基于部分信道信息的中继选择与功率分配算法

惠 鏸,张 瑶,李 琦

(西安理工大学自动化与信息工程学院,西安710048)

基于部分信道信息的中继选择与功率分配算法

惠 鏸,张 瑶,李 琦

(西安理工大学自动化与信息工程学院,西安710048)

针对传统中继选择算法反馈开销大、信道条件利用不充分以及等功率分配算法资源利用率低等问题,在放大转发协作通信网络中,以最小化系统中断概率为目标,提出基于部分信道状态信息的中继选择与功率分配算法。指出源-中继-目的节点传输链路所能获得的信噪比受制于源-中继及中继-目的链路中接收信噪比较小者,各中继依据自身到源及目的节点链路的统计信道状态信息,采用不同的反馈策略向源节点进行信息反馈,由源节点完成中继选择,通过凸优化方法对所选择的源和中继节点进行功率分配。仿真结果表明,与基于第一跳信道信息的算法相比,该算法在仅增加少量反馈的条件下可明显降低系统的中断概率,且与同等反馈负荷下的其他算法相比,仍能获得较好的中断性能。

协作通信;放大转发;中断概率;信道状态信息;中继选择;功率分配

1 概述

无线通信中的多径衰落是影响系统性能的重要原因之一,多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术由于能够利用空间分集对抗多径衰落从而显著提高系统性能受到了广泛应用。但由于受移动终端尺寸、成本及设备复杂度等因素的制约,MIMO技术在一些场景中的应用十分受限。协作通信技术[1-2]通过多个独立分布于无线网络中的单天线用户共享频谱等资源引入空间分集,可获得与MIMO系统相同的分集性能。但当网络中存在多个中继时,各节点在相互正交的信道上进行传输,频谱利用率受到制约,并且协作方案的设计也较为复杂。

选择单个中继进行信息转发可以有效避免上述问题。如文献[3]提出的机会中继策略通过选择一个最优中继来进行信息转发,能够获得与分布式空时码相同的分集性能。文献[4]提出选择中断概率最低链路所对应的中继参与信息传输,可以得到比所有中继都参与时更好的系统中断性能,并且同样可以获得满分集增益。但在中继的选择过程中,上述算法仍需要获得各传输链路的瞬时信道状态信息,随着网络中中继数量的增加,这种方式将给系统带来难以承受的反馈负担。

为了降低反馈开销,有学者提出了基于部分信道状态信息的中继选择策略。传统算法[5-6]在选择过程中仅考虑第一跳链路的瞬时信道状态信息,这将不可避免地导致系统性能的损失。而文献[7]提出的高效算法依据两跳的统计信道信息和单跳的瞬时信道信息进行中继选择,但它没有对已知的信道条件进行充分利用,也没有依据变化的信道条件及时调整源与中继节点的发射功率。

本文在以上研究的基础上,针对放大转发协作通信网络,以最小化系统中断概率为目标,提出了基于部分信道状态信息的中继选择与功率分配算法。各中继依据统计信道信息向源节点进行不同的信息反馈,源节点通过反馈信息完成中继选择,同时在所选择的中继节点和源节点之间进行功率分配。

2 系统模型

图1 系统模型

传输过程分为2个阶段:

第1阶段:源节点S向所有中继Rk(k=1,2,…,N)广播信号x,中继Rk接收到的信号ySk为:

其中,PS为源节点S的发送功率;nSk为对应信道的噪声。

第2阶段:被选择的中继节点Rk向目的节点转发信息。目的节点接收到的信号ykD为:

其中,Pk为Rk的发送功率;nkD为对应信道的噪声;xk为Rk转发的信号,xk=βySk;β是放大因子[1],其值为:

对于放大转发协议,目的端的互信息量[1]为:

其中,Pr(·)表示某事件发生的概率。

3 中继选择

不失一般性,假设γSk＜γkD。当γSk增加(或减少)Δx(0＜Δx＜γSk,0＜Δx＜γkD)时,令目的端接收信噪比γk的改变量为Δγ1,同样当γkD增加(或减少)Δx时,令目的端信噪比γk的改变量为Δγ2。分析当γSk和γkD有相同的变化时,哪一个对γk的影响较大。当γSk和γkD均增加Δx时,有:

基于以上分析,本文为了提高接收端信噪比,在中继节点的选择过程中以γSk,γkD中较小者为依据进行最佳中继选择。假设源与被选择的中继节点发射功率相等,即PS=Pk=P,算法步骤如下:

4 功率分配

在传输中采用等功率分配虽然简单易行,但由于没有考虑系统各跳信道状况的不同以及信道的时变性,无法实现对功率资源的有效利用。而在协作传输中,合理的功率分配已经被证明能够使得资源有效利用从而提升系统性能[8-10]。因此,本文在总功率Pt=PS+Pk一定的情况下,对源节点S和已选择的最佳中继节点Rk*进行功率分配。

4.1 已知统计信道状态信息的情况

根据第3节所描述的中继选择算法,在中继选择过程中,若βSk*＜βk*D,则源节点仅已知统计信道状态信息 βSk*和 βk*D,此时系统中断概率 Pout可表示为[11]:

令功率分配因子为ζ(0＜ζ＜1),将源节点S的发送功率表示为PS=ζPt,中继Rk*的发送功率表示为Pk*=(1-ζ)Pt,则功率分配问题可描述为:

从式(13)可以看出,当已知链路的统计信息时功率分配因子可在传输之前计算得到,从而减少源节点的计算复杂度。

4.2 已知瞬时信道状态信息的情况

由以上分析可得,当第一跳的平均信道功率较小时,源节点采用式(13)进行源与中继间的功率分配,而当第2跳的平均信道功率较小时,功率分配因子可由式(16)求得。

5 仿真结果

本节对所提出的中继选择算法(本文算法1)及考虑功率分配后的算法(本文算法2)进行了性能仿真。为了便于比较,本文还针对仅已知第一跳信道信息的传统中继选择算法(Conventional PRS)[6]及文献[7]所提出的高效中继选择算法(Efficient P-RS)进行了仿真。不失一般性,在仿真中令R=1 bit·s-1·Hz-1,中继个数N=4,噪声功率N0=1。令系统中各链路的单跳平均信噪比为ρ,ρ=Pt/2/N0。

图2 各算法的中断概率比较1

图3 各算法的中断概率比较2

图4 各算法的中断概率比较3

6 结束语

本文针对放大转发协作通信网络,以最小化系统中断概率为目标,提出了基于部分信道状态信息的中继选择与功率分配算法。各中继依据自身到源及目的节点链路的统计信道状态信息向源节点进行不同的信息反馈,源节点通过反馈信息完成中继选择,并且在所选择的中继节点和源节点之间进行功率分配。仿真结果表明,相比传统中继选择算法,本文算法在仅增加少量反馈的条件下可大幅降低系统的中断概率,并具有较好的中断性能。

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编辑 金胡考

Relay Selection and Power Allocation Algorithm Based on Partial Channel Information

HUI Hui,ZHANG Yao,LI Qi
(School of Automation and Information Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China)

A relay selection jointly with power allocation scheme is proposed to improve the outage performance of an Amplify-and-Forward(AF)cooperative network with partial Channel State Information(CSI).Firstly,it is proved that the system Signal-to-Noise Ratio(SNR)is subjected to the smaller one of the SNR between Source-Relay and Relay-Destination links.According to that,the potential relays choose different feedback schemes based on their statistical CSI to the source and the destination.Then the source node selects one best relay to forward messages based on the information feedback from relays.A corresponding power allocation scheme is also developed by the convex optimization method.Simulation results show that the proposed scheme significantly reduces the outage probability compared with the conventional schemes,and outperforms other schemes with the same feedback load in outage behavior.

cooperative communication;Amplify-and-Forward(AF);outage probability;Channel State Information (CSI);relay selection;power allocation

1000-3428(2014)10-0109-05

A

TN925

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.10.021

国家自然科学基金资助项目(61102061)。

惠 鏸(1979-),女,讲师,主研方向:协作通信;张 瑶,硕士研究生;李 琦,教授。

2013-10-06

2013-11-29E-mail:huihui@xaut.edu.cn

中文引用格式:惠 鏸,张 瑶,李 琦.基于信道信息的中继选择与功率分配算法[J].计算机工程,2014,40(10): 109-113.

英文引用格式:Hui Hui,Zhang Yao,Li Qi.Relay Selection and Power Allocation Algorithm Based on Partial Channel Information[J].Computer Engineering,2014,40(10):109-113.