摘 要：对于多用户的协作通信网络，由于链路质量一般不同，所需的差错保护能力也不相
同。本文采用可以多阶段译码的不等差错保护多级编码调制技术（UEP-BCM），以中断概率
最小为准则，为链路分配具有不同错误保护等级的中继。仿真结果表明，无论是中断概率还
是误码率性能，相对于QPSK 中继方案UEP-BCM 方案都有较大增益，且链路质量越差增益
越大，从而获得了较好的网络整体性能。
关键词：协作通信；不等错误保护；多级编码调制；多阶段译码
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A
1 引言
对于仅采用单天线的通信系统，如Ad hoc 网络和传感器网络(WSN)，为了获得大的覆
盖范围和高的性能，引进了协作通信技术[1]，通过共享移动终端天线以中继的形式可获得空
间分集、增大覆盖范围和降低发射功率的好处。协作过程中一个节点可能要为多个节点进行
中继，一般中继方案[2~5]中中继节点对所有的节点采取相同的操作，这就会出现当某一链路
质量很差而其它链路质量很好时，网络就会中断，虽然这时的网络传输速率可能并没有超过
网络的总体容量。由于网络传输速率小于网络信道容量，这说明存在一种更有效的传输方案。
对于具有多条中继链路的通信网络，链路质量通常是不同的，所需的差错保护能力也不
一样。基于这一点，本文根据传输链路的质量，以链路中断概率为代价，采用不等差错保护
多级编码调制（UEP-BCM Unequal Error Protection Block Code Modulation）技术[6~10]，为链
路提供与其质量相匹配的差错保护能力，使得网络整体中断概率最小。由于具有多阶段译码
的特点，UEP-BCM 方案可以采用广播的形式为多个节点同时进行中继。理路分析和仿真结
果表明，本文所提方案不仅可以显著降低用户的中断概率和误码率，而且各条链路的中断概
率和误码率均降低到一个接近的水平，获得了较好的网络整体性能。
2 系统模型
2.1 非对称错误保护多级编码调制（UEP-BCM）
α
图1 非对称8-PSK 星座混合II 型分割
图1 为8-PSK 星座图非对称混合II 型分割[9]，该分割将信号集S 分为三级，分别用0 Q 、
-2-
1 Q 和2 Q 表示，角度α 为调整参数。对于比特-信号映射，每个8-PSK 信号s 由一个3 比特的
基于3 级二进制分割链Q0/Q1/Q2序列0 1 2 a a a 标记。令( ) 0 Q a 表示S 中标签第一位是0 a 的信
号点集合。( ) 0 Q a = 0, 1 分别为信号集S 中白色和黑色的点的集合。类似的( ) 0 1 Q a a = 0, 1 分
别为( ) 0 Q a 中圆点和方点表示的点集合，而( ) 0 1 2 Q a aa 再从( ) 0 1 Q a a 中选择一个信号点。信号
集S 、( ) 0 Q a 、( ) 0 1 Q a a 、和( ) 0 1 2 Q a aa 的集内距离分别用2
0 Δ 、2
1 Δ 和22
Δ 表示，其中2
0 Δ 、2
1 Δ 和
22
Δ 决定了对信息比特0 1 2 a aa 的保护能力。
信号集分割和信号标记过程定义了一个一一映射f (⋅) ，它把每个标签0 1 2 a a a 映射成相
应的信号点s ， 即( ) 0 1 2 f a a a = s 。文献[9] 给出了图1 所示分割的集内距离分别为
4sin2 90
360
α
π
⎛ − ⎞
⎜ ⎟
⎝ ⎠
、4 4sin2
360
α
− ⎛⎜ π⎞⎟
⎝ ⎠
和4sin2
360
α
⎛ π⎞
⎜ ⎟
⎝ ⎠
，并给出了块分割和混合I 型分割等其它
方案等，分割级数同样不限于8PSK 的三级。
2.2 UEP-BCM 多级编码调制及多阶段译码
0 C 0 R
1 C 1 R
M
l C l 1 R −
l级BCM调制
L
0 a
0 s
1 s
l 1 s −
1 a
l 1 a −
x
0 译码器D
1 译码器D
M
l 1 D− 译码器
0 ˆ c
1 ˆ c
1 ˆl c −
r
L M
l级UEP-BCM编码结构l级UEP-BCM译码结构
图2 UEP-BCM 编译码结构
图2 为一个l 级的UEP-BCM 编译码框图。对于i∈I，I= {0, 2,Ll−1} ， ( ) i 0,i 1,i n 1,i C c c c−
= L
是长度为n ， 维数为i k 以及汉明距离为i d 的二进制( , , ) i i n k d 。交织后的BCM 码
( )( ) 0 1 1 0,0 0,1 0, 1 1,0 1,1 1, 1 1,0 1,1 1, 1 , , , l l l n n n l C f C C C c c c c c c c c c − − − − − − − = ∗ ∗L∗ = L L L L 的频谱效率是：
0 1 1
0 1 1 ( ) l
l
C k k k R R R
n
η −
−
+ + +
= = + + + L
L 比特/符号 (1)
若不同的分量码i C 传送的数据相互独立，则上述系统等效为l 个虚拟中继中继节点，排
序后的l 级BCM 信号集内距离用2 2 2
0 1 1 , , ,l − Δ Δ L Δ 表示：
2 2 2
0 1 l−1 Δ ≥ Δ ≥ L ≥ Δ (2)
假设0 1 l1 d d d−
≥ ≥L≥ （ 0 1 l1 R R R−
≤ ≤L≤ ），则l 级UEP-BCM 编码差错保护能力可以表
示为：
2 2 2
0 0 1 1 l1 l1 d d d− − Δ ≥ Δ ≥L≥ Δ (3)
并定义等效无衰落信噪比
2
0 2
SNRk k
N
Δ
= ， 0
2
N 为加性白噪声双边功率谱密度，k 表示第k
个虚拟中继节点。
-3-
2.3 中继模型
源节点中继节点目的节点
图3 中继协作通信框图
图3 为一个采用l 级UEP-BCM 码的中继通信模型，中继节点同时为l 个源-目的节点对
服务（如固定中继方案）。信道传输模型为
( ) ( ) ( )
,
,
i i i i
r sr s r
d i r d i r d i
y h x n
i I
y h x n
= +
∈
= + (4)
式中is
x 、r x 为第i 个源节点和中继节点发送信号， ir
n 、d(i) n 为中继接节点处的噪声和目
的节点d(i) 处的噪声， ,
is
r h 、,
i
r d h 为对应的信道衰落系数，且相互独立。
对于不同的i∈I，相互独立的,
is
r h 、,
i
r d h 服从的分布不同（节点间距离不同，所处衰落
深度不同），则链路质量也是不同的。一般的中继方案不考虑链路质量而采用统一的处理，
这使得较差链路的性能很差，而链路质量较好的链路又浪费了信道资源和功率。为不同质量
的链路提供不同的差错保护能力显然是一种更优的方案，即将有限的资源分配给最需要的地
方。
3 中断概率最小的中继选择及性能分析
3.1 中断概率分析
转发协议采用译码转发，即中继节点收到源节点的信号后进行判决译码再转发。
对于i∈I，源节点i 到中继节点的信道容量为：
( 2 )
, , , i log 1 i i
s r s r s r I = +SNR h (5)
假设中继节点给节点i 提供第k∈I级差错保护等级中继，则中继到目的节点的信道容量
为：
( ) ( ) ( ) { ( )}
( )
2
, , ,
2 2
,
0
min log 1
min log 1
2
k l
r d i l k r d i r d i
l
l k r d i
I SNR h
h
N
≤
≤
= +
= ⎧⎨⎪ ⎛⎜ + Δ ⎞⎟⎪⎫⎬
⎪⎩ ⎝ ⎠⎭⎪
(6)
由(2)及对数函数单调性可得
( ) ( )
2 2
, ,
0
log 1
2
k k
r d i r d i I h
N
⎛ Δ ⎞
= ⎜ + ⎟
⎝ ⎠
(7)
由(5)、(7)可知，源节点i 到中继节点和中继到目的节点d(i) 的中断概率为：
-4-
( ) ( ( ) )
( )
( ) ( ) ( ) ( )
( )
( )
,
,
, 2
, , , , ,
2
,
,
, , 2 2
, , , ,
0
2
, 2
0
Pr Pr log 1
Pr 2 1
Pr( ) Pr log 1
2
Pr 2 1
2
i
s r
k
r d i
i r i i i i i
out s r s r s r s r s r
R
i
s r i
s r
r d i k i k k k
out r d i r d i r d i r d i
R
r d i
k
P I R SNR h R
h
SNR
P I R h R
N
h
N
= < = + <
⎛ − ⎞
= ⎜⎜ < ⎟⎟
⎝ ⎠
⎛ ⎛ Δ ⎞ ⎞
= < = ⎜⎜⎝ ⎜⎝ + ⎟⎠< ⎟⎟⎠
= ⎛⎜ < − ⎞⎟
⎜⎝ Δ ⎟⎠
(8)
则该链路的中断概率为：
( ) ( )
( ) ( )
( )
( )
, , ( )
, , , , ,
, , , , , ,
, , ,
2 2
, , 2
, 0
1
Pr 2 1 Pr 2 1
2
i k
s r r d i
i k i r i r r d i k
out out out out
i r r d i k i r r d i k
out out out out
i r r d i k
out out
R R
i
s r i r d i
s r k
P P P P
P P P P
P P
h h
SNR N
= + −
= + −
≈ +
= ⎜⎜⎝⎛ < − ⎟⎟⎠⎞+ ⎜⎜⎝⎛ < Δ − ⎟⎟⎠⎞
(9)
对于瑞利衰落信道，
2
i,j h 服从参数为2
i,j i,j λ = σ − 的指数分布，则(9)式变为[11]
( )
( )
( )
( )
( )
( )
, ,
, ,
,
2 22
, , ,
0
2 2 2
, , ,
0
1 exp 2 1 1 exp 2 1
2
2 1 2 1 , SNR
2
i k
s r r d i
i k
s r r d i
R R
i k
out sir sir ri d k
R R
sir sir ri d k
P
SNR
N
SNR
N
σ σ
σ σ
⎛ ⎞
= − ⎛⎜− − ⎞⎟+ − ⎜⎜− − ⎟⎟
⎜ ⎟ ⎜ Δ ⎟
⎝ ⎠ ⎜ ⎟
⎝ ⎠
− −
≈ +
Δ
高
(10)
3.2 最小化中断概率中继选择
(10)式给出了瑞利衰落信道下的链路中断概率，若以网络中断概率最小为最优准则，为
每条链路选择对应等级的差错保护中继是图论中的最大匹配问题（Maximal Matching
Problems）。以中断概率为链路代价，该问题转换为最小重量匹配问题（Minimal Weighted
Matching Problem）。对于较少节点网络，可以选用最小重量匹配算法，对于较大规模的网
络，由于复杂度较高，常选用次优的匹配算法，如贪心算法。对于一个l 级UEP-BCM 中继
系统，按照下面的原则为源-目的节点选择错误保护等级：
min i,k
k I i I out
P
∈
∈
⎛ ⎞
⎜ ⎟
⎝ ⎠
Σ (11)
(11)式是一个最小重量匹配问题， i,k
out
i I
P
∈ Σ
即是网络中断概率，所以式(11)等价于使网络
中断概率最小。
3.3 速率匹配问题
由于不同的i∈I，分量码i C 的码速率不同，在中继节点处存在一个信息速率匹配的问
题。如( , ) i j R=mR i j∈I且i≠j ，若第j 个虚拟中继信道可以为n 个用户服务，那么第i 个虚
拟中继信道可以为mn 个用户服务。对于码率间不是整数倍关系的情况，可以通过在最后的
分组中适当补零来解决。
-5-
4 数据仿真及分析
为简化分析，假设只有三个用户，采用文献[9]中的混合II 型(Hybrid-II)三级非对称BCM
分割，参数α = 30 ，三个分量码为（127，43，29）（127，85，13）和（127，120，3）BCH
码。信道衰落为瑞利衰落， 噪声为功率为0 N 的白噪声。码的频谱效率为
( ) 43 85 120 1.9528
127
η C
+ +
= ≈ 比特/符号，接近QPSK 的2bit/符号的频谱效率。为了验证
UEP-BCM 方案的性能，仿真中假设源到中继信道信噪比均为30dB，由于实际网络中肯定
存在不止一个中继节点，通过中继选择，这一点(较好的源中继信道)是容易满足的。为了便
于分析，令2 1
, , 7 r d r d SNR =SNR + dB ， 3 2
, , 7 r d r d SNR =SNR + dB ，即令三个用户的信道质量依次递增。
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36
10-3
10-2
10-1
100
SNR1r
,d(dB)
Pout
SNR2
r,d=SNR1
r,d+7dB , SNR3
r,d=SNR2
r,d+7dB
用户1
用户2
用户3
UEP-BCM
QPSK
图4 瑞利衰落信道下用户中断概率性能
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36
10-3
10-2
10-1
100
SNR1
r,d(dB)
Pout
SNR2
r,d=SNR1
r,d+7dB , SNR3
r,d=SNR2
r,d+7dB
UEP-BCM
QPSK
图5 瑞利衰落信道下最大中断概率性能
由图4 可知，UEP-BCM 中继方案对不同质量的链路提供与链路质量成反比的性能增益。
对于链路质量不同的三个用户，在中断概率10 2 out P = − 处，UEP-BCM 方案相对于QPSK 中继
方案分别约有14dB、5.4dB 和2.5dB 的性能增益，即链路质量越差，性能增益越大。采用
UEP-BCM 方案后，三个用户的中断概率均下降到一个比较接近的水平，所以采用UEP-BCM
的方案整体中断概率有很大降低，接近最优。图5 中给出了最大中断概率性能，在10 2 out P = −
处有将近11dB 的性能增益，这也印证UEP-BCM 方案的整体最优性。
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100
SNR1
r,d(dB)
BER
SNR2
r,d=SNR1
r,d+7dB , SNR3
r,d=SNR2
r,d+7dB
用户1
用户2
用户3
UEP-BCM
QPSK
图6 瑞利衰落信道下用户误码率性能
图6 为在瑞利慢衰落信道条件下UEP-BCM 方案和QPSK 中继方案的误码率性能对比（无交织器），从图中
可以看到在BER = 10−3 处，UEP-BCM 方案中用户1、2、3 相对与QPSK 中继方案分别可以获得约13dB、
9dB 和3dB 的性能增益。且相对于QPSK 中继方案10−3.7 的误码平台，UEP-BCM 方案将其降低到10−4.7 以
-6-
下。若采用交织技术将慢衰落信道转化为快衰落信道，系统性能将进一步改善。
5 结论
本文采用UEP-BCM 编码调制及多阶段译码，以整体中断概率最小为准则为不同质量的
中继链路提供不同等级的差错保护能力，更有效地利用了网络的信道资源，使得网络整体性
能得到较大改善。仿真结果表明，UEP-BCM 方案的中断概率性能和误码率性能均具有较大
增益，且用户的中断概率均下降到比较接近的水平，即链路质量越差性能增益越大，使得整
体性能最优。
参考文献
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[5] J Boyer, D D Falconer and H Yanikomeroglu. "Multihop diversity in wireless relaying channels"[J]. IEEE
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[7] L F Wei. "Coded modulation with unequal error protection"[J]. IEEE Trans. Commun. , 1993, 41[10]:
1939-1949
[8] R H Morelos-Zaragoza, M P C Fossorier, S Lin, and H Imai. "Multilevel coded modulation for unequal error
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unequal error protection and multistage decoding. II. Asymmetric constellations"[J]. IEEE Trans. Commun. , 2000,
48[5]: 2774-2786
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outage behavior"[J]. IEEE Trans. Inform. Theory, 2004, 50[12]: 3062-3080
Unequal Error Protection Block Code Modulation and
Multistage Decoding in Cooperation System
TANG YunShuai, LI Jing
State Key Laboratory Of Integrated Service Networks, Xidian University, Xi’an (710071)
Abstract
In multi-user cooperation communication networks, links’ quality are usually different, and the needs
of error protection are not equal either. An unequal error protection block code modulation and
multistage decoding (UEP-BCM) scheme was used to minimize the outage probability, and suited error
protection relays were assigned to different links. Simulation results show that both outage and BER
performance are improved significantly. Compared with QPSK relay, UEP-BCM scheme has a large
gain, which is inversely proportional to the link’s quality, so the whole performance is better.
Keywords: Cooperation Communication; Unequal Error Protection; Block Code Modulation；
需要完整，原创，优秀的毕业论文或职称论文请联系 ，可以帮到你！
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