協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)中繼選擇策略研究

劉善斌

【摘要】 本文以協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)中繼選擇策略為研究對象，通過對協(xié)同通信及其中繼選擇技術(shù)基礎(chǔ)、單源以及多源多中繼網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)中繼選擇策略的分析，試圖探索出相對完善的協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)中繼選擇策略，推動協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)中繼系統(tǒng)的理論研究發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】 協(xié)同通信 網(wǎng)絡(luò) 中繼 策略

一、協(xié)同通信的基本原理

協(xié)同通信是通過由通信網(wǎng)絡(luò)的用戶天線構(gòu)成分布式天線陣列，讓不同用戶向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號通過各自獨(dú)立的衰落信道，而接受到的衰落信號也是各自獨(dú)立的。協(xié)同傳輸本質(zhì)是讓不同的單天線用戶以合作方式獲取通信系統(tǒng)的分集性能，降低通信設(shè)備開發(fā)成本，用一種更高效快捷的形式實(shí)現(xiàn)分集。同時協(xié)同中繼可以通過通信網(wǎng)絡(luò)中各個用戶節(jié)點(diǎn)的接力傳輸，有效擴(kuò)展通信覆蓋面、降低通信組網(wǎng)成本、提高通信系統(tǒng)容量，優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)性能。協(xié)同通信系統(tǒng)由源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)以及目標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。

在三節(jié)點(diǎn)中繼信道模型中只存在單一的源節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)為源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同傳輸?shù)膶儆趩卧磫沃欣^協(xié)同系統(tǒng)模型。單源多中繼協(xié)同系統(tǒng)模型則是由單一源節(jié)點(diǎn)、多個中繼節(jié)點(diǎn)、和單一目標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。多源多中繼協(xié)同系統(tǒng)模型則是由由多個源節(jié)點(diǎn)，多個中繼節(jié)點(diǎn)和多個目標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。

二、基于不同準(zhǔn)則的中繼選擇策略

第一，以平均信道信息為基準(zhǔn)的中繼選擇。在以平均信道狀態(tài)信息為基準(zhǔn)的中繼選擇策略中，人們需要依據(jù)源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)或中繼節(jié)點(diǎn)同目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的相對位置信息或參數(shù)來實(shí)現(xiàn)協(xié)同中繼節(jié)點(diǎn)的選擇策略，該策略要求通信系統(tǒng)具備相對距離和位置參數(shù)的評估設(shè)備等，如可以估計通信系統(tǒng)中繼節(jié)點(diǎn)間的平均SNR。第二，以瞬時信道信息為基準(zhǔn)的中繼選擇。機(jī)會中繼選擇策略是具有代表性的以瞬時信道狀態(tài)信息為基準(zhǔn)的分布式中繼選擇策略。該策略的基本原理是從M個備選中繼節(jié)點(diǎn)內(nèi)，選擇一個介于源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間，具備從最佳端到端路徑的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)用來作為協(xié)同中繼，為通信系統(tǒng)的源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息數(shù)據(jù)。在以瞬時信道狀態(tài)信息為基準(zhǔn)的中繼選擇策略中，人們必須了解各節(jié)點(diǎn)間的相應(yīng)的瞬時信道狀態(tài)，而估計該參數(shù)相對容易，而且不需要相對距離和位置參數(shù)的估計，成本低廉；但瞬時信道狀態(tài)的不穩(wěn)定性要求相對的協(xié)同伙伴能同步跟蹤并及時更新信道狀態(tài)參數(shù)，需要額外成本。第三，以中斷概率為基準(zhǔn)的中繼選擇策略。中斷概率一般是指在描述評估當(dāng)信道容量不能達(dá)到目標(biāo)傳輸速率的要求時，發(fā)生中斷情況的可能性大小。中斷概率總體分布主要是由信道鏈路的相應(yīng)的信道衰落分布模型和平均信噪比所決定的.，其本質(zhì)上在表達(dá)通信系統(tǒng)的互信息量大小。該中繼選擇策略能夠提高通信過程的可靠性和連續(xù)性，但采用多節(jié)點(diǎn)中繼以片面追求低中斷概率會導(dǎo)致成本升高。第四，以誤符號率為基準(zhǔn)的中繼選擇。除了速率與信噪比，誤符號率同時要評估通信終端的信號合并方式和網(wǎng)絡(luò)物理層利用的調(diào)制傳輸方式等。用戶使用不同的中繼或源節(jié)點(diǎn)都會導(dǎo)致誤符號率的不同，因此在中繼節(jié)點(diǎn)集合中可尋求讓誤符號率最小的中繼用作最優(yōu)中繼。該中繼選擇策略可通過信道系數(shù)代入計算誤符號率公式求出所需誤符號率參數(shù)，求出最優(yōu)中繼作為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。該選擇策略兼顧了終端信號合并方式與網(wǎng)絡(luò)物理層調(diào)制傳輸方式，貼近網(wǎng)絡(luò)實(shí)際。高信噪比同高中繼數(shù)量一樣會使誤碼率降低，需要對其進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。第五，以功率分配為基準(zhǔn)的中繼選擇。各節(jié)點(diǎn)合理的功率分配有利于延長各節(jié)點(diǎn)的工作時間，從而增加全通信網(wǎng)絡(luò)使用生命。網(wǎng)絡(luò)生命期一般指的是為滿足預(yù)期中斷概率，滿足信宿接收信噪比需求所持續(xù)的時間。若通信系統(tǒng)內(nèi)源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間無直接路徑，則要選擇相應(yīng)的中繼放大轉(zhuǎn)發(fā)信源信息。根據(jù)剩余能量信息和中繼節(jié)點(diǎn)信道狀態(tài)信息的不同，網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化的中繼選擇策略一般可分為三種。如可在多用戶協(xié)同系統(tǒng)中選擇一個中繼節(jié)點(diǎn)參與協(xié)同，給出效用方程的函數(shù)定義，方程包含兩變量：中繼節(jié)點(diǎn)傳輸功率和源節(jié)點(diǎn)，依據(jù)效用方程劃分三種最優(yōu)節(jié)點(diǎn)選擇策略。第一種是最小化總功率效用函數(shù)，側(cè)重于降低源、中繼節(jié)點(diǎn)的總傳輸功耗，第二種是最小化最大化功率的效用函數(shù)，側(cè)重于降低源、中繼節(jié)點(diǎn)中較大的節(jié)點(diǎn)功耗，從增加節(jié)點(diǎn)層功耗的公平性；第三種是最小化平均功率的效用方程，側(cè)重于整個網(wǎng)絡(luò)層的功率的平均合理分配。

三、結(jié)語

各種以不同準(zhǔn)則為基準(zhǔn)的中繼選擇策略各有優(yōu)缺點(diǎn)，以平道信道狀態(tài)為準(zhǔn)則的策略復(fù)雜度低，但是要求對相對距離和位置參數(shù)進(jìn)行估計；以瞬時信道狀態(tài)信息為準(zhǔn)則的策略自適應(yīng)靈活，所選中繼節(jié)點(diǎn)信道狀態(tài)良好，但是容易發(fā)生節(jié)點(diǎn)沖突導(dǎo)致無法得出正確中繼節(jié)點(diǎn)；以中斷概率為準(zhǔn)則的策略有利于保障通信的連續(xù)性與可靠性，但是盲目追求低中斷概率容易導(dǎo)致資源耗費(fèi)增加；以誤符號率為為準(zhǔn)則的策略更貼近網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)際，但是需要對高信噪比和中繼數(shù)量進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化；以功率分配為為準(zhǔn)則的策略有利于節(jié)省能量，增加網(wǎng)絡(luò)生命周期，但是復(fù)雜度高，操作性不強(qiáng)。各個不同準(zhǔn)則的協(xié)同通信中繼選擇策略為中繼選擇策略的優(yōu)化奠定理論與技術(shù)基礎(chǔ)。