放大轉發中繼器降低發射功率的選擇策略研究

周曉明

摘 要：文章針對傳統多中繼放大轉發協作通信網絡中所有潛在中繼均參與協作，導致系統所需發射功率增加的問題，提出了一種中繼節點選擇策略。該策略以最小化系統中斷概率為目標，引入了中繼節點的選擇門限，并據此逐一令低于門限的中繼節點不參與協作，將其資源重新分配給其他節點，從而降低系統整體所需發射功率。中繼節點選擇策略運算開銷小，且選擇門限只與中繼節點數、平均信道增益以及當前系統信噪比有關，可在傳輸開始前確定而無需實時更新，從而節省了系統開銷。仿真實驗表明，在相同的信噪比條件下，該策略在滿足一定的中斷概率條件下，可以有效降低發射功率。

關鍵詞：協作通信；發射功率；放大轉發；中繼選擇

協作通信技術利用多個不同用戶的天線組成虛擬天線陣，從而獲得類似多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）系統的性能增益，其概念最早由Sendonaris等提出[1-2]。Laneman等研究了瑞利衰落環境下的各種協作通信協議，如解碼轉發、放大轉發等，并將由協作帶來的分集稱為協作分集。協作分集的基本思想是源節點通過中繼的幫助向目的節點傳送信息。在中繼協作通信系統中，適當地選擇中繼節點與源節點進行協作轉發，能夠獲得可觀的分集增益。隨著人們對協作中繼技術的進一步研究，產生了Adhoc，WSN等多種網絡與協作中繼的融合，在很大程度上擴大了信號覆蓋范圍，增加了傳輸速率，提高了傳輸可靠性。

以現有研究結果為基礎，以多源節點—多中繼節點協作通信系統模型為基礎，針對包含譯碼轉發中繼節點的網絡提出了一種集中式的中繼選擇算法。該算法復雜度低，在保證系統滿足一定中斷概率的前提下，能夠有效地降低傳輸所需總功率。

1 系統模型

以多源節點—多中繼—單目的節點無線協作通信網絡為系統模型[3]，網絡中存在M個源節點S1…Si…SM、N個中繼節點R1…Rj…RN和1個目的節點D，N個中繼節點協助源節點轉發信息。

假設在一次傳輸中每個源節點選擇一個中繼為其轉發信息。傳輸過程分兩個階段進行：第一階段，源節點發送信號到中繼節點，第j個中繼節點接收到來自第i個源節點的信號可以表示為

第二階段，中繼節點將譯碼信號重新編碼并發送至目的節點，假設中繼在信噪比高于設定閾值的情況下能夠正確譯碼，目的節點D接收到的來自第j個中繼節點的信號可以表示為

其中Psi表示第i個源節點的發射功率，x表示單位功率發射的符號，hsi，d、hsi，r和hr，d分別表示第i個源節點到目的節點、第i個源節點到第j個中繼節點和第j個中繼節點到目的節點的信道衰落系數，它們都是相互獨立的零均值循環對稱復高斯隨機變量，其方差分別為λsi，rj、λsi，d和λrj，d，慢衰落信道。nsi，rj、nsi，d和nrj，d分別為獨立的零均值加性高斯白噪聲，并假設其噪聲功率譜密度為1。

2 中繼選擇算法

在無線通信網絡中，根據具體應用環境不同，有些節點可能采用電池供電，因此有必要通過合理地選擇中繼進行信息轉發達到減小發射功率、有效配置資源的目的。

首先討論單個源節點在周圍布放多個中繼節點的情況下的減小發射功率的中繼選擇問題，之后再將結論應用到多源節點的模型中，并提出一種在一定中斷概率限制的前提下最小化系統發射功率的中繼選擇算法。假設每次源節點在協作過程中選取一個節點轉發信息，亦假設系統對中斷概率要求為 γ，所以該問題可表示為：

式（3）的3個限制條件中，第1個是中斷概率要低于系統要求，第2個和第3個是源節點和中繼節點的發射功率不能超過額定最大值Pmax。

如果網絡中只有一個源節點和一個目的節點通過多個中繼進行協作通信的情況，此時的中斷概率可以表示為

式（4）中前一項為源節點到中繼節點（S-R）通信鏈路和源節點到目的節點（S-D）直接通信鏈路兩種方式同時中斷的概率，第二項為當S-R鏈路不中斷而S-D或R-D鏈路中斷的概率。中斷概率Pout的表達式為

式中Pi，j表示第j個源節點通過第i個中繼節點協作通信時，系統所需要的發射功率。因此，矩陣的每一行表示一個源節點分別選擇每一個中繼節點時所需要的發射功率，每一列則表示一個中繼節點分別被每個源節點選作協作節點時所需要的發射功率。

可見，通過計算所有源節點和中繼節點組合所需發射功率，再從“功率矩陣”中選出最小的一個值Pi，j即可得到中繼選擇的結果。窮舉搜索法的結果可以被視為總發射功率的下界，但其有較高的復雜度，較長的計算時間會造成通信的延時。

為此，提出一種復雜度較低的中繼選擇算法，該算法計算復雜度為O（n），而窮舉搜索法的計算復雜度為O（n！），能夠大大減小計算時間。算法應用于源節點，統一控制中繼的選取，屬于集中式算法。算法以“功率矩陣”為基礎，通過對矩陣行和列的操作實現對最小功率節點的選擇。算法流程描述如下：

（1）通過計算得到“功率矩陣”P。

（2）從矩陣P中隨機選擇一行進行選擇操作，從中選出數值最小的一個元素。

（3）再刪除矩陣中上一步中選中元素所在的行。

（4）循環進行（2）（3）兩步，直到功率矩陣P為空矩陣。

（5）將（2）（3）（4）步進行多次操作，選出其中值最小的一次，以消除隨機性帶來的較大偏差。

3 仿真結果及分析

通過MATLAB對算法進行仿真實驗，所得結果如圖1所示。不失一般性，該實驗分別將隨機選擇法（隨機選擇中繼進行信息轉發的方法，圖1中虛線所示）、隨機比較法（即上文所述的算法，圖1中實線所示）和窮舉搜索法（理論上的最優方法，圖1中點劃線所示）進行性能比較。相關信道參數假設如下：信道衰落指數α=2，信噪比SNRtarget=10 dB，加性高斯白噪聲方差。endprint

圖1為在不同中斷概率約束條件下，運用3種算法時所需總發射功率的比較圖，其中圖中縱軸單位為W，直觀表示系統功率。實驗假設源節點個數固定為4，中繼個數為16，系統中斷概率在10-6～10-1之間變化。隨機選擇法在中斷概率較小，即對通信系統可靠性要求較高時系統所需總功率非常大，而隨機比較法則僅需要很小的功率，因此該算法在中斷概率較小時有很大的優勢。

4 結語

以包含多源節點的譯碼轉發中繼無線網絡為基礎，在滿足一定中斷概率的前提下，以最小化系統發射總功率為目標，提出了一種集中式的中繼選擇算法。中繼節點通過信道估計得到瞬時信道狀態信息，并將該信息反饋給源節點，在源節點處利用中繼選擇算法選擇符合條件的中繼進行信息的轉發。仿真結果表明，該集中式算法能夠有效降低系統發射總功率，尤其在源結點個數較少、系統對通信中斷要求較高時與隨機選擇算法相比具有較為明顯的優勢。

[參考文獻]

[1]成聿倫.無線協作通信系統中基于網絡編碼的可靠傳輸技術研究[D].南京：南京郵電大學，2014.

[2]孫立悅，趙曉暉，虢明.基于中斷概率的協作通信中繼選擇與功率分配算法[J].通信學報，2013（10）：84-91.

[3]徐盼，芮賢義.協作通信中混合雙工方案下的中斷概率分析[J].計算機工程與應用，2015（21）：102-105.

Abstract：Aiming at the problem that all potential relays in traditional multi-relay amplification and cooperative communication networks are involved in cooperation， resulting in increase of the transmission power of the system， this article proposes a relay node selection strategy. In order to minimize the probability of system outage， this strategy introduces the selection threshold of relay nodes with the relay nodes below the threshold not involved in the collaboration， and reallocates resources to other nodes to reduce the overall transmit power required by the system. The calculation cost of the relay node selection strategy is small， and the selection threshold is only related to the number of relay nodes， the average channel gain and the current system signal-to-noise ratio， and can be determined before the start of transmission without being updated in real time， thereby saving system overhead. Simulation results show that under the condition of the same signal-to-noise ratio， the proposed method can effectively reduce the transmission power under the condition of certain interruption probability.

Key words：cooperative communication； transmit power； amplifying forward； relay selectionendprint