基于信道狀態和剩余能量的動態多中繼選擇

摘 要：為了優化譯碼轉發（DF）協同通信系統的網絡生存時間，提出一種基于信道狀態信息（CSI）和剩余能量信息（REI）的動態多中繼選擇算法，該算法根據信道-能量函數和信道容量增益門限選擇協同中繼節點。仿真結果表明，對中繼功率進行動態分配時，該算法選擇四個中繼可使系統性能達到最優。當中繼節點數為4時，與僅基于CSI的中繼選擇算法相比，該算法能延長網絡生存時間最高達75%。

關鍵詞：協同通信；譯碼轉發；多中繼選擇；剩余能量；網絡生存時間

協同通信通過彼此共享網絡內不同終端節點的信道資源，構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。在多中繼節點網絡中，協同中繼節點的合理選擇是非常重要的，即如何從眾多潛在中繼節點中選擇最佳中繼集合來提高網絡性能。

無線網絡中的節點大多采用電池供電，通常采用網絡中最先耗盡能量的節點生存時間來衡量網絡生存時間，最大化網絡生存時間就等價于最大化節點最小網絡生存時間，因此需要設計盡可能均衡地消耗網絡中各節點能量的中繼選擇算法來最大化網絡生存時間。文獻[1]提出了一種低復雜度的次優多中繼選擇算法，能夠獲得全分集增益，但忽略了節點的剩余能量信息。文獻[2]提出一種基于節點剩余能量信息的中繼選擇算法，但局限于單中繼選擇。

本文針對譯碼轉發協同通信網絡，綜合考慮CSI和REI，提出一種復雜度較低的動態多中繼選擇算法，仿真結果表明該算法能有效延長網絡生存時間。

1 系統模型

2 動態多中繼選擇算法

聯合考慮信道信息和節點剩余能量進行多中繼選擇在提升系統信道容量性能的同時，可以避免過度使用信道狀態好的中繼節點，從而保證網絡的公平性。

3 仿真結果和分析

在基于CSI和REI的中繼選擇算法驗證中，主要使用網絡生存時間做為性能評價指標，并假設歸一化網絡生存時間的單位為1。假設在以源節點和目的節點間距離為直徑的圓內隨機分布10個中繼節點。仿真中設置信道系數的方差為 ，其中ι為節點之間的距離，η為路徑衰假設所有中繼節點的初始能量都為E0，被選中繼采用動態中繼功率發射。動態中繼功率是指對每個被選擇中繼，發射功率是“動態”變化的，即每次發射總功率Ptotal是一定的，它在每次選擇的中繼節點之間進行平均分配，即 。

仿真中比較基于信道信息CSI和剩余能量REI的多中繼選擇策略和僅基于CSI進行中繼選擇策略的性能。

3.1 網絡生存時間與容量增益門限的關系

從圖1中可以看到，網絡生存時間隨容量增益門限的增加而減小。由于每次發射總功率一定，隨著門限值的減小，被選擇的轉發中繼節點數量增加，使每個中繼節點的實際發射功率減少，網絡生存時間增加。與僅基于CSI的策略相比，基于CSI和REI的策略的網絡生存時間最少提高約31%，最多提高約68%。考慮性能和實現復雜度的折中，信道容量增益門限的最優值應在15%左右。

3.2 網絡生存時間與中繼節點數的關系

從圖2中可以看到，網絡生存時間隨中繼節點數的增加呈上升趨勢。當中繼節點數達到3個以上時，網絡生存時間變化趨緩，說明性能在選擇4個中繼節點時已能達到最優。相對于僅基于CSI的策略，基于CSI和REI的策略在中繼節點數為4時的網絡生存時間可以提高約75%。

4 結束語

為優化譯碼轉發（DF）協同通信系統的網絡生存時間性能，提出了一種基于信道狀態信息和剩余能量信息的動態多中繼選擇算法。仿真結果表明，選擇4個中繼節點時系統性能已達到最優。當中繼節點數大于3時，歸一化網絡生存時間逼近于1。所提算法以較低的復雜度有效地延長了網絡生存時間，使系統在總容量和能量效率上有可觀的增益。

[參考文獻]

[1]JING Y，Jafarkhani H.Single and multiple relay selection schemes and their achievable diversity orders[J].IEEE Transactions on Wireless cmmunications，2009，8（3）：1414-1423.

[2]Yang W D，Cai Y M，Xu Y Y.An energy-aware relay selection algorithm based on fuzzy Com-prehensive evaluation[C].2009 International Conference on Networks Security，Wireless Communications and Trusted Computing.Wuhan：IEEE，2009：144-146.