慢衰落信道環(huán)境下中繼節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化選擇方案

端木春江 王培 楊永鐸

摘要： 在協(xié)同通信技術(shù)中，中繼節(jié)點(diǎn)的選擇是一個重要的研究方向。在以往的文獻(xiàn)中，只考慮了單徑信道下的中繼節(jié)點(diǎn)選擇，而在實(shí)際情況下，通信信道是多徑衰落的。為此，提出了一種多徑慢衰落信道環(huán)境下的最優(yōu)中繼的選擇方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，利用此方案選出的最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)往往不是傳統(tǒng)的只考慮單徑情況下所選出的最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)。因此，所提出的方案更符合協(xié)同通信中的實(shí)際情況，并可在較大程度上提高系統(tǒng)的性能。

關(guān)鍵詞： 協(xié)作通信； 中繼節(jié)點(diǎn)； 中繼節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)選擇； 慢衰落信道

中圖分類號：TN925文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2012）03-37-03

A selection scheme for optimal relay nodes under slowly fading channel environment

Duanmu Chunjiang, Wang Pei, Yang Yongduo

（Zhejiang Normal University, Jinhua， Zhejiang 321004， China）

Abstract： Selection of optimal relay node is an important problem in cooperative communications. In the previous literature, only single-path channel environments were considered, while in reality, communication channels are mostly multi-path fading channels. For this reason, it is proposed in this paper a selection scheme for optimal relay nodes under a multi-path fading channel environment. The experimental results demonstrate that the optimal relay nodes selected by this scheme are usually not the optimal relay nodes selected by the conventional methods, which only consider single-path. Thus, this scheme is more suitable for real environments and may significantly boost system performance.

Key words： cooperative communications； relay node； optimal relay node selection， multi-path fading channels

0 引言

與直接通信相比，協(xié)作通信能提供空間分集增益，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)用戶高速、高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)作通信技術(shù)利用多個不同用戶的天線組成虛擬天線陣，從而獲得多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)的性能增益。其概念最早由Sendonaris[1，2]等人提出；Laneman[3]等人研究了瑞利衰落環(huán)境下的各種協(xié)作通信協(xié)議，如解碼轉(zhuǎn)發(fā)、放大轉(zhuǎn)發(fā)等，并將由協(xié)作帶來的分集稱為協(xié)作分集。

協(xié)作分集的基本思想是源節(jié)點(diǎn)通過中繼的幫助向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。協(xié)作通信中的一個關(guān)鍵問題是如何分配和管理中繼節(jié)點(diǎn)，有很多文獻(xiàn)都對此進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4-5]提出了基于單個中繼節(jié)點(diǎn)的最佳中繼節(jié)點(diǎn)選取算法。文獻(xiàn)[6-7]分別對基于放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF，amplify-and-forward）和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF，decode-and-forward）中繼系統(tǒng)的中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[8]為了避免多個中繼同時競爭最佳中繼而出現(xiàn)沖突導(dǎo)致失敗，引入候選節(jié)點(diǎn)限制策略，從而在實(shí)現(xiàn)快速選擇節(jié)點(diǎn)的同時降低了選擇失敗的概率。文獻(xiàn)[9]提出一種改進(jìn)的最佳中繼選擇算法，在源站受到最佳中繼發(fā)出的標(biāo)志分組后發(fā)送選擇確認(rèn)消息，中繼節(jié)點(diǎn)在沖突發(fā)生后進(jìn)行回避。文獻(xiàn)[10]分析了解碼中繼（DF）情況下協(xié)作傳輸?shù)闹袛喔怕省５沁@些文獻(xiàn)中討論的都是單徑信道下的信號傳輸和中繼節(jié)點(diǎn)的選擇問題，而沒有考慮多徑衰落信道下的中繼選擇問題。為此，本文針對放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)，以降低系統(tǒng)誤碼率為目標(biāo)，進(jìn)行多徑信道下的中繼節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化選擇。

1 系統(tǒng)模型

圖1協(xié)作通信系統(tǒng)模型

協(xié)作通信的系統(tǒng)的模型如圖1所示。此系統(tǒng)中除有源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的信道外，還存在源節(jié)點(diǎn)到各中繼節(jié)點(diǎn)以及各中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的信道。最優(yōu)中繼的選擇問題，是要從所有的候選的中繼節(jié)點(diǎn)中選擇一個最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)以輔助源節(jié)點(diǎn)的信息傳輸。

在已有的文獻(xiàn)中，都假設(shè)源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)到各中繼節(jié)點(diǎn)、以及各中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)間的信道是單徑的，即只存在一個信道增益。而在實(shí)際情況中，由于信號的反射和折射等原因，源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)到各中繼節(jié)點(diǎn)，以及各中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)間的信道都是多徑衰落的，即每兩個節(jié)點(diǎn)之間存在著多條可達(dá)路徑，各條路徑上都具有相應(yīng)的信道增益。因此，本文將討論在實(shí)際情況下協(xié)同通信中的中繼節(jié)點(diǎn)的選擇問題，以使所提出的方案更符合實(shí)際的情況和提高系統(tǒng)的實(shí)際性能。

圖2多徑衰落的二進(jìn)制數(shù)字接收機(jī)的系統(tǒng)模型

圖2是一個具有多徑衰落的二進(jìn)制數(shù)字接收機(jī)的系統(tǒng)模型。系統(tǒng)信道有L條路徑傳送攜帶有相同的信息的信號，假設(shè)每條路徑為頻率非選擇的、慢衰落的且其包絡(luò)統(tǒng)計特性為瑞利分布，再假設(shè)L條路徑之間的衰落過程是相互統(tǒng)計獨(dú)立的，每條路徑的信號受到零均值加性高斯白噪聲過程的惡化。

因?yàn)長條路徑的噪聲過程是相互統(tǒng)計獨(dú)立的，且具有相同的自相關(guān)函數(shù)。于是，第L條路徑上的信道等效低通接收信號為

（k＝1，2…，L，m＝1，or 2） ⑴

式中，表示L條路徑的衰減因子和相移，skm(t)表示第k條信道的第m個信號值，zk(t)表示第k條路徑上的加性高斯白噪聲。在集合{skm(t)}內(nèi)的所有信號具有相同的能量。這里假設(shè)傳輸中使用的是BPSK調(diào)制方法。

2 多徑衰落信道下的中繼節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化選擇方案

這里中繼節(jié)點(diǎn)的選擇是從最小誤碼率的目標(biāo)來考慮的。由通信原理的基本知識可知，在接收機(jī)最大比合并的情況下，從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B的多徑信道的誤碼率可表示為：

⑵

其中，對于BPSK的調(diào)制方法發(fā)射信號間的相關(guān)系數(shù)ρr=-1，Q(x)的定義為：

⑶

從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B的平均信噪比，其定義為：

⑷

其中，PA為發(fā)射節(jié)點(diǎn)A的發(fā)射功率，N0為噪聲的平均功率，為從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B的第k條路徑上的增益的模。

這樣，可以利用式⑵來計算多徑衰落情況下從源節(jié)點(diǎn)S到第i個候選中繼節(jié)點(diǎn)Ri之間的誤碼率。在第i個候選節(jié)點(diǎn)Ri接收正確的情況下，通過單個Ri的輔助，從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的誤碼率可表示為：

⑸

其中γi的定義為

⑹

式⑹中，PS為源節(jié)點(diǎn)S的發(fā)射功率，PRi為中繼節(jié)點(diǎn)Ri的發(fā)射功率，一般情況下要求總功率PS+PRi不能超過一門限值P。為從源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D之間的第S條路徑上的增益的模，為從中繼節(jié)點(diǎn)Ri到目的節(jié)點(diǎn)D之間的第m條路徑上的增益的模。在第i個候選節(jié)點(diǎn)Ri接收不正確的情況下，它不發(fā)射功率，即此時它不能輔助信息的傳輸。此時，從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的誤碼率可表示為：

⑺

其中φi的定義為：

⑻

這樣，當(dāng)選中單個第i個中繼節(jié)點(diǎn)Ri時，其平均誤碼率可表示為：

⑼

在本論文所提出的算法中，將根據(jù)Pe(i)的值的大小，選擇使誤碼率Pe(i)最小的中繼節(jié)點(diǎn)m*作為最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)，即：

⑽

3 仿真結(jié)果與分析

圖3采用所提出的方法和傳統(tǒng)的方法的對比效果圖

我們設(shè)計了一個試驗(yàn)來驗(yàn)證所提出的算法能帶來性能的較大提高。現(xiàn)假設(shè)有兩個候選的中繼節(jié)點(diǎn)，其中源節(jié)點(diǎn)S到中繼節(jié)點(diǎn)S的多徑衰落信道的增益的模分別為6，2，1，1，1，中繼節(jié)點(diǎn)R1到目的節(jié)點(diǎn)的多徑衰落信道的增益的模分別為10，3，2，1，1。源節(jié)點(diǎn)S到中繼節(jié)點(diǎn)R2的多徑衰落信道的增益的模分別為5，4，4，4，4，中繼節(jié)點(diǎn)R2到目的節(jié)點(diǎn)的多徑衰落信道的增益的模分別為9，8，8，8，8。源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D的多徑衰落信道的增益分別為3，2，2，1，1。噪聲的功率譜N0=1，源節(jié)點(diǎn)S和所選擇的最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)平分總功率。在這種情況下，傳統(tǒng)的中繼選擇算法會選擇中繼節(jié)點(diǎn)R1作為最佳中繼節(jié)點(diǎn)，因?yàn)閺脑垂?jié)點(diǎn)S到中繼節(jié)點(diǎn)R1的主徑6大于從源節(jié)點(diǎn)S到R2的主徑5，同時中繼節(jié)點(diǎn)R1到目的節(jié)點(diǎn)D的主徑10大于中繼節(jié)點(diǎn)R2到目的節(jié)點(diǎn)的主徑9。而在本論文所提出的方法中，會選擇中繼節(jié)點(diǎn)R2作為最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)（因?yàn)樵趯?shí)際情況下Pe(2)

4 結(jié)束語

本文提出的最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)的選擇方案，由于考慮了實(shí)際通信系統(tǒng)中的多徑效應(yīng)，因此更符合和貼近實(shí)際情況。仿真結(jié)果顯示，本方案可在很大程度上提高系統(tǒng)的性能，即在同樣的誤碼率的要求下，大幅減少系統(tǒng)的發(fā)射總功率。

參考文獻(xiàn)：

[1] SENDONARIS A, ERKIP E,AAZHANG B. User cooperation

diversity:part Ⅰ:system description [J]. IEEE Transactions on Communications,2003.51(11):1927~1938

[2] SENDONARIS A,ERKIP E,AAZHANG B. User cooperation

diversity :part Ⅱ implementation aspects and performance analysis [J].IEEE Transaction on Communications,2003.51(11):1939~1948

[3] LANEMAN J N,TSE D N C,WORNELL G W. Cooperative diversity in

wireless networks: Efficient protocols and outage behavior [J].IEEE Transactions on Information Theory,2004.50(12):3062~3080

[4] Chen Yan, Cheng Peng, Qiu Peiliang, et al. Optimal partner

selection strategies in wireless cooperative networks with fixed and variable transmit power [C]//WCNC 2007.Hong Kong: IEEE Press,2007:4080~4084

[5] Truman Chiu-Yam Ng, Wei Yu. Joint optimization of relay

strategies and resource allocations cellular networks [J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2007.25(2):328~339

[6] Agggelos B, Hyundong S, Moe Z W. Outage optimality of

opportunistic amplify-and-forward relaying [J].IEEE Communication Letters,2007.11(3):261~263

[7] Aggelos B, Hyundong S, Moe Z W, et al. Cooperative diversity

with opportunistic relaying [C]//IEEE WCNC06.Las Vegas: IEEE Press,2006:1034~1039

[8] 顧文珊,張會生,李立欣等.基于協(xié)作通信的最佳中繼選擇方案[J].信

息安全與通信保密,2010.2.

[9]羅瑛.協(xié)作通信中一種改進(jìn)的最佳中繼選擇算法[J].中國新通信,

2009.3.

[10] ZHAO Yi, ADVE R.LIM T J. Outage probability at arbitrary SNR

with cooperative diversity [J].IEEE Communications Letters.2005.9(8):700~703

[11] Anis Izzati A.Z., Norsheila Fisal, Sharifah K. On the performance

of Space-Time Cooperative Relay in Fading Channel[J].Conference on Modeling, Simulation and Applied Optimization(ICMSAO),pp.1-5,19-21 Apr.2011.