沈春明， 高媛媛， 郭明喜， 张亚龙， 杨保峰

（解放军理工大学 通信工程学院，210007）

0 引言

中断概率[1]是研究协同通信性能的两大指标之一。编码协同（CC，Coded Cooperation）较放大转发(AF，Amplify-and-Forward)和译码转发(DF，Decode-and-Forward)具有更加优越的中断概率性能[2]，因而成为业内技术人员关注的焦点[3]。目前，对于多节点编码协同网络，提高中断概率性能的方法主要有2种。Hunter等人在协同阶段采用波束赋形技术[4]，使得所有能够正确译码的中继节点全部同时参与冗余发送[5]，这种方法虽然可以降低中断概率，但波束赋形技术对参与协同传输的单天线终端而言实现复杂度和代价较大[6]。另一种研究较多的做法是通过选择最佳的邻近节点发送冗余信息，如机会中继[7-8]通过选择最佳节点作为中继参与协同能够取得完全的空间分集，并获得了优越的中断概率性能。

在机会编码协同中继策略[8]的基础上，提出“冗余前置”策略，即在前一帧信息的冗余比特未经发送而目的节点即已正确译码的情况下，其协同阶段时隙不再选择最佳中继发送对应的冗余信息，而是由源节点提前将下一帧的冗余比特向目的节点和中继发送一遍，此种方法提高了中继节点和目的节点对其后一帧信息正确译码的概率。

1 系统模型

假设系统中各节点都只有一根天线，且任意2个节点i和j之间的信道服从瑞利平坦慢衰落，且一帧内信道增益恒定，即hij不变，各帧之间的信道衰落相互独立。假设各节点间的链路平均信噪比SNR相同，则链路瞬时信噪比

对于编码协同系统，每帧长为N个比特的码字，其经过K个比特源信息编码形成。采用文献[5]中的协同等级定义，即。将协同分为两个阶段，即第一阶段传输N1比特，第二阶段传输N2比特，满足，N1比特也构成一个独立的、较N个比特所组成码字码率更高的码字。

2 策略描述

若用k表示编码后的第k帧数据，表示第k帧的第一个子帧的N1比特；表示第k帧的第二个子帧的N2比特。对任何一帧数据而言，无协同传输和协同传输均在对应的时隙Tf内完成，即：无协同传输时，第k帧数据对应第k个时隙进行传输；采用机会编码协同时，第k帧数据的两个子帧分别对应在第k个时隙的2个子时隙内进行传输,

2.1 OR+-CC策略[8]

第一阶段，源节点利用每一帧的第一个子时隙Ts（Ts=α·Tf）内广播第一帧（假设第k帧）的α部分。第二阶段，接收到N1的中继尝试译码，并依次向目的节点反馈1比特信息，告知目的节点。目的节点选择中继-目的节点信道条件最好的节点（包括源节点）作为中继，并广播其 ID编号。被选中继将在余下的时隙(1-α)·Tf内传输冗余比特N2部分。第三阶段，目的节点联合先后接收到的N1、N2部分，判断能否正确译码。能，则此帧传输成功；否则，传输发生中断。其传输帧结构见图1（c）。

2.2 APTF-OR+-CC策略

本方案与 OR+-CC的区别在于当第一阶段N1发送完毕后，若目的节点反馈1比特ACK表明能够正确译码，源节点接收后将在第二阶段发送下一帧的冗余；若目的节点反馈NACK，则仍将选择最佳中继节点发送当前帧冗余，此时与OR+-CC相同。

根据以上描述，对于APTF-OR+-CC而言，任何一帧数据的传输是否发生中断，不仅跟当前帧的传输情况有关，还跟其上一帧数据的传输状况有关。相邻两帧数据在传输时可以分为以下四种情况，如图1所示。

图1 APTF-OR+-CC相邻帧结构

3 性能仿真及分析

本部分在Rayleigh信道条件下对APTF-OR+-CC 的中断概率性能随链路平均信噪比、目标信息速率的变化情况进行了仿真。为便于比较，图中同时给出了OR+-CC策略的性能曲线。假设所有链路的平均信噪比相同。

图 2给出了潜在中继数目L为 7，目标信息速率R为1bit/s/Hz，协同等级α为1/2时APTF-OR+-CC中断概率性能与平均信噪比的关系曲线。由图2可以看出，冗余前置的机会中继选择方案较单纯的机会中继选择方案在中断概率为10-3可以提高1.9 dB的信噪比增益。图3给出了潜在中继数目L为7，链路平均信噪比SNR为1 bit/s/Hz，协同等级α为1/2时APTF-OR+-CC中断概率性能与目标信息速率的关系曲线。图3说明在相同的中断概率限制条件下，APTF-OR+-CC可以接受更高的信息发送速率。

图 2 APTF-OR+-CC中断概率性能与链路平均信噪比的关系（R=1 bit/s/Hz，L=7，α=0.5）

图 1 APTF-OR+-CC中断概率性能与目标信息速率的关系（SNR=5 dB，L=7，α=0.5）

中断概率性能得到提高主要源于两个方面：一是在相邻两帧数据所经历的信道衰落相互独立的假设下，冗余前置使得同一帧的冗余信息经历了两次不同的衰落，获得了时间分集，且先发送的冗余信息经历的信道条件往往较好。二是中继节点也同样得到了冗余前置的好处，提高了中继节点正确译码的概率，进而提高了中继节点提供更好上行信道的可能性。

4 结语

根据编码协同的传输特点提出“冗余前置”的概念，并将之应用到机会编码协同中继策略中，给出基于冗余前置的机会编码协同中继策略。仿真结果表明，与机会编码协同中继策略相比，该种策略降低了协同系统的中断概率。与后者相比，它所付出的代价仅仅是由目的节点多反馈1比特ACK或NACK信息，对终端的要求稍有提高。

[1]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（12）:3062-3080.

[2]HUNTER T E, SANAYEI S, NOSRATINIA A. The Outage Behavior of Coded Cooperation[C]// ISIT 2004:Chicago, USA: June 27-July 2, 2004: 272.

[3]彭木根，王文博.协同无线通信原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2009: 21.

[4]BARRIAC G, MUDUMBAI R, MADHOW U. Distributed Beamforming for Information Transfer in Sensor Networks[C]// IPSN 2004. Third International Symposium on: Santa Barbara, CA, USA: April 2004:81-88.

[5]HUNTER T E, SANAYEI S, NOSRATINIA A. Outage Analysis of Coded Cooperation[J]. IEEE Trans. Inf. Theory, 2006, 52（02）:375-390.

[6]BLETSAS Aggelos, KHISTI Ashish, REED David P, et al.A Simple Cooperative Diversity Method Based on Network Path Selection[J].IEEE Journey on selected areas in Communications, March 2006, 24（03）: 659-672.

[7]TAJER A, NOSRATINIA A. Opportunistic Cooperation Via Relay Selection with Minimal Information Exchange[C]// Information Theory, 2007. ISIT 2007. IEEE International Symposium on, June 2007: 1926-1930.

[8]HAGHIGHI Ali A, KEIVAN Nanaie. Outage Analysis and Diversity-Multiplexing Tradeoff Bounds for Opportunistic Relaying Coded Cooperation and Distributed Space-Time Coding Coded Cooperation[J]. IEEE Trans on wireless communications, 2010,9（03）:1198-1206.