解码协作分集技术研究

史志举， 康桂华， 胡 波， 李 杰

(河海大学 计算机信息工程学院，江苏 常州213022)

0 引言

无线信道具有的多径衰落特性是阻碍信道容量增加和服务质量改善的重要原因[1]， 分集技术可以通过在发射端发射多个信号样本,在接收端合并多个经历独立衰落的信号样本,以对抗无线信道中的衰落. 近年来提出的多输入多输出(MIMO)天线技术,通过在接收端和发射端同时安置多个天线,形成 MIMO信道结构,从而充分利用了空域资源,大幅度提高了信道容量.但是由于受到移动终端体积、功率、天线位置等因素的影响，MIMO很难在实际中应用[2]。为了更好地利用空间分集的优势，人们提出了协作分集(Cooperative Diversity)[3]或协作通信(Cooperative Communication)的新型技术，使单天线的终端可以实现空域分集。协作通信中每个移动终端都有一个或多个协作伙伴，协作伙伴在传输自己信息的同时也帮助其伙伴传输信息，这样每个移动终端在传输信息的过程中既利用了自己又利用了伙伴的信道，从而取得了空间分集的效果，实现了空间分集增益。

1 协作分集的概念

协作分集按照其信号传输的过程可分为三布[4]：第一步，源节点以广播的形式发送信号，中继节点和目的节点接收信号；第二步，中继节点将接收到的信号处理后发送给目的节点，此时源节点也可以向目的节点发送重复信息或新的信息；第三步，目的节点按某种规则合并前两步接收到的信号，并解码信号，实现分集效果。

接下来我们以蜂窝移动环境下两用户间的协作为例来介绍协作分集。如下页图1示，用户S1和S2互为协作伙伴，每一个用户除了传输自己的信息，还要传输其协作伙伴的信息，即S1除了向基站BS传输自己的信息，还要在适当的时候传输其伙伴 S2的信息。同时，S2也在适当的时候传输 S1的信息至基站BS。我们以S1为主用户，S2为其协作伙伴为例来说明。第一步，S1以广播形式发送信号到BS和S2；第二步，S2将接收到的信息处理后也转发给BS；第三步，BS将前两步接收到的信息按照一定的规则译码。这样用户 S1到基站BS之间就有两条独立的衰落路径，实现了分集效果。通过协作，用户会牺牲自己的一部分资源，但另一方面，用户也通过协作分集利用了其协作伙伴的空域资源，合理地设计协作方案可以使得协作分集带来的增益大于其付出的代价，使每个用户都实现最大的分集增益。

图1 协作通信模型

2 协作分集协议

按照中继用户的信号处理方式不同，将协作分集分为：放大中继（Amplify-and-Forward,AF）、解码中继(Decodeand-Forward,DF)[5]、编码协作(Coded Cooperation,CC）和压缩转发（Compress-Forward，CF）模式。

2.1 放大中继模式(AF)

放大中继[6]是最简单的协作模式,如图2所示[7]。在放大中继模式下,协作节点 S2接收并放大源节点 S1的信号,然后转发到目的节点BS。目的节点BS接受来自源节点S1和协作节点S2的信号并对其进行合并。虽然协作节点S2在放大信号的同时也放大了噪声，但是由于目的节点BS接收到的是两个经历独立衰落的信号，所以也可以更好地对信号进行判决。

图2 放大中继（AF）模型

在协作节点，根据自动增益控制对接收到的信号进行功率控制，调整系数为：

其中，.rsh 为源节点与协作节点之间的衰落系数，sP为信号功率，0N 为两用户之间信道的噪声功率。Laneman证明了这一方法在两用户情况下可以获得2阶分集增益。

2.2 编码协作模式（CC）

编码协作是将协作技术和信道编码技术结合起来的一种技术，它的核心思想是通过两条独立的衰落路径来发送每个用户信息的不同部分。每个用户在协作的时候将各自的信息编码成两段，分别包含N1和N2比特。在第一阶段，每个用户各自发送自己的 N1比特信息，同时试图解码对方的这部分信息；第二阶段，如果正确解码，接下来发送其协作用户的N2比特信息，否则发送自己的N2比特信息。这样每个用户始终都发送N=N1+N2比特的信息[8]，最后基站按一定的方法解码收到的信息块。编码协作的原理如图3所示。

图3 编码协作（CC）模型

2.3 压缩转发模式（CF）

压缩转发模式在第一时隙首先由源节点以码率 H(X)发送源信息X，并接着发送校验比特H(X/Y)，中继节点接收信息并做出对X的估计Y,如果估计的差错概率小于设定的门限值，则在第二时隙以码率H(Y)发送Y到目的节点，目的节点使用SW定理并结合相应的译码方法解码前两个时隙接收的信息比特。

2.4 解码中继模式（DF）

在这种模式(见图 4)下，中继节点总是对其接收到的信息先进行解码，然后再重新编码并转发编码后的信息比特给基站。这种协作模式的优点是比较简单，并且对各种信道都有较好的适应性，接下来我们将详细介绍这种方法。

图4 解码中继（DF）模型

3 解码中继

我们以两用户协作为例来说明，假设信道为平坦瑞利衰落信道，噪声是高斯白噪声，协作模型如图4所示。协作节点要对接收到的源信息进行解码，如果协作节点对源信息比特作出了错误判决，那么这个错误将进一步传播，导致系统性能下降。

为了避免这种情况的出现，协作节点可以采用循环冗余校验技术（CRC），对接收到的数据进行检查，如果正确就重新编码并转发给目的端，否则就将错误的数据丢掉。

假设源节点S1传输信号为 x (k)，协作节点S2接收到的信号为 ()yk，经过解码及CRC校验后，得到对 ()xk的估计值。然后协作节点以同样的方法编码并传输编码后的信息(k)给基站。

目的端 BS接收到源节点和协作节点的信号后，按照最大比合并准则进行合并，然后进行相应的译码就可以得到信号 ()xk的估计值 ()Yk。

DF模式中，协作节点可以对整个码子完全译码，也可以对逐个符号进行译码。本文采用完全译码，系统输入和输出之间的最大互信息为：

其中，min函数中的第一项是协作节点S2能可靠译码的最大速率，第二项为目的节点对接收到的信号能准确译码的最大速率。当协作节点和目的节点都能无差错地译码时，两个互信息取得最小值。

在频谱效率为R时的中断概率（IDF＜R）可以等效为：

对于瑞利衰落信道，协作节点使用与源节点相同的编码方案，中断概率为；

式中第一项为协作节点不能正确译码的概率，第二项是协作节点可以正确译码但目的节点不能正确译码的概率，两者的和即为总的中断概率。

在SNR 较高时，上述中断概率可以表示为：

4 解码中继性能分析

本文对解码协作模式和无协作、放大协作模式进行仿真，使用卷积编码和viterbi译码，信息序列长度为5 000，通过比较不同SNR情况下系统的误码率可以看出来解码协作模式具有很好的分集增益，仿真结果如图5所示。

图5 AF、DF与无协作仿真结果比较

5 结语

解码协作技术与放大转发协作模式相比，避免了对信号中噪声功率的放大，减少了噪声对接收信号的影响。但它也有一定的局限性。首先它包含一定形式的重发，并没有最好地利用信道；其次中继节点可能错误地估计其伙伴的信息，这个错误信息将会被传播到基站端，这样会降低整个系统性能。

为了避免这种情况的出现，在协作节点处往往采用循环冗余校验技术，对接收到的数据帧进行检查，如果接收数据正确，就重新编码后转发给基站，否则就将此数据帧丢弃。但是在对系统性能要求不是很高的情况下，解码协作模式因为其简单易实现而具有很好的实用性。

[1] 殷勤业,张莹,丁乐,等.协作分集:一种新的空域分集技术[J].西安交通大学学报,2005,39(06):551-557.

[2] 郭希蕊,杜鹏.无线通信中的空时协作分集[J].通信技术,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,武建涛.MIMO协同中继技术概述[J].通信技术,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] 董杨鑫,郑建宏.编码协作通信技术的研究[J].通信技术,2007,40(11):65-67.