多中继节点选择能效优化策略

李小丽　张征

摘要：针对多中继节点构成的网络通信机制中的能效优化问题，一直是研究的重点。能量效率是基于资源配置策略提出的优化方案，也是当前协作通信中获得稳定网络传输目标的基本要求。对于多中继节点的网络数据传输，在保障最大发送功率基础上，要从分析传输效能上来提升网络的可靠性，选择策略的应用就显得尤为关键。

关键词：中继选择；网络传输；能量效率；选择策略

近年来，对于多中继节点构成的协作通信网络中的能效优化研究颇受关注。如何选择中继节点，如何从能效优化上来提升系统性能。有文献提出基于信道容量增益的中继节点选择策略，从中继节点数的最优选择方法上来提升系统性能，来降低功率消耗；也有文献提出结合信道状态，从距离信息中来选择中继节点，并从标准化分析中获得最佳中继节点；还有文献通过对信道容量增益研究，将源节点、中继节点进行最优化功率分配算法来获得最佳性能。

一、基于能效的中继节点选择研究概述

对于协作通信中的能量消耗，首先要探讨能量效率，从功耗上来优化资源配置策略，获得最高的能量效率。协作网络中对于各节点间的信息传输，一方面要最放大前向和译码前向进行数据传输，另一方面对涉及的能量效率问题，要从最优点选择上来实现。有文献从功率分配上来优化每比特下的功耗和运行周期，并未对电路的能耗进行研究；有文献从电路的能耗分析上，来优化节点选择，却未能与中继节点在传输中自身性能进行比较；特别是在中继节点选择上多出的开销，对能耗影响较大。关于电路损耗问题，利用设计简单的线路电路功耗模型，特别是从DSP功耗模型上，针对发射带宽来建立线性函数，并通过能量效率和最优点选择策略进行分析，来探讨其通信中的性能状况；对于混合网络下中继和无线电模型，需要从多个无线网络接入中来探讨各节点的能耗；对于存在多个中继节点的虚拟MISO时的能效，需要从发送机制、最优中继节点数等方法上来进行综合；总的来说，对于基于能效的中继节点选择策略，需要从保障网络可靠性的基础上，对每一传输阶段进行能耗分析，以获得相应的选择标准，最终实现中继功耗最小，系统性格最大的传输状态。

二、多个中继节点的系统模型构建

从协作网络系统模型的构建来看，首先满足一个源节点和多个中继节点及目标节点。在构成的虚拟MISO传输系统中，对于中继节点选择及分布是随机的，通常以源节点为中心，以R为半径的圆形范围内。在这个MISO虚拟系统中，源节点通过若干个中继节点来寻找目标节点，其概率密度函数为：。我们假设该系统中源节点与中继节点i之间的信道系数为，则利用其满足均值为0、方差为的复高斯随机变量，当信道系数为，则信道路径损耗计作：，其中，λ表示为波长，为路径损耗指数，为参考半径。

三、中继选择策略研究

在满足系统可靠性基础上，对于节点选择策略的能耗分析，主要从四个阶段来完成。一是估测源节点与中继节点间的信道阶段；二是估测信道共享阶段；三是由源节点向中继节点发送信息；四是中继节点向目标节点发送信息。对于第三个阶段是保障信息传输稳定性和可靠性的关键，也是整个选择策略中的最复杂的环节。因此，在本阶段需要进行能量损耗分析。第一阶段的能耗分析表示为：；第二阶段的能耗分析表示为：；对于式中的表示为发送训练符号数量；B表示为带宽，表示为第一阶段发送功率；表示第二阶段发送功率；表示为估测信道增益的比特数；ρ表示为放大功率；为电路功耗。第三个阶段较为复杂，在源节点向中继节点进行发送信息时，中继节点需要向D发送信息链路，并在开始阶段，对SR、RD链路进行计算功率，，利用系统最大功率发送进行比较，获得可靠节点集合N和L，通过对两个集合交集的运算获得集合A，由A中的节点向源节点反馈信息，则本阶段所需发送的节点数为。此时，再由目标节点向i节点发送L位数据，则能耗计算为；对于式中的J表示为A中中继节点数，为反馈耗时，为节点筛选耗时，当时，目标节点向中继节点发送L位数据，则当L过大时，。第四阶段中，对于集合A中的中继节点，通过向目标节点发生源信息，则完成信息选择过程。本阶段的能耗计算为。至此，四个阶段的能耗计算已经得出，并可以计算出总能耗。

四、最优中继选择标准

通过对中继节点的选择策略进行分析，能够从各中继点的选择上，利用能量效率来进行选择，从而满足不同信道下各节点选择的总能耗。为此，在判断中继节点的选择标准上，可以从节点集合A中来进行筛选，并得到最优节点。也就是说，对于上述基于能耗的中继选择策略，可以归结为四点：一是首先利用最大发送功率受限来进行可靠性节点筛选，获得节点集合A；二是利用集合A中的节点进行传输中继，并从计算中获得每个节点的能耗；三是对比各计算结果，获得最小能耗值，并确定该节点为最优中继节点；四是选择最佳中继节点，进行数据传输。频谱效率是单位频率所能获得的传输能力，利用频谱效率公式：；对于表示为传输过程中的容量，而B作为带宽，T作为传输时间，表示为节点间数据传输的成功概率。通过对频谱效率的分析，对于一定带宽下频谱效率，主要取决于中继节点在选择传输过程中的时间、容量、成功概率，而当传输容量确定时，对于传输时间在限定条件下，影响节点间数据传输的关键在于选择成功概率。我们从SR和RD链路分析中，可以获得中继节点在传输中的成功概率表示为：；可见，当对于自适应链路来说，其传输成功概率可以简化为：；通过最优中继选择后，其传输概率为。也就是说，当对中继选择策略进行最优设计后，其能量效率获得提升，中继节点传输成功率也获得提升，且对频谱效率不影响。

【参考文献】

[1]周涛，邢凯，刘刚，谷天波，黄刘生.利用协作通信的中继节点放置问题研究[J].小型微型计算机系统，2013（11）

[2]冯文江，贾年龙，陈斌斌.多用户协同移动ad hoc网络自治式中继选择算法[J].北京信息科技大学学报（自然科学版），2014（02）

[3]蔡融文，孙恩昌，张延华.一种改进的中继节点选择方案[J].中国电子科学研究院学报，2013（01）