基于Turbo 码的机会编码协同策略

樊靖华

(内乡县万基水泥有限公司，河南 南阳 474350)

在编码协同的协同通信网络中，用户的码字分成两部分，一部分由用户发送，另一部分由协同用户发送，假设用户到目的节点的信道与协同节点到目的节点的信道是相互独立，这样在目的节点可获得分集增益［2］。编码协同需要两个编码器，Turbo 码的特性非常符合这一需求［3-5］，将Turbo 码与编码协同结合，形成了基于Turbo 码的编码协同策略［6］。与没有协同的Turbo 编码系统相比，Turbo 编码协同能够提供更好的性能。

本文将文献［1］，［2］，［8］，［9］等基于单中继节点模型下的协同策略和分析，推广到多中继节点的模型下，同时还在编码协同中提出机会协同策略，即在源节点和目的节点之间存在多个中继节点时，通过机会协同选出一个最优的中继节点转发数据，这样既可解决多中继节点协同时频谱效率低的问题，同时又可以降低中断概率，保证了传输的可靠性。

因此我们在这里提出了机会编码协同这一概念，就是指将编码协同应用到多中继节点的模型中，从这些中继节点中选出一个最好的作为协同节点进行协同传输。本文还对多中继节点下编码协同的中断性能进行了分析，通过仿真给出中断概率的分析结果。

1 系统描述

1.1 系统模型

图1 系统基本模型

源节点对比特信息进行Turbo 编码，形成N 比特数据，将这个数据分成两部分，即信息位加一路校验位(N1)和另一路校验位N2(N1+N2=N)。第一个时隙，源节点广播N1个比特数据，目的节点和中继节点接收到信号的表达式如下所示:

第二个时隙，中继节点译出源发的信息并对其进行重新编码，形成另外N2个比特并转发，目的节点接收到信号的表达式为:

若第一个时隙中没有中继节点能够正确译码，则第二个时隙由源节点发送那个N2比特数据，目的节点接收到信号的表达式为:

以上式子中，下标sd、sri和rid 分别代表源节点到目的节点、源节点到第i个节点和第i个节点到目的节点的传输;zt(n)代表在接收端的高斯白噪声，其双边带功率谱密度为N0，P1和P2分别代表源节点和中继节点在第一和第二时隙的发射功率，进一步假设两个时隙的总发射功率一定，为Pt=P1+P2。

1.2 传输协议

在本文我们将编码协同应用到无线准静态瑞利衰落信道的环境中，即信道系数在一帧的时间间隔内是保持不变的。我们所采用的Turbo 编码器主要是由两个递归系统卷积码(RSC)做子码，如图2所示一个完整的数据N是在两个连续的时隙中发送的，在第一个时隙中发送一路数据位和一路校验位(N1)，源节点将这N1个数据广播出去，然后多个中继节点和目的节点去接受;第二个时隙，在那些正确接收到数据的中继节点中选出一个最优的节点进行译码转发剩余的那N2个数据，最后目的节点将这两路信号进行合并用Turbo 迭代译码得出源信息。如若在第一个时隙中由于信道条件特别恶劣导致没有一个中继节点能够正确译码，在这种情况下第二个时隙由源节点发送那N2个数据。

从多个能正确译码的中继节点选择一个最优节点，我们假设在信号发送前通过一定的方法获得了此时信道的状况，即假定知道信道幅值的情况下来选择最优的协同节点，在所有可译码的中继节点中，选取到目的节点信道幅度值|hrd|最大的中继节点协同传输，可以使目的节点中断概率最小，这一点我们可以在下面的部分得到证明。

图2 在机会编码协同中的Turbo 编码

至于目的节点如何利用第一个时隙和第二个时隙传输的信号进行迭代译码，在这里我们就不作详细的说明了，有兴趣的读者可以参看文献［5］。下面我们将对编码协同的中断性能进行分析。

2 中断性能分析

编码协同中，第一个时隙第i个中继节点发生中断的概率为:

从而，到机会编码协同下的中断概率可以计算为:

在给定可译码集D(s)的条件下，利用Pr［Isdf＜R|D(s)］与Pr{Isdf＜R}的等价［9］，可进一步得到机会编码协同的总中断概率为:

3 仿真分析

从图3 给出的三种不同的传输协议下中断性能的比较，可以看出，固定协同节点的编码协同在目的端获得了空间分集增益，其性能要好过直接传输;机会编码协同通过在编码协同中引入机会协同的思想，可以选出性能更好的中继节点进行协同传输，可进一步降低系统中断概率。

图3 三种不同的传输协议下对其中断性能进行比较

图4 不同的协同节点数下的机会编码协同中断概率比较

图4 给出了不同的协同节点数下的机会编码协同中断概率比较。可以看出，随着协同节点数的增加，可译码集D(s)也在增大(即可供选择的协同节点的个数变大了)，系统的中断概率随之下降。

4 总结

本文将Turbo 编码与机会协同应用到编码协同中，得到了一种基于Turbo 码的机会编码协同的策略。由于Turbo 码优良的性能，该策略可极大地提高系统抗衰落性能;而机会协同的引入，既可提高传输的有效性，又可提高传输的可靠性。文中还在瑞利衰落信道下推出了系统中断概率的表达式，通过计算机仿真结果进一步说明了机会编码协同相对于传统编码协同的性能优势。

［1］J.Nicholas Laneman，David N.C.Tse，W.W.Gregory.Cooperative Diversity in Wireless Networks:Efficient Protocols and Outage Behavior［J］.IEEE Transactions on Information Theory，2004，50(12):3062－3080.

［2］Todd.E.Hunter，Aria.Nosratinia.Cooperation Diversity Through Coding，In Proc.Asilomar Conf.Signals，Syst.，Comput.，2002.

［3］徐友云.Turbo 编译码原理与应用［J］.南京:解放军理工大学通信工程学院，2007:110－135.

［4］C.Berrou，A.Glavieux.Near Optimum Error Correcting Coding and Decoding:Turbo codes［J］.IEEE Trans.Commun，1996，44(10):1261－1271.

［5］Joachim H，Elke O，Lutz P.Iterative Decoding of Binary Block and Convolutional Codes［J］.IEEE Transactions on Information Theory，1996，42(2):429－445.

［6］Mohammad Janani，Ahmadreza Hedayat，Todd.E.Hunter and Aria.Nosratinia.Coded Cooperation in Wireless Communications:Space-Time Transmission and Iterative Decoding［J］.IEEE Transations on Signal Processing，2004，52(2):362－370.

［7］张勇.无线多中继网络中的机会协同技术研究［D］.博士论文.南京:解放军理工大学，2008.

［8］Todd.E.Hunter，Shahab Sanayei，Aria.Nosratinia.Outage Analysis of Coded Cooperation［J］.IEEE Transactions on Information Theory，2006，52(2):375－391.

［9］Y.Guo，G.Kang，N.Zhang，W.Zhou and P.Zhang.Outrage Performance of Relay-assisted Cognitive-radio System Under Spectrum-sharing Constraints［J］.Electronics Letters，2010，46(2).