协作通信网络中的中继节点选择技术

杨婧玮

（78111部队，四川 成都 610011）

0 引言

随着科学技术的高速发展，无线通信领域也是日新月异，为了应对当代人对于无线通信的需求，满足其要求，利用协作通信技术将会有效地提高无线通信网络的性能，有效地解决无线信道衰退的缺点，提高网络的稳定性。协作通信技术利用分集技术将多条传输线路的通行环境通过协议进行共享，联合成一个系统，大大提高了无线信道的传输能力，解决了移动设备体型小、耗能低、无法连接多条天线的问题。中继节点选择是中继通信的重要内容，关乎系统整体性能。

1 中继协作技术及中继选择概念

1.1 中继网络系统模型

中继网络系统模型在中继转发次数方面，分为两跳中继和多跳中继。其中两跳中继网络模型就是中继节点与终端之间存在有中级转发的线路以及直接传输的线路，终端同时接受这两条线路传输的信息；多跳中继网络模型则是在传输源到终端之间设置多个中继节点，通过接力传输的方式将信息传输到终点[1]。所以中继网络系统模型也可以从中继节点的数目进行划分为单中继系统和多中继系统，就是根据信息传输过程中经过的中继节点数量为依据的。

1.2 中继节点选择算法类型

中继节点选择算法的分类可以从多个方向进行，在以中继节点属性差异为标准时，中继节点将会从环境因素及自身特点出发进行分类；在以中继节点转发方式差异为标准时，中继节点将会以对信息的处理方式出发进行分类，不同的节点对信息往往具有不同的处理方式；在以中继节点的数量差异为标准时，可以以单中继节点和多中继节点方向出发，根据通信网络的信道衰落程度进行选择，同时也要结合资源利用、算法的复杂度、成本等情况进行考虑；在以信道的差异为标准时，就需要对通信网络的信道进行分析，根据节点获取信道信息的方式进行选择，一般来说，有依据平均信道信息选择算法和瞬时信道信息选择算法两种。

2 中继节点选择算法的评价标准

为了对各种各样的中继节点选择算法进行比较深入以及深刻的比较以及分析，我们一定要保障性能评价标准的正确性以及有效性，以下我们从这几个方面来分析以及研究定性评价中继选择算法的具体性能。

（1）算法效果。在协同系统的设计过程中，其主要目标是为了使得网络容量得到持续的增加，降低功率消耗以及保障网络覆盖率得到增加等，其逐渐成为了协同节点选择算法当中比较重要的考核标准。功率消耗、网络容量以及网络覆盖之间具备折中点，因此要按照不同系统的具体需求对协同节点选择算法实施不断的优化。（2）算法具备复杂性。协同通信指的是在网络角度的基础之上对整个系统的性能进行一定的优化，但是在这个过程中需要引入非常多的具体优化元素，但是这样就会使得算法的复杂度逐渐的增加，因此如何完成控制协同节点选择算法的具体复杂程度是非常重要的一件十强，并且在这个过程中，还需要和理想的系统性能具备一致性，保障其属于协同节点选择算法评价的主要标尺。（3）算法带来的具体通信开销。在协同系统当中，节点间非常多的信息（比如：信道信息、信源信息以及能量信息等）都需要进行具体交换，这样才可以促进信息之间的良好传递，从而会对系统的通信开销进行增加，但是这会影响系统性能，进而带来一定的负面影响。因此在实施协同节点选择算法的过程当中，一定要对这一点重视起来，如果协同增益和额外开销的性能损失相比较较大时，才可以选择协同。在协同节点选择算法进行执行的过程中，一定要尽量的降低开销，目前存在的方法：模糊选择以及有限制反馈等。（4）算法的自适应以及容错性。由于无线信道具备节点的移动性以及时变特性，造成无法精确的获得节点状态信息、信道信息等，这样以来，协同节点选择算法就一定要存在鲁棒性，这样可以在适应的过程中对选择策略实施调整，并且对协同节点以及信道环境变差等情况具备容错特性。（5）算法代价（软硬件支持）。关于算法的代价可以从时间代价以及空间代价来进行评价，时间代价主要包含：系统的安装时间、算法执行时间以及配置时间等。空间代价主要包含：该算法需要的网络节点数量、基础设施以及节点尺寸等。协同节点选择算法的不同所需要使用的软硬件支持也会不一致，有些算法需要节点具备比较强的计算能力以及存储能力，有些算法需要一些额外硬件进行支持（比如GPS等）。因此，一定要按照应用背景以及需求，综合的对技术以及成本等多种因素进行考虑，进而选则协同节点的选择算法

3 协作通信网络的中继节点选择技术算法分析

3.1 随机选择算法

随机中继节点选择算法就是指信息源与终端节点在信息传递过程中对所需要使用的节点进行随机分类和选择，随机选择算法是所有的算法中最简单的一个，但是由于节点与所需要传递的信息的适配性无法计算，也无法对信息收发环境进行分析，所以该方法经常处于时好时坏的情况，对于信息的传递非常不利，导致通信协作网络性能并不稳定。

3.2 机会选择算法

机会选择算法是基于信道衰落程度信息中，对瞬时信道信息进行分析和计算选出节点的一种算法，该方法在信息源节点中进行对信道信息的分析，从适合的节点集里选出最适合的节点参与协作过程。具体的分析要结合信道系数与相位，具体操作时信息源节点将对所有的中继节点发出请求发送指令信息，而终端节点回复允许发送指令信息，并同样将该信息发送到中继节点。将可以正常进行请求发送/允许发送协议的中继节点进行稽核，将协议信息传输中的信道信息利用相关计算方法进行估算和分析和每一个节点所需时间，筛选出需时最短的节点。如果需要多个节点，则进行多次筛选，并对落选的节点发送相关通知，保证被选择节点的正常工作。该方法优点在于算法较为简单，不需要先进行信息交互，但是缺点在于定时器需要实时更新并且可能出现定时器为零或者通知无法传送的情况，发生信息传输的混乱，导致通信网络不稳定。

3.3 信嗓比门限选择算法

信嗓比门限值算法需要中继节点的接收信嗓低于终端节点，其不需要对信道进行实时的监控和分析，也不需要数据传输来进行选择，对于整个信道系统来说，降低了能耗，且对中继节点的选择较准确，但是其复杂度很高并且随着网络规模的扩大涨幅也很大。

3.4 联合功率分配算法

功率是整个协作通信网络的关键，决定着网络的生存时间，所以需要合理分配功率资源到中继节点上，延长网络的作用时间，从而提高通信性能。对节点的资源分配一般来说有等功率分配和注水功率分配，等功率分配的算法简单但是稳定性弱，而注水功率分配方法需要建立多个独立信道，算法复杂但是可以最大新都优化网络。

3.5 中继节点选择和功率分配联合优化

使用中继选择和功率分配两种技术可以很大提升系统性能，在不同的网络场景中的优化方向是网络性能有限的情况下通过最小化协作通信网络功率的优化以及在网络传输速度的能量小号的情况下将协作通信网络能源效率最优化。在单向中继网络中，上诉要求可以通过高信噪比与调节信息源节点的功率分配实现，而双向中继网络中较为复杂，但也是需要基于信嗓比门限选择算法、信道选择和实验。

3.6 中继节点选择和其他协同资源的联合分配

在系统资源中，协同系统以及协同节点占据的比例是非常小的，只是一小部分，因此在当前的研究工作当中，需要把协同节点选择以及其他的一些资源分配进行综合性的考虑，比如：宽带以及功率等。在跨层联合设计的基础上，可以大大的改善系统资源的性能。但是在这个过程中引入了比较多的变量以及优化目标，从而会对系统设计造成较大的影响，在非常多的情况下，系统最优问题逐渐的变为非多项式（NP）难问题。因此，如何找到可执行的渐进最优算法以及找到适当的联合优化参数，属于资源分配算法当中重点考虑的问题。

4 结束语

本文通过对协作通信网络的中继节点选择技术进行概述，列举了几种中继节点的选择算法以及多与功率分配联合优化网络性能的要点进行说明，具体的方案设计和实施要需要进一步研究。