協作通信網絡中的中繼節點選擇技術

楊婧瑋

（78111部隊，四川 成都 610011）

0 引言

隨著科學技術的高速發展，無線通信領域也是日新月異，為了應對當代人對于無線通信的需求，滿足其要求，利用協作通信技術將會有效地提高無線通信網絡的性能，有效地解決無線信道衰退的缺點，提高網絡的穩定性。協作通信技術利用分集技術將多條傳輸線路的通行環境通過協議進行共享，聯合成一個系統，大大提高了無線信道的傳輸能力，解決了移動設備體型小、耗能低、無法連接多條天線的問題。中繼節點選擇是中繼通信的重要內容，關乎系統整體性能。

1 中繼協作技術及中繼選擇概念

1.1 中繼網絡系統模型

中繼網絡系統模型在中繼轉發次數方面，分為兩跳中繼和多跳中繼。其中兩跳中繼網絡模型就是中繼節點與終端之間存在有中級轉發的線路以及直接傳輸的線路，終端同時接受這兩條線路傳輸的信息；多跳中繼網絡模型則是在傳輸源到終端之間設置多個中繼節點，通過接力傳輸的方式將信息傳輸到終點[1]。所以中繼網絡系統模型也可以從中繼節點的數目進行劃分為單中繼系統和多中繼系統，就是根據信息傳輸過程中經過的中繼節點數量為依據的。

1.2 中繼節點選擇算法類型

中繼節點選擇算法的分類可以從多個方向進行，在以中繼節點屬性差異為標準時，中繼節點將會從環境因素及自身特點出發進行分類；在以中繼節點轉發方式差異為標準時，中繼節點將會以對信息的處理方式出發進行分類，不同的節點對信息往往具有不同的處理方式；在以中繼節點的數量差異為標準時，可以以單中繼節點和多中繼節點方向出發，根據通信網絡的信道衰落程度進行選擇，同時也要結合資源利用、算法的復雜度、成本等情況進行考慮；在以信道的差異為標準時，就需要對通信網絡的信道進行分析，根據節點獲取信道信息的方式進行選擇，一般來說，有依據平均信道信息選擇算法和瞬時信道信息選擇算法兩種。

2 中繼節點選擇算法的評價標準

為了對各種各樣的中繼節點選擇算法進行比較深入以及深刻的比較以及分析，我們一定要保障性能評價標準的正確性以及有效性，以下我們從這幾個方面來分析以及研究定性評價中繼選擇算法的具體性能。

（1）算法效果。在協同系統的設計過程中，其主要目標是為了使得網絡容量得到持續的增加，降低功率消耗以及保障網絡覆蓋率得到增加等，其逐漸成為了協同節點選擇算法當中比較重要的考核標準。功率消耗、網絡容量以及網絡覆蓋之間具備折中點，因此要按照不同系統的具體需求對協同節點選擇算法實施不斷的優化。（2）算法具備復雜性。協同通信指的是在網絡角度的基礎之上對整個系統的性能進行一定的優化，但是在這個過程中需要引入非常多的具體優化元素，但是這樣就會使得算法的復雜度逐漸的增加，因此如何完成控制協同節點選擇算法的具體復雜程度是非常重要的一件十強，并且在這個過程中，還需要和理想的系統性能具備一致性，保障其屬于協同節點選擇算法評價的主要標尺。（3）算法帶來的具體通信開銷。在協同系統當中，節點間非常多的信息（比如：信道信息、信源信息以及能量信息等）都需要進行具體交換，這樣才可以促進信息之間的良好傳遞，從而會對系統的通信開銷進行增加，但是這會影響系統性能，進而帶來一定的負面影響。因此在實施協同節點選擇算法的過程當中，一定要對這一點重視起來，如果協同增益和額外開銷的性能損失相比較較大時，才可以選擇協同。在協同節點選擇算法進行執行的過程中，一定要盡量的降低開銷，目前存在的方法：模糊選擇以及有限制反饋等。（4）算法的自適應以及容錯性。由于無線信道具備節點的移動性以及時變特性，造成無法精確的獲得節點狀態信息、信道信息等，這樣以來，協同節點選擇算法就一定要存在魯棒性，這樣可以在適應的過程中對選擇策略實施調整，并且對協同節點以及信道環境變差等情況具備容錯特性。（5）算法代價（軟硬件支持）。關于算法的代價可以從時間代價以及空間代價來進行評價，時間代價主要包含：系統的安裝時間、算法執行時間以及配置時間等。空間代價主要包含：該算法需要的網絡節點數量、基礎設施以及節點尺寸等。協同節點選擇算法的不同所需要使用的軟硬件支持也會不一致，有些算法需要節點具備比較強的計算能力以及存儲能力，有些算法需要一些額外硬件進行支持（比如GPS等）。因此，一定要按照應用背景以及需求，綜合的對技術以及成本等多種因素進行考慮，進而選則協同節點的選擇算法

3 協作通信網絡的中繼節點選擇技術算法分析

3.1 隨機選擇算法

隨機中繼節點選擇算法就是指信息源與終端節點在信息傳遞過程中對所需要使用的節點進行隨機分類和選擇，隨機選擇算法是所有的算法中最簡單的一個，但是由于節點與所需要傳遞的信息的適配性無法計算，也無法對信息收發環境進行分析，所以該方法經常處于時好時壞的情況，對于信息的傳遞非常不利，導致通信協作網絡性能并不穩定。

3.2 機會選擇算法

機會選擇算法是基于信道衰落程度信息中，對瞬時信道信息進行分析和計算選出節點的一種算法，該方法在信息源節點中進行對信道信息的分析，從適合的節點集里選出最適合的節點參與協作過程。具體的分析要結合信道系數與相位，具體操作時信息源節點將對所有的中繼節點發出請求發送指令信息，而終端節點回復允許發送指令信息，并同樣將該信息發送到中繼節點。將可以正常進行請求發送/允許發送協議的中繼節點進行稽核，將協議信息傳輸中的信道信息利用相關計算方法進行估算和分析和每一個節點所需時間，篩選出需時最短的節點。如果需要多個節點，則進行多次篩選，并對落選的節點發送相關通知，保證被選擇節點的正常工作。該方法優點在于算法較為簡單，不需要先進行信息交互，但是缺點在于定時器需要實時更新并且可能出現定時器為零或者通知無法傳送的情況，發生信息傳輸的混亂，導致通信網絡不穩定。

3.3 信嗓比門限選擇算法

信嗓比門限值算法需要中繼節點的接收信嗓低于終端節點，其不需要對信道進行實時的監控和分析，也不需要數據傳輸來進行選擇，對于整個信道系統來說，降低了能耗，且對中繼節點的選擇較準確，但是其復雜度很高并且隨著網絡規模的擴大漲幅也很大。

3.4 聯合功率分配算法

功率是整個協作通信網絡的關鍵，決定著網絡的生存時間，所以需要合理分配功率資源到中繼節點上，延長網絡的作用時間，從而提高通信性能。對節點的資源分配一般來說有等功率分配和注水功率分配，等功率分配的算法簡單但是穩定性弱，而注水功率分配方法需要建立多個獨立信道，算法復雜但是可以最大新都優化網絡。

3.5 中繼節點選擇和功率分配聯合優化

使用中繼選擇和功率分配兩種技術可以很大提升系統性能，在不同的網絡場景中的優化方向是網絡性能有限的情況下通過最小化協作通信網絡功率的優化以及在網絡傳輸速度的能量小號的情況下將協作通信網絡能源效率最優化。在單向中繼網絡中，上訴要求可以通過高信噪比與調節信息源節點的功率分配實現，而雙向中繼網絡中較為復雜，但也是需要基于信嗓比門限選擇算法、信道選擇和實驗。

3.6 中繼節點選擇和其他協同資源的聯合分配

在系統資源中，協同系統以及協同節點占據的比例是非常小的，只是一小部分，因此在當前的研究工作當中，需要把協同節點選擇以及其他的一些資源分配進行綜合性的考慮，比如：寬帶以及功率等。在跨層聯合設計的基礎上，可以大大的改善系統資源的性能。但是在這個過程中引入了比較多的變量以及優化目標，從而會對系統設計造成較大的影響，在非常多的情況下，系統最優問題逐漸的變為非多項式（NP）難問題。因此，如何找到可執行的漸進最優算法以及找到適當的聯合優化參數，屬于資源分配算法當中重點考慮的問題。

4 結束語

本文通過對協作通信網絡的中繼節點選擇技術進行概述，列舉了幾種中繼節點的選擇算法以及多與功率分配聯合優化網絡性能的要點進行說明，具體的方案設計和實施要需要進一步研究。