DF協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)兩種機(jī)會中繼選擇策略研究

康虹

摘 要：本文針對DF協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)，對兩種機(jī)會中繼選擇策略的系統(tǒng)中繼概率和復(fù)雜度進(jìn)行了分析，其一是分布式機(jī)會中繼，通過引入定時器，由各個中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)本地信道狀態(tài)信息競爭選出最佳中繼，其二是集中式機(jī)會中繼，由目的節(jié)點(diǎn)選擇候選中繼集合中瞬時信噪比最大的節(jié)點(diǎn)作為最佳中繼。仿真結(jié)果表明，集中式機(jī)會中繼的中斷概率性能在高SNR時略優(yōu)于分布式機(jī)會中繼策略，但其復(fù)雜度和系統(tǒng)開銷較高。

關(guān)鍵詞：協(xié)同通信；譯碼轉(zhuǎn)發(fā)；機(jī)會中繼；中斷概率；復(fù)雜度

協(xié)同通信通過彼此共享網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不同終端節(jié)點(diǎn)的信道資源，構(gòu)成虛擬多天線陣而獲得空間分集增益，能夠有效抵抗無線信道的衰落效應(yīng)。在多中繼節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，如何選擇合適的中繼節(jié)點(diǎn)參與協(xié)同是一個關(guān)鍵問題，不同的中繼選擇策略實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度不同，并對系統(tǒng)性能產(chǎn)生不同的影響。文獻(xiàn)[1]分析了“全中繼”轉(zhuǎn)發(fā)策略的協(xié)同系統(tǒng)的性能，由于系統(tǒng)中存在多個中繼，要求各鏈路滿足正交特性以減小信道間干擾，導(dǎo)致頻譜效率降低，當(dāng)中繼數(shù)過多時，引起的性能損失會相當(dāng)明顯。為了彌補(bǔ)“全中繼”協(xié)同的不足，文獻(xiàn)[2-4]提出了機(jī)會中繼選擇策略，通過選擇一個最佳中繼進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)，可獲得與“全中繼”協(xié)同或更為復(fù)雜的分布式空時編碼時相同的分集增益性能，同時提高了頻譜效率，降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。本文主要針對DF協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)，分析兩種機(jī)會中繼選擇策略下的系統(tǒng)中斷概率和計算復(fù)雜度，并通過數(shù)值分析和仿真進(jìn)行比較。

1 系統(tǒng)模型

在DF協(xié)議下，分布式機(jī)會中繼和集中式機(jī)會中繼協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。系統(tǒng)中包括1個源節(jié)點(diǎn)S，1個目的節(jié)點(diǎn)D和 M個中繼節(jié)點(diǎn)Ri（i=1，2，L M）。假設(shè)各節(jié)點(diǎn)僅有一根天線并工作在半雙工模式，中繼的半雙工特性使目的節(jié)點(diǎn)對接收到的信號能夠采用最大比合并技術(shù)進(jìn)行解碼。系統(tǒng)中所有信道均相互獨(dú)立，且為慢衰落瑞利信道。任意節(jié)點(diǎn)i和j之間的信道系數(shù)hij服從零均值、方差為σ2ij的復(fù)高斯分布。信道噪聲服從零均值、方差為N0的復(fù)高斯分布。假設(shè)各節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率均為P，記平均信噪比為SNR，則有SNR=P/N0。設(shè)數(shù)據(jù)流的目標(biāo)速率為R。

⑴在分布式機(jī)會中繼策略中，網(wǎng)絡(luò)中所有的潛在中繼節(jié)點(diǎn)Ri都監(jiān)聽源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的RTS（Ready-To-Send）分組和目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的CTS（Clear-To-Send）分組，并根據(jù)所接收的RTS和CTS分組分別估計其與源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的信道狀態(tài)hsi和hid。則中繼Ri的信道度量參數(shù)為

每個中繼節(jié)點(diǎn)Ri設(shè)置定時器為hi的倒數(shù)，則具有最佳端到端路徑的中繼節(jié)點(diǎn)的定時器會最先超時，并向整個網(wǎng)絡(luò)廣播一個標(biāo)志分組以表明其是最佳中繼。最佳中繼選出后，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息給最佳中繼節(jié)點(diǎn)，并由最佳中繼向目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行解碼轉(zhuǎn)發(fā)。

⑵在集中式機(jī)會中繼策略中，源節(jié)點(diǎn)首先采用廣播模式向所有中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，能夠正確解碼源節(jié)點(diǎn)信息的中繼構(gòu)成候選中繼集合Ω，中繼Ri∈Ω向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送訓(xùn)練序列。目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的訓(xùn)練序列估計hid，選取瞬時信噪比最大的節(jié)點(diǎn)作為最佳中繼。最后被選中的最佳中繼向目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)信息。

中繼節(jié)點(diǎn)Ri能夠正確解碼源節(jié)點(diǎn)信息，要求源節(jié)點(diǎn)S到Ri的瞬時信噪比γsi不小于信噪比門限γth，則候選中繼集合Ω為

2 性能分析

2.1 中斷概率

⑴分布式機(jī)會中繼策略選取的最佳中繼是具有最佳端到端瞬時信噪比的節(jié)點(diǎn)，其中端到端瞬時信噪比用源-中繼瞬時信噪比和中繼-目的節(jié)點(diǎn)瞬時信噪比的最小值描述，則最佳中繼的選擇準(zhǔn)則可描述為

令 ，則Wi服從參數(shù)為 的指數(shù)分布，即

系統(tǒng)中斷概率為

⑵集中式機(jī)會中繼策略的最佳中繼選擇準(zhǔn)則如式（3）所示。

2.2 復(fù)雜度

分布式機(jī)會中繼策略的最佳中繼選擇過程由各個中繼節(jié)點(diǎn)僅根據(jù)本地信道狀態(tài)信息（channel state information，CSI）來完成，不需要每個中繼或目的（中心）節(jié)點(diǎn)已知全局CSI。當(dāng)最佳中繼選出后，只有最佳中繼接收源節(jié)點(diǎn)信息，其余未選中的中繼節(jié)點(diǎn)則處于空閑狀態(tài)。而集中式機(jī)會中繼策略需要網(wǎng)絡(luò)中所有中繼節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽接收源節(jié)點(diǎn)信息并進(jìn)行解碼，其最佳中繼選擇過程由目的（中心）節(jié)點(diǎn)根據(jù)全局CSI計算完成，并需要將選擇結(jié)果通過一個低速率的信道反饋給被選中繼。

因此，與集中式機(jī)會中繼策略相比，分布式機(jī)會中繼策略的中繼節(jié)點(diǎn)解碼次數(shù)少，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度更低，同時能夠減少網(wǎng)絡(luò)中的功率（能量）開銷和控制開銷，更適用于能量受限的網(wǎng)絡(luò)，例如Ad hoc網(wǎng)絡(luò)或無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

3 仿真結(jié)果和分析

本節(jié)主要采用蒙特卡洛仿真對分布式和集中式機(jī)會中繼選擇策略的中斷概率性能進(jìn)行比較。仿真中設(shè)置信道系數(shù)的方差為σ2ij=1，目標(biāo)速率為R=1。圖2給出了兩種策略下的中斷概率隨信道平均信噪比和潛在中繼個數(shù)的變化關(guān)系，橫軸表示中繼到目的節(jié)點(diǎn)的平均信噪比值，縱軸表示系統(tǒng)中斷概率。

從圖2中可以看出，兩種策略的仿真值均在理論曲線附近，從而驗(yàn)證了理論分析的正確性。當(dāng)潛在中繼個數(shù)一定時，兩種策略在低SNR時的中斷概率幾乎重合，但隨著SNR的增加，集中式機(jī)會中繼策略的中斷概率性能略優(yōu)于分布式機(jī)會中繼策略。另外，兩種策略的中斷概率都隨著潛在中繼個數(shù)的增加而減小。

4 結(jié)束語

機(jī)會中繼通過選擇一個最佳中繼進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)，獲得與更為復(fù)雜的分布式空時碼相同的分集增益。本文主要研究了DF協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)中的分布式和集中式機(jī)會中繼選擇策略，對兩種策略的中斷概率性能和復(fù)雜度進(jìn)行了分析和比較。與集中式機(jī)會中繼策略相比，分布式機(jī)會中繼策略的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較低，網(wǎng)絡(luò)中功率開銷和控制開銷更少，更適用于能量受限的網(wǎng)絡(luò)，但其在高SNR時的中斷概率性能略差。

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