協作通信網絡中的中繼節點選擇技術

[摘要] 協作通信作為一種新型的通信模式越來越受到人們的關注，而中繼節點選擇技術是其關鍵技術之一，決定了協作能否帶來性能增益。文章基于協同節點選擇技術的性能評價標準給出了相應的分類方法，對近年來典型的協同節點選擇算法并進行分析和比較，得出結論:只有根據系統需求合理地選擇、配置中繼節點才能更好地優化協同通信的性能。

[關鍵詞]協作通信;中繼選擇;資源分配

Emerging as a new communication paradigm， cooperative communication is attracting growing attention. Relay selection is the key technology for cooperative communication， which even determines whether the performance gain of cooperation can be obtained. In this paper， we first give the performance evaluation metrics for relay selection algorithms， and then discuss the corresponding categories. Finally， some classical relay selection algorithms are analyzed. Results show that the relay node should be seriously selected and configured according to the system requirements so as to optimize the performance of cooperative communication.

cooperative communication; relay selection; resource allocation

在未來移動通信系統中，多輸入多輸出(MIMO)系統的優勢已經得到了廣泛的認同，然而受到節點尺寸以及能量的限制使得MIMO技術的實現變得困難[1-2]，而協同通信技術則充分利用了無線電波的全向傳播特性，使無線網絡中的節點相互協作形成了虛擬的天線陣列來獲得傳統MIMO技術的空間分集增益，當前協同通信的主要方式有:放大中繼(AF)、解碼中繼[3](DF)、編碼協同[4](CC)等方式。相對于其他協同方式，編碼協同方式將協同通信技術和信道編碼技術相結合，在不消耗更多系統資源(帶寬等)的前提下獲得完全的分集增益。在協同系統中一個至關重要的問題就是如何選擇合適的協同節點，它甚至決定了協同系統是否可以帶來增益。在這方面已有研究人員做出了貢獻，但是每種系統和算法都用來解決不同的問題并有不同的應用。因此，本文研究并給出了協同節點選擇技術的性能評價標準以及分類方法，并且總結了近年來典型的協同節點選擇算法。

1 中繼節點選擇算法的評價標準

為了深入、深刻地對各種不同的中繼節點選擇算法進行比較和分析，我們應首先給出正確、有效的性能評價標準。因此，我們從以下幾個方面來定性的評價中繼選擇算法的性能:

(1)算法效果

協同系統設計的主要目標是增加網絡容量，減少功率消耗以及增加網絡覆蓋，這也理所當然的成為了協同節點選擇算法的考核標準。值得注意的是網絡容量、功率消耗以及網絡覆蓋3者之間存在折中，因此協同節點選擇算法也要根據不同系統的需求來選擇不同的優化目標進行優化。

(2)算法復雜度

協同通信的本質思想就是從網絡角度來優化整個系統的性能，然而這也引入了更多的優化元素導致算法復雜度的增加，因此如何很好的控制協同節點選擇的算法復雜度并達到理想的系統性能是評價協同節點選擇算法的重要標尺。

(3)算法帶來的通信開銷

在協同系統中，節點間需要交互更多的信息(例如信源信息、信道信息、能量信息等)來共同完成信息傳遞，從而增加了系統的通信開銷，這給系統性能帶來了負面影響。因此在協同節點選擇算法也要充分考慮這一點，僅僅當協同增益大于額外開銷的性能損失時才選擇協同。協同節點選擇算法的執行過程中也還應盡量減少開銷，現有主要的方法有限制反饋，模糊選擇等。

(4)算法的自適應和容錯性

由于無線信道的時變特性以及節點的移動性，使得信道信息、節點狀態信息無法精確獲得，這就使得協同節點選擇算法需要具備魯棒性，能夠自適應的調整選擇策略，并對信道環境變差以及協同節點無法響應等狀況具有容錯特性。

(5)算法代價(軟硬件支持)

算法的代價可以從幾個方面來評價。時間代價包括一個系統的安裝時間、配置時間、算法執行時間。空間代價包括該算法需要的基礎設施和網絡的節點數量、節點尺寸等。不同的協同節點選擇算法所需要的軟硬件支持也不盡相同，有些算法要求節點有較為強的存儲和計算能力，有些算法則需要額外硬件支持(GPS等)。應根據應用背景和需求，綜合考慮技術、成本等多種因素來選則協同節點選擇算法。

2 中繼節點選擇算法的分類

(1)算法執行方式

算法的執行方式主要分為:中心式和分布式。中心式算法是指將所需要的信息傳送到某一中心節點(例如:基站、AP等)，中心節點利用這些信息執行協同節點選擇算法并將結果反饋給源節點和相應的協同節點。分布式計算則是依賴節點間的信息交換和協調，由節點自行判斷是否協作和與誰協作。

中心式算法的優點在于從全局角度統籌規劃，使得系統工作在全局最優狀態，然而由于需要搜集相關的信息以及計算全局最優，因此會引入較大的通信開銷和計算開銷。分布式算法往往獲得是局部最優解，但是分布式算法分散了通信開銷和計算復雜度，而且分布式算法更加適用于無固定支持的網絡(如Ad Hoc網絡)

(2)中繼節點個數

中繼節點個數的確定是中繼節點選擇算法的熱點問題，使用單個節點還是使用多個節點仍然是一個開放性問題。

使用單個協同節點進行協同使得接收端的硬件簡單易于實現，并且沒有損失分集階數，單個中繼節點選擇需要知道各個信道的信道信息，并按照某種規則進行排序，從中選出最優的節點。然而單個節點的處理能力和支持的功率是有限的，當信道處于深度衰落的情況下，單個中繼節點無法完成源節點的服務質量(QoS)需求，而且使用多個中繼節點也可以增加系統的復用增益，因此根據信道和中繼節點的狀態調整節點選擇的個數的選擇算法更加合理。

(3)協同的方式

協同方式是協同系統中的重要參數，不同的協同方式也對協同節點的選擇算法產生和很大影響，例如:在DF協同方式中，節點只有正確解碼后才能參與到協同傳輸;而在AF中協同節點對源節點的信號不做任何處理且所有協同節點都能傳輸該信息，這直接影響了協同節點選擇算法的備選集合。因此對于不同的協同方式要采用不同的協同節點選擇算法。另外我們可把協同方式選擇和協同節點選擇相結合，在同一個系統中自適應的使用不同的協同方式和協同節點選擇算法。

(4)中繼節點選擇和其他協同資源的聯合分配

對于協同系統，協同節點僅僅是系統資源的一部分，因此目前的研究工作大都在將協同節點選擇和其他資源分配聯合考慮，例如功率，帶寬等。通過跨層聯合設計這些系統資源可以使系統的性能得到較大的改善。然而由于引入了更多的變量和優化目標，從而給系統設計帶來了巨大挑戰，在多數情況下使得系統最優問題成為非多項式(NP)難問題。如何找到適當的聯合優化參數以及設計可執行的漸進最優算法也是協同節點選擇及其相關的資源分配算法應考慮的重點。

(5)應用場景

當前的無線通信系統大都可以分為有固定設施支撐和無固定設施支撐兩種，在有固定設施支撐的網絡中(如:蜂窩網)，其通信形式基本呈現為多對一或多對一的通信，即多個用戶到基站、基站到多個用戶，此外網絡中的中心節點對網絡起到支配和管理作用，從而有利于資源的合理分配和中心式算法的執行。而在無固定設施支撐的網絡(如:Ad Hoc網絡)中存在多對源和目的節點對，并且沒有中心節點來進行管理，通信節點對之間呈現競爭關系，因此控制通信節點對之間的相互干擾是影響系統性能的重要因素也是設計的難點。

(6)中繼節點屬性

在不同的網絡中中繼節點的屬性也不盡相同。中繼節點可以是固定的也可以是移動的，可以是有源的也可以是無源的，有些裝配單根天線而有些則裝配多根天線，節點的屬性不同直接影響了協同節點選擇的策略。在蜂窩網中，無論固定的還是移動的中繼節點大多是有能量支持的，并且中繼節點上大多可能配備多根天線，擁有相對較強處理和傳輸能力，因此可以將較多的工作轉移到中繼節點上進行，從而降低移動終端的復雜度和能量消耗，同時為移動終端提供較好的QoS保障。在自組織網絡中，網絡中所有節點屬性基本相同，且大都使用電池供電，處理和傳輸能力也相對有限，因此在協同節點選擇算法設計時應充分考慮節點的能量問題，在保證服務的條件下盡量延長網絡的生存時間。

3 典型算法介紹

(1)基于協作增益的單節點選擇策略

協同節點選擇算法的目的就是提高協同通信所帶來的增益，文獻[5]研究了編碼協同中的協同節點選擇策略，協同網絡模型如圖1所示，本文以端到端的誤幀率作為標準定義了用戶協同增益G:

式(1)中Pno-coop為非協同傳輸時的誤幀率，Pcoop為協同傳輸時的誤幀率，因此當G >1時才使用協同，從而得到了能夠帶來增益的協同區域，并給出了協同節點選擇的標準，即選擇能夠帶來最大協同增益的協同節點參與協同。該算法需要節點地理位置信息的支持，需要額外的硬件設備(如GPS)或運行相應的定位算法。

(2)基于瞬時信道狀態的分布式選擇策略

無線信道的時變特性，使協同節點選擇算法應具有一定的自適應特性，文獻[6]中提出了一種分布式的協同節點選擇算法，該算法和傳統的802.11協議相結合，利用RTS和CTS分別估計源節點到中繼節點和目的節點到中繼節點之間的信道狀態:asi和aid，中繼節點收到該信道信息后進行判斷，判斷的準則如式(2)所示，

隨后開啟一個退避定時器，退避時間T 和信道條件hi成反比，這樣一來信道條件好的中繼節點就會優先介入信道，發送一個FLAG幀通知源節點、目的節點和其他中繼節點，這樣以來就完成了一次中繼選擇，即從M個可行的中繼節點集合中選擇出一個最好的協同節點。該算法是根據瞬時信道條件來選擇中繼節點，隨著信道衰落情況的變化來選擇不同的中繼節點如圖2所示，但該算法在節點選擇過程中可能發生碰撞，從而導致無法正確的選擇到中繼節點。

(3)基于分群的協同節點選擇策略

文獻[7]研究了存在多對源和目的節點情況下的協同節點選擇問題。為了能夠達到全網范圍的分集增益，節點選擇協議應為每一個發送節點提供足夠的協作節點，使這些節點形成為若干個群，如圖3所示。每個群內的協同節點能夠以很高的概率正確解碼發送節點的信息。

該文中針對分布式場景下提出了一種簡單的靜態協同節點選擇策略，該策略可以保證網絡中的所有發送節點都能夠獲得n +1的分集增益，n為協作節點個數。首先，每個節點都維護一個優先協作表，該節點優先支持表中的前n 個節點。優先協作表設計和實現方法很多，其中一個簡單實現方式為:

[i +1，i +2，…，M，1，2，…，i -1]，i為本節點編號。

在有中心式控制場景下，由于中心控制節點擁有信道信息，因此可以從所有可能的解中選擇最優的方案，從而可以獲得額外的性能增益。圖4中比較了在知道不同程度信道信息以及分布式和中心式算法的比較。

(4)基于能量考慮的協同節點選擇策略

當前應用的無線網絡如蜂窩網，WLAN，無線傳感器網絡等，終端設備大都使用電池供電，使得網絡可利用的資源受到限制，因此如何高效的利用網絡資源、延長網絡的生存時間是無線網絡設計的一個重要問題。隨著協同通信技術的出現，它使得協同節點間的資源(信道，能量)得到共享，從而為節約節點能量、延長網絡的生存期提供了有效途徑。最近在利用協同通信技術來延長網絡生存期方面已有部分研究者做出了貢獻，文獻[8]中作者在圖5的模型下，聯合考慮協同節點的信道狀態信息CSI和剩余能量信息REI，選擇出一個最優的協同節點并利用它完成協同傳輸，從而延長了AF協同網絡的生存時間，文獻[9]中作者在相同的模型下又通過離散化功率的調整范圍，使得算法更加實際，同時利用馬氏鏈估計了網絡的生存期。

類似，文獻[10]在DF協同網絡中，通過啟發式的中繼節點選擇和功率分配方法以及中繼節點位置的布設來降低節點的功率消耗、延長網絡生存期。文獻[11]通過協同波束成形的方法來提高的傳輸距離，從而避免節點能量少的節點的中繼來達到延長網絡生存期的目的。

(5)基于跨層聯合優化的協同節點選擇策略

對于協同系統，協同節點僅僅是系統資源的一部分，因此將協同節點選擇和其他系統資源分配聯合考慮可以極大的改善系統性能。文獻[12]研究了擁有一個基站和多個移動臺的蜂窩網絡如圖6所示，網絡的接入方式采用OFDMA技術，文中通過建立一個中心式的優化模型，聯合考慮了多個層次的優化參數，最終不僅僅得到了最優的功率和帶寬分配，并且得到了最優的協同節點選擇方法和協同策略選擇方法。另外，文獻[13]通過拉格朗日對偶分解得到了分布式的優化方法，并且考慮了流量控制對系統的影響。

(6)基于多協同節點的選擇策略

在無線網絡中，單個節點的處理和傳輸能力有限，通過多個節點的協同不僅僅可以得到空間分集增益還可以獲得空間復用增益，同時還可以均衡業務負載。文獻[14]中假設目的節點擁有多個天線，利用協同節點來傳輸不同的信息從而得到空間上的復用，而通過協同節點選擇同時獲得了分集增益，如圖7所示。本文通過貪婪搜索的方法來選擇最優的協同節點。通過分析可以看出利用多節點進行協同可以獲得更好的分集和復用折中。

文獻[15]中，提出了兩種中繼節點選擇方法，在固定選擇策略中，源節點從K 個協同節點中固定選擇出M個中繼節點，這M 個中繼節點同時發送從源節點收到的信息。另外，文中還提出一種基于門限值的動態中繼選擇方法，該方法在保證中斷概率的前提下，最小化參與協同的節點的個數，從而減小有協同帶來的干擾。

文獻[16]給出中在存在多個中繼節點的情況下，將功率控制和節點選擇相結合，該協議的目的是通過分配源節點和中繼節點集合的功率來在最小化中斷概率，并且降低計算的復雜度。該協議分為兩個階段:在權衡了S-R和R-D的信道條件下選擇源節點的功率;通過搜索的辦法選擇能夠最小化中斷概率的中繼節點集合，該集合中的中繼節點間的功率平均分配。仿真和分析結果表明該算法能夠達到較小的中斷概率。

4 結束語

根據以上論述可知，每種系統和算法都有各自的特點和適用范圍，沒有哪一種是絕對最優的，但從整體上看動態分配系統資源的跨層設計思想更加充分發揮了協同通信系統的特點，相對于傳統的系統有很大的性能增益。但是由于動態資源分配往往引入更多的變量，使得系統優化變得困難，也對實現帶來了巨大挑戰。我們應該通過適當的選擇優化參數，在有效控制復雜度的情況下，優化協同通信系統。

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收稿日期:2009-11-03

張琰，西安電子科技大學綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室在讀博士生，主要研究移動通信、無線自組織網絡等。

盛敏，西安電子科技大學綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室教授、博士生導師，主要研究領域為移動通信、無線自組織網絡、認知無線網絡等;主持和參加國家級科研項目10項;已發表論文60多篇，其中被SCI/EI檢索40余篇;出版專著2部。

李建東，西安電子科技大學綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室教授、博士生導師，主要研究方向為無線自組織網絡、寬帶無線移動通信、軟件無線電、認知無線電等;主持和參加國家級科研項目30余項;發表論文200余篇，被SCI、EI檢索160余篇次;出版專著7部。