基于協(xié)作通信系統(tǒng)的中繼選擇方案的研究

摘要：本文研究基于兩跳的協(xié)作通信系統(tǒng)中的中繼選擇問題。為了降低中斷概率，傳統(tǒng)中繼選擇方案往往需要引入更多的中繼節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作傳輸，導(dǎo)致系統(tǒng)平均吞吐量下降。為解決上述問題，本文提出了一種新的自適應(yīng)中繼選擇方案(ARSS)，此方案可以結(jié)合兩跳的鏈路信道狀況，自適應(yīng)地選擇中繼節(jié)點(diǎn)及其轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。仿真結(jié)果表明，與其他中繼選擇方案相比，本文提出的方案有效地降低了系統(tǒng)中斷概率，最小化中繼節(jié)點(diǎn)選擇的數(shù)目，同時(shí)提高了系統(tǒng)平均吞吐量。
關(guān)鍵詞：協(xié)作通信；自適應(yīng)中繼選擇；中斷概率

0 引言
    在無線通信網(wǎng)絡(luò)中，由于用戶終端受體積、功率等各種條件的約束，給多天線技術(shù)的實(shí)施帶來了困難。協(xié)作分集技術(shù)作為一種虛擬多天線技術(shù)，可以通過中繼節(jié)點(diǎn)的協(xié)作，對(duì)傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理，以使網(wǎng)絡(luò)用戶的能耗顯著降低，保證終端的數(shù)據(jù)接收，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。協(xié)作分集技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前無線通信領(lǐng)域的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。
    對(duì)于協(xié)作傳輸系統(tǒng)中的中繼選擇問題，Laneman和Wornell首先提出了在兩跳多分支(Two-Hop Multiple Channels)的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中，利用所有可獲得的中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，即“全中繼協(xié)作”(APR)方案。由于APR方案需要利用所有可獲得的信道，因而在多中繼場(chǎng)景下，APR方案的頻譜效率較低。中繼選擇(RS)方案克服了低頻譜效率的問題，大致可分為單中繼選擇(SRS)方案和多中繼選擇(MRS)方案。在SRS中，文獻(xiàn)選擇端到端SNR最大的中繼節(jié)點(diǎn)，從而帶來全分集增益(Full diversity gain)。文獻(xiàn)提出了最優(yōu)最差信道的中繼選擇(Best Worse Channel)方案，也實(shí)現(xiàn)了全分集。在MRS中，文獻(xiàn)提出在功率限制下，基于最大接收SNR(SNR)的RS方案。文獻(xiàn)提出在總能量受限的情況下選擇中繼節(jié)點(diǎn)，從而差錯(cuò)概率最小。
    SRS相比APR有更高的頻譜效率，但沒有充分利用空間分集的自由度。MRS具有更優(yōu)的差錯(cuò)與中斷概率性能，但最優(yōu)MRS方案的復(fù)雜度隨中繼數(shù)量呈指數(shù)增加，有時(shí)由于合并的SNR超出系統(tǒng)的要求，MRS方案會(huì)選擇一些不必要的中繼?；赗S中出現(xiàn)的以上問題，本文提出一種自適應(yīng)中繼選擇方案。在保證目的節(jié)點(diǎn)成功解碼的基礎(chǔ)上，減少中繼節(jié)點(diǎn)選擇的數(shù)目，從而在差錯(cuò)性能和頻譜效率之間取得更好的折衷。

1 系統(tǒng)模型
    設(shè)協(xié)作傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)模型如圖1所示，它是一個(gè)兩跳網(wǎng)絡(luò)，其中S表示源節(jié)點(diǎn)，D表示目的節(jié)點(diǎn)，Ri表示第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，hsi表示S到Ri的信道增益，服從均值為0、方差為σsi2的復(fù)高斯分布；hid表示Ri到D的信道增益，服從均值為0、方差為σid2的復(fù)高斯分布。

    假設(shè)信道狀態(tài)在完成一次S到D信息傳輸?shù)倪^程中保持不變，S發(fā)送的總功率為1，發(fā)送的信號(hào)為xs，則Ri收到的信號(hào)yri為：
   
    其中nsi是Ri處的噪聲，服從均值為0，方差為N0的復(fù)高斯分布。如果中繼節(jié)點(diǎn)采用放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)模式，則Ri轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)xi示為XiAF：
   
    如果中繼節(jié)點(diǎn)采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)模式，則Ri成功解碼轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)xi表示為XiDF：
   
    D接收到的Ri發(fā)送的信號(hào)為：
   
    其中nid是D處的噪聲，服從均值為0，方差為N0的復(fù)高斯分布。

2 自適應(yīng)中繼選擇方案(ARSS)
    基于圖1的系統(tǒng)模型，我們提出一種自適應(yīng)中繼選擇方案(ARSS)，具體過程如下：
2．1 確定是否需要中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)
    在第一跳中，S同時(shí)向所有中繼節(jié)點(diǎn)和D發(fā)送數(shù)據(jù)，D收到的信號(hào)ysd為：
   
    其中nsd是D處的噪聲，服從均值為0，方差為N0的復(fù)高斯分布。則S和D之間的互信息Isd為：
   
    在信息論中，若給定傳輸速率R，則當(dāng)信道容量小于R時(shí)產(chǎn)生中斷事件，可用中斷概率來表示。因此S和D之間的中斷概率可以表示為：

2．2 確定中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)方式
    在系統(tǒng)需要中繼轉(zhuǎn)發(fā)的情況下，S和Ri的互信息Isi為：

2．3 自適應(yīng)選擇中繼節(jié)點(diǎn)
    在第二跳中，通過AF轉(zhuǎn)發(fā)方式和DF轉(zhuǎn)發(fā)方式，D收到Ri轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)為：
   
    具體的中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法如下：
    (1)初始化中繼節(jié)點(diǎn)集合Ω。對(duì)yid從大到小排列，排序完的中繼節(jié)點(diǎn)集合記為Ω。Ω中的節(jié)點(diǎn)數(shù)為N，它隨每一次傳輸狀態(tài)的不同而變化。
    (2) 選擇中繼節(jié)點(diǎn)。當(dāng)需要中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)作時(shí)，從Ω中選擇SNR最大的中繼節(jié)點(diǎn)i*，即
   
    (3)判斷中繼選擇是否結(jié)束。目的節(jié)點(diǎn)D對(duì)收到的多個(gè)分集進(jìn)行最大比合并(MRC)，合并后的輸出SNR為：γ=γds+∑γid。計(jì)算SNRγ，i∈{1，2，3，．．，L}其中γsd=|hsd|2／N0，L表示被選的中繼節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，比較γ和門限γth_2：
    ·當(dāng)γ≥γth2，中繼選擇結(jié)束。
    ·當(dāng)γ<γth2，轉(zhuǎn)至步驟2。

3 仿真結(jié)果
    為了說明所提出的ARSS方案的性能，我們比較了ARSS方案與直接傳輸模式(direct)、解碼轉(zhuǎn)發(fā)模式(SDF)以及所有中繼參與放大轉(zhuǎn)發(fā)模式(AAF)的中斷概率、吞吐量，以及在滿足一定中斷概率下，選擇的平均中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)。其中中斷概率Pout為：

    圖2給出了中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目N=3的不同中繼選擇方案的中斷概率。仿真中設(shè)S到D，S到Ri，Ri到D的信道統(tǒng)計(jì)特性滿足零均值，方差。“direct”表示的是D和S之間的直接傳輸模式，不需要中繼節(jié)點(diǎn)的協(xié)作。“AAF”表示所有的中繼節(jié)點(diǎn)都參與放大轉(zhuǎn)發(fā)過程。“SDF”表示解碼轉(zhuǎn)發(fā)，只有解碼成功的中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)?？梢钥闯鯝RSS的中斷概率明顯要比其他中繼選擇方案的中斷概率小。

    圖3給出了中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目N=3的不同中繼選擇方案的平均吞吐量，仿真條件同圖2。直傳方式由于不需要中繼協(xié)作，所以吞吐量較其他有中繼節(jié)點(diǎn)的方式高。ARSS隨著SNR的增加越來越趨近于直傳方案，吞吐量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了AAF和SDF。

    圖4給出了中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目N=3的不同中繼選擇方案選擇的平均中繼節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。仿真條件同圖2。直傳方式由于不采用中繼協(xié)作，所以平均中繼個(gè)數(shù)為0。AAF方式的所有中繼節(jié)點(diǎn)都參與協(xié)作，當(dāng)N=3時(shí)，平均中繼個(gè)數(shù)為3。SDF方式下，在SNR較低時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)可能不能成功解碼源節(jié)點(diǎn)S的數(shù)據(jù)，所以不參與協(xié)作；在SNR較高時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)成功解碼S數(shù)據(jù)的概率變高，參與協(xié)作的中繼節(jié)點(diǎn)變多。ARSS與SDF正好相反，在SNR較低時(shí)，為了保證質(zhì)量，需要多節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作；SNR高時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作的概率變低。

4 總結(jié)
    本文提出了一種自適應(yīng)的中繼選擇方案。首先目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)直傳鏈路信道狀況決定是否需要中繼轉(zhuǎn)發(fā)；其次中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)第一跳鏈路的信道狀況，自適應(yīng)地選擇其轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議；最后目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)第二跳鏈路的信道狀況進(jìn)行中繼節(jié)點(diǎn)的選擇，從而在保證目的節(jié)點(diǎn)成功解碼的基礎(chǔ)上，減少所選的中繼節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。仿真結(jié)果表明，與其他中繼選擇方案相比，本文提出的方案有效地降低了系統(tǒng)的中斷概率，最小化了中繼節(jié)點(diǎn)選擇的數(shù)目，同時(shí)提高了系統(tǒng)平均吞吐量。