1、 通信技術(shù)基于協(xié)作通信的最佳中繼選擇方案顧文珊，張會生，李立欣，徐以標(biāo)（西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西西安）【摘 要】協(xié)作通信中的機會中繼是一種基于即時信道狀態(tài)選擇的中繼選擇算法，可以獲得與傳統(tǒng)協(xié)作分集技術(shù)相同的分集增益，而不需要使用復(fù)雜的空時編碼技術(shù)。但是多個節(jié)點同時競爭最佳中繼時，可能出現(xiàn)沖突而導(dǎo)致選擇失敗。提出一種新的方案，通過引入候選節(jié)點限制策略以及控制信道對算法進行改進，仿真表明，該算法特別適用于候選中繼較多的情況，可以在實現(xiàn)快速選擇節(jié)點的同時降低選擇失敗概率。【關(guān)鍵詞】協(xié)作分集；機會中繼；沖突概率；中斷概率【中圖分類號】T N925. 1 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1009-8

2、054(2010 02-0059-03A Best Relay Selection Scheme Based on Cooperative CommunicationGU Wen-shan, ZHANG Hui-sheng, LI Li-xin, XU Yi-biao(School of Electronics and Information, Northwestern Polytechnical University, XiÕan Shaanxi 710129, China【Abstract 】Opportunistic relaying uses a single relay w

3、ith best channel quality for cooperative diversity, achieves thesame diversity gain as that achieved by more complex space-time coding. However, the failure probability of thebest relay selection may become unacceptable when the number of relays increases. Thus a modified practical bestrelay selecti

4、on scheme is proposed by using threshold level to restrict the numbers of contending relays and using control channel in opportunistic relay communications. Simulation results show that the proposed algorithm hassmaller collision probability than opportunistic relaying, and could decrease failure pr

5、obability of selection whilerealize the rapid selection of relay nodes.【Keywords 】cooperative diversity; opportunistic relaying; collision probability; outage probability引言協(xié)作通信1的核心思想是在一個網(wǎng)絡(luò)的多個節(jié)點之間進行資源共享，相對非協(xié)作通信2，發(fā)展協(xié)作通信技術(shù)的原因是希望節(jié)點能夠同相鄰節(jié)點實現(xiàn)功率和計算的分享，從而實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)資源節(jié)約的目的。A. S e n d o n a r i s 等人受到中繼信道的啟發(fā)，最早提出

6、了一種使用單天線的移動終端也可以實現(xiàn)空間分集的新技術(shù)協(xié)作分集3。如圖1所示，系統(tǒng)中的每個移動終端都有一個或多個合作伙伴，合作伙伴之間有責(zé)任在傳輸自己信息的同時，幫助其伙伴傳輸信息。事實上，協(xié)作關(guān)系的形成也是一個很重要的問題，如何在眾多中繼中選擇合適的最佳節(jié)點以求給系統(tǒng)帶來更大的增益成為該領(lǐng)域一個重要的研究方向。圖協(xié)作分集原理收稿日期：作者簡介：顧文珊，年生，女，碩士研究生，研究方向：通信、導(dǎo)航、遙控、遙測系統(tǒng)的信息傳輸與處理；張會生，年生，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：衛(wèi)星通信、移動通信等；李立欣，年生，男，博士后，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；徐以標(biāo)，年生，男，碩士研究生，研究方向：移動通信。

7、A.Bletsas 等人最早在文獻4中提出了一種簡單實用的基于即時信道狀態(tài)(CSI選擇策略的中繼選擇算法，即機會中繼算法。其基本思想是每次只選擇一個最佳中繼參與協(xié)作，而不需要知道拓?fù)湫畔ⅲ瑥亩蟠蠛喕宋锢韺拥脑O(shè)計。但是多個節(jié)點使用該算法同時競爭最佳中繼時，可能出現(xiàn)沖突而導(dǎo)致選擇失敗概率高于1%。2010.259 通信技術(shù)機會中繼的基本原理與沖突分析1.1 機會中繼的基本原理如圖2所示，KT 時刻最佳中繼為i ，(K +1T 時刻的最佳中繼為j 。a s , i ，a i , d 表示源節(jié)點到中繼節(jié)點，中繼節(jié)點到目的節(jié)點的瞬時信道信息。假設(shè)中繼節(jié)點和目的節(jié)點之間的前向信道和反向信道條件相同，每

8、個中繼節(jié)點可以計算信道參數(shù)h i ，具有最大h i 的節(jié)點i 即被視為最佳中繼，用于隨后的協(xié)作分集。無隱藏中繼時：c =|n b -n j |m ax +d s +r m a x (2隱藏中繼時：c =|n b -n j |max +2d s +dur 1+2n max (3當(dāng)兩個或多個中繼定時器在沖突時間c 內(nèi)超時時，導(dǎo)致沖突發(fā)生，則其沖突概率可表示為：(4其中T b =minT i ，j 1，M ，M 為中繼數(shù)目。此外，還決定了最佳中繼選擇所需的平均時間T ，即：T =n b +E (T b +d s +dur 1+n b (+d s +dur 2+n j ，隱藏中繼 E (T b =E

9、(/h 1 /E (h 1 (5改進的基于機會算法的最佳中繼選擇算法2.1 改進的最佳中繼選擇算法描述通過上面的分析和一些參數(shù)的典型值可以發(fā)現(xiàn)，縮短沖突時間可以降低沖突概率。正是基于此，我們提出一種新的圖機會中繼的系統(tǒng)模型算法，改進算法包括以下幾個步驟： 設(shè)置源節(jié)點到中繼節(jié)點的門限值先驗選擇固定速率R ，淘汰信道狀況差的中繼節(jié)點，將可參與協(xié)作的中繼節(jié)點數(shù)由M 減少為M ；h i 有以下兩種計算方式：方案I ：h i =min|a s , i |2，|a i , d |2方案II ：在收到CTS 分組之后，每個中繼節(jié)點都將觸發(fā)一個定時器，即：(1因此，最佳中繼所對應(yīng)的定時器將最先超時，該最佳中繼

10、則會發(fā)送一個標(biāo)志包，表明其最佳中繼的身份，其他尚未超時的中繼在接收到后放棄對本次最佳節(jié)點的競爭。1.2 機會中繼的沖突描述當(dāng)兩個或多個中繼節(jié)點定時器超時過于接近時，可能導(dǎo)致沖突發(fā)生，使得最佳中繼選擇失敗。如圖3所示，節(jié)點b 和j 分別代表最佳中繼和另外一個中繼。其中，n i 為中繼i 和目的節(jié)點間的傳播時延，d s 為每部無線收發(fā)機的收發(fā)轉(zhuǎn)換時間，r 為兩中繼之間的傳播時延，dur 1和dur 2分別為標(biāo)志包和廣播包的持續(xù)時間。則相應(yīng)的沖突時間c 考慮最差的情況有： 源節(jié)點發(fā)送CTS 分組后啟動定時器T s ，當(dāng)T i 最小的定時器超時后，中繼b 向源和目的節(jié)點分別發(fā)出持續(xù)時間為dur 1的標(biāo)

11、志包和時間很短的短消息，并啟動確認(rèn)定時器T ACK ； 目的節(jié)點收到該短消息后，通過控制信道向所有中繼發(fā)送忙音，提示未超時的隱藏中繼取消定時； 若源節(jié)點在T s 內(nèi)收到來自中繼b 的標(biāo)志包，確認(rèn)成功時則通過控制信道同時向中繼b 和目的節(jié)點發(fā)送等待音1；若確認(rèn)不成功或超時，則只向目的節(jié)點發(fā)送等待音2； 如果中繼b 在T ACK 超時之前收到了源節(jié)點的等待音1，則表明最佳中繼確認(rèn)成功；若在期間未收到，則放棄對最佳中繼的競爭。改進算法的沖突示意如圖3所示，當(dāng)中繼定時器j 在區(qū)間t L ，t C 超時，會產(chǎn)生沖突；對于隱藏中繼，沖突區(qū)間為t L ，t H 。那么沖突時間c 為：c =m a x t C

12、 -t L ，t H -t L =m a x |n b -n j |+d s +r ，|n b -n j |+d s +n b (6與原有算法比較， d s 和dur 1都是s 量級的，因而沖突時間的減少十分顯著。原算法中c 的典型值為5s ，其中d s 和dur 1為1-2s ，所以c 可以降到2s 甚至1s 。而最佳中繼選擇時間T =n b +E (T b +d s +dur 1+m b 和式(5相比也短了。2.2 門限值分析與設(shè)定在機會中繼系統(tǒng)中，如果信道狀況差的節(jié)點參與中繼競爭將導(dǎo)致大量的功率損耗。因此我們通過R 的設(shè)定，可以降圖新算法的沖突示意圖低最佳中繼節(jié)點選擇的復(fù)雜度和功耗。以解

13、碼轉(zhuǎn)發(fā)為例5： 通信技術(shù)都有明顯的降低，在多中繼競爭時仍能將沖突失敗概率控制(7因此M =(1-P OR-DF ×M ，沖突概率進一步推導(dǎo)可得：(8其中：F (t cdf T (t =Pr(T i t =1-cdf h (/t (9ii在3以下，系統(tǒng)性能得到了顯著改善。(10通過以上分析，假設(shè)信道為瑞利衰落信道，使用BPSK 調(diào)制=400s ，c =1s ，M =10。圖4反映了參與競爭的中繼數(shù)目依賴源到節(jié)點的先驗速率的門限值R 。特別是在R >4 bp s/Hz 時，M 急劇減少，圖5可以看出中斷概率也將急劇降低。因此，門限值R 選取4 b ps/Hz 。圖改進算法與原算法的

14、沖突概率比較結(jié)語在協(xié)作分集系統(tǒng)中，機會中繼技術(shù)作為對空時編碼的一種替代方案，可以獲得同樣的分集增益。但隨著中繼數(shù)量的增加，中繼選擇的失敗概率將明顯提高，進而影響系統(tǒng)性能。文中提出了一種新的最佳中繼選擇方法，特別適用于中繼節(jié)點較多的情況，使用高于4 bps/Hz的先驗選擇固定速率限制參與競爭的中繼數(shù)目，同時引入控制信道縮短沖突時間及中繼選擇時間。該算法在有無隱藏中繼的網(wǎng)絡(luò)均可使用，并在實現(xiàn)快速選擇節(jié)點的同時降低了沖突概率。圖候選中繼數(shù)與門限值參考文獻1 Lin Z ，ErkiP E ，Stefanov A. Cooperative Regionsand Partner Choice in Cod

15、ed Cooperative SystemsJ.IEEE Trans. Commun ，2006，54(07：1323-1334. 2 楊敏君，邱玲. 非協(xié)作通信中直擴信號檢測J. 信息安全與通信保密，2007(02：35.3 Sendonaris A ，Erkip E ，Aazhang B. User Coopera-tion Diversity-Part II ：Implementation Aspects and Performance AnalysisJ. IEEE Trans. Commun，2003，51(11：1939-1948.圖沖突概率與門限值4 Ble tsas A ，Khisti A ，Reed D P ，et al. A simpleCooperative Diversity Method Based on Network Path Se le ct io nJ. IE EE J ou rna l on S el ec te d Ar ea s in Communications ，2006，24(03：659-672.5 Bletsas A ，Hyundong Shin ，Win M Z. CooperativeCommunications with Outage-Optimal Opportunistic R el ay i ng J. I