樊靖華

(內(nèi)鄉(xiāng)縣萬基水泥有限公司，河南 南陽 474350)

在編碼協(xié)同的協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)中，用戶的碼字分成兩部分，一部分由用戶發(fā)送，另一部分由協(xié)同用戶發(fā)送，假設(shè)用戶到目的節(jié)點(diǎn)的信道與協(xié)同節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的信道是相互獨(dú)立，這樣在目的節(jié)點(diǎn)可獲得分集增益［2］。編碼協(xié)同需要兩個(gè)編碼器，Turbo 碼的特性非常符合這一需求［3-5］，將Turbo 碼與編碼協(xié)同結(jié)合，形成了基于Turbo 碼的編碼協(xié)同策略［6］。與沒有協(xié)同的Turbo 編碼系統(tǒng)相比，Turbo 編碼協(xié)同能夠提供更好的性能。

本文將文獻(xiàn)［1］，［2］，［8］，［9］等基于單中繼節(jié)點(diǎn)模型下的協(xié)同策略和分析，推廣到多中繼節(jié)點(diǎn)的模型下，同時(shí)還在編碼協(xié)同中提出機(jī)會(huì)協(xié)同策略，即在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間存在多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，通過機(jī)會(huì)協(xié)同選出一個(gè)最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，這樣既可解決多中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)同時(shí)頻譜效率低的問題，同時(shí)又可以降低中斷概率，保證了傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

因此我們?cè)谶@里提出了機(jī)會(huì)編碼協(xié)同這一概念，就是指將編碼協(xié)同應(yīng)用到多中繼節(jié)點(diǎn)的模型中，從這些中繼節(jié)點(diǎn)中選出一個(gè)最好的作為協(xié)同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同傳輸。本文還對(duì)多中繼節(jié)點(diǎn)下編碼協(xié)同的中斷性能進(jìn)行了分析，通過仿真給出中斷概率的分析結(jié)果。

1 系統(tǒng)描述

1.1 系統(tǒng)模型

圖1 系統(tǒng)基本模型

源節(jié)點(diǎn)對(duì)比特信息進(jìn)行Turbo 編碼，形成N 比特?cái)?shù)據(jù)，將這個(gè)數(shù)據(jù)分成兩部分，即信息位加一路校驗(yàn)位(N1)和另一路校驗(yàn)位N2(N1+N2=N)。第一個(gè)時(shí)隙，源節(jié)點(diǎn)廣播N1個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)，目的節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)接收到信號(hào)的表達(dá)式如下所示:

第二個(gè)時(shí)隙，中繼節(jié)點(diǎn)譯出源發(fā)的信息并對(duì)其進(jìn)行重新編碼，形成另外N2個(gè)比特并轉(zhuǎn)發(fā)，目的節(jié)點(diǎn)接收到信號(hào)的表達(dá)式為:

若第一個(gè)時(shí)隙中沒有中繼節(jié)點(diǎn)能夠正確譯碼，則第二個(gè)時(shí)隙由源節(jié)點(diǎn)發(fā)送那個(gè)N2比特?cái)?shù)據(jù)，目的節(jié)點(diǎn)接收到信號(hào)的表達(dá)式為:

以上式子中，下標(biāo)sd、sri和rid 分別代表源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)到第i個(gè)節(jié)點(diǎn)和第i個(gè)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸;zt(n)代表在接收端的高斯白噪聲，其雙邊帶功率譜密度為N0，P1和P2分別代表源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)在第一和第二時(shí)隙的發(fā)射功率，進(jìn)一步假設(shè)兩個(gè)時(shí)隙的總發(fā)射功率一定，為Pt=P1+P2。

1.2 傳輸協(xié)議

在本文我們將編碼協(xié)同應(yīng)用到無線準(zhǔn)靜態(tài)瑞利衰落信道的環(huán)境中，即信道系數(shù)在一幀的時(shí)間間隔內(nèi)是保持不變的。我們所采用的Turbo 編碼器主要是由兩個(gè)遞歸系統(tǒng)卷積碼(RSC)做子碼，如圖2所示一個(gè)完整的數(shù)據(jù)N是在兩個(gè)連續(xù)的時(shí)隙中發(fā)送的，在第一個(gè)時(shí)隙中發(fā)送一路數(shù)據(jù)位和一路校驗(yàn)位(N1)，源節(jié)點(diǎn)將這N1個(gè)數(shù)據(jù)廣播出去，然后多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)去接受;第二個(gè)時(shí)隙，在那些正確接收到數(shù)據(jù)的中繼節(jié)點(diǎn)中選出一個(gè)最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行譯碼轉(zhuǎn)發(fā)剩余的那N2個(gè)數(shù)據(jù)，最后目的節(jié)點(diǎn)將這兩路信號(hào)進(jìn)行合并用Turbo 迭代譯碼得出源信息。如若在第一個(gè)時(shí)隙中由于信道條件特別惡劣導(dǎo)致沒有一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)能夠正確譯碼，在這種情況下第二個(gè)時(shí)隙由源節(jié)點(diǎn)發(fā)送那N2個(gè)數(shù)據(jù)。

從多個(gè)能正確譯碼的中繼節(jié)點(diǎn)選擇一個(gè)最優(yōu)節(jié)點(diǎn)，我們假設(shè)在信號(hào)發(fā)送前通過一定的方法獲得了此時(shí)信道的狀況，即假定知道信道幅值的情況下來選擇最優(yōu)的協(xié)同節(jié)點(diǎn)，在所有可譯碼的中繼節(jié)點(diǎn)中，選取到目的節(jié)點(diǎn)信道幅度值|hrd|最大的中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)同傳輸，可以使目的節(jié)點(diǎn)中斷概率最小，這一點(diǎn)我們可以在下面的部分得到證明。

圖2 在機(jī)會(huì)編碼協(xié)同中的Turbo 編碼

至于目的節(jié)點(diǎn)如何利用第一個(gè)時(shí)隙和第二個(gè)時(shí)隙傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行迭代譯碼，在這里我們就不作詳細(xì)的說明了，有興趣的讀者可以參看文獻(xiàn)［5］。下面我們將對(duì)編碼協(xié)同的中斷性能進(jìn)行分析。

2 中斷性能分析

編碼協(xié)同中，第一個(gè)時(shí)隙第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)生中斷的概率為:

從而，到機(jī)會(huì)編碼協(xié)同下的中斷概率可以計(jì)算為:

在給定可譯碼集D(s)的條件下，利用Pr［Isdf＜R|D(s)］與Pr{Isdf＜R}的等價(jià)［9］，可進(jìn)一步得到機(jī)會(huì)編碼協(xié)同的總中斷概率為:

3 仿真分析

從圖3 給出的三種不同的傳輸協(xié)議下中斷性能的比較，可以看出，固定協(xié)同節(jié)點(diǎn)的編碼協(xié)同在目的端獲得了空間分集增益，其性能要好過直接傳輸;機(jī)會(huì)編碼協(xié)同通過在編碼協(xié)同中引入機(jī)會(huì)協(xié)同的思想，可以選出性能更好的中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同傳輸，可進(jìn)一步降低系統(tǒng)中斷概率。

圖3 三種不同的傳輸協(xié)議下對(duì)其中斷性能進(jìn)行比較

圖4 不同的協(xié)同節(jié)點(diǎn)數(shù)下的機(jī)會(huì)編碼協(xié)同中斷概率比較

圖4 給出了不同的協(xié)同節(jié)點(diǎn)數(shù)下的機(jī)會(huì)編碼協(xié)同中斷概率比較。可以看出，隨著協(xié)同節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，可譯碼集D(s)也在增大(即可供選擇的協(xié)同節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)變大了)，系統(tǒng)的中斷概率隨之下降。

4 總結(jié)

本文將Turbo 編碼與機(jī)會(huì)協(xié)同應(yīng)用到編碼協(xié)同中，得到了一種基于Turbo 碼的機(jī)會(huì)編碼協(xié)同的策略。由于Turbo 碼優(yōu)良的性能，該策略可極大地提高系統(tǒng)抗衰落性能;而機(jī)會(huì)協(xié)同的引入，既可提高傳輸?shù)挠行?，又可提高傳輸?shù)目煽啃浴Ｎ闹羞€在瑞利衰落信道下推出了系統(tǒng)中斷概率的表達(dá)式，通過計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果進(jìn)一步說明了機(jī)會(huì)編碼協(xié)同相對(duì)于傳統(tǒng)編碼協(xié)同的性能優(yōu)勢(shì)。

［1］J.Nicholas Laneman，David N.C.Tse，W.W.Gregory.Cooperative Diversity in Wireless Networks:Efficient Protocols and Outage Behavior［J］.IEEE Transactions on Information Theory，2004，50(12):3062－3080.

［2］Todd.E.Hunter，Aria.Nosratinia.Cooperation Diversity Through Coding，In Proc.Asilomar Conf.Signals，Syst.，Comput.，2002.

［3］徐友云.Turbo 編譯碼原理與應(yīng)用［J］.南京:解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，2007:110－135.

［4］C.Berrou，A.Glavieux.Near Optimum Error Correcting Coding and Decoding:Turbo codes［J］.IEEE Trans.Commun，1996，44(10):1261－1271.

［5］Joachim H，Elke O，Lutz P.Iterative Decoding of Binary Block and Convolutional Codes［J］.IEEE Transactions on Information Theory，1996，42(2):429－445.

［6］Mohammad Janani，Ahmadreza Hedayat，Todd.E.Hunter and Aria.Nosratinia.Coded Cooperation in Wireless Communications:Space-Time Transmission and Iterative Decoding［J］.IEEE Transations on Signal Processing，2004，52(2):362－370.

［7］張勇.無線多中繼網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)會(huì)協(xié)同技術(shù)研究［D］.博士論文.南京:解放軍理工大學(xué)，2008.

［8］Todd.E.Hunter，Shahab Sanayei，Aria.Nosratinia.Outage Analysis of Coded Cooperation［J］.IEEE Transactions on Information Theory，2006，52(2):375－391.

［9］Y.Guo，G.Kang，N.Zhang，W.Zhou and P.Zhang.Outrage Performance of Relay-assisted Cognitive-radio System Under Spectrum-sharing Constraints［J］.Electronics Letters，2010，46(2).