解碼協(xié)作分集技術(shù)研究

史志舉， 康桂華， 胡 波， 李 杰

(河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院，江蘇 常州213022)

0 引言

無(wú)線信道具有的多徑衰落特性是阻礙信道容量增加和服務(wù)質(zhì)量改善的重要原因[1]， 分集技術(shù)可以通過(guò)在發(fā)射端發(fā)射多個(gè)信號(hào)樣本,在接收端合并多個(gè)經(jīng)歷獨(dú)立衰落的信號(hào)樣本,以對(duì)抗無(wú)線信道中的衰落. 近年來(lái)提出的多輸入多輸出(MIMO)天線技術(shù),通過(guò)在接收端和發(fā)射端同時(shí)安置多個(gè)天線,形成 MIMO信道結(jié)構(gòu),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(dòng)終端體積、功率、天線位置等因素的影響，MIMO很難在實(shí)際中應(yīng)用[2]。為了更好地利用空間分集的優(yōu)勢(shì)，人們提出了協(xié)作分集(Cooperative Diversity)[3]或協(xié)作通信(Cooperative Communication)的新型技術(shù)，使單天線的終端可以實(shí)現(xiàn)空域分集。協(xié)作通信中每個(gè)移動(dòng)終端都有一個(gè)或多個(gè)協(xié)作伙伴，協(xié)作伙伴在傳輸自己信息的同時(shí)也幫助其伙伴傳輸信息，這樣每個(gè)移動(dòng)終端在傳輸信息的過(guò)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(shí)現(xiàn)了空間分集增益。

1 協(xié)作分集的概念

協(xié)作分集按照其信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程可分為三布[4]：第一步，源節(jié)點(diǎn)以廣播的形式發(fā)送信號(hào)，中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)；第二步，中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的信號(hào)處理后發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)，此時(shí)源節(jié)點(diǎn)也可以向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送重復(fù)信息或新的信息；第三步，目的節(jié)點(diǎn)按某種規(guī)則合并前兩步接收到的信號(hào)，并解碼信號(hào)，實(shí)現(xiàn)分集效果。

接下來(lái)我們以蜂窩移動(dòng)環(huán)境下兩用戶間的協(xié)作為例來(lái)介紹協(xié)作分集。如下頁(yè)圖1示，用戶S1和S2互為協(xié)作伙伴，每一個(gè)用戶除了傳輸自己的信息，還要傳輸其協(xié)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(dāng)?shù)臅r(shí)候傳輸其伙伴 S2的信息。同時(shí)，S2也在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候傳輸 S1的信息至基站BS。我們以S1為主用戶，S2為其協(xié)作伙伴為例來(lái)說(shuō)明。第一步，S1以廣播形式發(fā)送信號(hào)到BS和S2；第二步，S2將接收到的信息處理后也轉(zhuǎn)發(fā)給BS；第三步，BS將前兩步接收到的信息按照一定的規(guī)則譯碼。這樣用戶 S1到基站BS之間就有兩條獨(dú)立的衰落路徑，實(shí)現(xiàn)了分集效果。通過(guò)協(xié)作，用戶會(huì)犧牲自己的一部分資源，但另一方面，用戶也通過(guò)協(xié)作分集利用了其協(xié)作伙伴的空域資源，合理地設(shè)計(jì)協(xié)作方案可以使得協(xié)作分集帶來(lái)的增益大于其付出的代價(jià)，使每個(gè)用戶都實(shí)現(xiàn)最大的分集增益。

圖1 協(xié)作通信模型

2 協(xié)作分集協(xié)議

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

2.1 放大中繼模式(AF)

放大中繼[6]是最簡(jiǎn)單的協(xié)作模式,如圖2所示[7]。在放大中繼模式下,協(xié)作節(jié)點(diǎn) S2接收并放大源節(jié)點(diǎn) S1的信號(hào),然后轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)BS。目的節(jié)點(diǎn)BS接受來(lái)自源節(jié)點(diǎn)S1和協(xié)作節(jié)點(diǎn)S2的信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行合并。雖然協(xié)作節(jié)點(diǎn)S2在放大信號(hào)的同時(shí)也放大了噪聲，但是由于目的節(jié)點(diǎn)BS接收到的是兩個(gè)經(jīng)歷獨(dú)立衰落的信號(hào)，所以也可以更好地對(duì)信號(hào)進(jìn)行判決。

圖2 放大中繼（AF）模型

在協(xié)作節(jié)點(diǎn)，根據(jù)自動(dòng)增益控制對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行功率控制，調(diào)整系數(shù)為：

其中，.rsh 為源節(jié)點(diǎn)與協(xié)作節(jié)點(diǎn)之間的衰落系數(shù)，sP為信號(hào)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(xié)作模式（CC）

編碼協(xié)作是將協(xié)作技術(shù)和信道編碼技術(shù)結(jié)合起來(lái)的一種技術(shù)，它的核心思想是通過(guò)兩條獨(dú)立的衰落路徑來(lái)發(fā)送每個(gè)用戶信息的不同部分。每個(gè)用戶在協(xié)作的時(shí)候?qū)⒏髯缘男畔⒕幋a成兩段，分別包含N1和N2比特。在第一階段，每個(gè)用戶各自發(fā)送自己的 N1比特信息，同時(shí)試圖解碼對(duì)方的這部分信息；第二階段，如果正確解碼，接下來(lái)發(fā)送其協(xié)作用戶的N2比特信息，否則發(fā)送自己的N2比特信息。這樣每個(gè)用戶始終都發(fā)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(xié)作的原理如圖3所示。

圖3 編碼協(xié)作（CC）模型

2.3 壓縮轉(zhuǎn)發(fā)模式（CF）

壓縮轉(zhuǎn)發(fā)模式在第一時(shí)隙首先由源節(jié)點(diǎn)以碼率 H(X)發(fā)送源信息X，并接著發(fā)送校驗(yàn)比特H(X/Y)，中繼節(jié)點(diǎn)接收信息并做出對(duì)X的估計(jì)Y,如果估計(jì)的差錯(cuò)概率小于設(shè)定的門限值，則在第二時(shí)隙以碼率H(Y)發(fā)送Y到目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)使用SW定理并結(jié)合相應(yīng)的譯碼方法解碼前兩個(gè)時(shí)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(jié)點(diǎn)總是對(duì)其接收到的信息先進(jìn)行解碼，然后再重新編碼并轉(zhuǎn)發(fā)編碼后的信息比特給基站。這種協(xié)作模式的優(yōu)點(diǎn)是比較簡(jiǎn)單，并且對(duì)各種信道都有較好的適應(yīng)性，接下來(lái)我們將詳細(xì)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(xié)作為例來(lái)說(shuō)明，假設(shè)信道為平坦瑞利衰落信道，噪聲是高斯白噪聲，協(xié)作模型如圖4所示。協(xié)作節(jié)點(diǎn)要對(duì)接收到的源信息進(jìn)行解碼，如果協(xié)作節(jié)點(diǎn)對(duì)源信息比特作出了錯(cuò)誤判決，那么這個(gè)錯(cuò)誤將進(jìn)一步傳播，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。

為了避免這種情況的出現(xiàn)，協(xié)作節(jié)點(diǎn)可以采用循環(huán)冗余校驗(yàn)技術(shù)（CRC），對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，如果正確就重新編碼并轉(zhuǎn)發(fā)給目的端，否則就將錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)丟掉。

假設(shè)源節(jié)點(diǎn)S1傳輸信號(hào)為 x (k)，協(xié)作節(jié)點(diǎn)S2接收到的信號(hào)為 ()yk，經(jīng)過(guò)解碼及CRC校驗(yàn)后，得到對(duì) ()xk的估計(jì)值。然后協(xié)作節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)的信號(hào)后，按照最大比合并準(zhǔn)則進(jìn)行合并，然后進(jìn)行相應(yīng)的譯碼就可以得到信號(hào) ()xk的估計(jì)值 ()Yk。

DF模式中，協(xié)作節(jié)點(diǎn)可以對(duì)整個(gè)碼子完全譯碼，也可以對(duì)逐個(gè)符號(hào)進(jìn)行譯碼。本文采用完全譯碼，系統(tǒng)輸入和輸出之間的最大互信息為：

其中，min函數(shù)中的第一項(xiàng)是協(xié)作節(jié)點(diǎn)S2能可靠譯碼的最大速率，第二項(xiàng)為目的節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的信號(hào)能準(zhǔn)確譯碼的最大速率。當(dāng)協(xié)作節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)都能無(wú)差錯(cuò)地譯碼時(shí)，兩個(gè)互信息取得最小值。

在頻譜效率為R時(shí)的中斷概率（IDF＜R）可以等效為：

對(duì)于瑞利衰落信道，協(xié)作節(jié)點(diǎn)使用與源節(jié)點(diǎn)相同的編碼方案，中斷概率為；

式中第一項(xiàng)為協(xié)作節(jié)點(diǎn)不能正確譯碼的概率，第二項(xiàng)是協(xié)作節(jié)點(diǎn)可以正確譯碼但目的節(jié)點(diǎn)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(shí)，上述中斷概率可以表示為：

4 解碼中繼性能分析

本文對(duì)解碼協(xié)作模式和無(wú)協(xié)作、放大協(xié)作模式進(jìn)行仿真，使用卷積編碼和viterbi譯碼，信息序列長(zhǎng)度為5 000，通過(guò)比較不同SNR情況下系統(tǒng)的誤碼率可以看出來(lái)解碼協(xié)作模式具有很好的分集增益，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 AF、DF與無(wú)協(xié)作仿真結(jié)果比較

5 結(jié)語(yǔ)

解碼協(xié)作技術(shù)與放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作模式相比，避免了對(duì)信號(hào)中噪聲功率的放大，減少了噪聲對(duì)接收信號(hào)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(fā)，并沒(méi)有最好地利用信道；其次中繼節(jié)點(diǎn)可能錯(cuò)誤地估計(jì)其伙伴的信息，這個(gè)錯(cuò)誤信息將會(huì)被傳播到基站端，這樣會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)性能。

為了避免這種情況的出現(xiàn)，在協(xié)作節(jié)點(diǎn)處往往采用循環(huán)冗余校驗(yàn)技術(shù)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行檢查，如果接收數(shù)據(jù)正確，就重新編碼后轉(zhuǎn)發(fā)給基站，否則就將此數(shù)據(jù)幀丟棄。但是在對(duì)系統(tǒng)性能要求不是很高的情況下，解碼協(xié)作模式因?yàn)槠浜?jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)而具有很好的實(shí)用性。

[1] 殷勤業(yè),張瑩,丁樂(lè),等.協(xié)作分集:一種新的空域分集技術(shù)[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2005,39(06):551-557.

[2] 郭希蕊,杜鵬.無(wú)線通信中的空時(shí)協(xié)作分集[J].通信技術(shù),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(xié)同中繼技術(shù)概述[J].通信技術(shù),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(xié)作通信技術(shù)的研究[J].通信技術(shù),2007,40(11):65-67.