沈春明， 高媛媛， 郭明喜， 張亞龍， 楊保峰

（解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，210007）

0 引言

中斷概率[1]是研究協(xié)同通信性能的兩大指標(biāo)之一。編碼協(xié)同（CC，Coded Cooperation）較放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF，Amplify-and-Forward)和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF，Decode-and-Forward)具有更加優(yōu)越的中斷概率性能[2]，因而成為業(yè)內(nèi)技術(shù)人員關(guān)注的焦點(diǎn)[3]。目前，對(duì)于多節(jié)點(diǎn)編碼協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，提高中斷概率性能的方法主要有2種。Hunter等人在協(xié)同階段采用波束賦形技術(shù)[4]，使得所有能夠正確譯碼的中繼節(jié)點(diǎn)全部同時(shí)參與冗余發(fā)送[5]，這種方法雖然可以降低中斷概率，但波束賦形技術(shù)對(duì)參與協(xié)同傳輸?shù)膯翁炀€終端而言實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和代價(jià)較大[6]。另一種研究較多的做法是通過選擇最佳的鄰近節(jié)點(diǎn)發(fā)送冗余信息，如機(jī)會(huì)中繼[7-8]通過選擇最佳節(jié)點(diǎn)作為中繼參與協(xié)同能夠取得完全的空間分集，并獲得了優(yōu)越的中斷概率性能。

在機(jī)會(huì)編碼協(xié)同中繼策略[8]的基礎(chǔ)上，提出“冗余前置”策略，即在前一幀信息的冗余比特未經(jīng)發(fā)送而目的節(jié)點(diǎn)即已正確譯碼的情況下，其協(xié)同階段時(shí)隙不再選擇最佳中繼發(fā)送對(duì)應(yīng)的冗余信息，而是由源節(jié)點(diǎn)提前將下一幀的冗余比特向目的節(jié)點(diǎn)和中繼發(fā)送一遍，此種方法提高了中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)對(duì)其后一幀信息正確譯碼的概率。

1 系統(tǒng)模型

假設(shè)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)都只有一根天線，且任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)i和j之間的信道服從瑞利平坦慢衰落，且一幀內(nèi)信道增益恒定，即hij不變，各幀之間的信道衰落相互獨(dú)立。假設(shè)各節(jié)點(diǎn)間的鏈路平均信噪比SNR相同，則鏈路瞬時(shí)信噪比

對(duì)于編碼協(xié)同系統(tǒng)，每幀長(zhǎng)為N個(gè)比特的碼字，其經(jīng)過K個(gè)比特源信息編碼形成。采用文獻(xiàn)[5]中的協(xié)同等級(jí)定義，即。將協(xié)同分為兩個(gè)階段，即第一階段傳輸N1比特，第二階段傳輸N2比特，滿足，N1比特也構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的、較N個(gè)比特所組成碼字碼率更高的碼字。

2 策略描述

若用k表示編碼后的第k幀數(shù)據(jù)，表示第k幀的第一個(gè)子幀的N1比特；表示第k幀的第二個(gè)子幀的N2比特。對(duì)任何一幀數(shù)據(jù)而言，無協(xié)同傳輸和協(xié)同傳輸均在對(duì)應(yīng)的時(shí)隙Tf內(nèi)完成，即：無協(xié)同傳輸時(shí)，第k幀數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)第k個(gè)時(shí)隙進(jìn)行傳輸；采用機(jī)會(huì)編碼協(xié)同時(shí)，第k幀數(shù)據(jù)的兩個(gè)子幀分別對(duì)應(yīng)在第k個(gè)時(shí)隙的2個(gè)子時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行傳輸,

2.1 OR+-CC策略[8]

第一階段，源節(jié)點(diǎn)利用每一幀的第一個(gè)子時(shí)隙Ts（Ts=α·Tf）內(nèi)廣播第一幀（假設(shè)第k幀）的α部分。第二階段，接收到N1的中繼嘗試譯碼，并依次向目的節(jié)點(diǎn)反饋1比特信息，告知目的節(jié)點(diǎn)。目的節(jié)點(diǎn)選擇中繼-目的節(jié)點(diǎn)信道條件最好的節(jié)點(diǎn)（包括源節(jié)點(diǎn)）作為中繼，并廣播其 ID編號(hào)。被選中繼將在余下的時(shí)隙(1-α)·Tf內(nèi)傳輸冗余比特N2部分。第三階段，目的節(jié)點(diǎn)聯(lián)合先后接收到的N1、N2部分，判斷能否正確譯碼。能，則此幀傳輸成功；否則，傳輸發(fā)生中斷。其傳輸幀結(jié)構(gòu)見圖1（c）。

2.2 APTF-OR+-CC策略

本方案與 OR+-CC的區(qū)別在于當(dāng)?shù)谝浑A段N1發(fā)送完畢后，若目的節(jié)點(diǎn)反饋1比特ACK表明能夠正確譯碼，源節(jié)點(diǎn)接收后將在第二階段發(fā)送下一幀的冗余；若目的節(jié)點(diǎn)反饋NACK，則仍將選擇最佳中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送當(dāng)前幀冗余，此時(shí)與OR+-CC相同。

根據(jù)以上描述，對(duì)于APTF-OR+-CC而言，任何一幀數(shù)據(jù)的傳輸是否發(fā)生中斷，不僅跟當(dāng)前幀的傳輸情況有關(guān)，還跟其上一幀數(shù)據(jù)的傳輸狀況有關(guān)。相鄰兩幀數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)可以分為以下四種情況，如圖1所示。

圖1 APTF-OR+-CC相鄰幀結(jié)構(gòu)

3 性能仿真及分析

本部分在Rayleigh信道條件下對(duì)APTF-OR+-CC 的中斷概率性能隨鏈路平均信噪比、目標(biāo)信息速率的變化情況進(jìn)行了仿真。為便于比較，圖中同時(shí)給出了OR+-CC策略的性能曲線。假設(shè)所有鏈路的平均信噪比相同。

圖 2給出了潛在中繼數(shù)目L為 7，目標(biāo)信息速率R為1bit/s/Hz，協(xié)同等級(jí)α為1/2時(shí)APTF-OR+-CC中斷概率性能與平均信噪比的關(guān)系曲線。由圖2可以看出，冗余前置的機(jī)會(huì)中繼選擇方案較單純的機(jī)會(huì)中繼選擇方案在中斷概率為10-3可以提高1.9 dB的信噪比增益。圖3給出了潛在中繼數(shù)目L為7，鏈路平均信噪比SNR為1 bit/s/Hz，協(xié)同等級(jí)α為1/2時(shí)APTF-OR+-CC中斷概率性能與目標(biāo)信息速率的關(guān)系曲線。圖3說明在相同的中斷概率限制條件下，APTF-OR+-CC可以接受更高的信息發(fā)送速率。

圖 2 APTF-OR+-CC中斷概率性能與鏈路平均信噪比的關(guān)系（R=1 bit/s/Hz，L=7，α=0.5）

圖 1 APTF-OR+-CC中斷概率性能與目標(biāo)信息速率的關(guān)系（SNR=5 dB，L=7，α=0.5）

中斷概率性能得到提高主要源于兩個(gè)方面：一是在相鄰兩幀數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的信道衰落相互獨(dú)立的假設(shè)下，冗余前置使得同一幀的冗余信息經(jīng)歷了兩次不同的衰落，獲得了時(shí)間分集，且先發(fā)送的冗余信息經(jīng)歷的信道條件往往較好。二是中繼節(jié)點(diǎn)也同樣得到了冗余前置的好處，提高了中繼節(jié)點(diǎn)正確譯碼的概率，進(jìn)而提高了中繼節(jié)點(diǎn)提供更好上行信道的可能性。

4 結(jié)語

根據(jù)編碼協(xié)同的傳輸特點(diǎn)提出“冗余前置”的概念，并將之應(yīng)用到機(jī)會(huì)編碼協(xié)同中繼策略中，給出基于冗余前置的機(jī)會(huì)編碼協(xié)同中繼策略。仿真結(jié)果表明，與機(jī)會(huì)編碼協(xié)同中繼策略相比，該種策略降低了協(xié)同系統(tǒng)的中斷概率。與后者相比，它所付出的代價(jià)僅僅是由目的節(jié)點(diǎn)多反饋1比特ACK或NACK信息，對(duì)終端的要求稍有提高。

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