基于Ad hoc網絡的最佳中繼選擇方案研究

劉德文（南京郵電大學通信與信息工程學院，江蘇南京210003）

基于Ad hoc網絡的最佳中繼選擇方案研究

劉德文
（南京郵電大學通信與信息工程學院，江蘇南京210003）

針對多個源節點和目的節點的Ad hoc網絡，提出了基于有限反饋的分布式最佳中繼選擇方案。該方案通過有限反饋，選出信道條件最好的作為中繼節點。解決最佳中繼沖突問題時，提出用最大化傳輸鏈路功率算法解決中低SNR時的功率分裂問題，使有限的總功率能夠獲得最大的成功傳輸數目。仿真結果表明，該方案具有更好的中斷率性能，有效降低了中繼選擇時的信息交互開銷，提高了系統的性能。

Ad hoc網絡；反饋；最佳中繼選擇；功率分配

0 引言

Ad hoc網絡是一種全分布式的無線分組網絡，組成網絡的節點既是通信終端，又具有路由器的功能，可自由移動，無需固定基礎設施的支持。對于分簇結構的Ad hoc網絡，地理上相近的多個節點按照一定的規則構成不同的虛擬組（稱為簇），并通過這些簇間的進一步連接實現全網的連通[1]。

同一簇內，如果使用傳統的工作方式，源節點和目的節點之間的通信由簇頭來轉發，簇頭控制節點業務量太多，會產生瓶頸，故要使用中繼轉發。因此對Ad hoc網絡中最佳中繼協作方案的研究一直是重點也是熱點。參考文獻[2]中詳細研究了無反饋的選擇協作方案，基于的信道環境為Nakagami-m衰落。參考文獻[3]中介紹了多次傳播編碼協作背景下機會中繼的中斷率性能。參考文獻[4]介紹了多點干擾環境下機會中繼的中斷率性能。以上協議中都假設系統獲取全反饋，即全部鏈路的信道狀態信息（CSI[5]），但是全反饋的開銷很大，對于現在很多網絡系統負擔較大。若采用有限的部分反饋，如源-中繼節點鏈路的CSI，則開銷會小很多。參考文獻[6]介紹了超過設定門限值的中繼進行有限反饋的方法。參考文獻[7]分析了有限反饋延遲和信道估計誤差的再生中繼選擇協作方案。參考文獻[8]對機會中繼在通用信道中基于反饋協作進行理論分析。在通用衰落模型Nakagami-m環境中，存在反饋的選擇協作的分集性能，有待進一步研究。參考文獻[9]介紹了一種通過中繼和目的節點間的有限信息反饋選擇最佳中繼的中繼選擇策略。這些協議也要求系統能精確獲得反饋信息，實際系統實現較為困難。

本文在現有選擇方法的基礎上，針對多個源節點和目的節點的Ad hoc網絡[10]，對簇內中繼選擇的問題進行了研究，提出了有限反饋的分布式多個源節點和目的節點的最佳中繼選擇方案，從SNR角度，提出了最大化傳輸鏈路的功率算法解決最佳中繼沖突問題。仿真結果表明，相比之前的多源多目標Ad hoc網絡中的選擇協作方法，本文的協作方案有效降低了中繼選擇時的信息交互開銷，擁有更好的中斷率性能，明顯改善了網絡傳輸性能。

1 系統模型

系統模型如圖1所示，本文所研究系統是一個多源多目標的Ad hoc協作網絡。假設中繼協作系統由L個源節點、L個目的節點構成，令源節點為si，目的節點為di，其中源節點si∈S，對應的目的節點di∈D。源節點si對應的最佳中繼節點為b（b為原來的源節點sj，即每個源節點可能充當其余L-1個源節點的中繼），它們之間的信道值分別為。假設信道值全為準靜態信道，為循環對稱復高斯隨機變量，且獨立同分布，方差為1，均值為0。

圖1 中繼協作網絡系統模型

某個源節點和被選定為中繼的另外一個源節點在傳輸時都使用相同的碼本，所有的數據傳輸都使用正交方式。令節點i和節點j之間的信道值為hi，j、成型因子為ki，j、擴展因子為θi，j。本文的Nakagami-m可以看作通用衰落模型，當ki，j=（K+1）2/（2K+1）時，它可近似表述衰落因子為K的Rician分布；當ki，j=1時，它可退化為Rayleigh分布；當ki，j→∞時，它表示沒有衰落的直視傳輸情況。

系統的干擾噪聲服從CN（0，σ2）分布，為獨立同分布的白高斯噪聲。接收節點接收的平均信噪比為（SNR）：ρ=P/σ2，其中P為節點的發射功率。另外在發送前，節點不能通過自身獲取信道狀態，即各節點只能通過接收數據來獲取所需的CSI。

2 最佳中繼協作策略研究

2.1 基于有限反饋的最佳中繼選擇協作方案

本文研究對象是Ad hoc中的多個源節點和目的節點的網絡[11]，針對目前協議存在的開銷大和傳輸效率低的問題，通過對其進行改進和完善，提出一種基于有限反饋的全分布式中繼協作方法。

假設發送的數據幀長為N bit，發送時間為Tf，速率為R bit/Hz，將N分為兩個子幀N1、N2發送。定義一個α，有N1=αN，N2=（1-α）N，αTf用來發送N1，（1-α）Tf發送N2。

方法如下：

（1）規定的αTf時間里，源節點先發送第一個子幀N1，其他節點監聽信息，并譯碼。

（2）成功譯碼的節點重新參照源節點的編碼規則進行編碼。同時將第二子幀的冗余校驗信息存入緩存區，并依此廣播1 bit信息通知目的節點。若沒能正確譯碼，則忽略。目的節點根據此信息估計各自信道的瞬時SNR，選擇信道條件最好的信道發送第二子幀的冗余校驗信息，并把該節點的ID號廣播給其他節點。

（3）收到發送通知的節點立即發送緩存區里源節點的第二子幀冗余校驗信息，其余節點則清除緩存區內的信息。如果目的節點判斷沒有其他中繼節點能正確譯碼，則由源節點發送冗余校驗信息。

網絡中每個節點固定分配長度是1 bit的時隙，用此1 bit告知目的節點能正確譯碼。目的節點分配（L-1）bit時隙用于目的節點選擇最佳中繼節點。本文采用競爭時隙的幀結構圖，如圖2所示，當Tf一定時，Tw越小，表明交互信息時間越少。

圖2 時隙的幀結構圖

2.2 最大化傳輸鏈路的功率分配算法

本文的多源多目標的Ad hoc協作網絡，會有多個源節點同時把其一節點作為它們的最佳中繼的情況發生，采用共享中繼的策略解決中繼沖突問題。對于共享中繼導致的功率分裂，提出最大化傳輸鏈路（Maximize the Number of Links，MNL）的功率算法來保證優越的DMT性能，分析如下：

對于SNR較低的情況[12]，由于功率P的限制，信道信息同上，先通過信道狀態預估各協作鏈路的傳輸結果，共享中繼根據預估結果對各鏈路的功率進行智能分配，以在總功率上獲得最大的成功傳輸數目。各鏈路上的信道狀態是通過最佳中繼接收到的NACK幀的信息獲取的。

設kiP是共享中繼b為協作si與di這一鏈路所分配的功率，則有中繼協作情況下，對于si與di，成功解碼時對應的互信息量為Ii，且Ii≥R。

功率分配系數ki為：

其中：

為獲得更多的鏈路傳輸成功，所以優化的目標是找到合適的ki（i=1，2，..，n），即下式成立的個數越多越好：

用比較型迭代過程來解決式（3）的優化問題。該算法的具體實現如下：

（2）查找系數集合K的最小值kj；

（3）更新已分配功率：kalloc=kalloc+kj；

（4）若kalloc<1，則更新系數集合K=K-{kj}，否則算法終止；

（5）若K=Φ，則算法終止，否則執行步驟（2）進行迭代過程。

上述算法的復雜度為O（n2），該算法表明，每次尋求出ki中的最小值，當P分配完畢，即kalloc≥1時停止。

另外研究表明，SNR較高時，基于所提的有限反饋的最佳中繼選擇方案，最佳中繼節點的功率分配系數不影響每個源節點的DMT性能，所以所提功率分配算法對整個系統具有可行性。

3 仿真結果與分析

對本文提出的協議及功率分配算法在MATLAB 2010平臺上進行仿真。信道都服從獨立同分布的Rayleigh衰落，且頻率效率R=1，采用中斷率作為性能指標，分別采用網絡中斷率和節點中斷率[13]。

仿真中，設置源節點數目為6個，圖3是對所給出的無反饋的協作協議與基于MNL功率分配方法的有限反饋協作協議進行仿真的對比。從圖中看到，無論是節點中斷率還是網絡中斷率，在相同SNR情況下，所提方案的中斷率性能遠遠超過了無反饋協作協議。

現實環境是非均衡網絡，信道均值不同，在基于有限反饋的選擇協作協議中分別采用MNL功率分配方法和等功率算法進行仿真對比。假定按照源節點號，各個源節點和對應目的節點間的信道質量依次增加200%。仿真結果如圖4所示。可以看出，對于節點中斷率和網絡中斷率，MNL功率分配算法的中斷率性能都優于等功率算法，即實際網絡中MNL功率分配算法也能使系統效果更優越。

圖3 無反饋與基于MNL功率分配的有限反饋協議的中斷率仿真對比

圖4 MNL功率分配和等功率分配在非均衡網絡中的中斷率仿真對比

改變源節點的數目，取L=6，8，10，在基于有限反饋的選擇協作協議中分別采用等功率算法和MNL功率分配方法進行仿真對比。結果如圖5。隨著網絡中節點數目的增加，系統的中斷率持續下降，性能更好。且隨著節點數L的增加，兩種功率算法的中斷率差距增大，即表明對于節點數多的較大規模無線網絡，MNL功率分配算法更為優越。

圖5 MNL的功率分配和等功率分配在不同節點數目下的中斷率仿真對比

圖6 的仿真是分別在非均衡網絡與理想均衡網環境下，模擬所提協議MNL功率分配算法產生的中斷率。通過仿真看出，相同條件下，對于節點中斷率和網絡中斷率，非均衡和均衡網絡中的中斷率性能差距不斷增加，MNL功率分配算法在非均衡網絡中的性能要比均衡網絡中差。

圖6 MNL功率分配算法在均衡和非均衡網絡的中斷率仿真對比

4 結束語

本文針對多源多目標Ad hoc網絡的簇內中繼協作進行了研究，提出了基于有限反饋的分布式最佳中繼選擇方案，方案簡單高效，可以方便地集成到現有無線網絡中，解決最佳中繼沖突而采用共享中繼時，提出MNL（最大化傳輸鏈路）功率分配算法使有限的總功率能夠獲得最大的成功傳輸數目。仿真結果表明，所提方案相比以往針對多源多目標網絡的選擇協作方法具有更好的中斷率性能，有效降低了中繼選擇時的信息交互開銷，對于最佳中繼選擇傳輸方案，采用本文提出的功率分配策略所獲得的系統性能明顯高于等功率分配。但本文僅考慮簇內中繼的選擇，當簇間需要中繼傳輸時，由于簇間的頻點不同，需要進行頻點切換。因此下一步工作將在本文基礎上，研究簇間中繼協作。

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Research on the optimal relay selection scheme based on Ad hoc networks

Liu Dewen
（School of Communication and Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China）

In this paper，an optimal relay selection scheme with limited feedback is proposed for multi-source multi-destination ad hoc networks.The scheme will choose the relay node which has the best channel condition throuth limited feedback.When sovling optimal relay conflicts，we propose a power match algorthm based on maximize the number of links to solve the power division to get the most number of successful transmission based on the limited power.Simulation results illustrate the scheme has better interrupt rate，it can effectively reduce information exchangeswhen choosing the optimal relay and improve the performance of the system.

Ad hoc networks；feedback；optimal relay selection；power allocation

TN925

A

1674-7720（2015）03-0063-04

2014-10-07）

劉德文（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：無線數據與移動計算。