浅谈协作通信中的转发策略

袁 博

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

浅谈协作通信中的转发策略

袁 博

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

多径衰落是制约无线通信发展的重要因素，协作通信技术是一种可以抑制多径衰落的空间分集方法，协作通信中的基本中继策略包括放大转发（AAF）解码转发（DAF）。本文简要介绍了协作通信的有关概念，并对两种常见的协作通信策略进行理论分析和性能仿真。

协作通信；放大转发；解码转发

1 引言

随着无线通信的发展，人们对无线传输的数据率和服务质量的要求不断提高。无线信道的衰落特性阻碍了信道容量增加和服务质量改善。抑制衰落的方法有很多，其中，采用编码策略在减少信道衰落对性能影响的同时，带来了有效数据率的损失和额外的时间延迟，而提高发送功率同时也会加剧对无线网络中各节点的干扰。对比而言空间分集技术，是抑制信道衰落的一种简便有效的方法。

空间分集指将相同的数据在相互独立的路径上发送，由于路径彼此独立，在同一时刻经历深度衰落的概率很小。因此，接收侧通过一定方法将信号合并，信号的衰减程度就会被显著减小。多输入多输出（MIMO）系统是一种典型的空间分集技术，但受到多天线体积的限制，不易在移动通信设备上实现。由MIMO技术衍生的协作通信技术通过单天线节点间共享彼此天线，建立模拟的MIMO系统。因此，协作通信技术可以有效减少信号的衰减程度，成为下一代无线通信技术研究的重要研究领域。本文着眼于协作通信中相关策略，通过仿真进行简要分析。

2 协作通信概述

协作通信即在通信环境为多用户情况下，网络中的各个用户节点彼此之间共享自己的天线作为其他临近用户的中继节点，按照一定的规则接收、转发、处理信息。多个用户协同工作，互相帮助，从而形成虚拟的多天线系统并获得空间的分集增益，提高通信系统的性能。协作通信技术是应用在无线信道中的一种新型的传输技术，它是建立在传统的分集与接收系统之上，同时结合中继信道的模式，形成的一种传输模式。

三节点的中继模型是中继系统的基本模型，经典的三节点中继信道模型如图1所示。

图1 经典的三节点中继信道模型

通常协作通信包括两阶段的工作过程：广播阶段和协作阶段。在广播阶段，源节点广播要发送的数据，向各个节点广播的数据信息序列是一致的，中继节点和目的节点都可以接收到源节点发送的数据。中继节点接收到信息之后将信息按照一定的方式处理，而目的节点保存接收到源节点发送的数据。在协作阶段，中继节点把处理好的信息向目的节点转发。目的节点通过不同路径接收到多路信息，按照一定的合并方式进行信息合并，再解调出原始信息。由于源节点到目的节点的信道和中继节点到目的节点的信道相互独立，因此获得空间分集增益并提高系统性能。

3 协作通信技术

本节将介绍在两种常见的协作通信策略，并进行理论分析和性能仿真。

3.1 放大转发

在应用放大转发策略的时候，中继节点只对接收到的原始信号进行放大处理并转发，并不解码再编码，目的节点接收信号。在这个过程中，中继节点接收到的信号并不只是原始信号，还掺杂着信道中的噪声，所以噪声连同信息一同被中继节点放大并转发。目的节点接收到来自源节点和中继节点两路历经不同衰落信道的信号，并对其采用某种合并方式合并，最后通过判决得到信号。

在放大转发策略下，目的端采用最大比合并，假设源端发送的信号为X，传输功率为PSR，中继接收的信号为YSR，信号XR从中继传输的功率为PRD，高斯白噪声nR方差σD2，目的端接收到的信号YD高斯白噪声nD，方差σD2。

在广播阶段，中继端和目的端接收到的信号可以表示为

在协作阶段，中继已放大参数β放大接收的信号，从中继端发出的信号可以表示为

放大参数β可以由下述公式得到

目的端接收到的信号可由下式而得

解调中，等效信道为hRDβhSR，等效噪声为hRDβnR+nD。

在目的端，广播和协作阶段目的端接收到的不同信号YD经过最大比合并，放大转发的信道容量可表示为

由上述公式可以得知，信道容量与源节点到中继节点中的信道无关。所以，放大转发较适用于源节点到中继节点通信信道差的情况。在放大转发模式中，中继端不解调解码信号，因此降低了系统的复杂性。然而如果输入信号的幅度较大，中继端会产生功率浪费的情况。另外，因为中继端在放大信号的同时也放大了噪声，影响系统的表现，限制了放大转发在无线通信系统中的应用。

3.2 解码转发

解码转发不同于放大转发，中继节点将信息解码，再重新编码发送给目的节点。目的节点采用某种合并方式，将两路经独立衰落的信号进行合并。三节点中继模型中，解码转发策略与放大转发一样可以获得二阶的分集增益，但是在高信噪比情况下性能更好，误码率更低。

在解码转发策略下，广播阶段源节点将信号发送给中继节点和目的节点，目的节点并不解码，中继节点也未将信号转发给目的节点。因此，在广播阶段的信道容量可以表示为

在多径访问阶段，中继端将信号转发到目的端，信道容量变为

对于整个解码转发系统，等效信道容量可以表示为

由上述公式可得，与放大转发不同，中继信道的情况会影响解码转发系统表现。源节点到中继节点的信道情况对解码转发策略非常重要，它会影响中继端解码的准确度，一旦中继端不能正确解码，错误扩散会影响系统表现。

3.3 仿真

本文的仿真基于C++环境及IT++ library。对于两种转发模式的性能仿真在瑞利快衰落信道下进行，信道编码采用Turbo码，8PSK调制方式，基站采用最大比合并方式合并。三条信道的衰落情况相互独立，各个信道中噪声均为高斯白噪声，中继位置位于源和目的端1/2处。并与相同条件下的用户与基站之间直接传输时的情况进行误码率比较，得到三种方式的误码率曲线如图2所示。

图2 三种方式的误码率曲线

从图2可以看出，采用放大转发和解码转发策略均可以获得更好的性能。在BER=10-4，对比直接传输，解码转发存在5dB改善，而放大转发为4dB。

4 结束语

本文从理论和仿真两方面验证协作通信技术对于无线通信的性能改善，主要分析了放大转发策略，解码转发策略。

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Discussion of Forwarding Techniques For Cooperative Communications

Yuan Bo
(The State Radio Monitoring Center Testing Center, Beijing, 100041)

Multipath fading restricts the development of wireless communication. Cooperative communications technologies obtain the space diversity gain, which decrease the issue of fading. The basic definitions of cooperative communication are given in this paper. And two typical relay cooperative communication protocols are introduced and simulated, including Amplify and Forward(AAF), Decode and Forward(DAF).

Cooperative Communications; AAF; DAF

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.08.003

TN92

A

1672-7274（2015）08-0009-03