DF中繼網絡中的分布式機會信道接入策略

董 蕾,王勇超

(西安電子科技大學綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室,陜西西安 710071)

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DF中繼網絡中的分布式機會信道接入策略

董 蕾,王勇超

(西安電子科技大學綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室,陜西西安 710071)

摘要:針對連續傳輸速率下分布式機會信道接入場景設定與性能優化受限的問題,提出了離散傳輸速率下譯碼轉發中繼網絡中的分布式機會信道接入策略.該策略在最優停止理論的指導下,將最大化系統平均吞吐率作為優化目標,通過對譯碼轉發中繼網絡中的第2跳傳輸時間進行完全優化,使總體的傳輸時間大幅度減小,系統性能得到顯著提高.仿真結果表明,相較現有策略,文中所提策略在系統平均吞吐率上具有明顯優勢.

關鍵詞:中繼網絡;機會式接入;最優停止理論

近來,聯合物理層(PHYsical layer,PHY)和媒體接入控制層(Media Access Control,MAC)的分布式機會信道接入已成為研究熱點.通常來說,機會接入要求用戶只在信道條件足夠好的時候才被允許接入,而在分布式網絡中,由于缺少全局信道狀態信息,最優的機會信道接入研究面臨著各種挑戰.文獻[1]提出了自組網(ad-hoc)中的基于納什均衡的信道接入策略.文獻[2]研究了自組網中基于最優停止理論的機會信道接入策略.在該策略下,當競爭信道成功的用戶所獲得信道增益小于最優門限時,用戶放棄傳輸機會并且開始新一輪的競爭,如果用戶所獲得信道增益不小于最優門限,用戶則停止競爭過程并且傳輸數據.隨后,文獻[3]研究了在不完全信道信息下的分布式機會信道接入.文獻[4]提出了在干擾模型下的機會接入策略.文獻[5]給出了平衡更準確信道估計和額外探測時間的雙層信道接入策略.文獻[6-8]將研究進一步擴展到了兩跳中繼網絡,文獻[6]提出了放大-轉發(Amplify-Forward,AF)中繼網絡中的分布式機會信道接入.文獻[7-8]研究了譯碼-轉發(Decode-Forward,DF)中繼網絡中的分布式機會信道接入,其中,文獻[7]考慮了中繼鏈路所提供的增益與所花費時間的折中關系,文獻[8]提出了在多個信道相干時間內傳輸的中繼等待策略.文獻[9]則研究了引入隊列狀態信息后,隊列穩定約束下的分布式機會信道接入策略.

現有的分布式機會信道接入大部分采用連續傳輸速率的假設.然而在某些實際系統中,需要采用固定的離散速率進行傳輸,因此有必要研究離散傳輸速率下的機會信道接入策略.在另一方面,由于連續傳輸速率的限制,導致在某些場景中只能獲得局部最優接入策略.例如在文獻[8]的中繼等待策略下,第2跳的傳輸時長采用了并非最優選擇的信道相干時間,但是在離散傳輸速率下,上述問題可以得到解決.針對文獻[8],筆者在最優停止理論的指導下,以最大化系統平均吞吐率為目標,提出了離散傳輸速率下DF中繼網絡中的分布式機會信道接入策略.仿真結果驗證了所提策略的可靠性.

1 系統模型

考慮一個有K個源-目的對和一個中繼節點的DF中繼網絡,并假設這K個源-目的對之間不存在直接鏈路.源節點i與中繼節點之間的信道增益為fi,中繼節點與目的節點i之間的信道增益為gi,fi和gi服從獨立同分布的瑞利衰落.兩跳的平均接收信噪比分別為ρf和ρg,信道相干時間均為τd.假設可用的離散傳輸速率集R={R1,R2,…,Rl,…,RL},其中,L為可用的速率的個數.在該系統模型下,由源節點i、中繼節點和目的節點i所組成的信道所能提供的最大信道速率為

在每個傳輸周期開始時,K個源節點通過概率p0向中繼發送一個請求發送(Request-To-Send,RTS)包來競爭傳輸機會.源節點競爭的結果可分為以下3類:所有的源節點都沒有參與競爭;參與競爭的源節點為2個或2個以上,因此多個源節點發生碰撞,導致所有源節點均無法獲得傳輸機會;只有1個源節點參與競爭,該節點可獲得傳輸機會.假設時間被分割為連續的時隙,K個源節點在每個時隙內重復上述競爭過程,直到第種競爭結果出現,中繼再將獲得的第1跳信道信息通過一個清除發送(Clear-To-Send,CTS)包反饋給獲勝的源節點.由上述競爭過程可知,競爭成功所需要的時隙個數可視為一個服從幾何分布的隨機變量,該隨機變量的期望為定義所有源節點競爭信道直到成功的過程為一個觀察,觀察的長度可視為一個隨機變量,其期望為其中,δ表示所有的源節點都沒有參與競爭時的時隙長度.

2 中繼等待信道接入策略

假設第n個觀察時的優勝源節點為s(n),第1跳信道信息rf(n)位于區間[ri,ri+1)內,如果s(n)決定在第n個觀察時放棄傳輸機會,則所獲得的增益V0(rf(n),λ*)=V(λ*)-λTn;否則,s(n)采用中繼等待策略傳輸數據.定義Rf(n)=lb ( 1+rf(n) ),為第n個觀察時第1跳所能獲得的最大速率.在中繼等待策略的第1階段,優勝源節點以不高于Rf(n)的速率Rn∈R將數據傳輸到中繼,傳輸時間為相干時間τd.由于數據此時只抵達至中繼,中繼節點還需要探測第2跳信道信息,并且決定轉發數據或者繼續探測.而且由于抵達中繼的數據量為Rnτd,中繼到目的節點的最大傳輸時間為τd,因此,中繼需要持續探測第2跳信道直到可獲得信道速率不小于第1跳的傳輸速率Rn.

當Rn=Rl時,中繼等待策略可獲得的增益Yrl為

其中,τd為第1跳的傳輸時間.由上式可得,由于最優的傳輸速率Rn會影響所傳輸的數據量、中繼的等待時間及第2跳的傳輸時間,因此,它在中繼等待策略中具有關鍵作用.

當第1跳信道增益rf(n)位于區間[ri,ri+1),在中繼等待策略下,最優的增益為

根據上述分析,文中提出的中繼等待策略下的最優停止法則定理如下.

證明 通過最優停止理論,當停止所獲得的增益不小于采用中繼等待策略傳輸所獲得的增益時,探測應該停止.因此,最優停止理論可表示為

根據最優停止理論,最優等式可表示為

由于最優等式的左邊為一個關于λ的減函數,因此,最優的λ*惟一.證畢.

3 仿真結果

仿真中參數的設定為K= 5,τd= 2 ms,τRTS= 50μs,τCTS= 50μs,δ=25μs,p0=0.3.ρf=1,ρg從1變化到10.離散傳輸速率集R= {1 bit/s,2 bit/s,3 bit/s,4 bit/s,5 bit/s},所對應的信噪比比值集合R= {1,3,7,15,31}.圖1比較了文中所提策略與文獻[8]策略的平均吞吐率,從圖1可以看出,文中所提策略的平均吞吐率優于文獻[8]策略的,因此,該策略的性能得到了有效驗證.

圖1 文中所提策略與文獻[8]策略的性能比較

4 結束語

筆者提出了一種DF中繼網絡下基于最優停止理論的分布式機會信道接入策略.該策略以最大化系統

的平均吞吐率為目標,有效利用了系統的多用戶分集和時間分集,并且提出了實施復雜度低的純門限準則.最后,仿真結果通過與現有文獻相比,有效驗證了文中所提策略的性能.

參考文獻:

[1]李曉記,陳晨,仇洪冰,等.無線Ad Hoc網絡單信道并行傳輸的博弈解決策略[J].西安電子科技大學學報,2010,37 (5):789-800.LI Xiaoji,CHEN Chen,QIU Hongbing,et al.Game-theoretic Approach for Concurrent Transmission in a Singlechannel for Wireless Ad Hoc Networks[J].Journal of Xidian University,2010,37(5):789-800.

[2]ZHENG D,GE Y W,ZHANG S J.Distributed Opportunistic Schedulingfor Ad Hoc Networks with Random Access:an Optimal Stopping Approach[J].IEEE Transactions on Information Theory,2009,55(1):205-222.

[3]ZHENG D,PUN M O,GE Y W,et al.Distributed Opportunistic Scheduling for Ad Hoc Communications with Imperfect Channel Information[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2008,7(12):5450-5460.

[4]GE Y W,ZHANG S J,WIESELTHIER J,et al.PHY-aware Distributed Scheduling for Ad Hoc Communications with Physical Interference Model[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2009,8(5):2682-2693.

[5]THEJASWI P S C,ZHANG S J,PUN M O,et al.Distributed Opportunistic Scheduling with Two-level Probing[J].IEEE/ACM Transactions on Networking,2010,18(5):1464-1477.

[6]GONG X,THEJASWI P S C,ZHANG S J,et al.Opportunistic Cooperative Networking:to Relay or Not to Relay[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2012,30(9):307-314.

[7]ZHANG Z,JIANG H.Distributed Opportunistic Channel Access in Wireless Relay Networks[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2012,30(2):1675-1683.

[8]ZHANG Z,ZHOU S,JIANG H,et al.Opportunistic Cooperative Channel Access in Distributed Wireless Networks with Decode-and-Forward Relays[J].IEEE Communications Letters,2015,19(10):1778-1781.

[9]DONG L,WANG Y.Opportunistic Channel Scheduling for Ad-Hoc Networks with Queue Stability[J].Frequenz,2015,69:163-170.

[10]FERGUSON T.Optimal Stopping and Applications[EB/OL].[2014-10-10].http://www.math.ucla.edu/～tom/ Stopping/Contents.html.

(編輯:齊淑娟)

Distributed opportunistic channel access strategy in DF relay networks

DONG Lei,WANG Yongchao
(State Key Lab.of Integrated Service Networks,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

Abstract:Considering the two limitations of scenario assumption and performance optimization in distributed opportunistic channel access under the continuous transmission rate,a distributed opportunistic channel access strategy is proposed in DF relay networks under the discrete transmission rate.The proposed strategy maximizes the system average throughput with the instruction of optimal stopping theory.By optimizing the second-hop transmission time in DF relay networks completely,the total transmission time is reduced,and the system performance is improved.Compared with the current strategy,simulation result demonstrates the validity of the proposed strategy in system average throughput.

Key Words:relay networks;opportunistic access;optimal stopping

作者簡介:董 蕾(1987-),女,西安電子科技大學博士研究生,E-mail:donglei.xian@gmail.com.

基金項目:國家自然科學基金資助項目(61372135);高等學校學科創新引智計劃資助項目(B08038)

收稿日期:2014-10-21 網絡出版時間:2015-05-21

doi:10.3969/j.issn.1001-2400.2016.02.003

中圖分類號:TN92

文獻標識碼:A

文章編號:1001-2400(2016)02-0013-04

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150521.0902.026.html