信號進行功率控制，調整系數為：

其中，.rsh 為源節點與協作節點之間的衰落系數，sP為信號功率，0N 為兩用戶之間信道的噪聲功率。Laneman證明了這一方法在兩用戶情況下可以獲得2階分集增益。

2.2 編碼協作模式（CC）

編碼協作是將協作技術和信道編碼技術結合起來的一種技術，它的核心思想是通過兩條獨立的衰落路徑來發送每個用戶信息的不同部分。每個用戶在協作的時候將各自的信息編碼成兩段，分別包含N1和N2比特。在第一階段，每個用戶各自發送自己的 N1比特信息，同時試圖解碼對方的這部分信息；第二階段，如果正確解碼，接下來發送其協作用戶的N2比特信息，否則發送自己的N2比特信息。這樣每個用戶始終都發送N=N1+N2比特的信息[8]，最后基站按一定的方法解碼收到的信息塊。編碼協作的原理如圖3所示。

圖3 編碼協作（CC）模型

2.3 壓縮轉發模式（CF）

壓縮轉發模式在第一時隙首先由源節點以碼率 H(X)發送源信息X，并接著發送校驗比特H(X/Y)，中繼節點接收信息并做出對X的估計Y,如果估計的差錯概率小于設定的門限值，則在第二時隙以碼率H(Y)發送Y到目的節點，目的節點使用SW定理并結合相應的譯碼方法解碼前兩個時隙接收的信息比特。

2.4 解碼中繼模式（DF）

在這種模式(見圖 4)下，中繼節點總是對其接收到的信息先進行解碼，然后再重新編碼并轉發編碼后的信息比特給基站。這種協作模式的優點是比較簡單，并且對各種信道都有較好的適應性，接下來我們將詳細介紹這種方法。

圖4 解碼中繼（DF）模型

3 解碼中繼

我們以兩用戶協作為例來說明，假設信道為平坦瑞利衰落信道，噪聲是高斯白噪聲，協作模型如圖4所示。協作節點要對接收到的源信息進行解碼，如果協作節點對源信息比特作出了錯誤判決，那么這個錯誤將進一步傳播，導致系統性能下降。

為了避免這種情況的出現，協作節點可以采用循環冗余校驗技術（CRC），對接收到的數據進行檢查，如果正確就重新編碼并轉發給目的端，否則就將錯誤的數據丟掉。

假設源節點S1傳輸信號為 x (k)，協作節點S2接收到的信號為 ()yk，經過解碼及CRC校驗后，得到對 ()xk的估計值。然后協作節點以同樣的方法編碼并傳輸編碼后的信息(k)給基站。

目的端 BS接收到源節點和協作節點的信號后，按照最大比合并準則進行合并，然后進行相應的譯碼就可以得到信號 ()xk的估計值 ()Yk。

DF模式中，協作節點可以對整個碼子完全譯碼，也可以對逐個符號進行譯碼。本文采用完全譯碼，系統輸入和輸出之間的最大互信息為：

其中，min函數中的第一項是協作節點S2能可靠譯碼的最大速率，第二項為目的節點對接收到的信號能準確譯碼的最大速率。當協作節點和目的節點都能無差錯地譯碼時，兩個互信息取得最小值。

在頻譜效率為R時的中斷概率（IDF＜R）可以等效為：

對于瑞利衰落信道，協作節點使用與源節點相同的編碼方案，中斷概率為；

式中第一項為協作節點不能正確譯碼的概率，第二項是協作節點可以正確譯碼但目的節點不能正確譯碼的概率，兩者的和即為總的中斷概率。

在SNR 較高時，上述中斷概率可以表示為：

4 解碼中繼性能分析

本文對解碼協作模式和無協作、放大協作模式進行仿真，使用卷積編碼和viterbi譯碼，信息序列長度為5 000，通過比較不同SNR情況下系統的誤碼率可以看出來解碼協作模式具有很好的分集增益，仿真結果如圖5所示。

圖5 AF、DF與無協作仿真結果比較

5 結語

解碼協作技術與放大轉發協作模式相比，避免了對信號中噪聲功率的放大，減少了噪聲對接收信號的影響。但它也有一定的局限性。首先它包含一定形式的重發，并沒有最好地利用信道；其次中繼節點可能錯誤地估計其伙伴的信息，這個錯誤信息將會被傳播到基站端，這樣會降低整個系統性能。

為了避免這種情況的出現，在協作節點處往往采用循環冗余校驗技術，對接收到的數據幀進行檢查，如果接收數據正確，就重新編碼后轉發給基站，否則就將此數據幀丟棄。但是在對系統性能要求不是很高的情況下，解碼協作模式因為其簡單易實現而具有很好的實用性。

[1] 殷勤業,張瑩,丁樂,等.協作分集:一種新的空域分集技術[J].西安交通大學學報,2005,39(06):551-557.

[2] 郭希蕊,杜鵬.無線通信中的空時協作分集[J].通信技術,2007,40(12):108-110.

[3] Sendonaris A,Erkip E,Aazhang B.User Cooperation Diversity–part I:System Description[J].IEEE Trans. on Comm.,2003,51(11):1927-1938.

[4] Laneman J N, Wornell G W.Distributed Space-time Coded Pro-tocols for Exploiting Cooperative Diversity in Wireless Networks[J].IEEE Trans on Information Theory,2003,49(10):2415-2425.

[5] 林云,翟俊昌,武建濤.MIMO協同中繼技術概述[J].通信技術,2009,42(01):90-92.

[6] Issariyakul T,Krishnamurthy V.Amplify-and-Forward Cooperative Diversity Wireless Networks: Model, Analysis, and Monotonicity Properties[J].IEEE Trans on Networking,2009,17(01):225-238.

[7] Nosratinia A,Hunter T.E, Hedayat A.Cooperative Communicationin Wireless Networks[J].IEEE Communications Magazine,2004(42):74-80.

[8] 董楊鑫,鄭建宏.編碼協作通信技術的研究[J].通信技術,2007,40(11):65-67.