多中繼節(jié)點選擇能效優(yōu)化策略

李小麗　張征

摘要：針對多中繼節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)通信機制中的能效優(yōu)化問題，一直是研究的重點。能量效率是基于資源配置策略提出的優(yōu)化方案，也是當(dāng)前協(xié)作通信中獲得穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)傳輸目標(biāo)的基本要求。對于多中繼節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，在保障最大發(fā)送功率基礎(chǔ)上，要從分析傳輸效能上來提升網(wǎng)絡(luò)的可靠性，選擇策略的應(yīng)用就顯得尤為關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：中繼選擇；網(wǎng)絡(luò)傳輸；能量效率；選擇策略

近年來，對于多中繼節(jié)點構(gòu)成的協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中的能效優(yōu)化研究頗受關(guān)注。如何選擇中繼節(jié)點，如何從能效優(yōu)化上來提升系統(tǒng)性能。有文獻(xiàn)提出基于信道容量增益的中繼節(jié)點選擇策略，從中繼節(jié)點數(shù)的最優(yōu)選擇方法上來提升系統(tǒng)性能，來降低功率消耗；也有文獻(xiàn)提出結(jié)合信道狀態(tài)，從距離信息中來選擇中繼節(jié)點，并從標(biāo)準(zhǔn)化分析中獲得最佳中繼節(jié)點；還有文獻(xiàn)通過對信道容量增益研究，將源節(jié)點、中繼節(jié)點進(jìn)行最優(yōu)化功率分配算法來獲得最佳性能。

一、基于能效的中繼節(jié)點選擇研究概述

對于協(xié)作通信中的能量消耗，首先要探討能量效率，從功耗上來優(yōu)化資源配置策略，獲得最高的能量效率。協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中對于各節(jié)點間的信息傳輸，一方面要最放大前向和譯碼前向進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，另一方面對涉及的能量效率問題，要從最優(yōu)點選擇上來實現(xiàn)。有文獻(xiàn)從功率分配上來優(yōu)化每比特下的功耗和運行周期，并未對電路的能耗進(jìn)行研究；有文獻(xiàn)從電路的能耗分析上，來優(yōu)化節(jié)點選擇，卻未能與中繼節(jié)點在傳輸中自身性能進(jìn)行比較；特別是在中繼節(jié)點選擇上多出的開銷，對能耗影響較大。關(guān)于電路損耗問題，利用設(shè)計簡單的線路電路功耗模型，特別是從DSP功耗模型上，針對發(fā)射帶寬來建立線性函數(shù)，并通過能量效率和最優(yōu)點選擇策略進(jìn)行分析，來探討其通信中的性能狀況；對于混合網(wǎng)絡(luò)下中繼和無線電模型，需要從多個無線網(wǎng)絡(luò)接入中來探討各節(jié)點的能耗；對于存在多個中繼節(jié)點的虛擬MISO時的能效，需要從發(fā)送機制、最優(yōu)中繼節(jié)點數(shù)等方法上來進(jìn)行綜合；總的來說，對于基于能效的中繼節(jié)點選擇策略，需要從保障網(wǎng)絡(luò)可靠性的基礎(chǔ)上，對每一傳輸階段進(jìn)行能耗分析，以獲得相應(yīng)的選擇標(biāo)準(zhǔn)，最終實現(xiàn)中繼功耗最小，系統(tǒng)性格最大的傳輸狀態(tài)。

二、多個中繼節(jié)點的系統(tǒng)模型構(gòu)建

從協(xié)作網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型的構(gòu)建來看，首先滿足一個源節(jié)點和多個中繼節(jié)點及目標(biāo)節(jié)點。在構(gòu)成的虛擬MISO傳輸系統(tǒng)中，對于中繼節(jié)點選擇及分布是隨機的，通常以源節(jié)點為中心，以R為半徑的圓形范圍內(nèi)。在這個MISO虛擬系統(tǒng)中，源節(jié)點通過若干個中繼節(jié)點來尋找目標(biāo)節(jié)點，其概率密度函數(shù)為：。我們假設(shè)該系統(tǒng)中源節(jié)點與中繼節(jié)點i之間的信道系數(shù)為，則利用其滿足均值為0、方差為的復(fù)高斯隨機變量，當(dāng)信道系數(shù)為，則信道路徑損耗計作：，其中，λ表示為波長，為路徑損耗指數(shù)，為參考半徑。

三、中繼選擇策略研究

在滿足系統(tǒng)可靠性基礎(chǔ)上，對于節(jié)點選擇策略的能耗分析，主要從四個階段來完成。一是估測源節(jié)點與中繼節(jié)點間的信道階段；二是估測信道共享階段；三是由源節(jié)點向中繼節(jié)點發(fā)送信息；四是中繼節(jié)點向目標(biāo)節(jié)點發(fā)送信息。對于第三個階段是保障信息傳輸穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵，也是整個選擇策略中的最復(fù)雜的環(huán)節(jié)。因此，在本階段需要進(jìn)行能量損耗分析。第一階段的能耗分析表示為：；第二階段的能耗分析表示為：；對于式中的表示為發(fā)送訓(xùn)練符號數(shù)量；B表示為帶寬，表示為第一階段發(fā)送功率；表示第二階段發(fā)送功率；表示為估測信道增益的比特數(shù)；ρ表示為放大功率；為電路功耗。第三個階段較為復(fù)雜，在源節(jié)點向中繼節(jié)點進(jìn)行發(fā)送信息時，中繼節(jié)點需要向D發(fā)送信息鏈路，并在開始階段，對SR、RD鏈路進(jìn)行計算功率，，利用系統(tǒng)最大功率發(fā)送進(jìn)行比較，獲得可靠節(jié)點集合N和L，通過對兩個集合交集的運算獲得集合A，由A中的節(jié)點向源節(jié)點反饋信息，則本階段所需發(fā)送的節(jié)點數(shù)為。此時，再由目標(biāo)節(jié)點向i節(jié)點發(fā)送L位數(shù)據(jù)，則能耗計算為；對于式中的J表示為A中中繼節(jié)點數(shù)，為反饋耗時，為節(jié)點篩選耗時，當(dāng)時，目標(biāo)節(jié)點向中繼節(jié)點發(fā)送L位數(shù)據(jù)，則當(dāng)L過大時，。第四階段中，對于集合A中的中繼節(jié)點，通過向目標(biāo)節(jié)點發(fā)生源信息，則完成信息選擇過程。本階段的能耗計算為。至此，四個階段的能耗計算已經(jīng)得出，并可以計算出總能耗。

四、最優(yōu)中繼選擇標(biāo)準(zhǔn)

通過對中繼節(jié)點的選擇策略進(jìn)行分析，能夠從各中繼點的選擇上，利用能量效率來進(jìn)行選擇，從而滿足不同信道下各節(jié)點選擇的總能耗。為此，在判斷中繼節(jié)點的選擇標(biāo)準(zhǔn)上，可以從節(jié)點集合A中來進(jìn)行篩選，并得到最優(yōu)節(jié)點。也就是說，對于上述基于能耗的中繼選擇策略，可以歸結(jié)為四點：一是首先利用最大發(fā)送功率受限來進(jìn)行可靠性節(jié)點篩選，獲得節(jié)點集合A；二是利用集合A中的節(jié)點進(jìn)行傳輸中繼，并從計算中獲得每個節(jié)點的能耗；三是對比各計算結(jié)果，獲得最小能耗值，并確定該節(jié)點為最優(yōu)中繼節(jié)點；四是選擇最佳中繼節(jié)點，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。頻譜效率是單位頻率所能獲得的傳輸能力，利用頻譜效率公式：；對于表示為傳輸過程中的容量，而B作為帶寬，T作為傳輸時間，表示為節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒Ω怕省Ｍㄟ^對頻譜效率的分析，對于一定帶寬下頻譜效率，主要取決于中繼節(jié)點在選擇傳輸過程中的時間、容量、成功概率，而當(dāng)傳輸容量確定時，對于傳輸時間在限定條件下，影響節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵在于選擇成功概率。我們從SR和RD鏈路分析中，可以獲得中繼節(jié)點在傳輸中的成功概率表示為：；可見，當(dāng)對于自適應(yīng)鏈路來說，其傳輸成功概率可以簡化為：；通過最優(yōu)中繼選擇后，其傳輸概率為。也就是說，當(dāng)對中繼選擇策略進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計后，其能量效率獲得提升，中繼節(jié)點傳輸成功率也獲得提升，且對頻譜效率不影響。

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