改進的協作中繼節點選擇策略

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 協作網絡系統模型

采用的系統模型如圖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，源節點(用S表示)以廣播形式向中繼節點(用R1，R2，…，RN表示)和目的節點(用D表示)發送信息，R對收到的信息進行信號處理，信源通過中繼Ri傳送信息到目標節點.假定所有鏈路為統計獨立的瑞利衰落，節點i和j間的信道系數為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，di，j代表節點i和j間的距離.加性高斯白噪聲定義為 ni，j·CN(0，N0).為選擇可靠節點，在每個中繼節點設置SNR門限γT，此外源和中繼節點具有相同的發送功率Pt，總的發送功率為P=2Pt.

圖1 無線中繼網絡的協作模型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，為了選擇最優節點應該最大化式(3)的值，而影響增益的是

其中:ki為中繼節點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督者之外，誰也不能看見他，他們處于一種絕對的封閉狀態。于是，他們在任何時候都不知道監督者的在或不在，因此就會一直假設自己正在被監視，有意識地保持一種被監督的狀態，由此會有意識地規范自己的行為。這種狀態會一直持續，最終顯現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點間的鏈路上.這樣，利用信源與中繼節點瞬時信道增益|hs，r|2代替信道方差，另一方面，使用距離參數代替R-D信道方差，這樣式(4)變成:

2.2 中繼節點位置對系統性能影響

圖2 中繼節點位置對系統性能影響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，對于一個協作中繼網絡，在中繼節點構成的集合中，按照以下步驟選擇節點:

1)系統估計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，同時所有中繼節點監聽，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送確認信息告知源節點，此后在所有可靠節點中，根據提出的標準來選擇最優節點.

在上述方案中，采用譯碼轉發模式(DF)，而且要考慮以下2種情況.

1)若沒有可靠中繼節點，信源將直接傳輸信息，則在目標節點接收到的信號為

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)有可靠節點，源節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節點和目標節點，在最優節點處和目標節點處接收到的信號分別表示為［15］

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

最后，目標節點以MRC方式復合來自最優中繼和信源節點信息.

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

3 系統仿真與結果分析

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

首先來考察中繼節點位置對誤碼率的影響.以圖2為模型，信源、中繼及目標節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性能變差，當中繼傳輸路徑小于直接傳輸路徑距離時系統性能變好，當中繼節點的位置漸漸接近S和D之間，性能不斷改善，當中繼節點位置位于(S→D)之間，并且2條中繼傳輸路徑距離相同的情況下，其性能表現是最好的.

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

此外，考慮中繼節點位于信源附近，信源與目標中間，目標節點附近3種場景.不同場景下SER性能分析如圖4，最好的SER性能是靠近目標節點，相反，較差性能是將中繼節點遠離目標節點.通常來說，可以通過使用瞬時信道狀態信息來做出好的判決，本次仿真中，當每個中繼節點遠離信源節點時接收到的信號強度嚴重衰減，對于一個惡劣的環境，有必要選擇最優中繼來協作通信，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，中繼節點在目標附近比在信源附近有較好的SER性能.

圖5為系統性能曲線，4條曲線分別根據如下方案獲得: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］，無協作方案和改進的方案.中繼節點數目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.出于增加系統可靠性和降低復雜度兩方面考慮，要選擇的最優中繼，它應該具有最小選擇因子，同時與瞬時、平均信道狀態(CSI)信息相關.選擇因子根據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性能依賴于中繼節點相對于信源和目標節點的分布.

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