淺談協作通信中的轉發策略

袁 博

（國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

淺談協作通信中的轉發策略

袁 博

（國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

多徑衰落是制約無線通信發展的重要因素，協作通信技術是一種可以抑制多徑衰落的空間分集方法，協作通信中的基本中繼策略包括放大轉發（AAF）解碼轉發（DAF）。本文簡要介紹了協作通信的有關概念，并對兩種常見的協作通信策略進行理論分析和性能仿真。

協作通信；放大轉發；解碼轉發

1 引言

隨著無線通信的發展，人們對無線傳輸的數據率和服務質量的要求不斷提高。無線信道的衰落特性阻礙了信道容量增加和服務質量改善。抑制衰落的方法有很多，其中，采用編碼策略在減少信道衰落對性能影響的同時，帶來了有效數據率的損失和額外的時間延遲，而提高發送功率同時也會加劇對無線網絡中各節點的干擾。對比而言空間分集技術，是抑制信道衰落的一種簡便有效的方法。

空間分集指將相同的數據在相互獨立的路徑上發送，由于路徑彼此獨立，在同一時刻經歷深度衰落的概率很小。因此，接收側通過一定方法將信號合并，信號的衰減程度就會被顯著減小。多輸入多輸出（MIMO）系統是一種典型的空間分集技術，但受到多天線體積的限制，不易在移動通信設備上實現。由MIMO技術衍生的協作通信技術通過單天線節點間共享彼此天線，建立模擬的MIMO系統。因此，協作通信技術可以有效減少信號的衰減程度，成為下一代無線通信技術研究的重要研究領域。本文著眼于協作通信中相關策略，通過仿真進行簡要分析。

2 協作通信概述

協作通信即在通信環境為多用戶情況下，網絡中的各個用戶節點彼此之間共享自己的天線作為其他臨近用戶的中繼節點，按照一定的規則接收、轉發、處理信息。多個用戶協同工作，互相幫助，從而形成虛擬的多天線系統并獲得空間的分集增益，提高通信系統的性能。協作通信技術是應用在無線信道中的一種新型的傳輸技術，它是建立在傳統的分集與接收系統之上，同時結合中繼信道的模式，形成的一種傳輸模式。

三節點的中繼模型是中繼系統的基本模型，經典的三節點中繼信道模型如圖1所示。

圖1 經典的三節點中繼信道模型

通常協作通信包括兩階段的工作過程：廣播階段和協作階段。在廣播階段，源節點廣播要發送的數據，向各個節點廣播的數據信息序列是一致的，中繼節點和目的節點都可以接收到源節點發送的數據。中繼節點接收到信息之后將信息按照一定的方式處理，而目的節點保存接收到源節點發送的數據。在協作階段，中繼節點把處理好的信息向目的節點轉發。目的節點通過不同路徑接收到多路信息，按照一定的合并方式進行信息合并，再解調出原始信息。由于源節點到目的節點的信道和中繼節點到目的節點的信道相互獨立，因此獲得空間分集增益并提高系統性能。

3 協作通信技術

本節將介紹在兩種常見的協作通信策略，并進行理論分析和性能仿真。

3.1 放大轉發

在應用放大轉發策略的時候，中繼節點只對接收到的原始信號進行放大處理并轉發，并不解碼再編碼，目的節點接收信號。在這個過程中，中繼節點接收到的信號并不只是原始信號，還摻雜著信道中的噪聲，所以噪聲連同信息一同被中繼節點放大并轉發。目的節點接收到來自源節點和中繼節點兩路歷經不同衰落信道的信號，并對其采用某種合并方式合并，最后通過判決得到信號。

在放大轉發策略下，目的端采用最大比合并，假設源端發送的信號為X，傳輸功率為PSR，中繼接收的信號為YSR，信號XR從中繼傳輸的功率為PRD，高斯白噪聲nR方差σD2，目的端接收到的信號YD高斯白噪聲nD，方差σD2。

在廣播階段，中繼端和目的端接收到的信號可以表示為

在協作階段，中繼已放大參數β放大接收的信號，從中繼端發出的信號可以表示為

放大參數β可以由下述公式得到

目的端接收到的信號可由下式而得

解調中，等效信道為hRDβhSR，等效噪聲為hRDβnR+nD。

在目的端，廣播和協作階段目的端接收到的不同信號YD經過最大比合并，放大轉發的信道容量可表示為

由上述公式可以得知，信道容量與源節點到中繼節點中的信道無關。所以，放大轉發較適用于源節點到中繼節點通信信道差的情況。在放大轉發模式中，中繼端不解調解碼信號，因此降低了系統的復雜性。然而如果輸入信號的幅度較大，中繼端會產生功率浪費的情況。另外，因為中繼端在放大信號的同時也放大了噪聲，影響系統的表現，限制了放大轉發在無線通信系統中的應用。

3.2 解碼轉發

解碼轉發不同于放大轉發，中繼節點將信息解碼，再重新編碼發送給目的節點。目的節點采用某種合并方式，將兩路經獨立衰落的信號進行合并。三節點中繼模型中，解碼轉發策略與放大轉發一樣可以獲得二階的分集增益，但是在高信噪比情況下性能更好，誤碼率更低。

在解碼轉發策略下，廣播階段源節點將信號發送給中繼節點和目的節點，目的節點并不解碼，中繼節點也未將信號轉發給目的節點。因此，在廣播階段的信道容量可以表示為

在多徑訪問階段，中繼端將信號轉發到目的端，信道容量變為

對于整個解碼轉發系統，等效信道容量可以表示為

由上述公式可得，與放大轉發不同，中繼信道的情況會影響解碼轉發系統表現。源節點到中繼節點的信道情況對解碼轉發策略非常重要，它會影響中繼端解碼的準確度，一旦中繼端不能正確解碼，錯誤擴散會影響系統表現。

3.3 仿真

本文的仿真基于C++環境及IT++ library。對于兩種轉發模式的性能仿真在瑞利快衰落信道下進行，信道編碼采用Turbo碼，8PSK調制方式，基站采用最大比合并方式合并。三條信道的衰落情況相互獨立，各個信道中噪聲均為高斯白噪聲，中繼位置位于源和目的端1/2處。并與相同條件下的用戶與基站之間直接傳輸時的情況進行誤碼率比較，得到三種方式的誤碼率曲線如圖2所示。

圖2 三種方式的誤碼率曲線

從圖2可以看出，采用放大轉發和解碼轉發策略均可以獲得更好的性能。在BER=10-4，對比直接傳輸，解碼轉發存在5dB改善，而放大轉發為4dB。

4 結束語

本文從理論和仿真兩方面驗證協作通信技術對于無線通信的性能改善，主要分析了放大轉發策略，解碼轉發策略。

[1] D. N. C. TSe and P. Viswanath, Fundamentals of Wireless Communication. Cambridge, UK.: Cambridge University Press, 2005.

[2] Chen, Y. P., J. Zhang, et al. Link-layer-and-above diversity in multihop wireless networks. IEEE Communications Magazine, 2009, 47(2):118-124.

[3] Panlraj, R. Nabar, and D. Gore, Introduction to Space-Time Wireless Communications, Cambridge, U.K.: Cambridge Univ. Press, 2003.

[4] T. Cover and A. E. Gamal. Capacity theorems for the relay channel. IEEE Transactions on Information Theory, 1979, 25(5):572-584.

[5] J. N. Laneman, D. N. C. Tse, and G. W. Wornell. Cooperative diversity in wireless networks: Efficient Protocols and outage behavior. IEEE Transactions on Information Theory, 2004, 50(12): 3062-3080.

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