改進的協(xié)作中繼節(jié)點選擇策略

陳純鍇，謝紅

(哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，黑龍江哈爾濱150001)

1 協(xié)作網絡系統(tǒng)模型

采用的系統(tǒng)模型如圖1.信息的中繼分為2個階段:廣播階段和多址接入階段.在廣播階段，源節(jié)點(用S表示)以廣播形式向中繼節(jié)點(用R1，R2，…，RN表示)和目的節(jié)點(用D表示)發(fā)送信息，R對收到的信息進行信號處理，信源通過中繼Ri傳送信息到目標節(jié)點.假定所有鏈路為統(tǒng)計獨立的瑞利衰落，節(jié)點i和j間的信道系數(shù)為hi，j.瑞利衰落方差與路徑損耗間關系為，其中 p 為路徑損耗指數(shù)，di，j代表節(jié)點i和j間的距離.加性高斯白噪聲定義為 ni，j·CN(0，N0).為選擇可靠節(jié)點，在每個中繼節(jié)點設置SNR門限γT，此外源和中繼節(jié)點具有相同的發(fā)送功率Pt，總的發(fā)送功率為P=2Pt.

圖1 無線中繼網絡的協(xié)作模型Fig.1 Cooperative model in the wireless relay network

2 中繼選擇策略

為描述中繼選擇策略，首先提出中繼選擇的標準，此標準包括信源到中繼信道間信道增益和中繼與目標節(jié)點間的距離的信息，然后描述中繼選擇方案.

2.1 中繼選擇標準

通過對文獻［11］的性能分析，M-PSK調制系統(tǒng)的SER表述為

這樣式(1)可以寫成:

式中:Δ為編碼增益，表示為

γ=P/N0為信噪比，為了選擇最優(yōu)節(jié)點應該最大化式(3)的值，而影響增益的是

其中:ki為中繼節(jié)點i的選擇因子.為最大化編碼增益就必須對ki求極限，由于ki依靠均方差增益，為改善性能，應該對因子進行改進.

在全景敞視監(jiān)獄中，每個囚犯都被關在四周的一個小囚室里，兩面的墻壁使他不能與任何人接觸，他誰也看不見；同時，除了中心瞭望塔的監(jiān)督者之外，誰也不能看見他，他們處于一種絕對的封閉狀態(tài)。于是，他們在任何時候都不知道監(jiān)督者的在或不在，因此就會一直假設自己正在被監(jiān)視，有意識地保持一種被監(jiān)督的狀態(tài)，由此會有意識地規(guī)范自己的行為。這種狀態(tài)會一直持續(xù)，最終顯現(xiàn)出被囚禁者的自我改造。

由于在網絡初始化時能夠獲得距離信息，并且中繼和目標節(jié)點位置在初始化后相對固定，因此，將改善性能的重點放在信源與中繼節(jié)點間的鏈路上.這樣，利用信源與中繼節(jié)點瞬時信道增益|hs，r|2代替信道方差，另一方面，使用距離參數(shù)代替R-D信道方差，這樣式(4)變成:

2.2 中繼節(jié)點位置對系統(tǒng)性能影響

圖2 中繼節(jié)點位置對系統(tǒng)性能影響Fig.2 Influence of relay node position on system performance

2.3 中繼選擇方案

下面結合信道節(jié)點間距離及瞬時信道增益給出一種改進的中繼選擇方法，對于一個協(xié)作中繼網絡，在中繼節(jié)點構成的集合中，按照以下步驟選擇節(jié)點:

1)系統(tǒng)估計R-D距離并且為每個中繼確定一個門限.假定網絡中任意2個節(jié)點間距離能被文獻［13］估計方法所獲得，而門限值可以通過文獻［14］提供方法所獲得.

2)信源廣播信息，同時所有中繼節(jié)點監(jiān)聽，并且所有中繼估計瞬時S-R信道的增益.從信道增益中可以獲得S-R的SNR，然后每個中繼Ri將它的SNR值γs，ri和設定的門限值進行比較，判決其是否可靠，如果接收信噪比值大于門限值，則該中繼為可靠的，否則不是.

3)每個可靠的中繼通過發(fā)送確認信息告知源節(jié)點，此后在所有可靠節(jié)點中，根據(jù)提出的標準來選擇最優(yōu)節(jié)點.

在上述方案中，采用譯碼轉發(fā)模式(DF)，而且要考慮以下2種情況.

1)若沒有可靠中繼節(jié)點，信源將直接傳輸信息，則在目標節(jié)點接收到的信號為

式中:x是具有單位能量的傳輸信號，φd表示直接傳輸方式.

2)有可靠節(jié)點，源節(jié)點將使用中繼方式來傳輸自己的信息，這種方式下，信源廣播信息給最優(yōu)節(jié)點和目標節(jié)點，在最優(yōu)節(jié)點處和目標節(jié)點處接收到的信號分別表示為［15］

式中:Pt表示源節(jié)點處傳輸能量，φr表示中繼方式.最優(yōu)中繼轉發(fā)信息給目標節(jié)點時的傳輸能量同樣為Pt，此時目標節(jié)點接收的信號表示為

最后，目標節(jié)點以MRC方式復合來自最優(yōu)中繼和信源節(jié)點信息.

在以往的中繼選擇方案中，所有中繼節(jié)點將通過反饋信道發(fā)送自身選擇因子給目標或信源節(jié)點，這些中繼節(jié)點可能經歷由于深衰落而不可靠，然而，所有這些節(jié)點仍舊發(fā)送選擇因子，這種情況是沒有必要的并且浪費許多能量.因此，在步驟1)中為每個中繼節(jié)點設置門限，并且決定是否可靠.如果可靠則會發(fā)送一個消息給信源，否則保持沉默.通過門限值，能夠減小中繼節(jié)點的能量消耗.

3 系統(tǒng)仿真與結果分析

首先考慮具有一組有效中繼節(jié)點的無線協(xié)作網絡，信源及目標節(jié)點坐標分別為(0，0)，(1，0)，中繼節(jié)點在信源和目標節(jié)點間隨機分布.兩點間信道，p 是路徑損耗指數(shù)，并設置 p=3.此外，噪聲方差為1，信噪比為 P/N0，P為總的發(fā)射功率，使用BPSK調制.

首先來考察中繼節(jié)點位置對誤碼率的影響.以圖2為模型，信源、中繼及目標節(jié)點間距離分別表示為:ds，d、ds，r和 dr，d，模擬了不同的距離比的誤碼性能.從圖3可以看出，以三者距離比1∶1∶1為界限，當中繼傳輸路徑大于直接傳輸路徑距離時系統(tǒng)性能變差，當中繼傳輸路徑小于直接傳輸路徑距離時系統(tǒng)性能變好，當中繼節(jié)點的位置漸漸接近S和D之間，性能不斷改善，當中繼節(jié)點位置位于(S→D)之間，并且2條中繼傳輸路徑距離相同的情況下，其性能表現(xiàn)是最好的.

圖3 中繼節(jié)點位置對誤碼率的影響Fig.3 Influence of relay node position on SER

此外，考慮中繼節(jié)點位于信源附近，信源與目標中間，目標節(jié)點附近3種場景.不同場景下SER性能分析如圖4，最好的SER性能是靠近目標節(jié)點，相反，較差性能是將中繼節(jié)點遠離目標節(jié)點.通常來說，可以通過使用瞬時信道狀態(tài)信息來做出好的判決，本次仿真中，當每個中繼節(jié)點遠離信源節(jié)點時接收到的信號強度嚴重衰減，對于一個惡劣的環(huán)境，有必要選擇最優(yōu)中繼來協(xié)作通信，并且需要更多信息來幫助判決.使用S-R鏈路瞬時信道增益和R-D鏈路距離信息去構建選擇因子，而且對于深衰落S-R鏈路，不能通過瞬時信道增益做出精確判決;相比之下，對于根據(jù)R-D距離信息方式卻可以得到最好的判決，由于這個原因，中繼節(jié)點在目標附近比在信源附近有較好的SER性能.

圖5為系統(tǒng)性能曲線，4條曲線分別根據(jù)如下方案獲得:基于距離中繼選擇方案［10］，基于信道增益的中繼選擇方案［9］，無協(xié)作方案和改進的方案.中繼節(jié)點數(shù)目N=3，當SNR小于8 dB時，改進方案與基于信道增益方案基本相同;當SNR大于8 dB時，性能稍差，但其性能優(yōu)于基于距離方案，并且改進方案具有較低的復雜度，因此具有較強實際應用，特別是對于功率受限網絡，改進方案能以較少的能量損耗完成相同性能.

圖4 不同中繼節(jié)點分布的性能比較Fig.4 Performance comparison of the different relay nodes distribution

圖5 DF方式下不同中繼選擇方案比較(N=3)Fig.5 Comparison of different relay selection schemes under DF mode(N=3)

4 結束語

對于無線協(xié)作網絡，提出了基于瞬時信道增益和距離信息的改進中繼選擇方案.出于增加系統(tǒng)可靠性和降低復雜度兩方面考慮，要選擇的最優(yōu)中繼，它應該具有最小選擇因子，同時與瞬時、平均信道狀態(tài)(CSI)信息相關.選擇因子根據(jù)S-R瞬時信道增益和R-D距離來確定.而且通過過濾出可靠中繼能夠降低信道估計工作量.在DF協(xié)作策略下的仿真結果表明:改進的方案與基于距離的方案相比，在SER性能方面明顯改善;與基于信道增益的方案相比，在較低和中等SNR條件下二者性能相當.此外，改進方案的SER性能依賴于中繼節(jié)點相對于信源和目標節(jié)點的分布.

［1］SENDONARISA，ERKIPE，AAZHANGUSER B.Cooperation diversity.partⅠ:system description［J］.IEEE Trans Comm，2003，51(11):1927-1938.

［2］SENDONARISA，ERKIP E，AAZHANGUSER B.Cooperation diversity.partⅡ:system description ［J］.IEEE Trans Comm，2003，51(11):1938-1948.

［3］AGGELOSB，HYUNDONG S，MOE ZW.Outage optimality of opportunistic amplify-and-forward relaying［J］.IEEE Communication Letters，2007，11(3):261-263.

［4］CAIJ，SHEN X，MARK JW，et al.Semi-distributed user relaying algorithm for amplify-and-forward wireless relay networks［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2008，7(4):1348-1357.

［5］BLETSASA，SHIN H，WINM Z.Cooperative communications with outage-optimal opportunistic relaying［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2007，6(9):3450-346.

［6］LIN Z，ERKIP E，STEFANOV A.Cooperative regions and partner choice in coded cooperative systems［J］.IEEE Transactions on Communications，2006，54(7):1323-1334.

［7］BLETSASA，REED D P，LIPPMAN A.A simple cooperative diversity method based on network path selection［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2006，24(3):659-672.

［8］MICHALOPOULOS D，KARAGIANNIDISG.Performance analysis of single relay selection in Rayleigh fading［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2008，7(10):3718-3724.

［9］SU W，IBRAHIM A S，SADEK A K，et al.Cooperative communications with relay selection:when to cooperate and whom to cooperate with?［J］.IEEE Transactions Wireless Communications，2008，7(7):2814-2827.

［10］WANG C L，SYUE S J.A geographic based approach to relay selection for wireless Ad Hoc relay networks［C］//IEEE Vehicular Technology Conference. Barcelona，Spain，2009:1-5.

［11］SUW A，IBRAHIM S A，SADEK K，et al.Cooperative communication protocols in wireless networks:performance analysis and optimal power allocation［J］.Wireless Personal Communication，2008，44(1):181-217.

［12］NOSRATINIA A，HUNTER T E，HEDAYAT A.Cooperative communication in wireless networks［J］.IEEE Commun，2004，42(10):74-80.

［13］PHAIBOON S.An empirically based path loss model for indoor wireless channels in laboratory building［C］//IEEERegion 10 Annual International Conference.Beijing，China，2002:1020-1023.

［14］ONAT FA，ADINOYIA，F(xiàn)AN Y，etal.Optimum threshold for SNR-based selective digital relaying schemes in cooperative wireless networks［C］//IEEE Wireless Communications and Networking Conference.Kowloon，China，2007:970-975.

［15］LANEMAN JN，TSE D N C，WORNELLGW.Cooperative diversity in wireless networks:efficient protocols and outage behavior［J］.IEEE Trans on Inform Theory，2004，3(50):3062-3080.