基于功率分配最優中繼選擇的研究

徐丹丹+葛文萍

摘 要：文中研究了一種低干擾、高通信質量的中繼選擇方案，用拉格朗日極值法分配源節點和中繼節點的功率，其目的在于使系統的中斷率最小。文中的方案由各鏈路的平均信噪比、發射功率的倒數與約束條件組成拉格朗日函數；再對拉格朗日函數求極值，求出能使聯合函數最大的功率分配值，然后把功率和信道參數代入被發送信息的系數中，對系數和排序選擇出系數最大的中繼節點；結合放大轉發策略完成通信。理論分析與仿真結果表明，在相同條件下，所提出的方案在中斷率方面明顯優于隨機選擇方案、最大和準則方案，此外，中繼節點數和數據傳輸速率也是影響中斷率的一個因素。

關鍵詞：中繼選擇；信息系數；發射功率；中斷率

中圖分類號：TN911.25+4；TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）02-00-03

0 引 言

在實際通信系統中，由于地理環境、建筑物、氣候等復雜多變，數據傳輸過程中存在快、慢以及多徑衰落現象，采用中繼轉發可以降低無線傳輸鏈路中斷率，從而保證整個通信系統的有效性和可靠性。在文獻[1]中，C. C. Chu等人提出了最小錯誤比特率的功率分配算法，作者假設源節點使用相同的發射功率、中繼節點也使用相同的發射功率將信息傳送到目的地，沒有根據不同的環境和不同的信道增益合理控制發射功率的大小。在文獻[2，3]中作者研究了兩跳中繼方案的功率分配和中繼選擇算法，并假設源節點知道所有信道狀態信息（CSI），沒有考慮信噪比的影響。文獻[4]僅考慮信噪比的協同中繼選擇，雖然能選擇出信道較好的中繼節點，但好的信道意味著發射功率較大，而較大的功率會導致設備壽命降低、網絡資源分配不均，并給其他設備帶來干擾。

本文研究的功率分配既考慮信噪比的影響，又對源節點和中繼節點分配不同的功率值。首先采用聯合函數求出最優功率分配值，然后結合每條鏈路的信道參數，計算出被發送信息的系數，對系數和的大小進行排序，從而選出系數最大的中繼節點。本方案可以在選擇好通信鏈路的同時實現節約能源，降低干擾的目的。

1 系統模型

本文基于無線網絡的中繼協作通信模型進行研究。假設該系統中存在一個源節點S，一個目的節點D和N個中繼節點（R1，R2，...，Rn-1，Rn），如圖1所示。為了方便研究，假設網絡中的每個節點都只有一根天線，均處于半雙工狀態進行收發信息。由于深度衰落，在源節點S和目的節點D之間沒有直通鏈路，所有的數據傳輸都要經過中繼轉發。在系統中，S到R和R到D的信道均為平坦瑞利衰落信道，而hsi為源節點S到第i個中繼節點的信道參數，hid為第i個中繼節點到目的節點D的信道參數，且hsi、hid是相互獨立的復高斯隨機變量。

在中繼選擇中，假設每個中繼節點知道自己的信道狀態信息，目的節點知道全部信道狀態信息。整個信息傳輸過程分為兩個時隙，第1個時隙為源節點廣播需要發送的信息X；第2個時隙為中繼節點將接收到的數據放大后并轉發給目的節點。

3 仿真結果與性能分析

本節采用Matlab工具對提出的算法進行性能評估，仿真環境為加性高斯白噪聲、瑞利衰落信道，并采用放大轉發策略進行信息轉發。考慮了以下2種對比方案：

（1）不采用任何算法的隨機選擇方案；

（2）最大和準則方案，[10]。

I=2 b/s，n=50，N0=1時，系統中斷率隨SNR增加的變化曲線圖如圖2所示。I=2或2.5 b/s，n=30，N0=1時，系統中斷率隨SNR增加的變化曲線圖如圖3所示。

從圖2可以看出，隨著信噪比的增大，3種方案的中斷率都在逐漸下降，在信噪比相同的情況下，本文所提方案比其他兩種方案中斷率更低。這是因為隨機選擇方案沒有考慮發射功率和信道參數，最大和準則方案只考慮了信道參數，沒有考慮發射功率的影響。而本文提出的基于發射功率和信道參數的方案能選擇出所有中繼節點中最優的中繼節點從而降低中斷率。從圖2還可以看出，本文所提方案的信噪比門限是15 dB，而隨機選擇方案、最大和準則方案的信噪比門限是20dB。當傳輸速率為2 b/s，信噪比小于15 dB時極易中斷，與理論分析值一致。圖3表示是在不同傳輸速率 （I=2 b/s或者2.5 b/s）的條件下，系統的中斷率隨信噪比的變化情況，從圖中的曲線可以看出，傳輸速率越高，要求的信噪比門限值越大，系統越容易中斷，信息速率和信噪比呈正比例關系。

從圖2和圖3中可以看出，當信噪比增大到50 dB時，中斷率趨于某個值不再降低，且中繼節點數不同，中斷率也有所不同。圖2中有50個中繼節點其信噪比門限為15 dB，圖3中有30個中繼節點其信噪比門限為20 dB，但考慮到計算的復雜度，中繼節點數不宜過多。

4 結 語

本文以三節點兩跳的協作通信模型為基礎，在AF策略下，提出了一種功率分配的最優中繼選擇算法。適宜的中繼節點數能降低終端設備的計算復雜度，高信噪比可以保證好的信道鏈路以及通信系統的有效性和可靠性，低發射功率能降低設備的能源消耗，延長其使用壽命，減小對其他用戶的干擾。相比隨機選擇方案、最大和準則方案，文中所提出的方案能得到較低的中斷率，同時數據的傳輸速率也影響系統的中斷率，傳輸速率越大系統的性能越差。本文所提的方案是基于單網絡的，下一步的研究計劃是基于復雜網絡的功率分配算法的中繼選擇方案。

參考文獻

[1] C. C. Chu， H. C. Wang， C. L. Wang.Suboptimal Power Allocation for a Two-Path Successive Relay System with Full Interference Cancellation[C]. Vehicular Technology Conference （VTC Spring）， 2012 IEEE 75th， Yokohama， 2012：1-5.

[2] Y. Zhang，L. H.，J.D.Li.Power allocation and relay selection for AF two-path successive relaying networks[J].Wireless Communications and Mobile Computing，2014，14（4）：487-496.

[3] C. S. Zhang，J. H. Ge，J. Li，et al. Traffic-knowledge-based relay selection for asymmetric two-way AF relaying networks[J].Science China Information Sciences，2013，56（4）：1-6.

[4]司江勃，李贊，劉增基.無線協作網絡中存在干擾時的中繼選擇協議[J].西安交通大學學報，2010，44（2）：72-76.

[5] L. Li， X. Zhou， H. Xu， et al. Wang and A. Soong， “Simplified Relay Selection and Power Allocation in Cooperative Cognitive Radio Systems[J].in IEEE Transactions on Wireless Communications， 2011，10（1）：33-36.

[6] M. Hajiaghayi， M. Dong，B. Liang.Maximizing Lifetime in Relay Cooperation Through Energy-Aware Power Allocation[J].in IEEE Transactions on Signal Processing，2010，58（8）：4354-4366.

[7] Y. Jing，H. Jafarkhani.Single and Multiple Relay Selection Schemes and their Diversity Orders[C]. ICC Workshops - 2008 IEEE International Conference on Communications Workshops， 2008：349-353.

[8]楊曉峰.協作通信系統的中繼選擇算法研究[J].無線通信技術，2011，20（1）：11-14.

[9]閆力瑗，王玥，陳晨.協同通信中繼選擇技術的研究[J].計算機科學，2011，38（B10）：380-384.

[10]趙玉麗，郭麗，朱志良，等.協作通信中一種中繼節點選擇方案的設計[J].計算機應用，2015，35（1）：1-4.