基于协作通信系统的中继选择方案的研究

摘要：本文研究基于两跳的协作通信系统中的中继选择问题。为了降低中断概率，传统中继选择方案往往需要引入更多的中继节点参与协作传输，导致系统平均吞吐量下降。为解决上述问题，本文提出了一种新的自适应中继选择方案(ARSS)，此方案可以结合两跳的链路信道状况，自适应地选择中继节点及其转发协议。仿真结果表明，与其他中继选择方案相比，本文提出的方案有效地降低了系统中断概率，最小化中继节点选择的数目，同时提高了系统平均吞吐量。
关键词：协作通信；自适应中继选择；中断概率

0 引言
    在无线通信网络中，由于用户终端受体积、功率等各种条件的约束，给多天线技术的实施带来了困难。协作分集技术作为一种虚拟多天线技术，可以通过中继节点的协作，对传输的信息进行转发处理，以使网络用户的能耗显著降低，保证终端的数据接收，优化网络性能。协作分集技术已经成为当前无线通信领域的一个新的研究热点。
    对于协作传输系统中的中继选择问题，Laneman和Wornell首先提出了在两跳多分支(Two-Hop Multiple Channels)的协作网络中，利用所有可获得的中继节点进行数据转发，即“全中继协作”(APR)方案。由于APR方案需要利用所有可获得的信道，因而在多中继场景下，APR方案的频谱效率较低。中继选择(RS)方案克服了低频谱效率的问题，大致可分为单中继选择(SRS)方案和多中继选择(MRS)方案。在SRS中，文献选择端到端SNR最大的中继节点，从而带来全分集增益(Full diversity gain)。文献提出了最优最差信道的中继选择(Best Worse Channel)方案，也实现了全分集。在MRS中，文献提出在功率限制下，基于最大接收SNR(SNR)的RS方案。文献提出在总能量受限的情况下选择中继节点，从而差错概率最小。
    SRS相比APR有更高的频谱效率，但没有充分利用空间分集的自由度。MRS具有更优的差错与中断概率性能，但最优MRS方案的复杂度随中继数量呈指数增加，有时由于合并的SNR超出系统的要求，MRS方案会选择一些不必要的中继。基于RS中出现的以上问题，本文提出一种自适应中继选择方案。在保证目的节点成功解码的基础上，减少中继节点选择的数目，从而在差错性能和频谱效率之间取得更好的折衷。

1 系统模型
    设协作传输系统的系统模型如图1所示，它是一个两跳网络，其中S表示源节点，D表示目的节点，Ri表示第i个中继节点，hsi表示S到Ri的信道增益，服从均值为0、方差为σsi2的复高斯分布；hid表示Ri到D的信道增益，服从均值为0、方差为σid2的复高斯分布。

    假设信道状态在完成一次S到D信息传输的过程中保持不变，S发送的总功率为1，发送的信号为xs，则Ri收到的信号yri为：
   
    其中nsi是Ri处的噪声，服从均值为0，方差为N0的复高斯分布。如果中继节点采用放大转发(AF)模式，则Ri转发的信号xi示为XiAF：
   
    如果中继节点采用解码转发(DF)模式，则Ri成功解码转发的信号xi表示为XiDF：
   
    D接收到的Ri发送的信号为：
   
    其中nid是D处的噪声，服从均值为0，方差为N0的复高斯分布。

2 自适应中继选择方案(ARSS)
    基于图1的系统模型，我们提出一种自适应中继选择方案(ARSS)，具体过程如下：
2．1 确定是否需要中继节点转发
    在第一跳中，S同时向所有中继节点和D发送数据，D收到的信号ysd为：
   
    其中nsd是D处的噪声，服从均值为0，方差为N0的复高斯分布。则S和D之间的互信息Isd为：
   
    在信息论中，若给定传输速率R，则当信道容量小于R时产生中断事件，可用中断概率来表示。因此S和D之间的中断概率可以表示为：

2．2 确定中继节点转发方式
    在系统需要中继转发的情况下，S和Ri的互信息Isi为：

2．3 自适应选择中继节点
    在第二跳中，通过AF转发方式和DF转发方式，D收到Ri转发的信号为：
   
    具体的中继节点选择算法如下：
    (1)初始化中继节点集合Ω。对yid从大到小排列，排序完的中继节点集合记为Ω。Ω中的节点数为N，它随每一次传输状态的不同而变化。
    (2) 选择中继节点。当需要中继节点协作时，从Ω中选择SNR最大的中继节点i*，即
   
    (3)判断中继选择是否结束。目的节点D对收到的多个分集进行最大比合并(MRC)，合并后的输出SNR为：γ=γds+∑γid。计算SNRγ，i∈{1，2，3，．．，L}其中γsd=|hsd|2／N0，L表示被选的中继节点个数，比较γ和门限γth_2：
    ·当γ≥γth2，中继选择结束。
    ·当γ<γth2，转至步骤2。

3 仿真结果
    为了说明所提出的ARSS方案的性能，我们比较了ARSS方案与直接传输模式(direct)、解码转发模式(SDF)以及所有中继参与放大转发模式(AAF)的中断概率、吞吐量，以及在满足一定中断概率下，选择的平均中继节点数。其中中断概率Pout为：

    图2给出了中继节点数目N=3的不同中继选择方案的中断概率。仿真中设S到D，S到Ri，Ri到D的信道统计特性满足零均值，方差。“direct”表示的是D和S之间的直接传输模式，不需要中继节点的协作。“AAF”表示所有的中继节点都参与放大转发过程。“SDF”表示解码转发，只有解码成功的中继节点转发数据。可以看出ARSS的中断概率明显要比其他中继选择方案的中断概率小。

    图3给出了中继节点数目N=3的不同中继选择方案的平均吞吐量，仿真条件同图2。直传方式由于不需要中继协作，所以吞吐量较其他有中继节点的方式高。ARSS随着SNR的增加越来越趋近于直传方案，吞吐量远远超出了AAF和SDF。

    图4给出了中继节点数目N=3的不同中继选择方案选择的平均中继节点个数。仿真条件同图2。直传方式由于不采用中继协作，所以平均中继个数为0。AAF方式的所有中继节点都参与协作，当N=3时，平均中继个数为3。SDF方式下，在SNR较低时，中继节点可能不能成功解码源节点S的数据，所以不参与协作；在SNR较高时，中继节点成功解码S数据的概率变高，参与协作的中继节点变多。ARSS与SDF正好相反，在SNR较低时，为了保证质量，需要多节点参与协作；SNR高时，中继节点参与协作的概率变低。

4 总结
    本文提出了一种自适应的中继选择方案。首先目的节点根据直传链路信道状况决定是否需要中继转发；其次中继节点根据第一跳链路的信道状况，自适应地选择其转发协议；最后目的节点根据第二跳链路的信道状况进行中继节点的选择，从而在保证目的节点成功解码的基础上，减少所选的中继节点的个数。仿真结果表明，与其他中继选择方案相比，本文提出的方案有效地降低了系统的中断概率，最小化了中继节点选择的数目，同时提高了系统平均吞吐量。