協作通信技術在惡劣信道條件下的應用研究

王 翠，唐加山

(南京郵電大學a.通信與信息工程學院;b.數理學院，江蘇 南京 210003)

責任編輯:薛 京

在無線通信系統中，信道衰落對數據傳輸速率和質量具有重要的影響，而分集技術是一種對抗衰落的有效手段，如MIMO技術，通過在發射端和接收端放置多根天線形成多個獨立發/收信道達到空間分集的目的。但是由于終端設備的尺寸、硬件性能等因素的限制，無線終端設備不一定能支持多天線裝置，協作分集是一種將空間分集與協作通信相結合的分集技術，通過多個單天線用戶共享天線，實現虛擬的多天線傳輸，獲得空間分集，以此來提高系統傳輸性能［1］。

低密度奇偶校驗［2］(Low－Density Parity－Check，LDPC)碼作為一種能夠逼近香農限的線性分組碼，具有優異的差錯校驗特性，非規則(irregular)LDPC碼比規則LDPC碼具有更高的性能［3］，更接近信道容量。相比Turbo碼，LDPC碼具有譯碼時延小、譯碼復雜度低等優點，成為近年來研究協作編碼方案的熱點［4－5］。

根據中繼節點對信號處理方式的不同，一般將協作轉發方式分為放大轉發(AF)、譯碼轉發(DF)和編碼協作(CC)三種［6］。放大轉發方式對接收到的信號進行簡單的放大，處理簡單，但是放大信號的同時也將噪聲放大了;譯碼轉發方式則將接收到的信號進行譯碼，然后再重新編碼后轉發，可以提高通信的可靠性，但是當譯碼中有錯時也會將錯誤傳播出去;編碼協作方式是對接收到的信號進行譯碼，當譯碼正確時，進行重新編碼，然后只將編碼的冗余信息轉發給目的節點，當譯碼不正確時，將轉為非協作方式。根據不同的信道條件，選擇不同的通信方式，可以將系統的性能整體提高［7－10］。

目前大多數研究都是建立在大信噪比條件下，文獻［11］研究了LDPC碼的BPSK調制編碼協作方法，證明了在衰落信道條件下可以獲得一定的分集增益，但系統的頻譜資源利用率不高，文獻［12］提出了一種在8PSK調制方式下的協作方法，相比BPSK調制，編碼協作系統提高了系統頻譜資源利用率，但是當信道條件較差時，當第一時隙不能正確傳輸數據的情況下，將會變為非協作方案，此時將不能獲得分集增益，本文對此進行改進，采用混和通信方式，提出一種在信道狀態較差的條件下采用QPSK調制技術的協作方案，并進行了相應的理論分析和仿真。本文的研究對于信道狀況較差的環境下實現協作通信具有現實意義。

1 混合編碼協作方案

本文所采用的混合協作編碼系統模型如圖1所示，假設中繼節點接收到信息后，可以反饋給其他節點是否接收正確，當源節點向目的節點傳輸數據時，先將長度為K的碼字經過碼率為R的LDPC編碼后生成長度為N的碼字發送給目的節點和中繼節點，N=K/R，然后中繼節點將接收到的信息進行譯碼。

圖1 混和編碼協作模型

協作方法過程描述如下:

1)如果中繼節點對接收到的信息能夠正確譯碼，將反饋給源節點一個譯碼成功的確認信號ACKY，此時中繼節點從譯出的碼字中提取出信息比特，并將其進行重新編碼，然后將重新編碼后生成的校驗比特經QPSK調制發送給目的節點，完成編碼協作。

2)如果中繼節點不能對源節點第一時隙傳來的數據進行正確譯碼，那么中繼節點將返回給源節點一個不能正確譯碼的信號ACKN，同時存儲第一時隙傳來數據幀，而源節點收到確認回復信號后將信號編碼重傳給中繼用戶，如果正確譯碼，將重復步驟1)，如果不能正確譯碼，將結合上一次存儲的數據進行最大比合并譯碼，如果還不能正確譯碼，將執行步驟3)。

3)中繼節點將兩次接收到的數據進行軟判決，對數據進行放大轉發，此時協作模式轉為放大轉發模式，可以避免因信道狀況差使編碼協作變成非協作，而不能得到協作增益。

在第1階段，中繼節點R和目的節點D接收到的信息為

在第2階段，中繼節點采用編碼協作和放大轉發方式時，目的節點接收到的信息分別為

式中:信道衰落系數HSR，HSD，HRD是均值為0、方差為的復高斯變量;信道的加性噪聲nSR，nSD，nRD服從均值為0、方差為N0的高斯分布;X表示源節點發送的信息;X～表示中繼節點采用編碼協作方式時，重新編碼后轉發的信息;β表示中繼節點采用放大轉發方式時的放大增益。目的節點將收到的兩次數據進行合并后聯合譯碼，傳送的數據及合并后的數據如圖2所示。

圖2 兩個時隙傳輸的數據及目的節點合并數據

根據文獻［13－14］的研究表明，在慢衰落信道下，采用BPSK調制的兩用戶編碼協作可以獲得完全的二階分集增益。文獻［15］表明，在準靜態瑞利衰落信道下，成對錯誤概率公式表明采用高階星座調制的編碼協作方案仍然可以獲得二階完全分集增益。編碼協作系統的誤碼率為

式中:ESR表示第一時隙源節點到協作節點傳送數據的誤碼率;ESD表示第一時隙源節點到目的節點傳送數據的誤碼率;ESR，SD表示協作時目的節點收到源節點和協作節點傳送的數據的誤碼率。由式(5)可以看出，第一時隙的誤碼率越低，中繼節點接收的數據譯碼正確率越高，系統編碼協作的概率越大，這樣就能獲得更多的空間分集，但是數據的誤碼率與傳輸信道狀態和編碼的碼率有關，而碼率也直接影響到編碼協作的系數，即

式中:α為系統第二時隙傳輸的冗余信息的長度N2與兩次時隙傳輸信息總長度N的比值。

當信道狀態不好時，可以通過增加數據冗余信息來提高協作系統第一時隙傳送的數據譯碼的準確率，由式(6)可以看出，R1越小，N1越大，此時對應的協作系數將越小，因此協作系數小的編碼方案反而性能越好。而當第一時隙傳輸的數據不能正確譯碼時，協作系統變為譯碼放大轉發模式，根據文獻［16］表明，在相同的條件和處理方式下，AF與DF具有相同的分集增益，因此當信道狀況較差時仍可以獲得協作分集增益，這樣通過對第一時隙和第二時隙的處理，可以使協作系統實現在信道條件較差的條件下的協作通信。

2 性能分析與仿真

針對以上所提出的協作方案，選擇如下仿真條件，各節點之間的信道為對稱瑞利衰落信道，信噪比相同，信道衰落系數在一個碼字長度時間內保持不變，信息塊長度L=5 000，母碼率為1/2，編碼協作系數為0.5，調制方式為QPSK，LDPC譯碼采用LLR－BP譯碼，在接收端采用聯合譯碼對信號進行處理。

圖3和圖4所示為源節點發送信號到達中繼結點的信噪比為1 dB和15 dB時，非協作編碼方案和普通編碼協作及本文所提出的編碼方案的誤碼率的比較，從圖中可以看出，隨著用戶間信噪比的增加，誤碼率逐漸減小，當信噪比為1 dB、誤碼率為10－2時，本文所提出的編碼協作方案比普通編碼協作方式能獲得2 dB的增益，而信噪比為15 dB、誤碼率為10－3時，本文所提出的協作方式比普通編碼協作獲得1 dB的增益。與非協作和普通編碼協作相比，本文提出的中繼混合傳輸協作方案可獲得明顯的性能改善。

圖3 源節點到中繼節點的信噪比為1 dB性能分析

3 結束語

圖4 源節點到中繼節點的信噪比為15 dB性能分析

本文針對編碼協作系統在信道狀況較差時不能實現協作通信的情況，提出一種新的適用于信道狀況較差的情況下仍能有效實現協作通信的方式。通過仿真表明，本文所提方法不僅能提高系統頻譜資源利用率，而且在信道狀況較差的情況下仍能實現協作通信，獲得分集增益。

［1］SENDONARIS A，ERKIP E，AAZHANG B.User cooperation diversity part II － implementation aspects and performance analysis［J］.IEEE Trans.Communications，2003，51(11):1939－1948.

［2］COVER T，GAMAL A E.Capacity theorems for the relay channel［J］.IEEE Trans.Information Theory，1979，25(5):572－584.

［3］RICHARDSON T J，URBANKE R L.The capacity of low－density parity－check codes under message－passing decoding［J］.IEEE Trans.Information Theory，2001，47(2):599－618.

［4］GALLAGER R G.Low－density parity－check codes［J］.IRE Trans.Information Theory，1962，8(1):21－28.

［5］RAZAGHI P，WEI Y.Bilayer low－density parity－check codes for decodeand－forward in relay channels［J］.IEEE Trans.Information theory，2007，53(10):3723－3739.

［6］SENDONARIS A，ERKIP E，AAZHANG B.User cooperation diversity.part1:system description［J］.IEEE Trans.Communications，2003，51(11):1927－1938.

［7］BAO Xiaokai，LI Jing.Decode－amplify－forward(DAF):a new class of forwarding strategy for wireless relay channel［C］//Proc.IEEE Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications.［S.l.］:IEEE Press，2005:816－820.

［8］BAO Xiaokai，LI Jing.Efficient message relaying for wireless user cooperation:decode amplify forward(DAF)and hybrid DAF and coded－cooperation［J］.IEEE Trans.Wireless Communications，2007，6(11):3975－3984.

［9］梁烈勇.混合轉發協作通信的功率分配方案［J］.電視技術，2012，36(15):94－96.

［10］劉煥兵，嚴曉蘭，姜暉，等.LDPC編碼的自適應放大轉發協作通信方案［J］.電視技術，2012，36(15):87－89.

［11］ZHAO Dongfeng，LI Daoben.Coded cooperation scheme using LDPC scheme［C］//Proc.2009 Global Mobile Congress.Shanghai:IEEE Press，2009:1－4.

［12］李琳，袁超偉，田心記.采用LDPC碼的8PSK調制編碼協作方法［J］.西安電子科技大學學報:自然科學版，2011，38(4):143－147.

［13］HUNTER T E，NOSRATINIA A.Diversity through coded cooperation［J］.IEEE Trans.Wireless Communications，2006，52(2):283－289.

［14］HUNTER T E，SANAYEI S，NOSRATINIA A.Outage analysis of coded cooperation［J］.IEEE Trans.Information Theory，2006，52(2):375－391.

［15］宮豐奎，韓春雷，王勇，等.慢衰落信道下高階調制編碼協作方案及性能分析［J］.西安電子科技大學學報，2008，35(4):555－569.

［16］劉威鑫，張忠培，李少謙，等.協同分集下AF與DF比較［J］.電子科技大學學報，2007，36(5):911－914.