第3章 编码协同模式

通过第2章的分析我们看到，有校验DF协同模式在信噪比较高时具有较好的性能，但从编码的角度上看，DF协同模式采用的是简单的重复码，其编码效率较低。一种新的将信道编码和多用户协同相结合的协同模式——编码协同（CC，Coded Cooperation）由T.E.Hunter首先提出，并得到了广泛研究。本章将对编码协同的原理、实现方式、性能进行研究。

3.1 编码协同原理及实现方式

编码协同按第二时隙的接入方式可以有两种实现方式：普通编码协同（OCCO，Original Coded Cooperation）和空时编码协同（STCCO，Space Time Coded Cooperation）。

3.1.1 普通编码协同

普通编码协同的基本原理是中继用户Tr传输的将不再是与信源Ts相同的数据信号，而是增加的冗余。其实现方式是通过将一个信道编码码字分割为两个部分，分别由信源Ts和Tr中继传输，以期在信宿Td处获得编码增益。

图3-1为蜂窝小区两用户编码协同示意图。每个用户数据的传输过程与图2-3描述的相同，均为两个时隙。以用户1（User 1）为例，在第一个时隙（Time interval 1），用户1传输码字的第一部分（Frame 1），用户2（User 2）和基站接收。如果用户2成功接收用户1的Frame 1（与有校验DF相同，可由CRC校验判断），在第二个时隙，用户2将传输用户1的Frame 2（码字的第二部分）。

这种实现暗含两个条件：

① 用户1的码字的第一部分可以自解码，即可能被用户2成功解码；

② 用户2知道用户1的编码规则，即可以通过编码得到用户1的码字第二部分。

如果用户2没有成功接收用户1的Frame 1（与有校验DF相同，可由CRC校验判断），那么在第二个时隙，用户2将传输自己的码字的第二部分。

3.1.2 空时编码协同

OCCO协同方式有一定的缺陷。可将两协同用户对码字第一部分的接收情况进行如表3-1所示的分类。我们注意到在Case c时，用户2由于没有成功接收用户1的码字的第一部分，在第二个时隙将传输自己的码字的第二部分，此时用户1由于正确接收了用户2的码字的第一部分，在第二个时隙将传输用户2的码字的第二部分。也就是说，用户1的码字的第二部分，在两个时隙的传输过程中将始终不会被发送。同理，在Case b时，用户2的码字的第二部分将始终不会被发送。而在用户间信道不对称或时分时，Case b和Case c都可能发生。这样的信道不对称将造成很大的性能损失。

于是Hunter提出了空时（ST，Space-Time）协同方法来解决这一问题。在空时协同方法中，在第二时隙，各用户始终保留部分能量传输自己的码字的第二部分，而只用部分能量参与协同。图3-2描述了在Case a接收状况下，普通编码协同与空时编码协同以及无协同方式的对比（长方形的面积表示结构能量）。

我们可以看到，在第一个时隙各用户均用自己的天线和接入信道（码分或频分）发射自己码字的第一部分。在第二个时隙，OCCO方式中，各用户用自己的天线通过协同伙伴的接入信道为协同伙伴传输码字的第二部分。在STCCO方式中，各用户在用自己的天线通过协同伙伴的接入信道为协同伙伴传输码字第二部分的同时，通过自己的接入信道传输自己的码字的第二部分。在第二时隙，对于同一接入信道，两个不同天线上可能传输相同的数据，这就为空时编码（STC，Spacing Time Code）的采用提供了条件，即两用户在第二时隙内可以采用空时编码发射数据来获得分集。这也就是STCCO名字的由来。

图3-3描述了在Case c接收状况下，普通编码协同与ST编码协同以及无协同方式的对比。OCCO方法中用户1的码字的第二部分没有传输，而STCCO方式中用户1的码字的第二部分得到了传输，获得了相应的分集增益。

3.2 编码协同性能仿真及分析

本节将对三种编码协同方式进行仿真与性能对比分析。编码采用Turbo码，其实现结构如图3-4所示，假设总码率为1/3，采用等长度分割，那么码字第一部分码率为1/2，我们直接在Turbo编码器的第一个递归系统码（RSC，Recusive System Code）编码器后面加一个2位的串并转换器，就可以直接得到一个删余后的1/2码率卷积码，作为码字第一部分。两个用户采用相同的随机交织器和RSC，就可以满足编码系统的第二个条件，即通过解码再编码得到协同伙伴的码字第二部分。

在仿真中假设基站与协同用户均采用单天线。基站在第T个时隙对应于第c个用户的接入信道的接收信号为

假设信道为准静态瑞利衰落信道，为第T个时隙，第u个用户的天线，对应于第c个用户的接入信道的衰落系数，T，u，，建模为零均值，统计独立的圆对称（实部虚部方差相等）复高斯随机变量，其方差为。表示基站在第T个时隙，对应于第c个用户的接入信道的接收噪声，建模为零均值，相互独立的圆对称（实部虚部方差相等）复高斯随机变量，其方差为N0。αu，c为用户u在第c个用户的接入信道发射信号的预乘相位幅度调整，假设发送端已知或可预测，在接收端就可以实现信号的最大比合并。系统传输一个比特的总能量设为ET，则SNR=Et/（2N0）。数据帧长为128 bit，Turbo码RSC编码器为G（7，5）。

图3-5是慢瑞利衰落（准静态）、等上行信噪比条件下，用户误码率仿真曲线，可以看到，STCCO与非协同模式相比性能增益明显。

图3-6是2×103个时隙内，慢瑞利衰落（准静态）、等上行信噪比条件下，平均每用户的吞吐率曲线。这里由于对用户码字采用了等长分割，即码字第一部分和码字第二部分的长度相同。

STCCO与非协同方式数据吞吐量的上限为

图3-6的仿真设置按式（3-2）计算，分别可得到STCCO方式的数据吞吐量上限为0.128 Mbit。

综上，我们已经通过仿真和分析证明了STCCO比非协同方式具有更好的误码率性能和数据吞吐率。

3.3 各种协同方式性能比较

为了比较三种方式的性能，我们在CC模式中采用1/2码率重复码，这样就去掉了编码增益，且使各种方式具有相同的能量损耗和带宽效率，从而具有可比性。

图3-7为两用户在各种协同方式下的性能仿真结果，两用户间及两用户上行信道均采用瑞利快衰落信道，且平均信噪比相等。接收端均采用最大比合并方式接收信号。我们可以看到，AF与CC模式由于可以提供最多两阶的分集增益，其性能优于非协同方式；但STC-CO方式可以提供最多三阶的分集增益，故其性能最优，且相对于分集增益，信噪比增益带来的性能提升比较小。随着性能的提升，对系统复杂度的要求也相应增大。而非协同方式其复杂度最小。