基于链路自适应再生的改进编码协作方案*

张 望，刘顺兰

（杭州电子科技大学，浙江 杭州 310018）

0 引 言

无线信号传播过程中会受到信道中各种干扰因素的影响而易发生畸变，导致接收端无法正确识别信息。多输入多输出技术（MIMO）[1-2]的发展则有效解决了这个问题，通过在发送端或接收端布置多条收发天线来抑制信道衰落，使得各信号通过独立的信道抵达接收端，从而获得空间分集增益。而现实通信网络中，由于移动终端的不固定性，考虑到成本、技术等各方面原因，实现其多天线安装十分困难。因此，协作通信技术应运而生[3-4]。各用户端通过共享彼此单天线达到类似MIMO的效果，实现了分集效益。目前，常用协作转发包括放大转发（AF）[5]，译码转发（DF）[5]以及编码协作（CC）[6]方式等等。文献[7]提出了链路自适应再生（LAR）方案，通过比较中继两端信道质量的优劣调整中继转发信号功率，从而有效弥补AF协议放大噪声和DF协议译码错误导致误码扩散的不足。而CC协议是信道编码技术与协作通信技术相结合的产物。大量研究证明，CC方式较AF、DF等转发协议优势明显。由于AF、DF协议都存在重复传输的缺陷，导致系统信道利用率较低，而CC方式可有效避免此缺陷。CC方案虽优于AF、DF等转发协议，但其仍然存在一定的缺陷。当协作伙伴无法正确译码信息时，协作伙伴不参与协作转发，这对信道质量可观的CC系统是一种资源浪费。

为此，本文提出将LAR协议引入到CC系统，称之为LAR-CC方案。该方案通过调整协作伙伴转发功率，无需校验译码是否正确。当协作伙伴之间的链路质量优于协作伙伴至目的端的信道质量时，协作伙伴全功率转发信息；反之，则以较小的功率转发信息。

1 基本原理

如图1所示，CC系统中包括2个用户和1个基站。其中，2个用户互为协作伙伴，而信道编码采用LDPC码。下面分析CC系统的协作流程。

以用户1作为发送端，用户2作为中继端进行分析。设编码总码率为R=R1R2，码长为N，信息位长度为K=RN。首先，用户1根据码率R1对所要发送的数据信息进行第一次编码。编码完成时，数据长度为N1，并在第一时隙将编码后的数据发送给基站和用户2。用户2接收到数据信息后进行译码，如果译码正确，则根据码率R2对接收到的数据进行二次编码。此时，编码后的数据长度为N=N1+N2，然后将N2=N-N1的校验位信息在第二时隙发送给基站。此时，基站接收到了来自用户1发送的长度为N1的数据信息和用户2发送的长度为N2的校验位信息。通过这个过程完成用户1的编码协作。同理，对用户2也做同样处理。

对于协作伙伴能否正确译码接收对方的信息，可分为以下4种情况：

情况1：用户1和用户2均能正确译码对方信息，第二时隙发送对方校验位信息。此时，系统为完全协作状态。

情况2：用户1和用户2均未能正确译码对方信息，第二时隙均发送自己的校验位信息。此时，系统为完全不协作状态。

情况3：用户1正确译码而用户2未能正确译码，第二时隙两用户均发送用户2的校验位信息。此时，系统为不完全协作状态。

情况4：用户2正确译码而用户1未能正确译码，第二时隙两用户均发送用户1的校验位信息。此时，系统为不完全协作状态。

用户端编码流程及基站译码流程分别如图2、图3所示。

2 链路自适应再生编码协作（LAR-CC）改进方案

LAR-CC基本原理。以用户1为例，设用户1为源节点S，用户2为中继R，基站为目的节点D。第一时隙，源节点S广播信息至中继R和目的节点D。此过程与AF、DF协议第一时隙相同，中继R接收信息并译码，无需校验译码正确与否。在第二时隙，将译码信息编码、调制后的信息x^发送至目的节点D，此时目的节点D接收到的信息为：

其中，λ表示用户2作为中继R的功率加权系数，S-R、S-D、R-D各链路均为瑞利平坦衰落信道，且各信道系数均服从均值为0、方差分别为的复高斯分布，而各链路噪声均服从均值为0、方差为N0分布的加性高斯白噪声。令此时各信道链路瞬时信噪比和平均信噪比可分别表示为：

在无线衰落信道中，瞬时信噪比较难获得，式（4）可进一步转化为：

功率加权系数可表示为：

LAR-CC方案下的用户端编码流程如图4所示。

图4 LAR-CC方案用户端编码流程

图3 基站（目的端）译码流程

3 系统仿真与性能分析

3.1 仿真参数

各信道均为瑞利衰落信道，用户至基站的信道称为上行信道或上行链路，且衰落系数在一个码字长度时间内保持不变。系统采用BPSK调制和Mackay构造的LDPC码参与信道编码，而译码采用BP译码算法。用户1与用户2第一时隙发送编码后的码字长度为256，编码码率为0.5，基站收到的码字总长度为512。基站采用最大比合并（MRC）方式合并信号。

3.2 仿真1

分别考虑用户间信噪比（SNR）为0 dB、10 dB、20 dB的协作系统性能，用户上行链路具有相同的信噪比，仿真结果如图5所示，其中横坐标表示用户上行链路信噪比。

图5 用户间信噪比不同时的CC系统性能仿真

图5 中的4条误码率（BER）曲线分别是无协作传输和用户间信噪比分别为0 dB、10 dB、20 dB的系统BER性能仿真结果。从仿真结果可知，当用户间信噪比为20 dB、误码率为BER=10-2时，系统较两用户间信噪比为10 dB、0 dB分别有约3.5 dB、6.2 dB的信噪比增益。而当用户间信噪比为0 dB时，表示用户间信道质量非常差，协作伙伴译码正确的概率极小，故协作伙伴不参与协作转发。此时，系统误码率性能与链路直传方式相差无几。

3.3 仿真2

设用户2的上行链路信噪比恒为15 dB，用户间信噪比为20 dB，则仿真结果如图6所示。

图6 用户上行链路信噪比不同时性能仿真

从图6可知，用户1上行链路信噪比小于用户2上行链路信噪比时即小于15 dB时，用户1通过协作可获得性能提升。具体地，在BER=10-3时，大约有8 dB的分集增益。尽管用户1上行链路信噪比较用户2差，但在用户1上行链路信噪比大于9.5 dB时，用户2仍能得到性能增益。说明在CC系统中，当上行链路信噪比不相同时，上行链路信噪比大的用户能显著提高上行链路信噪比较小的用户性能，从而改善整个通信系统的性能。

3.4 仿真3

对传统CC方式与本文提出的LAR-CC方案进行仿真对比，结果如图7所示。由图7可知，高信噪比下，此方案较传统CC方案有较明显的误码率性能优势。当BER=10-4时，LAR-CC较传统CC方案有约3.5 dB的信噪比增益。

图7 LAR-CC方案与CC方案对比

4 结 语

在CC方案中，协作伙伴只有正确译码时才参与协作转发，根据这方面的不足，本文提出了LAR-CC方案，该方案将LAR协议与CC方案相结合，通过调整协作伙伴的转发功率，有效避免了DF协议的误码扩散的同时，且充分利用了协作资源。仿真实验表明，在BER=10-4时，LAR-CC方案较CC方案有约3.5 dB的信噪比增益。

[1] McNamara D P,Beach M A,Karlsson P,et al.Initial Characterization or Multiple-input Multiple-output(MIMO) Channels for Space-time Communication[C].Vehicular Technology Conference,2000:1193-1197.

[2] Larsson E,Edfors O,Tufvesson F,et al.Massive MIMO for Next Generation Wireless Systems[J].IEEE Communications Magazine,2014,52(02):186-195.

[3] Sendonaris A,Erkip E,Aazhang B.User Cooperation Diversity,Part I,System Description[J].IEEE Transactions on Communications,2003,51(11):1927-1938.

[4] Sendonaris A,Erkip E,Aazhang B.User Cooperation Diversity—Part II:Implementation Aspects and Performance Analysis[J].IEEE Transactions on Communi cations,2003,51(11):1939-1948.

[5] Laneman J N,Tse D N C,Wornell G W.Cooperative Diversity in Wireless Networks:Efficient Protocols and Outage Behavior[J].IEEE Transactions on Information Theory,2004(50):3062-3080.

[6] Hunter T E,Nosratinia A.Diversity Through Coded Cooperation[J].IEEE Transactions on Wireless Communi cations,2006,5(02):283-289.

[7] W a n g T,G i a n n a k i s G B,W a n g R.S m a r t Regenerative Relays for Link-adaptive Cooperative Communications[J].IEEE Transactions on Communicatio ns,2008,56(11):1950-1960.