基于協作通信的雙定時器中繼選擇方案

陳思

摘要：協作通信技術主要利用不同用戶彼此共享天線來獲得空間分集增益和性能增益。因此，協作通信能有效抵抗信道衰落、改善系統容量、提高信息傳輸速率、降低信號誤碼率。本文針對現有機會中繼選擇方案中由于定時誤差大導致資源耗損多、碰撞概率高及節點誤選等導致系統性能降低的問題，深入分析了機會中繼中存在的定時器選取問題，并做出了相應改進，提出了一種基于協作通信的雙定時器的中繼選擇方案。

關鍵詞：協作通信;中繼選擇;定時精度

Abstract：Cooperative communication technology mainly uses different users to share antennas with each other to obtain spatial diversity gain and performance gain. Therefore， cooperative communication can effectively resist channel fading， improve system capacity， improve information transmission rate and reduce signal error rate. In this paper， aiming at the problems of the existing opportunistic relay selection schemes， such as large timing error， high resource consumption， high collision probability and node selection error， which lead to system performance degradation， the timer selection problem in opportunistic relay is deeply analyzed， and the corresponding improvement is made， and a relay selection scheme based on double timers is proposed.

KeyWords： Cooperative communication; Relay selection; Timing accuracy

1 引言

在無線協作通信系統中，中繼選擇實際上是從多個候選的中繼節點選取一個或者多個性能好的中繼節點參與協作傳輸，盡可能使人們獲得到最大的協作分集增益。作為協.作.通.信中的一個非常重要研究方向，中繼選擇的研究已收到國內外學者的高度關注。目前中繼選擇的研究方向主要包括如下的幾個方面：

（1）基于節點數目的中繼選擇

在協.作.通.信.系.統中，按照所選中繼節點個數可以將中繼選擇分為兩大類：單中繼選擇及多中繼選擇。其中，單.中.繼.選.擇是指在多個備選的中.繼.節.點中，選取能從源節.點到目的節.點中的最好性能的中.繼.節.點。而多中繼選擇會從多個備選的中繼節點中選取兩個及兩個以上的節點進行協作傳輸，一般需要利用中繼子集或門限來進行選擇節點。單中繼節點和多中繼節點的不同之處在于：單中繼選擇算法復雜性不高，但要比較的次數多;而多中繼復雜性高，但需要比較的次數少[1-3]。

（2）基于信道信息的中繼選擇

根據所依據的信道信息，中繼選擇可以分為：統計信.道.信.息的中繼選擇和瞬.時.信.道的中.繼.選擇。其中，統計信道的中繼選擇適應于靜態網絡及低速的移動網絡，這種選.擇策略是根據地.理區域進.行的。基.于.瞬.時信道的中.繼.選.擇比較適合動態網絡及速度較高的移動網絡。該種策略可以利用稍微簡單的方法獲取節.點的瞬.時.信.道.狀態[3-5]。然而，瞬時信道的信息狀態是動態的、不確定的，因此在中繼選擇過程中需要頻繁的對信道狀態進行預估計，當然這種頻繁的工作肯定會增加成本的開銷，也存在著估計不準確而導致協作系統選用了不好的工作方式而致使系統性能降低[6-8]。

（3）基于準則限定下的中繼選擇

在中繼選擇中，往往涉及到兩跳鏈路，基于此，定制出合理的準則能更好好地評估

出最優中.繼.節.點，這將有利于于提高無線協.作.通.信.系統的整體性.能。在已有的研究中，中.繼.選.擇準則主.要有以.下幾種：最大信噪比、功率受限、最.好或最.壞鏈路質.量及最佳調.和.平.均等等[9-10]。

2 雙定時器中繼選擇方案

機會中繼是近年來研究較多的中繼選擇方案，它通過定時器來選擇一個最優中繼節點。該方案僅利用瞬時的信道信息，在降低系統的復雜度的同時獲取了與采用其他復雜方案相同的分集增益。但是機會中繼也存在當有多個節點被選擇就會發生碰撞導致信息重傳，降低了傳輸效率的問題，針對這個問題，本文在分析和改進機會中繼算法存在的問題基礎上，提出了一種基于雙定時器的中繼選擇方案并分析了其性能。

2.1機會中繼協議存在的問題

機會中.繼是一.種適用于動態網絡的中.繼選.擇策略[56]，它根據瞬.時的信道狀.態信.息從M個候.選.節點中選出具.有最佳端到端路.徑的節.點作為.中.繼進行信.息轉發。由于具.有分布式的特.點，所以相對其他中.繼選.擇方.案具有系統復.雜度低的特.點。機會中繼選擇模型如圖1所示。

機會中繼的選擇過程如下：第一，源節點發送RTS（Ready-To-Send： RT.S）分.組，所有潛在中繼節.點和目地節.點接.收RT.S分.組。第二，當目的節.點監.聽到R.TS分.組后，向中.繼節.點發送C.TS（C.lear-T.o-S.end： CTS）分組。第三，能正確接.收到R.TS分.組和C.TS分.組的中繼節.點分.別估.計其到源節.點的信.道狀況hs，i 和到目的節.點的信.道狀況hi，.d。最后，通.過相應的信.道衡量準則計算出信.道度量參.數hi。hi的值越大，代表中繼鏈路的信.道狀況越好。

2.2提高定時精度的雙定時器選取方法

從機會中.繼.選擇過.程來看，當兩.個或多個中.繼定.時器計時時間過.于接.近時，就有可.能發.生中.繼選.擇沖.突。如圖3.2所示，節.點和分.別代.表最.佳中.繼和另.外一.個中.繼。其.中，代.表節.點定時器的初.始值，為中.繼和目的節.點間的傳.播時.延，為每.部無.線收發.機的收.發轉.換時.間，為兩中.繼之.間的傳.播時.延，和分.別為標.志包和廣播包的持續時.間。

由圖2可知，當不存在隱藏中繼時，沖突會發生在區間里，沖突時間為：

沖突時間包含了目的節點和中繼節點間傳輸的時延，這導致中繼節點的定時器不是同時啟動的，對最優中繼選擇造成了影響。

如果一個節點信道質量很好，可以被選為最佳中繼，但其傳播時延較大，導致定時器啟動的比較晚，使得最佳節點被錯誤選擇為其他的中繼節點。為此，本文在機會中繼選擇中引入計數器和定.時器來計算最終定時器時間。當中繼節點接收源節點發出的RTS分組后，啟動計數器計算鏈路時延，然后當中繼節點接收到目的節點所發出的CTS分組后，計算出定時時間。最終的定.時時間應減去計.數器的時間。此時沖突時間變為：

由很明顯看出，利用計數器和定時器計算最終定時時間，一方面減小了沖突時間，降低了中繼選擇發生碰撞的概率。令一方面降低了節點間延時對定時器時間的影響，消除了當延時很大時最優中繼被誤選的情況。

3 總結

通過對機會中繼選擇中存在的問題進行分析改進，提出了一種基于雙定時器的中繼選擇方案，此方案可以有效的減少由于定時器誤差導致的碰撞概率，提高中繼選擇精度。通過對沖突時間的計算分析證明雙定時器具有很高的可用性，對所有類型的中繼選擇方案都適用，在中繼選擇起始階段就提升了效率。

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