一種新型多協(xié)作中繼選擇協(xié)議研究

徐以標(biāo)，張會生，李立欣

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710072）

協(xié)作分集技術(shù)[1]作為近年來出現(xiàn)的一種新技術(shù)，已引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，并成為當(dāng)前無線通信領(lǐng)域一新的研究熱點。其基本思想是各單天線用戶彼此為對方轉(zhuǎn)發(fā)信息，這樣，每個終端在傳輸信息的過程中，既利用了自己又利用了其合作伙伴的空間信道，從而獲取一定的空間分集增益。其主要協(xié)作方式有放大轉(zhuǎn)發(fā)（Amplify and Forward，AF），解碼轉(zhuǎn)發(fā)（Decode and Forward，DF）和編碼協(xié)作（Coded Cooperation，CC）[2]。

機會中繼選擇協(xié)議是由A.Bletsas等人在文獻[3]中提出的一種基于即時信道狀態(tài) （Channel State Information，CSI）的協(xié)作中繼選擇方法，系統(tǒng)根據(jù)某種選擇算法從所有備選中繼中選擇一個最佳中繼節(jié)點與源節(jié)點協(xié)作發(fā)射信號到目的節(jié)點。該方法不需要知道網(wǎng)絡(luò)的拓撲信息，從而大大簡化了物理層的設(shè)計。Salama在文獻[4]中證明了該算法相比于常規(guī)分集方案在節(jié)省信道資源方面有更多的優(yōu)勢，同時實現(xiàn)了系統(tǒng)的全分集階數(shù)。

現(xiàn)有的改進都是集中在選擇單個最佳中繼上，文獻[5]在機會中繼協(xié)議基礎(chǔ)上提出了一種半分布式中繼選擇方案，每個中繼測量測量其后向信道和前向信道的瞬時信道增益，若該兩個信道增益均大于一個門限，則該中繼可用，最終基站從所有可用中繼中選擇最佳中繼。但單個節(jié)點的處理和傳輸能力有限，通過多個節(jié)點的協(xié)作不僅僅可以得到空間分集增益還可以獲得空間復(fù)用增益，同時還可以均衡業(yè)務(wù)負載。筆者將機會中繼選擇的思想推廣到多中繼選擇場景，提出一種新的多中繼選擇方法。

1 機會選擇中繼協(xié)議分析

文獻[3]已給出詳細的協(xié)議選擇方法，具體的說，源節(jié)點S發(fā)送RTS（Request To Send）分組給所有中繼和目的節(jié)點D，D在接收到RTS分組后，產(chǎn)生CTS（Clear to Send）分組發(fā)給源節(jié)點S和中繼節(jié)點，中繼根據(jù)RTS和CTS分組測量鏈路的瞬時信道狀態(tài)信息 hs，i和hi，d；每個中繼節(jié)點都將根據(jù)信道狀態(tài)信息觸發(fā)一個定時器（Timer）。最佳中繼所對應(yīng)的定時器將最先超時，緊接著，該最佳中繼則會發(fā)送一個標(biāo)志包（flag packet），表明其最佳中繼的身份，其他尚未超時的中繼在接收到該標(biāo)志包后將放棄對本次最佳節(jié)點的競爭。對于存在隱藏中繼（即不能偵聽中繼彼此之間的信息，但能偵聽源節(jié)點和目的節(jié)點信息的中繼）的情況，最佳中繼則向目的節(jié)點發(fā)送該標(biāo)志包，然后由目的節(jié)點發(fā)送很短的廣播包（broadcast packet）通知所有中繼節(jié)點。

定時器的取值如下：

λ為ms級的時間常量。hi的計算有如下兩種方式：

方案 1：

方案 2：

由式（2）和（3）可知，信道狀況最好的中繼，即最佳中繼具有最小的起始時間。

從上述中繼選擇過程來看，當(dāng)兩個或多個中繼定時器過于接近時，有可能發(fā)生中繼選擇沖突。如圖1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，Tb代表節(jié)點b定時器的初始值，ni為中繼i和目的節(jié)點間的傳播時延，ds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，dur1和dur2分別為標(biāo)志包和廣播包的持續(xù)時間。

圖1 機會中繼選擇協(xié)議沖突示意圖Fig.1 Diagram of collision in opportunistic relaying scheme

很明顯，當(dāng)無隱藏中繼時，在區(qū)間[tL，tC]會發(fā)生沖突；當(dāng)存在隱藏中繼時，在區(qū)間[tL，tH]內(nèi)將會發(fā)生沖突。則相應(yīng)的沖突時間c為：

無隱藏中繼時：

隱藏中繼時：

對于普通的低成本無線收發(fā)機而言，無隱藏中繼時沖突時長c的典型值是幾個微秒，通常取5μs，而在有隱藏中繼時則為10μs。

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：

其中 Tb=min{Tj}，j∈[1，n]，n 為中繼數(shù)目。

當(dāng)存在{Tj}的有序序列{Tj|Y1＜Y2…＜Yn}時，有 Y1≡Tb對應(yīng)最小的定時器，Y2對應(yīng)次小的定時器。則式（6）變?yōu)椋?/p>

根據(jù) Yj=λ/hj，式（7）等價為：

由式（8）可以看出，沖突概率與λ的取值密切相關(guān)，不斷增加λ可以使沖突概率無限趨于0。但是，λ還決定了最佳中繼選擇所需的平均時間T，即：

由式（9）可以得到，λ取值不能過大，否則中繼選擇速度過慢，無法滿足遠高于信道變化速度的要求。所以實際選取λ時需要在沖突概率和中繼選擇速度之間進行折中。考慮到慢衰落的環(huán)境，在0～3 km/s的移動速度，最大多普勒頻移為2.5 Hz，最小信道相干時間為200 ms量級條件下，取λ值比相干時間低兩個數(shù)量級，即1～2 ms是比較合理的。

2 一種改進的多機會中繼協(xié)議設(shè)計

原有協(xié)議存在問題分析：

1）中繼信道參數(shù)的選擇依據(jù)。原協(xié)議中給出的兩種選擇依據(jù)的前提是源到中繼，中繼到目的信道衰落系數(shù)對中繼選擇的影響因子是等價的。文獻[6]中結(jié)論表明，在最優(yōu)功率分配中系統(tǒng)更傾向?qū)⒐β史峙浣o距離源節(jié)點更近的中繼節(jié)點，即源到中繼的信道衰落系數(shù)在其中所占影響因子更大。

2）中繼選擇的公平性。機會中繼選擇協(xié)議僅僅考慮了性能而忽略了備選協(xié)作伙伴的公平性。如果有一個備選中繼始終作為最佳伙伴，那么結(jié)果是其電池很快被消耗完而其他的備選的伙伴很可能根本就沒有用到。這對整個協(xié)作網(wǎng)絡(luò)是非常不公平的，尤其是這個最佳中繼。

3）能否選擇多個中繼？參與協(xié)作的中繼數(shù)目直接影響到系統(tǒng)信道容量，而且原有協(xié)議中區(qū)分最佳中繼的身份一個重要影響因素，就是收發(fā)機轉(zhuǎn)換時間。收發(fā)機轉(zhuǎn)換時間對某個節(jié)點是相對固定的。對于信道系數(shù)和最佳中繼一樣，而轉(zhuǎn)換時間稍長的其他節(jié)點來說，也是一種不公平。

基于上面的分析，此處提出一種優(yōu)化的多種機會中繼選擇協(xié)議，協(xié)議具體過程如下：

1）每個中繼i監(jiān)聽RTS，CTS分組，以獲得信道衰落系數(shù)；

2）計算信道信息 hi，中繼啟動定時器 Ti=λ/hi；

注：取hi=|hs，i|2，根據(jù)最優(yōu)功率分配結(jié)論可知，源到中繼節(jié)點的信道衰落系數(shù)在功率分配中占主導(dǎo)因素，為簡化協(xié)議設(shè)計的復(fù)雜度，此處忽略中繼到目的節(jié)點信道衰落系數(shù)的影響。

3）中繼定時器超時后，向目的節(jié)點發(fā)送協(xié)作請求Req.，此后等待目的節(jié)點確認；

4）目的節(jié)點收到中繼首個 Req.，立即啟動延時器Tdelay，此過程中繼續(xù)接受其他協(xié)作中繼的請求；

注：Tdelay的選擇需確保目的節(jié)點收到所有最優(yōu)信道條件的中繼節(jié)點發(fā)送的Req.。這樣可以避免傳播時延，收發(fā)轉(zhuǎn)換時間等次要因素對中繼選擇造成“不公平”，同時其值變化也可以用于控制參與協(xié)作的中繼數(shù)量。

5）Tdelay超時后，向所有中繼廣播參與本次協(xié)作的中繼確認信息Ack.，收到確認信息的中繼參與協(xié)作通信。

根據(jù)上述步驟，協(xié)議流程如圖2所示。

圖2 改進協(xié)議中繼選擇示意圖Fig.2 Diagram of new relay selection method

中繼1，中繼2具有相近的信道參數(shù)，在該中繼協(xié)議下都將參加本次協(xié)作，其中目的節(jié)點最先收到中繼2發(fā)送的協(xié)作請求Req.。n1、n2分別為中繼1、中繼2到目的節(jié)點的傳輸時延，dur-req、dur-ack 分別為 Req.、Ack.傳輸持續(xù)時間。

Tdeldy的取值：若中繼1是參與協(xié)作節(jié)點中最后向目的節(jié)點發(fā)送Req.，則有：

中繼選擇時間：無論是否存在隱藏中繼，中繼選擇時間：

若只選擇信道條件最好的中繼，則Tdelay=2|n1-n2|，此時有：

對比式（9），原協(xié)議中繼選擇時間：

在有隱藏中繼時，系統(tǒng)中繼選擇時間并沒有明顯增加。

3 改進協(xié)議沖突分析

從改進協(xié)議的流程來看，唯一可能發(fā)生沖突的情況是在Taelay階段兩個或更多中繼的Req.到達目的站的時間有重疊，目的端將無法正確解析中繼的Req.，則無論是否存在隱藏中繼，系統(tǒng)沖突時間變?yōu)閐ur-req。Req.中加入了中繼標(biāo)識信息，長度有所增加，在現(xiàn)有系統(tǒng)中仍有可能將其控制在2μs以下，系統(tǒng)沖突概率也隨之下降。

文獻[3]中給出了原協(xié)議在不同方案下的理論推導(dǎo)結(jié)果，如下：

其中 f（y）為變量 Yj的概率密度函數(shù)，F(xiàn)（y）為其聯(lián)合分布函數(shù)。

改進協(xié)議中變量|hs，i|2分別為參數(shù)， 是 σ-2s，i的獨立指數(shù)隨機變量，有：

圖3比較不同方案下的沖突概率。其中，假定所有信道參數(shù)σ-2i，j=1，圖中N表示所有備選中繼數(shù)。正如理論分析，沖突概率隨著中繼數(shù)量的增多而增大，隨著參數(shù)λ的增大而減?。粡膱D中還可以看出改進協(xié)議相對于原協(xié)議，沖突概率明顯下降。

圖3 中繼選擇沖突概率仿真Fig.3 Simulation of collision probability in relay selection

4 改進協(xié)議系統(tǒng)性能仿真

圖4中仿真了新協(xié)議下系統(tǒng)誤碼率性能，仿真中只考慮加性高斯白噪聲，瑞利衰落對信號的影響，系統(tǒng)采用QPSK調(diào)制方式，最大比合并方式分集接收，系統(tǒng)功率分配采用等功率分配方式，即源節(jié)點和中繼節(jié)點發(fā)射功率相等，中繼采用AF協(xié)議?？梢钥闯觯鄬τ趥鹘y(tǒng)固定中繼，即協(xié)作中繼已選定，新協(xié)議的誤碼率顯著下降，特別是協(xié)作中繼數(shù)n=1時，協(xié)作增益已經(jīng)完全克服了協(xié)作帶來的額外損耗（AF協(xié)議同時放大了噪聲，消耗部分系統(tǒng)功率）；在20 dB時，n=2時系統(tǒng)性能提升了近一個數(shù)量級，相比之下，n=1時提升了約5倍，參與協(xié)作中繼數(shù)目越多，新協(xié)議帶來的性能提升越明顯。

圖4 不同中繼選擇協(xié)議系統(tǒng)誤碼率比較Fig.4 Comparison of different relay selection method in bit error ratio

5 結(jié) 論

本文將機會中繼選擇協(xié)議推廣到多協(xié)作中繼系統(tǒng)中，提出了一種新的協(xié)議，協(xié)議改用目的點來確認中繼的協(xié)作請求Req.，目的通過延時機制來控制中繼選擇的個數(shù)，該機制同時保證了中繼選擇的公平性。根據(jù)文獻[6]中最優(yōu)功率分配研究結(jié)論，方案中還修正了原協(xié)議中繼選擇標(biāo)準(zhǔn)（相比于中繼到目的信道，源到中繼的信道參數(shù)影響更大，而非等價），使中繼選擇更趨合理。改進協(xié)議中繼選擇時間變長，但在該時間內(nèi)選擇了多個中繼，中繼選擇效率相對提高。分析表明，系統(tǒng)能有效減少中繼選擇造成的沖突，仿真表明協(xié)議能夠有效降低系統(tǒng)誤碼率。

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