淺談協(xié)作通信中的轉(zhuǎn)發(fā)策略

袁 博

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

淺談協(xié)作通信中的轉(zhuǎn)發(fā)策略

袁 博

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

多徑衰落是制約無線通信發(fā)展的重要因素，協(xié)作通信技術(shù)是一種可以抑制多徑衰落的空間分集方法，協(xié)作通信中的基本中繼策略包括放大轉(zhuǎn)發(fā)（AAF）解碼轉(zhuǎn)發(fā)（DAF）。本文簡要介紹了協(xié)作通信的有關(guān)概念，并對兩種常見的協(xié)作通信策略進行理論分析和性能仿真。

協(xié)作通信；放大轉(zhuǎn)發(fā)；解碼轉(zhuǎn)發(fā)

1 引言

隨著無線通信的發(fā)展，人們對無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率和服務(wù)質(zhì)量的要求不斷提高。無線信道的衰落特性阻礙了信道容量增加和服務(wù)質(zhì)量改善。抑制衰落的方法有很多，其中，采用編碼策略在減少信道衰落對性能影響的同時，帶來了有效數(shù)據(jù)率的損失和額外的時間延遲，而提高發(fā)送功率同時也會加劇對無線網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的干擾。對比而言空間分集技術(shù)，是抑制信道衰落的一種簡便有效的方法。

空間分集指將相同的數(shù)據(jù)在相互獨立的路徑上發(fā)送，由于路徑彼此獨立，在同一時刻經(jīng)歷深度衰落的概率很小。因此，接收側(cè)通過一定方法將信號合并，信號的衰減程度就會被顯著減小。多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)是一種典型的空間分集技術(shù)，但受到多天線體積的限制，不易在移動通信設(shè)備上實現(xiàn)。由MIMO技術(shù)衍生的協(xié)作通信技術(shù)通過單天線節(jié)點間共享彼此天線，建立模擬的MIMO系統(tǒng)。因此，協(xié)作通信技術(shù)可以有效減少信號的衰減程度，成為下一代無線通信技術(shù)研究的重要研究領(lǐng)域。本文著眼于協(xié)作通信中相關(guān)策略，通過仿真進行簡要分析。

2 協(xié)作通信概述

協(xié)作通信即在通信環(huán)境為多用戶情況下，網(wǎng)絡(luò)中的各個用戶節(jié)點彼此之間共享自己的天線作為其他臨近用戶的中繼節(jié)點，按照一定的規(guī)則接收、轉(zhuǎn)發(fā)、處理信息。多個用戶協(xié)同工作，互相幫助，從而形成虛擬的多天線系統(tǒng)并獲得空間的分集增益，提高通信系統(tǒng)的性能。協(xié)作通信技術(shù)是應(yīng)用在無線信道中的一種新型的傳輸技術(shù)，它是建立在傳統(tǒng)的分集與接收系統(tǒng)之上，同時結(jié)合中繼信道的模式，形成的一種傳輸模式。

三節(jié)點的中繼模型是中繼系統(tǒng)的基本模型，經(jīng)典的三節(jié)點中繼信道模型如圖1所示。

圖1 經(jīng)典的三節(jié)點中繼信道模型

通常協(xié)作通信包括兩階段的工作過程：廣播階段和協(xié)作階段。在廣播階段，源節(jié)點廣播要發(fā)送的數(shù)據(jù)，向各個節(jié)點廣播的數(shù)據(jù)信息序列是一致的，中繼節(jié)點和目的節(jié)點都可以接收到源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)。中繼節(jié)點接收到信息之后將信息按照一定的方式處理，而目的節(jié)點保存接收到源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)。在協(xié)作階段，中繼節(jié)點把處理好的信息向目的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。目的節(jié)點通過不同路徑接收到多路信息，按照一定的合并方式進行信息合并，再解調(diào)出原始信息。由于源節(jié)點到目的節(jié)點的信道和中繼節(jié)點到目的節(jié)點的信道相互獨立，因此獲得空間分集增益并提高系統(tǒng)性能。

3 協(xié)作通信技術(shù)

本節(jié)將介紹在兩種常見的協(xié)作通信策略，并進行理論分析和性能仿真。

3.1 放大轉(zhuǎn)發(fā)

在應(yīng)用放大轉(zhuǎn)發(fā)策略的時候，中繼節(jié)點只對接收到的原始信號進行放大處理并轉(zhuǎn)發(fā)，并不解碼再編碼，目的節(jié)點接收信號。在這個過程中，中繼節(jié)點接收到的信號并不只是原始信號，還摻雜著信道中的噪聲，所以噪聲連同信息一同被中繼節(jié)點放大并轉(zhuǎn)發(fā)。目的節(jié)點接收到來自源節(jié)點和中繼節(jié)點兩路歷經(jīng)不同衰落信道的信號，并對其采用某種合并方式合并，最后通過判決得到信號。

在放大轉(zhuǎn)發(fā)策略下，目的端采用最大比合并，假設(shè)源端發(fā)送的信號為X，傳輸功率為PSR，中繼接收的信號為YSR，信號XR從中繼傳輸?shù)墓β蕿镻RD，高斯白噪聲nR方差σD2，目的端接收到的信號YD高斯白噪聲nD，方差σD2。

在廣播階段，中繼端和目的端接收到的信號可以表示為

在協(xié)作階段，中繼已放大參數(shù)β放大接收的信號，從中繼端發(fā)出的信號可以表示為

放大參數(shù)β可以由下述公式得到

目的端接收到的信號可由下式而得

解調(diào)中，等效信道為hRDβhSR，等效噪聲為hRDβnR+nD。

在目的端，廣播和協(xié)作階段目的端接收到的不同信號YD經(jīng)過最大比合并，放大轉(zhuǎn)發(fā)的信道容量可表示為

由上述公式可以得知，信道容量與源節(jié)點到中繼節(jié)點中的信道無關(guān)。所以，放大轉(zhuǎn)發(fā)較適用于源節(jié)點到中繼節(jié)點通信信道差的情況。在放大轉(zhuǎn)發(fā)模式中，中繼端不解調(diào)解碼信號，因此降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。然而如果輸入信號的幅度較大，中繼端會產(chǎn)生功率浪費的情況。另外，因為中繼端在放大信號的同時也放大了噪聲，影響系統(tǒng)的表現(xiàn)，限制了放大轉(zhuǎn)發(fā)在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。

3.2 解碼轉(zhuǎn)發(fā)

解碼轉(zhuǎn)發(fā)不同于放大轉(zhuǎn)發(fā)，中繼節(jié)點將信息解碼，再重新編碼發(fā)送給目的節(jié)點。目的節(jié)點采用某種合并方式，將兩路經(jīng)獨立衰落的信號進行合并。三節(jié)點中繼模型中，解碼轉(zhuǎn)發(fā)策略與放大轉(zhuǎn)發(fā)一樣可以獲得二階的分集增益，但是在高信噪比情況下性能更好，誤碼率更低。

在解碼轉(zhuǎn)發(fā)策略下，廣播階段源節(jié)點將信號發(fā)送給中繼節(jié)點和目的節(jié)點，目的節(jié)點并不解碼，中繼節(jié)點也未將信號轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點。因此，在廣播階段的信道容量可以表示為

在多徑訪問階段，中繼端將信號轉(zhuǎn)發(fā)到目的端，信道容量變?yōu)?/p>

對于整個解碼轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)，等效信道容量可以表示為

由上述公式可得，與放大轉(zhuǎn)發(fā)不同，中繼信道的情況會影響解碼轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)表現(xiàn)。源節(jié)點到中繼節(jié)點的信道情況對解碼轉(zhuǎn)發(fā)策略非常重要，它會影響中繼端解碼的準(zhǔn)確度，一旦中繼端不能正確解碼，錯誤擴散會影響系統(tǒng)表現(xiàn)。

3.3 仿真

本文的仿真基于C++環(huán)境及IT++ library。對于兩種轉(zhuǎn)發(fā)模式的性能仿真在瑞利快衰落信道下進行，信道編碼采用Turbo碼，8PSK調(diào)制方式，基站采用最大比合并方式合并。三條信道的衰落情況相互獨立，各個信道中噪聲均為高斯白噪聲，中繼位置位于源和目的端1/2處。并與相同條件下的用戶與基站之間直接傳輸時的情況進行誤碼率比較，得到三種方式的誤碼率曲線如圖2所示。

圖2 三種方式的誤碼率曲線

從圖2可以看出，采用放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)策略均可以獲得更好的性能。在BER=10-4，對比直接傳輸，解碼轉(zhuǎn)發(fā)存在5dB改善，而放大轉(zhuǎn)發(fā)為4dB。

4 結(jié)束語

本文從理論和仿真兩方面驗證協(xié)作通信技術(shù)對于無線通信的性能改善，主要分析了放大轉(zhuǎn)發(fā)策略，解碼轉(zhuǎn)發(fā)策略。

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Discussion of Forwarding Techniques For Cooperative Communications

Yuan Bo
(The State Radio Monitoring Center Testing Center, Beijing, 100041)

Multipath fading restricts the development of wireless communication. Cooperative communications technologies obtain the space diversity gain, which decrease the issue of fading. The basic definitions of cooperative communication are given in this paper. And two typical relay cooperative communication protocols are introduced and simulated, including Amplify and Forward(AAF), Decode and Forward(DAF).

Cooperative Communications; AAF; DAF

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.08.003

TN92

A

1672-7274（2015）08-0009-03