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1、信息工程学院本科毕业论文（2012届）题 目基于LDPC码的编码协作通信研究系通信工程专 业通信工程班 级学 号学生姓名指导教师完成日期2012年1月杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计摘 要 采用空间分集的方法可以有效地对抗无线信道中的衰落。由于受到体积、重量、成本等因素的限制,在无线通信系统的用户终端上实现多天线技术较为困难。 而在单天线的无线用户间通过协作，共享天线，可以实现虚拟的多天线。协作通信方式是解决通信系统容量不断增加的重要方法，协作通信系统中采用LDPC码，可以有效改善中继节点处的差错传播带来的系统性能下降。 低密度奇偶校验(LDPC) 编码是一种性能优良的线性分组码，利用
2、其码字内码元间固有的相关性，通过不同的用户发送码字的不同部分，可以实现虚拟的多发送天线，获得发送分集增益，在不增加系统带宽和发射功率、系统复杂度也不会明显增加的情况下能显著地提高系统性能。本文给出了LDPC码的基本编解码原理，阐述了基于LDPC码的协作通信系统的分析模型，给出相应的仿真结果和分析。关键词：衰落；协作通信；分集；多天线； LDPC 编码；编码协作ABSTRACTSpatial diversity is an effective method to resist fading effect in wireless channel. Due to the limitation of
3、size weight and cost, it is difficult to use the multi antenna technique on the terminal of wireless communication. Cooperative communication allows the mobile terminals with a single antenna to share their antennas. Thus virtual multi antenna can be created to realize transmitting diversity. Cooper
4、ative communication is an important scheme to meet the increasing requirement of capacity of communication system .Performance degradation due to the error propagation on the relay node can be improved effectively by using LDPC codes in the cooperative communication system. LDPC code is a good linea
5、r block code. Because of the intrinsic coherence among the bits of the code word, we can create virtual multi antenna and obtain diversity gain by making different users transmit different parts of the code word. Once diversity gain is obtained, the system performance can be improved effectively, wi
6、thout much rise in the system bandwidth and transmitting power, nor would the cost and complexity of the system increase evidently.The fundamental theory of encoding and decoding of LDPC codes are given firstly, then the analysis model of cooperative communication system based on LDPC codes is descr
7、ibed. The simulation results and analysis are presentedKey words: cooperative communication; diversity; multi antenna; low density parity check code( LDPCC) ; coded cooperation 杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计目 录1 引言12 LDPC码的概论32.1 LDPC码的介绍32.2 LDPC码的表示32.3 LDPC码的性能特点42.4LDPC码的应用举例63 编码协作通信的研究83.1基于LDPC码的协作通信的研
8、究83.2 编码协作的原理93.3 协作通信的几种方法114 LDPC码的编码协作通信124.1基于LDPC码的编码协作通信的模型124.2 协作通信过程中的编、解编流程124.3 基于LDPC码的编码协作的实现155.结论17致谢19参考文献20附录21杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计1 引言近年来，基于中继的协作通信技术通过有效利用空间分集，显著改善通信系统的性能。协作通信技术还可以利用纠错码以进一步提高系统性能。作为一种能够逼近香农限的优异差错编码技术，基于低密度奇偶校验 (LDPC)码及其在协作编码中的应用成为了近年来的一个研究热点。协作通信的缘由主要有两方面的因素：网络中空余
9、资源的存在和协作通信所能提供的协作通信增益。 网络中空余资源的存在：在这里将以蜂窝移动通信系统来说明无线网络中空余资源的存在。某一时间段内蜂窝移动通信系统中可能仅有部分移动终端有通信需求，因而网络中会有较多的移动终端处于空闲状态，但是传统的蜂窝移动通信系统将所有移动终端看成是互不通信的个体，从而使这部分空闲硬件资源得不到利用而被浪费掉；另一方面，蜂窝移动通信系统中的移动终端具有差异性，如硬件技术的快速发展使得部分移动终端具有较强的计算处理能力，而另一些移动终端的计算处理能力则相对较差。距离基站较近的移动终端具有较好的通信能力，而距离基站较远的移动终端的通信能力则相对较差。如果将这些移动终端看成
10、是一个可以相互(或部分相互)通信的整体，则这些差异性的存在可使不同的移动终端在网络中承担不同的角色，从而有利于整个通信系统性能的提高。然而，在传统的蜂窝移动通信网络中，某一时刻部分有通信需求的移动终端可能由于受自身资源条件等因素所限制，不能进行较为有效的通信；另一方面网络中却存在着大量的空闲资源，以及部分资源的潜力未能得到充分利用，两者间存在着矛盾，如何利用这些空余资源来帮助有通信需求的移动终端进行有效通信便成为一个值得深入研究的课题 。协作通信增益：可以通过分集增益技术来抑制无线信道受多径衰落的影响。分集增益技术主要包括空间分集增益、时分分集增益、频分分集增益3种。MIMO技术通过在发射端和
11、接收端放置多根天线，形成多个独立的发/收信道，从而达到利用空间分集增益技术来提高无线信道传输性能的目的，被认为是下一代无线通信系统中的关键技术之一。但由于受设备尺寸、造价和硬件性能等条件限制，无线设备不一定能够支持安装多根天线。而协作通信技术能够利用无线信道的广播特性，允许单天线终端设备在多用户环境中共享它们的物理资源来进行通信，形成虚拟天线阵列。即参与协作通信的设备间可相互转发信息，使得同一信息能够通过不同的独立的无线信道到达接收端。协作通信的核心思想是在只具有单天线的用户间进行协作，共享它们的天线, 实现虚拟的多发送天线。参与协作通信的用户间相互称对方为自己的协作伙伴。每个用户的发送过程分
12、为两个阶段。 第一阶段用户各自向基站发送自己的信号，同时接收协作伙伴发送的信号。 第二阶段用户将接收到的协作伙伴的信号经过处理后，向基站发送。这个阶段也并可以合并本用户的信号进行发送。如果参与协作的两个用户相距足够远。则可以认为它们到基站的上行信道是相互独立的，因而基站收到每个用户信号两个独立的副本，实现了发送分集。现有的移动通信网络面临着不断增长的用户需求，MIMO技术是解决通信容量问题的重要手段，但是由于移动终端的大小、功耗以及硬件设计等方面的限制，不适合支持多天线，协作通信技术通过将各个终端的天线作为虚拟的天线阵列，接收端可收到发送节点以及中继节点的转发信号，从而获得发送分集增益，有效提
13、高系统的容量。协作通信系统中，中继节点的转发信号质量对于系统的最终性能有着重要影响，由于“差错传播（error propagation）”，中继节点处如果不进行信道编码，则中继节点处的错误比特到达接收端后，会使得协作通信带来的发送分集增益下降很多。LDPC码作为一种逼近Shannon限的高效信道编码方法，应用到协作通信系统中，可以有效改善差错传播带来的不利影响，提高系统的性能。基于LDPC码的协作通信系统可以有效提高系统容量，并能够有效降低功耗，满足了未来绿色无线通信的要求1。2 LDPC码的概论2.1 LDPC码的介绍对通信系统的需求是永无止境的，譬如希望通信系统更加廉价、更快速、更可靠、小
14、型化、不但需要传输话音，还需要传输数据、图像等，它迫使许多研究者寻找某种方式来取得接近香农容量极限的可靠通信。在1948年香农发表他的开创性论文之后，汉明、斯列宾和普兰奇等人在20世纪50年代初，根据香农的思想，给出了一系列“好”码和有效译码方法。20世纪60年代到70年代初是纠错码发展过程中非常活跃的时期。不仅提出了许多有效的编译码方法，如门限译码、迭代译码、软判决译码和卷积吗的维特比译码等，而且还注意到了纠错码的实用化问题，讨论了与实用有关的各种问题，如码的重量分布、译码错误概率和不可检错误概率的计算、信道的模型化等，所有这些问题的研究为纠错码的实用打下了坚实基础。此时以代数方法、特别是以
15、有限域理论为基础的线性分组码理论已趋成熟。1962年，罗伯特哥拉格在他的博士论文中论述了基于低密度校验矩阵的纠错码，即LDPC码。然而，他所作的工作由于客观条件的限制在很长的时间里被人遗忘。在1993年法国学者C. Berrou等人提出Turbo码的信道码方案，并展示了Turbo码作为并行级联的卷积码的优良性能。哥拉格在1962年提出的低密度奇偶校验码-LDPC码又重新被人们所重视。在这些码中，最受人们关注、理论比较成熟的无疑是Turbo码和LDPC码。事实上，现在广泛使用的Turbo码的编译码思想也正是利用了哥拉格构造的LDPC码的最初的构造设想，从某种角度看，Turbo码也是一种LDPC码
16、。1996年，Mackay和Neal的研究使LDPC码的研究跨入了一个新的阶段。最近几年的研究表明，在非规则图上构造的基于GF(2)域上的LDPC码性能要好于Turbo码。这种码是最佳码，并且在现有的技术条件下也是能够实际应用的。LDPC码正逐渐显现出它的优势。这在许多需要高可靠性的通信和数字存储系统中都有较为充分的体现2。现在，LDPC码是最有希望在广泛的信道范围取得香农容量的误差纠错技术。自从LDPC码重新被发现是接近香农容量的“好”码，关于LDPC码的设计、构造、译码、有效编码、性能分析和这些码在数字通信与存储系统中的应用就变成了研究焦点。2.2 LDPC码的表示 GF(2)域上的LDP
17、C码C是一种（n,k）线性分组码，码长为n，信息序列长度为k，可以由其校验矩阵H唯一定义。H的维数是，每一行对应一个校验方程，每一列对应码字的一位。每一行中非零元素的个数称为行重，每一列中非零元素的个数称为列重。方程（1.1）是一个的校验矩阵及其对应的校验方程，其中码字，满足3。 （1.1）LDPC码的名称来源于其校验矩阵是一个稀疏矩阵，即矩阵中非零元素的个数远远小于零元素的个数，或者矩阵的行重和列重与码长相比是很小的数。正是由于校验矩阵是低密度矩阵，才能够构造出具有低复杂度、高性能的LDPC码。如果校验矩阵H是满秩的，则，码率为。有时矩阵H的行不是线性无关的，此时H的秩小于m，即，码率。LD
18、PCD码的线性时间编码：编码步骤分为两个部分，先得到线性时间编码所需要的参数（预编码），然后利用预编码得到的参数进行线性时间编码。预编码的具体算法步骤为：（1）得到一个准下三角矩阵。（2）行变换（左乘一个矩阵）消去E后将H变换成矩阵；其中，。（3）对矩阵进行行变换变成一个行阶梯矩阵，确定该矩阵中线性无关的g个列向量，并记录这些列下标于IndV中；（4）将IndV指定的校验矩阵H的列和n - m + 1 到 n - m + g 列进行位置交换，得到新的校验矩阵;(5)由重新计算，可以验证一定可逆，然后求出；将参数、g(矩阵间隙)、送给LDPC码线性时间编码器。LDPC码的BP译码算法：BP 译码
19、的基本思想是，在接收端比特节点首先得到传输序列每个比特的译码软信息，据此进行比特节点的译码，比特节点译码后的外信息，通过节点间相连的边送到各自相应的校验节点，校验节点译码后，译码输出软信息再反馈给相应的比特节点，完成一次迭代；接下来，每个比特节点将自己的输入累加，根据这个累加值进行硬判决，N个比特节点的硬判决就得到了估计的码字信息序列V，如果校验矩阵满足，则译码器停止迭代输出该估计序列作为译码结果；否则进行下一次2.3 LDPC码的性能特点LDPC码之所以成为编码领域一个新的研究热点，是因为有它自身的特点存在。当初哥拉格在他的博士论文中提出两个创造性的观点。用简单的稀疏校验矩阵的随机置换和级联
20、模拟随机码。在信息的先验概率和信道特性已知情况下的迭代译码算法。LDPC码正是应用了上述两种观点。奠定了噪声信道编码理论基础的香农定理在理论上的证明是非构造的，他采用的信道编码是随机码，没有提出具体的编译码算法。曾经有人保守地认为，可构造的性能优良的好码是不存在的。他们还认为，虽然几乎所有的随机线性码都是好码，但可以构造出来的码有可能是坏码。然而，现代学术观点认为可译码的好码是可以构造出来的。LDPC码就是可以构造出来的。LDPC码几乎适用于所有的信道，它具有较大的灵活性，较强的纠错能力。LDPC码是一种线性分组码，描述简单，利用他们的基础简单性，可以生产出性能与Turbo码相差不大或者超过T
21、urbo码的系统，而且，LDPC码较之Turbo码更易实现。LDPC码译码的复杂度很低，运算量不会因为码长增加而急剧增加，对严格的理论分析具有可验证性。对于Turbo码，可以说是卷积码级联而成，分组变长时，复杂度不会是简单的线性增加。而LDPC码采用迭代译码算法，可以实现并操作，具有高速的译码能力。它的吞吐量大，从而改善系统的传输效率，并且便于硬件实现。由于其奇偶校验矩阵的稀疏性，译码复杂度与码长成线性关系，克服了分组码在长码长时所面临的巨大译码计算复杂度的问题，使长编码分组的应用成为可能，这种特性是Turbo码所不能比拟的。而且，由于校验矩阵的稀疏特性，在长的编码分组时，相距很远的信息比特参
22、与统一校验，这使得连续的突变差错对译码的影响不大，编码本身就具有抗突发差错的特性，它的随机性不像Turbo码那样需要交织器的引入，因此没有因交织器的存在而可能带来的时延。香农定理的证明基于以下三个基本条件：采用随机编译码方式分组码长度趋于无限采用最佳的最大似然译码法LDPC码与Turbo码一道成为性能接近香农极限的“好”码，正是全部利用了这三个条件。上面提到，Turbo码的随机性是通过编译码中的交织器来实现的，然而，Turbo码因采用交织器，就不可避免地需要较长的处理时间，从而限制了它在某些宽带传输领域的应用。而LDPC码的随机性则由LDPC码稀疏矩阵中非零的随机排列直接保证，因而，LDPC码
23、比Turbo码更加灵活。2.4 LDPC码的应用举例LDPC码是一种具有很强纠错能力的信道编码，对它的研究将有很大的社会价值。如今，它在2004年1月颁布的数字卫星电视新标准DVB-S2中得到很好的应用。DVB-S2标准具有其独立灵活的特点。覆盖了更重卫星应用，彻底打破了DVB-S标准中系统吞吐量的限制。在编码过程中，将LDPC码和BCH码级联，即将原始信息先转化成系统BCH码，再编为系统LDPC码，结合QPSK、8PSK、16APSK和32APSK四种调制方案，可以适应非常宽的卫星链路功率的要求，从信道容量来看，它和理论上的香农极限相差只有0.07dB，比DVB-S标准提高了3dB。有资料显
24、示，与其他的几种编码方案，比如串行和并行Turbo码、乘积码相比，尽管它们之间性能差别很小，但是LDPC码的复杂度最低，并且容易实现，短码可在损失0.2dB的情况下，使复杂度减半。这就意味着在同等的性能下，采用置信传播算法的LDPC码的复杂度只有Turbo码的四分之一。而且，这种码还可以在性能和复杂度之间进行转换，在完全并行和串行之间任意选择。除了置信传播算法之外，还有大批的次优译码方案可选，LDPC码的内在特性是它能够随着处理技术的发展而获得更好的性能和更低的成本，从而减少了再未来被新技术替代的可能。若将LDPC码用于压缩图像传输中，信源编码采用JPEG静止图像压缩标准，信道编码传输用LDP
25、C码，由于JPEG静止图像由头语法和压缩的图像数据两部分组成，头语法对错误最敏感，可以对头语法和图像数据采用不同码率的LDPC码进行编码，LDPC码可明显改善重建图像的质量。比如，使用码率为二分之一的（512,256）的LDPC码，即码长为512，原始信息长为256的码字，通过加性白噪声信道传输，在信噪比为2时，误码率可达到0.002。并且，在高斯信道下，对静止图像的信道中传输采用不同码率的方案比采用同码率的方案获得的编码增益要大1dB以上。虽然Turbo码在3G通信标准中获得了主导地位，但是与Turbo码相比，LDPC码具有三个明显的优势。首先，LDPC码具有一套较为系统的优化设计方法、更强
26、大的纠错能力和更低的地板效应。其次，由于LDPC码迭代译码算法为并行算法，可以实行完全并行的操作，便于硬件实现，延时远远小于Turbo码的串行迭代译码算法。第三，LDPC码本身即有抗突发差错的特性，不需要引入交织器，避免了可能带来的时延。这些优点使得LDPC码在信道条件较差的无线移动通信中展现出了巨大的应用前景，非常适合于在未来的移动通信系统中实现。现在许多正在拟定的移动标准都更加关注了LDPC码，例如卫星通信标准DVB-S2已经采纳LDPC码作为前向纠错码。我们相信LDPC码具有巨大的应用潜力，将在光纤通信、卫星数字视频和声频广播、磁/光/全息存储、移动和固定无线通信、电缆调制/解调器和数字
27、用户环线（DSL）中得到广泛应用。未来的移动通信系统中，高速率数据传输将是其业务提供的核心。随着信号速率的提高，多径衰落的影响迅速增大，传统的信道均衡技术已无法克服急剧恶化的符号间干扰，对于适合无线通信中高数据率传输正交频分复用（OFDM）系统，因它是将宽带信号分割成若干窄带信号，相互正交的子载波并行传输，减少了传输信号带内遭受频率选择性衰落的可能。由于具有将强的抗多径干扰能力，它被IEEE802.16a宽带无线接入标准作为物理层的调制技术。将一种非规则LDPC码应用于这种环境，可获得比802.16a用到的Turbo码更好的性能，而且，由于LDPC码的稀疏校验举证具有良好的自交织性能，使得它对
28、多径信道下的突发差错具有更强的纠错能力4。3 编码协作通信的研究3.1基于LDPC码的协作通信的研究多输入多输出（MIMO）系统通过采用多个发送和多个接收天线的方式来获得空间分集增益,以对抗无线信道中的衰落，提升系统性能。在蜂窝移动通信、无线传感器网络等无线通信系统中，终端设备由于受到体积、重量、功耗，以及成本等因素的限制，实现多天线较为困难。近年来有学者提出了协作通信的概念，其核心思想是在只具有单天线的用户间进行协作，共享它们的天线，实现虚拟的多发送天线。参与协作通信的用户间相互称对方为自己的协作伙伴.每个用户的发送过程分为两个阶段。第一阶段用户各自向基站发送自己的信号，同时接收协作伙伴发送
29、的信号。第二阶段用户将接收到的协作伙伴的信号经过处理后，向基站发送。这个阶段也并可以合并本用户的信号进行发送。如果参与协作的两个用户相距足够远，则可以认为它们到基站的上行信道是相互独立的，因而基站收到每个用户信号两个独立的副本，实现了发送分集5。用户协作的无线通信网络中，某用户作为信息源发送信息的同时，还需要协助其他用户进行通信，被协助的用户通常称为该用户的伙伴。这样，该用户在发送自身信息的同时，还需要占用自身的资源发送其他伙伴的信息。一方面，由于各用户到信宿的通信信道独立，从而通过各用户的相互协作，各用户均取得了一定的分集增益；另一方面，用户需要花费一定的资源进行协作，从而造成自身性能的下降
30、。用户协作的方式在分集增益提高前提下得到的性能改善要大于由于花费资源进行协作而带来的性能下降。编码协作是一种将信道编码结合到协作分集中的方法。编码协作通过在两个独立的衰落信道中发送每个用户码字的不同部分来实现。其基本思想是每个用户都要为协作伙伴传输增加的冗余信息，而当协作通信无法实现时，用户能够自动地转换到非协作模式。编码协作的关键是其所有的过程都是通过码字设计来自动完成，不需要用户间的反馈。编码协作的目标是将同一用户的编码尽可能地通过两条独立的传播路径进行传播，使其达到空间分集的目的。其基本思想是通过用户的伙伴传输信息外附加的冗余信息。当协作极可能造成性能下降时,用户的伙伴就不传输用户的冗余
31、信息,而传输伙伴自身的冗余信息。对协作能的估计一般可通过差错检测编码,如循环冗余校验（CRC）的方法实现，而不需在用户及其伙伴之间反馈估计的结果。3.2 编码协作的原理用户协作的无线通信网络中，某用户作为信息源发送信息的同时，还需要协助其他用户进行通信，被协助的用户通常称为该用户的伙伴。这样，该用户在发送自身信息的同时，还需要占用自身的资源发送其伙伴的信息。一方面，由于各用户到信宿的通信信道独立，从而通过各用户的相互协助各用户均取得了一定的分集增益。另一方面,用户需要花费一定的资源进行协作，从而造成自身性能的下降。用户协作的方式在分集增益提高的前提下得到的性能改善要大于由于花费资源进行协作而带
32、来的性能下降。三节点中继信道模型是描述协作通信系统的常用模型。假设系统分别由源节点、中继节点和目标节点组成，如图1所示图1 协作通信的中继信道模型图中源节点为系统中发送信号的移动终端MS1，而中继节点为另一个相邻移动终端MS2，目标节点为基站。可以看出，信号的无线传输有两条链路，Source-Destination的直接链路，Source-Relay-Destination的间接链路，通过这种方式系统可以获得发送分集增益。设编码总的码率为码长为 N，信息位长为 K = RN。将一个码字分为两个部分, 长度分别为 ，。编码时先按码率对信息位进行第一次编码，得到长度为的码字，作为协作通信时第一阶段
33、发送的数据。协作伙伴在收到这一部分的数据后，对其进行译码。如果译码正确，则按码率 ，并采用系统码的形式对译码结果进行第二次编码，生成长度为的码字。其中，第二次编码码字的检验位长度为，作为第二阶段的数据发送到基站。如果译码不正确, 则直接按第二次编码的规则对自己第一阶段发送的数据进行编码并发送其校验位. 因此每个用户发送的数据总长度恒为6。编码协作中，第一次编码是为了使信息能更可靠地为协作伙伴接收，同时使协作伙伴能够对接收的数据是否正确进行判断，避免出现误码扩散。第二次编码是实现分集的关键。如果编码的纠错能力越强，码字内部码元间的相关性越高，那么一个码字通过相互独立的多个信道传输所能获得的分集效
34、果也就越好。由于LDPC 码具有优异的性能，因此两次编码均选择使用LDPC 编码。一种特殊的情况是当用户间信道性能较好时，用户第一阶段发送的数据可以采用 CRC校验，协作伙伴只进行检错，不进行纠错。现在很多无线通信系统中的数据链路层或媒体接入控制( MAC) 子层为了实现差错检测- 反馈重发功能，都在其发送的数据块中加入了 CRC校验位。进行编码协作通信时可利用这一特点，不再进行第一次编码。 这样可以提高系统码率。考虑两用户间是否正确地译出对方第一阶段发送的数据，可将协作通信分为下面 4 种情况，如图2 所示.情况 1:协作双方均正确地译出对方第一阶段发送的数据，第二阶段两用户均发送对方的校验
35、位。此为完全协作通信情况，如图2（a）所示。情况 2:协作双方均未能正确地译出对方第一阶段发送的数据，第二阶段两用户均发送自己的校验位。此为不协作通信情况，如图2（b）所示。情况 3: 用户 1 正确地译出了用户 2 第一阶段发送的数据，但用户 2 未能正确地译出用户 1 发送的数据.第二阶段用户 1 和用户 2 均发送用户 2 的校验位。此为部分协作通信情况，如图2（c）所示。情况 4: 与情况 3 类似，只是用户 1 和用户 2 互换了位置。如图2（d）所示7。用户1发送数据User 1 dataUser 2 data User 1 dataUser 1 dataUser 1 dataUs
36、er 2 dataUser 1 dataUser 1 data用户2发送数据User 2 data User 1 dataUser 2 dataUser 2 dataUser 2 dataUser 2 dataUser 2 dataUser 1 data (a) (b) (c) (d) 图2 编码协作的四种情况在接收端(即基站)，在情况 1 和情况 2 下，只需简单地将第一阶段和第二阶段接收到的数据按用户简单地进行装配，然后就可以按照正常的译码方式进行第一次译码，译出用户第一阶段发送的长为的数据。然后再进行第二次译码，译出长为 K 的信息位。在情况3 下，基站没有接收到用户 1 第二次编码的校
37、验位， 因此只进行第二次译码。同时，基站接收到了用户2 第二次编码校验位的两个独立的副本，基站采用最佳组合方式对其进行组合，然后如情况 1、2 进行两次译码。情况 4 与情况 3 类似，只是用户 1 和用户 2 互换位置。3.3 协作通信的几种方法常用的用户协作方案：(1) 放大- 转发方式，是中继系统中一种常用的传输模式。这是一种简单的协作处理方法，在该模式中，每个中继用户接收经信道衰落的发送信号，然后对接收到的信号进行放大，并重新发送给下一个中继用户和接收端。接收端按照一定的合并准则处理来自发送端和协作节点的信息，对发送比特进行最终判决。尽管该方法在放大信号的同时也放大了噪声，但接收端接收
38、的是多个独立的衰落信号样本，所以接收端还是能够做出较为准确的判决。仍然能起到分集的作用，在AF模式中，为实现最佳译码，接收端需要知道各用户间的信道状态信息(2) 检测- 转发方式，译码转发是另一种协作模式，其设计初衷是在中继处对接收到的信号进行解调和译码，再通过编码和调制重构信源的发射信号，避免AF模式中中继对噪声功率的放大。但是，中继如果对接收数据做出了错误判决，那么这个错误将被前向传播。为了避免错误传播，DF协作模式又衍生出一种基于CRC校验的选择译码前传DF协作模式SDF。在SDF模式中，中继将对接收到的数据进行CRC校验，如果校验结果不正确就将不再向前传输该数据。SDF模式以一定的频谱
39、效率损失为代价避免了错误传播，在高信噪比下，其性能优于无CRC校验的DF模式。在低信噪比区域，其性能反而会比无校验DF协同模式更低，原因在于SDF丢弃帧会损失一定的能量，从而降低信号在接收端的信噪比。(3) 编码协作方式，这种方式下，用户不是重复发送协作用户的信号，而是利用编码的特点，分别发送码字的不同部分。由于编码码字内部不同部分间固有的相关特性，若基站是通过相互独立的信道接收到码字的不同部分，也就意味着每个码字携带的信息是通过两个信道传送，因此也能实现发送分集。从信息论的角度看，在信道的利用上，编码协作方式要优于前两种方式。这种协作方式可以采用现有的信道编码，包括线性分组码和卷积码，也可以
40、设计专用的编码来实现。编码的性能越好，码字内部的相关性越强，则编码协作的性能也越好8。编码协作的目标是将同一用户的编码尽可能地通过2条独立的传播路径进行传播，使其达到空间分集的目的。其基本思想是通过用户的伙伴传输信息外附加的冗余信息。当协作极可能造成性能下降时，用户的伙伴就不传输用户的冗余信息，而传输伙伴自身的冗余信息。对协作性能的估计一般可通过差错检测编码，如循环冗余校验（CRC）的方式实现,而不需在用户及其伙伴之间反馈估计的结果。编码协作是一种将信道编码与协作技术相结合的技术。从信道编码的角度上看，AF 和 DF 协作分集模式实质上都是一种重复码，而重复码本生是一种效率比较低的编码方式，而
41、编码协作技术以解码前传为基础，将一个信道编码码字通过两个协作用户传输出去。空时编码协同技术作为普通编码协同技术的一种发展，解决了由于两用户间信道不对称而造成的分集度和性能的严重损失。4 LDPC码的编码协作通信 4.1基于LDPC码的编码协作通信的模型编码协作机制是信道编码思想和协作的综合。编码协作机制通过两条独立的衰落信道来发送每个用户码字的不同部分，当它们之间的信道非常恶劣时，该机制自动恢复到非协作模式。该机制的突出特点是协作通过信道编码设计来实现，无需用户之间的反馈。下面以两用户为例来介绍基于 LDPC 的编码协作机制的模型。信源产生的信息比特经过 LDPC 编码和 BPSK 调制后，信
42、号通过用户 1 和用户 2 的信道传送到接收端，其中用户 1和用户 2 的信道是瑞利慢衰落信道。在接收端通过最大比合并和 LDPC 译码后得到输出比特。图3是以用户 1 为例的基于 LDPC 码的编码协作机制的模型。用户将信源数据分为若干数据块，假设每一数据块包含K 比特的信息，然后每一个数据块与码率为 R 的纠错码编码后，每一个数据块就有比特的信息。基于 LDPC 的编码协作机制有两个传输阶段，这里称每一个阶段为一帧。在第一帧中，每一个用户发送自己的 N 比特的码字，每一个用户都接收并尝试对伙伴的数据进行正确的译码，如果译码正确，则在第二帧中，用户将计算并发送其伙伴的 N 比特码字。否则用户
43、将在第二帧传送自己的 N 比特码字9。 图3 基于 LDPC 码的编码协作机制的模型4.2 协作通信过程中的编、解编流程图4 是协作通信过程中编、解码的流程图。其中( a ) 是发送方(终端用户) 的编码流程，( b) 是接收方( 基站)的解码流程。图 4( b)中只画出了对用户 1 的解码过程, 对用户 2 的解码过程类似，只是对情况 3 和情况 4的处理作一下掉换。定义协作系数为，表示协作的程度, 也就是由协作伙伴发送的数据占总数据的比例，。在保持总的码率 R 不变的情况下，协作系数减少，增加，这意味着协作程度降低；但另一方面减小，意味着对方能正确译出第一次编码的概率增加,处于协作状态的概
44、率也增加。因此，协作系数的设置将会对系统的性能有较大的影响，应根据用户间信道的情况进行设置。如果用户间的信道较好，那么将协作系数设置在 0 5 附近将能获得较好的性能，而如果用户间的信道较差，那么适当地降低协作系数更为有利。另外，如果两用户的上行信道性能有较大差距时，通过协作上行信道较好的用户能通过牺牲自己的一部分性能来帮助上行信道较差的用户大幅提高性能。即协作通信能够平衡两用户的性能，缩小性能差距。在这种情况下，协作系数能在一定程度上控制调节的力度，较大的协作系数有较大的调节能力。 （a）发送端编码流程 （b）接收端解码流程（对用户1） 图4 编、解码流程在进行编码协作通信时，协作用户间不需
45、要专门的反馈信道控制协作。当用户不能正确译出对方的数据时就转为不协作状态，因此不会产生误码扩散、导致系统性能的恶化，协作通信系统的性能始终不会低于非协作通信系统的性能。相对于放大-转发和检测-转发协作方式在用户间信道很差时会产生严重的误码扩散，并导致系统性能的急剧恶化而低于非协作通信的性能，编码协作在这方面具有明显的优势。但这里带来的一个问题是基站需要知道用户在第二阶段发送的是哪个用户的数据，这需要由用户为基站提供一个指示，而且对这个指示必须进行很强的差错保护，以免因该指示出错而造成基站译码的严重错误。这会在一定程度上增加系统的开销，但不会对系统的性能和复杂度带来大的影响。当用户间信道是对称信
46、道时，通过对协作通信的 4种情况进行分析，可以知道在用户间信道性能较好的情况下，系统多处于情况 1 下，能获得较完全的分集增益。当用户间信道性能很差时，系统多处于情况 2 下，基本未进行协作通信，系统与非协作通信的性能相当。当用户间信道性能介于前两者的之间时，系统可处于 4 种情况下，进行部分协作通信，性能也介于前两者之间，可获得部分分集增益10。4.3 基于LDPC码的编码协作的实现一种编码协作方案是基于打孔、速率匹配的方式利用RCRC、Turbo码实现的。而LDPC码是除Turbo码外已知的另一种性能可逼近香农界的编码，其译码采用置信传播（BP）算法。除随机构造方法外，奇偶校验矩阵的构造方
47、法有代数构造、循环单位阵构造、渐进编增加算法等构造方法。对于维数为K的信息向量，假设存在2个不同码率,的编码，奇偶校验矩阵分别为,，则矩阵为1个码长为、码率为的LDPC码的奇偶校验矩阵。同理，若,对应的生成矩阵为、，则对应的生成矩阵为。可通过得到验证。 对于具有不同的传输信道，可以采用不通的值，获得不同码长的2个子码并用于编码协作。其中，第1帧编码长为，码率为；第2帧编码长为，码率为。为了适用于协作通信,使得用户0可以对来自用户1，用户2的2个LDPC编码帧进联合译码。一种可行的方案是：联合设计2帧中2个子码的奇偶校验矩阵，即设计码率为的LDPC编码的奇偶校验矩阵H，并将其按照一定的协作水平，按列分割为2个子矩阵，按照公式，对应构造2个不同的子码，分别分配给用户1和用户2使用。其中，第一个子码码长为，而第2个子码码长为。为了区别来自2个协作用户的信息，可以设计2个码率均为的LDPC码，记为、。进一步，可记2个LDPC码的子码分别为、；、。第1帧数据传输时，用户1使用进行编码，用户2使用进行编码。第2帧数据传输时，以用户1为例，若其正确接收用户2第一帧信号，则使用对接收到的用户2的译码信息进行编码；否则，使用对用户1传输的信息进行编码；用户2选择编码的情况与用户1类似11。因此，在协作成功
