协作通信技术在恶劣信道条件下的应用研究

王 翠，唐加山

(南京邮电大学a.通信与信息工程学院;b.数理学院，江苏 南京 210003)

责任编辑:薛 京

在无线通信系统中，信道衰落对数据传输速率和质量具有重要的影响，而分集技术是一种对抗衰落的有效手段，如MIMO技术，通过在发射端和接收端放置多根天线形成多个独立发/收信道达到空间分集的目的。但是由于终端设备的尺寸、硬件性能等因素的限制，无线终端设备不一定能支持多天线装置，协作分集是一种将空间分集与协作通信相结合的分集技术，通过多个单天线用户共享天线，实现虚拟的多天线传输，获得空间分集，以此来提高系统传输性能［1］。

低密度奇偶校验［2］(Low－Density Parity－Check，LDPC)码作为一种能够逼近香农限的线性分组码，具有优异的差错校验特性，非规则(irregular)LDPC码比规则LDPC码具有更高的性能［3］，更接近信道容量。相比Turbo码，LDPC码具有译码时延小、译码复杂度低等优点，成为近年来研究协作编码方案的热点［4－5］。

根据中继节点对信号处理方式的不同，一般将协作转发方式分为放大转发(AF)、译码转发(DF)和编码协作(CC)三种［6］。放大转发方式对接收到的信号进行简单的放大，处理简单，但是放大信号的同时也将噪声放大了;译码转发方式则将接收到的信号进行译码，然后再重新编码后转发，可以提高通信的可靠性，但是当译码中有错时也会将错误传播出去;编码协作方式是对接收到的信号进行译码，当译码正确时，进行重新编码，然后只将编码的冗余信息转发给目的节点，当译码不正确时，将转为非协作方式。根据不同的信道条件，选择不同的通信方式，可以将系统的性能整体提高［7－10］。

目前大多数研究都是建立在大信噪比条件下，文献［11］研究了LDPC码的BPSK调制编码协作方法，证明了在衰落信道条件下可以获得一定的分集增益，但系统的频谱资源利用率不高，文献［12］提出了一种在8PSK调制方式下的协作方法，相比BPSK调制，编码协作系统提高了系统频谱资源利用率，但是当信道条件较差时，当第一时隙不能正确传输数据的情况下，将会变为非协作方案，此时将不能获得分集增益，本文对此进行改进，采用混和通信方式，提出一种在信道状态较差的条件下采用QPSK调制技术的协作方案，并进行了相应的理论分析和仿真。本文的研究对于信道状况较差的环境下实现协作通信具有现实意义。

1 混合编码协作方案

本文所采用的混合协作编码系统模型如图1所示，假设中继节点接收到信息后，可以反馈给其他节点是否接收正确，当源节点向目的节点传输数据时，先将长度为K的码字经过码率为R的LDPC编码后生成长度为N的码字发送给目的节点和中继节点，N=K/R，然后中继节点将接收到的信息进行译码。

图1 混和编码协作模型

协作方法过程描述如下:

1)如果中继节点对接收到的信息能够正确译码，将反馈给源节点一个译码成功的确认信号ACKY，此时中继节点从译出的码字中提取出信息比特，并将其进行重新编码，然后将重新编码后生成的校验比特经QPSK调制发送给目的节点，完成编码协作。

2)如果中继节点不能对源节点第一时隙传来的数据进行正确译码，那么中继节点将返回给源节点一个不能正确译码的信号ACKN，同时存储第一时隙传来数据帧，而源节点收到确认回复信号后将信号编码重传给中继用户，如果正确译码，将重复步骤1)，如果不能正确译码，将结合上一次存储的数据进行最大比合并译码，如果还不能正确译码，将执行步骤3)。

3)中继节点将两次接收到的数据进行软判决，对数据进行放大转发，此时协作模式转为放大转发模式，可以避免因信道状况差使编码协作变成非协作，而不能得到协作增益。

在第1阶段，中继节点R和目的节点D接收到的信息为

在第2阶段，中继节点采用编码协作和放大转发方式时，目的节点接收到的信息分别为

式中:信道衰落系数HSR，HSD，HRD是均值为0、方差为的复高斯变量;信道的加性噪声nSR，nSD，nRD服从均值为0、方差为N0的高斯分布;X表示源节点发送的信息;X～表示中继节点采用编码协作方式时，重新编码后转发的信息;β表示中继节点采用放大转发方式时的放大增益。目的节点将收到的两次数据进行合并后联合译码，传送的数据及合并后的数据如图2所示。

图2 两个时隙传输的数据及目的节点合并数据

根据文献［13－14］的研究表明，在慢衰落信道下，采用BPSK调制的两用户编码协作可以获得完全的二阶分集增益。文献［15］表明，在准静态瑞利衰落信道下，成对错误概率公式表明采用高阶星座调制的编码协作方案仍然可以获得二阶完全分集增益。编码协作系统的误码率为

式中:ESR表示第一时隙源节点到协作节点传送数据的误码率;ESD表示第一时隙源节点到目的节点传送数据的误码率;ESR，SD表示协作时目的节点收到源节点和协作节点传送的数据的误码率。由式(5)可以看出，第一时隙的误码率越低，中继节点接收的数据译码正确率越高，系统编码协作的概率越大，这样就能获得更多的空间分集，但是数据的误码率与传输信道状态和编码的码率有关，而码率也直接影响到编码协作的系数，即

式中:α为系统第二时隙传输的冗余信息的长度N2与两次时隙传输信息总长度N的比值。

当信道状态不好时，可以通过增加数据冗余信息来提高协作系统第一时隙传送的数据译码的准确率，由式(6)可以看出，R1越小，N1越大，此时对应的协作系数将越小，因此协作系数小的编码方案反而性能越好。而当第一时隙传输的数据不能正确译码时，协作系统变为译码放大转发模式，根据文献［16］表明，在相同的条件和处理方式下，AF与DF具有相同的分集增益，因此当信道状况较差时仍可以获得协作分集增益，这样通过对第一时隙和第二时隙的处理，可以使协作系统实现在信道条件较差的条件下的协作通信。

2 性能分析与仿真

针对以上所提出的协作方案，选择如下仿真条件，各节点之间的信道为对称瑞利衰落信道，信噪比相同，信道衰落系数在一个码字长度时间内保持不变，信息块长度L=5 000，母码率为1/2，编码协作系数为0.5，调制方式为QPSK，LDPC译码采用LLR－BP译码，在接收端采用联合译码对信号进行处理。

图3和图4所示为源节点发送信号到达中继结点的信噪比为1 dB和15 dB时，非协作编码方案和普通编码协作及本文所提出的编码方案的误码率的比较，从图中可以看出，随着用户间信噪比的增加，误码率逐渐减小，当信噪比为1 dB、误码率为10－2时，本文所提出的编码协作方案比普通编码协作方式能获得2 dB的增益，而信噪比为15 dB、误码率为10－3时，本文所提出的协作方式比普通编码协作获得1 dB的增益。与非协作和普通编码协作相比，本文提出的中继混合传输协作方案可获得明显的性能改善。

图3 源节点到中继节点的信噪比为1 dB性能分析

3 结束语

图4 源节点到中继节点的信噪比为15 dB性能分析

本文针对编码协作系统在信道状况较差时不能实现协作通信的情况，提出一种新的适用于信道状况较差的情况下仍能有效实现协作通信的方式。通过仿真表明，本文所提方法不仅能提高系统频谱资源利用率，而且在信道状况较差的情况下仍能实现协作通信，获得分集增益。

［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.混合转发协作通信的功率分配方案［J］.电视技术，2012，36(15):94－96.

［10］刘焕兵，严晓兰，姜晖，等.LDPC编码的自适应放大转发协作通信方案［J］.电视技术，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，袁超伟，田心记.采用LDPC码的8PSK调制编码协作方法［J］.西安电子科技大学学报:自然科学版，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］宫丰奎，韩春雷，王勇，等.慢衰落信道下高阶调制编码协作方案及性能分析［J］.西安电子科技大学学报，2008，35(4):555－569.

［16］刘威鑫，张忠培，李少谦，等.协同分集下AF与DF比较［J］.电子科技大学学报，2007，36(5):911－914.