改进的协作中继节点选择策略

陈纯锴，谢红

(哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江哈尔滨150001)

1 协作网络系统模型

采用的系统模型如图1.信息的中继分为2个阶段:广播阶段和多址接入阶段.在广播阶段，源节点(用S表示)以广播形式向中继节点(用R1，R2，…，RN表示)和目的节点(用D表示)发送信息，R对收到的信息进行信号处理，信源通过中继Ri传送信息到目标节点.假定所有链路为统计独立的瑞利衰落，节点i和j间的信道系数为hi，j.瑞利衰落方差与路径损耗间关系为，其中 p 为路径损耗指数，di，j代表节点i和j间的距离.加性高斯白噪声定义为 ni，j·CN(0，N0).为选择可靠节点，在每个中继节点设置SNR门限γT，此外源和中继节点具有相同的发送功率Pt，总的发送功率为P=2Pt.

图1 无线中继网络的协作模型Fig.1 Cooperative model in the wireless relay network

2 中继选择策略

为描述中继选择策略，首先提出中继选择的标准，此标准包括信源到中继信道间信道增益和中继与目标节点间的距离的信息，然后描述中继选择方案.

2.1 中继选择标准

通过对文献［11］的性能分析，M-PSK调制系统的SER表述为

这样式(1)可以写成:

式中:Δ为编码增益，表示为

γ=P/N0为信噪比，为了选择最优节点应该最大化式(3)的值，而影响增益的是

其中:ki为中继节点i的选择因子.为最大化编码增益就必须对ki求极限，由于ki依靠均方差增益，为改善性能，应该对因子进行改进.

在全景敞视监狱中，每个囚犯都被关在四周的一个小囚室里，两面的墙壁使他不能与任何人接触，他谁也看不见；同时，除了中心瞭望塔的监督者之外，谁也不能看见他，他们处于一种绝对的封闭状态。于是，他们在任何时候都不知道监督者的在或不在，因此就会一直假设自己正在被监视，有意识地保持一种被监督的状态，由此会有意识地规范自己的行为。这种状态会一直持续，最终显现出被囚禁者的自我改造。

由于在网络初始化时能够获得距离信息，并且中继和目标节点位置在初始化后相对固定，因此，将改善性能的重点放在信源与中继节点间的链路上.这样，利用信源与中继节点瞬时信道增益|hs，r|2代替信道方差，另一方面，使用距离参数代替R-D信道方差，这样式(4)变成:

2.2 中继节点位置对系统性能影响

图2 中继节点位置对系统性能影响Fig.2 Influence of relay node position on system performance

2.3 中继选择方案

下面结合信道节点间距离及瞬时信道增益给出一种改进的中继选择方法，对于一个协作中继网络，在中继节点构成的集合中，按照以下步骤选择节点:

1)系统估计R-D距离并且为每个中继确定一个门限.假定网络中任意2个节点间距离能被文献［13］估计方法所获得，而门限值可以通过文献［14］提供方法所获得.

2)信源广播信息，同时所有中继节点监听，并且所有中继估计瞬时S-R信道的增益.从信道增益中可以获得S-R的SNR，然后每个中继Ri将它的SNR值γs，ri和设定的门限值进行比较，判决其是否可靠，如果接收信噪比值大于门限值，则该中继为可靠的，否则不是.

3)每个可靠的中继通过发送确认信息告知源节点，此后在所有可靠节点中，根据提出的标准来选择最优节点.

在上述方案中，采用译码转发模式(DF)，而且要考虑以下2种情况.

1)若没有可靠中继节点，信源将直接传输信息，则在目标节点接收到的信号为

式中:x是具有单位能量的传输信号，φd表示直接传输方式.

2)有可靠节点，源节点将使用中继方式来传输自己的信息，这种方式下，信源广播信息给最优节点和目标节点，在最优节点处和目标节点处接收到的信号分别表示为［15］

式中:Pt表示源节点处传输能量，φr表示中继方式.最优中继转发信息给目标节点时的传输能量同样为Pt，此时目标节点接收的信号表示为

最后，目标节点以MRC方式复合来自最优中继和信源节点信息.

在以往的中继选择方案中，所有中继节点将通过反馈信道发送自身选择因子给目标或信源节点，这些中继节点可能经历由于深衰落而不可靠，然而，所有这些节点仍旧发送选择因子，这种情况是没有必要的并且浪费许多能量.因此，在步骤1)中为每个中继节点设置门限，并且决定是否可靠.如果可靠则会发送一个消息给信源，否则保持沉默.通过门限值，能够减小中继节点的能量消耗.

3 系统仿真与结果分析

首先考虑具有一组有效中继节点的无线协作网络，信源及目标节点坐标分别为(0，0)，(1，0)，中继节点在信源和目标节点间随机分布.两点间信道，p 是路径损耗指数，并设置 p=3.此外，噪声方差为1，信噪比为 P/N0，P为总的发射功率，使用BPSK调制.

首先来考察中继节点位置对误码率的影响.以图2为模型，信源、中继及目标节点间距离分别表示为:ds，d、ds，r和 dr，d，模拟了不同的距离比的误码性能.从图3可以看出，以三者距离比1∶1∶1为界限，当中继传输路径大于直接传输路径距离时系统性能变差，当中继传输路径小于直接传输路径距离时系统性能变好，当中继节点的位置渐渐接近S和D之间，性能不断改善，当中继节点位置位于(S→D)之间，并且2条中继传输路径距离相同的情况下，其性能表现是最好的.

图3 中继节点位置对误码率的影响Fig.3 Influence of relay node position on SER

此外，考虑中继节点位于信源附近，信源与目标中间，目标节点附近3种场景.不同场景下SER性能分析如图4，最好的SER性能是靠近目标节点，相反，较差性能是将中继节点远离目标节点.通常来说，可以通过使用瞬时信道状态信息来做出好的判决，本次仿真中，当每个中继节点远离信源节点时接收到的信号强度严重衰减，对于一个恶劣的环境，有必要选择最优中继来协作通信，并且需要更多信息来帮助判决.使用S-R链路瞬时信道增益和R-D链路距离信息去构建选择因子，而且对于深衰落S-R链路，不能通过瞬时信道增益做出精确判决;相比之下，对于根据R-D距离信息方式却可以得到最好的判决，由于这个原因，中继节点在目标附近比在信源附近有较好的SER性能.

图5为系统性能曲线，4条曲线分别根据如下方案获得:基于距离中继选择方案［10］，基于信道增益的中继选择方案［9］，无协作方案和改进的方案.中继节点数目N=3，当SNR小于8 dB时，改进方案与基于信道增益方案基本相同;当SNR大于8 dB时，性能稍差，但其性能优于基于距离方案，并且改进方案具有较低的复杂度，因此具有较强实际应用，特别是对于功率受限网络，改进方案能以较少的能量损耗完成相同性能.

图4 不同中继节点分布的性能比较Fig.4 Performance comparison of the different relay nodes distribution

图5 DF方式下不同中继选择方案比较(N=3)Fig.5 Comparison of different relay selection schemes under DF mode(N=3)

4 结束语

对于无线协作网络，提出了基于瞬时信道增益和距离信息的改进中继选择方案.出于增加系统可靠性和降低复杂度两方面考虑，要选择的最优中继，它应该具有最小选择因子，同时与瞬时、平均信道状态(CSI)信息相关.选择因子根据S-R瞬时信道增益和R-D距离来确定.而且通过过滤出可靠中继能够降低信道估计工作量.在DF协作策略下的仿真结果表明:改进的方案与基于距离的方案相比，在SER性能方面明显改善;与基于信道增益的方案相比，在较低和中等SNR条件下二者性能相当.此外，改进方案的SER性能依赖于中继节点相对于信源和目标节点的分布.

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