多源分布式协作空时网络编码系统的设计

张竹青，金小萍，玉赛波，任荣凯，韩新强，裘佩佩

中国计量学院信息工程学院，杭州 310018

多源分布式协作空时网络编码系统的设计

张竹青，金小萍，玉赛波，任荣凯，韩新强，裘佩佩

中国计量学院信息工程学院，杭州 310018

1 引言

分布式协作通信模型[1]常与空时分组码相结合构成，进一步提高了系统性能和分集增益，分布式协作系统每次传输时不再局限于单个信号，如与Alamouti编码的结合，每次信源传输信号时包含有2个符号，目的节点传送到信源接收的信号后，依靠于分布式空时码实现信号的最大比较合并，能够获得满分集增益。目前，在分布式协作系统中，最基本的传输方案是传统路由（Traditional Routing，TR）方案，中继仅用于转发信号，且在每个时隙转发单个信号。此外，传统协作空时编码（Traditional Cooperation Space Time Coding，TCSTC）方案[1]，该方案基于空时编码（STC）技术，中继仅译码和转发信号，同样地，每个时隙中继仅处理单个信号，但这种方式限制了网络吞吐量，降低了传输效率。

为提高传输效率，增加网络吞吐量[2]，网络编码技术[3]被应用于分布式协作网络中。目前，协作空时网络编码方案[4-5]将具有高吞吐量的网络编码技术和协作[6]、空时编码技术相结合，不仅能实现中继节点上信号的合并[3]，同时也实现了分布式STC设计[4，8]，相比较传统的协作通信方式，性能和传输效率上都得到了很大的提升。然而，上述的方案均利用分布式协作系统中的多个中继节点设计分布式空时网络编码方案[9]，每个中继节点均需要接收多个信源传输的信号，使用多中继方案增加了系统设计的复杂度，同时也增加了整个系统的功率消耗。为了进一步优化上述方案，降低系统设计的复杂度，本文结合多信源分布式协作网络[10]，将中继节点单独作为一个基站，并设多个独立的天线，在此基础上提出一种基于中继译码的协作空时网络编码（Cooperative Space-time Network Coding，CSTNC）方案。该方案要求中继采用DF协议，并利用网络编码中节点的编码特性，在中继处对译码后的多个信号进行合并，并按照中继多天线数量进行STC的设计，以获得接收端较高的性能提升。相比TR，该方案节省中继数量，扩展了STC设计，能进一步提高性能和网络吞吐量。相比传统空时编码协作方案，该方案能够降低通信过程中传输时隙，提高传输效率。因此，CSTNC方案设计合理，易于实现，并能有效提高传输效率，是一种性能优良的无线传输方案。

2 系统模型

2.1 信源传输阶段

此阶段源节点发送T个时刻内的信号，中继和目的节点接收。t时刻，N个源节点发送信号表示为s(t)= [s1(t)s2(t)…sN(t)]T，T个时隙内表示为S=[s(1)s(2)…s(T)]。目的节点接收信号可以表示为：

2.2 中继广播阶段

此阶段中继完成接收信号的译码，信号分组，网络编码，STC设计。对式（2）中接收信号进行译码，本文采用一种基于QR分解的ML译码方式。对于式（2），对Hsr进行QR分解，即Hsr=QR，其中Q为nt×N的酉矩阵，R为N×nt的正定上三角矩阵。对于ML的判决度量：

图1 空时网络编码方案系统框图

接着中继实现空时网络编码，由于中继具有nt(nt≥2)个天线，为了依靠固定的天线数实现译码信号的分组处理，定义T=k×nt(k=1,2,…为整数），将T个时隙的估计信号分为nt组，每组包含有k个时隙的信号。

经过上述编码方式，将T个时隙接收到的列向量合并为nt个网络编码合并信号。针对nt个天线数对nt个符号进行STC设计，本文设计中，为了能体现多分集，将天线两个分一组，并利用基本的Alamouti编码的设计方式，对式（6）的信号进行STC的设计如下：

编码后的信号经过nt个天线发送出去，共需要nt个发送时隙。

2.3 接收端信号处理阶段

2.3.1 直传情况下接收端译码

直传情况对应无中继参与的情况，目的节点直接对接收到信源的信号进行译码，对于公式（1），ML译码的度量表达式为：

目的节点接收信息可以表示为：

2.3.2 空时网络编码方案接收端译码

对于本文CSTNC方案，目的节点不仅接收源节点直接传输的信号，也接收中继节点经空时网络编码后传输的信号，本方案中，目的节点联合来自于两路不同路径的接收信号，进行接收端译码。

因此，结合公式（1）和公式（7），ML译码度量表达式可以表示为：

3 仿真结果分析

本章主要对信源数N不同时方案的误码率进行仿真。设定了不同的方式进行仿真，具体情况如表1。调制方式采用QPSK方式。

表1 信源数与中继天线数不同时CSTNC传输方式

3.1 误码率性能分析

图2所示为信源数N=2和N=4时，中继天线数量nt不同时，直传方案与本文提出CSTNC方案的误码率性能仿真。可以看出，当信噪比SNR为20 dB时，信源数N=2时，直传方案、CSTNC（方式1）、CSTNC（方式2）三种方案的BER分别是0.023 662，0.002 72，1.85E－4。因此可以得出，CSTNC方案性能比直传方案要好很多，且随着中继天线数量的增加，性能得到很大的提升。当信源数N=4时，直传方案、CSTNC（方式3）、CSTNC（方式4）三种方案BER分别是0.065 64，0.011，6.575E－4，相比较信源数N=2的情况，性能有所下降，这是由于同时传输的数量增多，使得编码增益下降而导致的。因此，CSTNC方案能获得优良的性能，且随着中继天线数的增加，能提高接收端分集增益获得更好的性能。

图2 直传方案与CSTNC方案BER性能曲线

图3所示为信源数N=2时，提出的CSTNC方案与未采用网络编码的TCSTC方案的性能比较曲线，传输方式采用表1的方式1和方式2。TCSTC方案中继处不使用网络编码合并接收信号，直接对译码信号进行空时编码，然后转发，虽性能优于本文提出方案，但这种方案在传输过程中浪费了时隙资源，传输效率较低。从性能分析图中可看出，CSTNC方案在性能上接近TCSTC，在性能与传输效率上可获得一个较好的折中，提出方案的传输效率分析可见下文。

图3 CSTNC方案与传统空时编码协作TCSTC方案性能比较

3.2 系统传输效率分析

为了能突出提出的CSTNC方案在传输效率上的优势，表2比较了传统路由（TR）方案、传统空时编码协作（TCSTC）方案和本文CSTNC方案的传输时隙数和传输效率。如果用num_sym表示T时隙内源节点发送的信号数，用num_total表示完成一次传输所需要的时隙数，则传输效率可表示为：

表2所示，对不同的源节点数量N和不同的源节点传输时隙宽度T，三种方案均有所不同。若N和T相同时，要完成一次通信过程，TR方案所需时隙最多，本文提出的CSTNC方案传输时隙最少，且具有最大的传输效率。例如，表2所示N=4，nt=4，T=4，信源总共发送16个信号，对于TR、TCSTC、CSTNC三种方案，完成通信过程需要时隙数分别为32、20、8，对应于传输效率0.5 sym/TS、0.8 sym/TS、2 sym/TS。

表2 三种传输方案的传输时隙与传输效率比较

因此，可以看出本文提出的方案在传输信号相同的时候具有最小的传输时隙数和最高的传输效率，同时也可以得出随着N和T的进一步增加，提出方案在节省整个系统传输时隙与提高传输效率上将具有更加明显的优势。

4 总结

本文针对多信源分布式协作网络系统，结合网络编码，协作分集，STC等提出了一种新的CSTNC方案。该方案仅需要单个基站作为中继进行信号处理，通过中继对接收信号的网络编码与STC设计，不仅提高了整个网络的吞吐量，而且减少了系统设计的复杂度，同时节省了多个节点的功率开销，相比较多中继网络具有明显的优势。仿真结果验证了本文提出的方案性能较好，接近传统空时编码协作方案。同时，对比了提出方案与传统路由方案和传统分布式空时编码协作方案，证明了该方案能有效提高传输效率。可见CSTNC方案是一种易于实现，性能良好的无线数据传输方式。

[1]Jing Y，Hassibi B.Cooperative diversity in wireless relay networks with multiple-antenna nodes[C]//Proceeding of InternationalSymposiumonInformationTheory.Adelaide，Australia：IEEE，2005：815-819.

[2]Joda R，Lahouti F.Network code design for orthogonal twohop network with broadcasting relay：a joint source channel network coding approach[J].IEEE Transactions on Communications，2011，60（1）：132-142.

[3]Mohammeda A H，Dai B，Huang B X，et al.A survey and tutorial of wirelessrelaynetworkprotocolsbasedon network coding[J].Journal of Network and Computer Applications，2013，36（2）：593-610.

[4]Lai H Q，Liu K J R.Multipoint-to-point and point-to-multipointspace-timenetworkcoding[C]//IEEEInternational Conference on Acoustics Speech and Signal Processing. Dallas，Texas，USA：IEEE，2010：2878-2881.

[5]Lai H Q，Liu K J R.Space-time network coding[J].IEEE Transactions on Signal Processing，2011，59（4）：1706-1718.

[6]Sharma S，Shi Y，Liu Jia，et al.Network coding in cooperative communications：friend or foe?[J].IEEE Transactions on Mobile Computing，2012，11（7）：1073-1084.

[7]Wang T，Giannakis G B.High-throughput cooperative communications with complex field network coding[C]//41st Annual Conference on Information Sciences and Systems. Baltimore，Maryland，USA：IEEE，2012：253-258.

[8]Gao Zhenzhen，Lai Hung-Quoc，Liu K J R.Differential cooperativecommunicationswithspace-timenetwork coding[C]//IEEE Global Telecommunications Conference. Miami，FL：IEEE，2010.

[9]Lai Hung-Quoc，Gao Zhenzhen，Liu K J R.Space-time networkcodesutilizingtransform-basedcoding[C]// IEEE Global Telecommunications Conference.Miami，FL：IEEE，2010.

[10]Nguyen H V，Xu Chao，Ng Soon Xin，et al.Non-coherent near-capacity network coding for cooperative multi-user communications[J].IEEETransactionsonCommunications，2012，60（10）：3059-3070.

[11]Wang T，Giannakis G B.Complex field network coding for multiuesre cooperative communications[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2008，26（3）：561-571.

ZHANG Zhuqing,JIN Xiaoping,YU Saibo,RENG Rongkai,HAN Xinqiang,QIU Peipei

Department of Information Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China

In order to solve the problem of traditional space-time coding cooperation scheme with higher power consumption and lower data transmission efficiency,this paper proposes a novel Cooperation Space-time Network Coding（CSTNC）scheme in cooperation networks with multiple sources and single relay.The CSTNC scheme takes advantage of multiple antennas to obtain receiving diversity,and designs space-time network coding at relay node.Then the relay transmits signals to destination node depending on the encoding matrix.The simulation results show the system performance in the cases of different numbers of sources and relay antennas.Meanwhile,the system performance and transmission efficiency between traditional space-time coding cooperation scheme and the proposed CSTNC scheme are analyzed.It demonstrates that the proposed CSTNC scheme is a high-efficiency wireless transmission mode which is easy to implement and has good performance.

Multi-resources Distributed Cooperative Network;space-time network code;time slot;transmission efficiency

为改善传统空时编码协作方案中节点功率消耗过高和传输效率较低的问题，在多信源、单中继协作网络中提出一种新的空时网络编码方案。该方案利用中继节点的多天线优势实现接收分集，并在中继节点设计空时网络编码，再按照编码矩阵特点转发信号到目的节点。仿真验证了信源数、中继天线数不同时的系统性能，并分析了传统空时编码协作方案与提出方案的性能差距和传输效率，得出该方案是一种易于实现，性能良好的高效无线数据传输方式的结论。

多源分布式协作网络；空时网络编码；时隙；传输效率

A

TN914

10.3778/j.issn.1002-8331.1311-0256

ZHANG Zhuqing,JIN Xiaoping,YU Saibo,et al.Design of multi-resources distributed cooperative space-time network code system.Computer Engineering and Applications,2014,50（22）：207-210.

浙江省大学生科研创新团队资助项目（No.2013R409004）；浙江省自然科学基金（No.LQ12F01010）。

张竹青（1991—），女，本科，主要研究方向为信号与信息处理；金小萍（1978—），女，副教授，主要研究方向为MIMO系统的检测技术；玉赛波（1990—），男，本科，主要研究领域为电子信息技术与通信；任荣凯（1990—），男，本科，主要研究方向为电子信息技术与通信；韩新强（1989—），男，研究生，主要研究信号与信息处理；裘佩佩（1990—），女，研究生，主要研究方向为信号与信息处理。E-mail：jxp1023@cjlu.edu.cn

2013-11-18

2013-12-26

1002-8331（2014）22-0207-04

CNKI网络优先出版：2014-01-23,http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3778/j.issn.1002-8331.1311-0256.html