基于冗余前置的機會編碼協同中繼策略

沈春明， 高媛媛， 郭明喜， 張亞龍， 楊保峰

（解放軍理工大學 通信工程學院，210007）

0 引言

中斷概率[1]是研究協同通信性能的兩大指標之一。編碼協同（CC，Coded Cooperation）較放大轉發(AF，Amplify-and-Forward)和譯碼轉發(DF，Decode-and-Forward)具有更加優越的中斷概率性能[2]，因而成為業內技術人員關注的焦點[3]。目前，對于多節點編碼協同網絡，提高中斷概率性能的方法主要有2種。Hunter等人在協同階段采用波束賦形技術[4]，使得所有能夠正確譯碼的中繼節點全部同時參與冗余發送[5]，這種方法雖然可以降低中斷概率，但波束賦形技術對參與協同傳輸的單天線終端而言實現復雜度和代價較大[6]。另一種研究較多的做法是通過選擇最佳的鄰近節點發送冗余信息，如機會中繼[7-8]通過選擇最佳節點作為中繼參與協同能夠取得完全的空間分集，并獲得了優越的中斷概率性能。

在機會編碼協同中繼策略[8]的基礎上，提出“冗余前置”策略，即在前一幀信息的冗余比特未經發送而目的節點即已正確譯碼的情況下，其協同階段時隙不再選擇最佳中繼發送對應的冗余信息，而是由源節點提前將下一幀的冗余比特向目的節點和中繼發送一遍，此種方法提高了中繼節點和目的節點對其后一幀信息正確譯碼的概率。

1 系統模型

假設系統中各節點都只有一根天線，且任意2個節點i和j之間的信道服從瑞利平坦慢衰落，且一幀內信道增益恒定，即hij不變，各幀之間的信道衰落相互獨立。假設各節點間的鏈路平均信噪比SNR相同，則鏈路瞬時信噪比

對于編碼協同系統，每幀長為N個比特的碼字，其經過K個比特源信息編碼形成。采用文獻[5]中的協同等級定義，即。將協同分為兩個階段，即第一階段傳輸N1比特，第二階段傳輸N2比特，滿足，N1比特也構成一個獨立的、較N個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幀數據，表示第k幀的第一個子幀的N1比特；表示第k幀的第二個子幀的N2比特。對任何一幀數據而言，無協同傳輸和協同傳輸均在對應的時隙Tf內完成，即：無協同傳輸時，第k幀數據對應第k個時隙進行傳輸；采用機會編碼協同時，第k幀數據的兩個子幀分別對應在第k個時隙的2個子時隙內進行傳輸,

2.1 OR+-CC策略[8]

第一階段，源節點利用每一幀的第一個子時隙Ts（Ts=α·Tf）內廣播第一幀（假設第k幀）的α部分。第二階段，接收到N1的中繼嘗試譯碼，并依次向目的節點反饋1比特信息，告知目的節點。目的節點選擇中繼-目的節點信道條件最好的節點（包括源節點）作為中繼，并廣播其 ID編號。被選中繼將在余下的時隙(1-α)·Tf內傳輸冗余比特N2部分。第三階段，目的節點聯合先后接收到的N1、N2部分，判斷能否正確譯碼。能，則此幀傳輸成功；否則，傳輸發生中斷。其傳輸幀結構見圖1（c）。

2.2 APTF-OR+-CC策略

本方案與 OR+-CC的區別在于當第一階段N1發送完畢后，若目的節點反饋1比特ACK表明能夠正確譯碼，源節點接收后將在第二階段發送下一幀的冗余；若目的節點反饋NACK，則仍將選擇最佳中繼節點發送當前幀冗余，此時與OR+-CC相同。

根據以上描述，對于APTF-OR+-CC而言，任何一幀數據的傳輸是否發生中斷，不僅跟當前幀的傳輸情況有關，還跟其上一幀數據的傳輸狀況有關。相鄰兩幀數據在傳輸時可以分為以下四種情況，如圖1所示。

圖1 APTF-OR+-CC相鄰幀結構

3 性能仿真及分析

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

圖 2給出了潛在中繼數目L為 7，目標信息速率R為1bit/s/Hz，協同等級α為1/2時APTF-OR+-CC中斷概率性能與平均信噪比的關系曲線。由圖2可以看出，冗余前置的機會中繼選擇方案較單純的機會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給出了潛在中繼數目L為7，鏈路平均信噪比SNR為1 bit/s/Hz，協同等級α為1/2時APTF-OR+-CC中斷概率性能與目標信息速率的關系曲線。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送速率。

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

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

中斷概率性能得到提高主要源于兩個方面：一是在相鄰兩幀數據所經歷的信道衰落相互獨立的假設下，冗余前置使得同一幀的冗余信息經歷了兩次不同的衰落，獲得了時間分集，且先發送的冗余信息經歷的信道條件往往較好。二是中繼節點也同樣得到了冗余前置的好處，提高了中繼節點正確譯碼的概率，進而提高了中繼節點提供更好上行信道的可能性。

4 結語

根據編碼協同的傳輸特點提出“冗余前置”的概念，并將之應用到機會編碼協同中繼策略中，給出基于冗余前置的機會編碼協同中繼策略。仿真結果表明，與機會編碼協同中繼策略相比，該種策略降低了協同系統的中斷概率。與后者相比，它所付出的代價僅僅是由目的節點多反饋1比特ACK或NACK信息，對終端的要求稍有提高。

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