協(xié)作分集技術(shù)在無線通信中的中繼選擇問題研究

賈海云　樂永生

摘要：目前，無線通信網(wǎng)絡的應用領域越來越廣泛，以及成為了國家各大高科技產(chǎn)業(yè)的技術(shù)支柱。隨著網(wǎng)絡技術(shù)和通信技術(shù)的日益發(fā)展，人們對于無線通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡性能要求越來越高。該文基于無線通信網(wǎng)絡中繼信道源節(jié)點選擇問題，對基于遺傳算法的多中繼選擇算法進行了構(gòu)建與仿真研究。

關(guān)鍵詞：協(xié)作通信；遺傳算法；中繼選擇

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）09-2053-03

1 無線網(wǎng)絡協(xié)作通信概述

由于單一網(wǎng)絡技術(shù)不具備完全的功能組合實現(xiàn)能力，經(jīng)過協(xié)作技術(shù)的應用則可以使單元網(wǎng)絡技術(shù)不同組成部分的功能集合一體，因此，協(xié)作技術(shù)的發(fā)展趨勢是對于系統(tǒng)理論涌現(xiàn)效應的追求。無線網(wǎng)絡協(xié)作通信主要包括兩個方面的內(nèi)容：一是將單一無線網(wǎng)絡中的終端和技術(shù)進行協(xié)作處理，以達到提高單一無線網(wǎng)絡性能的目的；二是將相互異構(gòu)的無線網(wǎng)絡之間加以協(xié)作處理，使這些無線網(wǎng)絡能夠?qū)崿F(xiàn)涌現(xiàn)效應。但是，相互異構(gòu)的無線網(wǎng)絡的協(xié)作處理并不是將其功能和技術(shù)進行簡單拼湊，協(xié)作處理設計了多個部分，包括網(wǎng)絡接口協(xié)作、網(wǎng)絡協(xié)議協(xié)作、網(wǎng)絡通信技術(shù)協(xié)作等等。

在無線網(wǎng)絡協(xié)作通信中，將目的與源之間直接連通的信道稱作為中繼信道，無線網(wǎng)絡協(xié)作通信的關(guān)鍵部分就是對中繼信道包含的源節(jié)點進行數(shù)據(jù)信息處理。由此，如果對中繼信道源節(jié)點應用的處理方案不同，則會到處出現(xiàn)不同的無線網(wǎng)絡協(xié)作通信協(xié)議，通常情況下包括自適應中繼信道處理方案和固定中繼信道處理方案。

2 基于遺傳算法的多中繼選擇算法構(gòu)建

2.1系統(tǒng)模型

以圖1中常見的無線網(wǎng)絡協(xié)作通信場景為例，[S]作為中繼信道的源節(jié)點，包含[N]個中繼[R]的集合，以及一個目的節(jié)點的接收端[D]。如果每個中繼信道只包含了一個單天線，而且在保證中繼信道源節(jié)點[S]與目的節(jié)點接收端[D]之間沒有直接相連的鏈路，源節(jié)點[S]向目的節(jié)點[D]發(fā)送廣播信息，可以使用中繼集合中包含的任意一個或多個[R]進行協(xié)助處理。當?shù)赱i]個中繼節(jié)點[Ri]僅僅能夠得到屬于自身的兩跳信道系數(shù)時，目的節(jié)點[D]則能掌握全部中繼的信道系數(shù)。

2.2協(xié)議描述

本文將中繼選擇策略作為遺傳算法中包含的個體數(shù)量進行優(yōu)化，從而得到基于遺傳算法的多中繼無線網(wǎng)絡通信選擇算法。

在完成多中繼選擇上時，需要對每個中繼信號進行標注，并且根據(jù)當時中繼信道的瞬時狀態(tài)完成排序，對中繼信道[R3]的信噪比進行計算，得到[SNR1]，再將中繼信道[R3]和[R5]的信噪比進行計算，得到[SNR2]，最后對[R3]、[R5]、[Rn]的信噪比進行計算，得到[SNR3]。由于中繼個數(shù)為[N]，因此，需要對[N]個[SNR]進行計算，其對應的中繼就是需要參與協(xié)作處理的中繼集合。

如果要使某一個功率之處的能量效率處于最大值，需要給出信噪比與總功率之間的比值，作為另外一種自適應度的評價標準。但是，此時的中繼集合不再是與最大值數(shù)相對應的中繼集合，而是信噪比與總功率的比值不再繼續(xù)提升時的中繼集合，從而保證某一個功率之處的能量效率能夠最大。其次，根據(jù)遺傳算法的累計概率分布完成輪盤賭選擇，是否進行交叉也是根據(jù)遺傳算法的交叉概率來判斷的，之后，再根據(jù)遺傳算法的變異概率完成個體取反變異。當完成了一次遺傳算法的交叉選擇、交叉變異之后，需要對個體進行自適應評價，中繼算法也是遵循信噪比完成的個體排序過程。

當完成一次遺傳算法時，需要將最有個體進行保留，而且要將上一次遺傳算法得到的最優(yōu)個體加入進行優(yōu)化重復學習，達到不斷更新最優(yōu)個體的目的?；谶z傳算法的中繼選擇算法需要完成200代的遺傳算法優(yōu)化學習，從而得到基于遺傳算法多中繼選擇算法的最有個體。

2.3算法流程

基于遺傳算法多中繼選擇算法流程如圖2所示：

3 基于遺傳算法多中繼選擇算仿真結(jié)果分析

本文基于MATLAB軟件對基于遺傳算法多中繼選擇算法進行仿真實驗分析，對中繼選擇算法的能效進行分析研究，驗證了基于遺傳算法多中繼選擇算法的性能。將基于遺傳算法多中繼選擇算法與傳統(tǒng)的信噪比選擇標準的多中繼算法、平均與最佳選擇標準的多中繼算法和最佳信道選擇標準的多中繼算法進行比較分析，最終得到了基于遺傳算法多中繼選擇算法能夠得到最優(yōu)解的結(jié)論。

如圖3所示，描述了10個中繼節(jié)點的四種多中繼選擇算法能效的對比分析，在對無線網(wǎng)絡進行協(xié)作通信處理時必須考慮到系統(tǒng)功率的消耗，由于信噪比是隨著功率的提升呈線性增長趨勢，而多中繼算法效能的是隨著功率的提升呈對數(shù)增長趨勢。當P<5時，GA算法、SNR算法、harmonic算法和max-min算法的功率提升與算法能效增長趨勢相同；當P>5時，遺傳算法的效能依然可以隨著功率的提升而快速增長，而其他三種傳統(tǒng)的多中繼算法效能的增長趨勢基本相同，且不再進行增長。因此，在無線網(wǎng)絡協(xié)作通信中遺傳算法是一種最優(yōu)的中繼選擇算法。

圖4給出了有15個中繼節(jié)點時的四種多中繼選擇算法的能效（信噪比/發(fā)送端和中繼的總功率）對比圖。從圖中可以看到能效隨著功率增大成對數(shù)增長。當P<3時，四種能效隨著功率的增大增長趨勢一致；當P>3時，遺傳算法的能效仍舊隨著功率的增大而較快增長，但基于傳統(tǒng)中繼選擇準則的多中繼選擇算法的能效增長速度減慢，且當P>5時基本保持恒定不再增長。再一次驗證了在考慮能效方面，遺傳算法仍然具有較明顯的優(yōu)勢，是一種求得最優(yōu)中繼的選擇算法。

如圖4所示，描述了15個中繼節(jié)點的四種多中繼選擇算法能效的對比分析，四種多中繼選擇算法的能效隨著功率的提升呈對數(shù)增長的趨勢。當P<3時，四種多中繼選擇算法能效與功率提升而增長的趨勢基本相同，當P>3時，基于遺傳算法多中繼選擇算法能效仍然能夠隨著功率的提升而大幅度增長，其他三種多中繼選擇算法的能效增長速度較為緩慢，當P>5時，基本已經(jīng)保持不再繼續(xù)增長的穩(wěn)定狀態(tài)。因此，再次證明了無線網(wǎng)絡協(xié)作通信中遺傳算法是一種最優(yōu)的中繼選擇算法。

對比圖3與圖4可以看出，當中繼數(shù)量不斷增加時，雖然會消耗會增多，但是，中繼選擇算法能效卻有了明顯提升，因此，說明了中繼選擇算法能效應用于無線通信網(wǎng)絡中具有重要意義。

4 結(jié)論

綜上所述，無線網(wǎng)絡協(xié)作通信中的不同節(jié)點之間進行有效的協(xié)作處理，能夠明顯提高系統(tǒng)的性能，協(xié)作技術(shù)已經(jīng)應用到了無線通信領域，并且成為了關(guān)鍵技術(shù)支持手段，得到了無線通信領域的廣泛關(guān)注，該文對于中繼選擇問題的研究具有較強的理論指導意義。

參考文獻：

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