對(duì)協(xié)作系統(tǒng)自適應(yīng)角色選擇策略的思考

摘要： 在傳統(tǒng)協(xié)作系統(tǒng)基礎(chǔ)上提出了一種新穎的自適應(yīng)協(xié)作方式——機(jī)會(huì)角色選擇協(xié)作。為進(jìn)一步說(shuō)明該策略，構(gòu)建了一種最基本的兩用戶(hù)機(jī)會(huì)協(xié)作框架，其中兩個(gè)用戶(hù)相互競(jìng)爭(zhēng)將各自信息發(fā)送給同一目的端。根據(jù)瞬時(shí)信道條件，兩用戶(hù)均可以機(jī)會(huì)地充當(dāng)信息源角色，而另一用戶(hù)將作為放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼來(lái)為信源服務(wù)。同時(shí)，在此基礎(chǔ)上提出并簡(jiǎn)要描述了一種最優(yōu)的中心化角色選擇策略（C-ROSE）。該策略能夠最大化目的端接收信噪比（SNR），進(jìn)而提高系統(tǒng)傳輸性能。研究表明，通過(guò)這種動(dòng)態(tài)、靈活、高效的節(jié)點(diǎn)角色分配方式，協(xié)作系統(tǒng)的傳輸可靠性可得到進(jìn)一步增強(qiáng)，從而為構(gòu)建穩(wěn)固、高效、互惠的協(xié)作傳輸體系開(kāi)辟了新道路。

關(guān)鍵詞： 協(xié)作通信；中斷概率；角色選擇

Abstract： This paper describes an adaptive cooperative technique and opportunistic role-selection scheme based on a traditional cooperative scheme. We create an opportunistic cooperative framework where two users compete to transmit their own information to a common destination. Depending on the instantaneous channel conditions， either of the users can be the information source and the other user is an amplify-and-forward relay. To reduce the likelihood of system outages， an optimal centralized role selection scheme called C-ROSE is proposed. This scheme maximizes the received signal-to-noise ratio at the destination. Our dynamic， flexible role-selection scheme can ameliorate transmission reliability in order to create an effective cooperative communication system.

Key words：cooperative communications； outage probability； role selection

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-6868 （2013） 04-0046-03

在協(xié)作分集系統(tǒng)中，當(dāng)有多個(gè)相同類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)（如信源、中繼或目的端節(jié)點(diǎn)）可供選擇時(shí)，可通過(guò)機(jī)會(huì)地選取具有最高端到端信噪比的節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作來(lái)提高傳輸魯棒性。2006年，Bletsas等人針對(duì)典型的多中繼協(xié)作場(chǎng)景首次提出了機(jī)會(huì)選擇思想[1-2]。隨后，這種思想被拓展到多源協(xié)作系統(tǒng)[3-6]和多目的端協(xié)作系統(tǒng)[7-10]中。上述工作的共同點(diǎn)在于：每個(gè)節(jié)點(diǎn)的角色（即信源、中繼或目的端）都是預(yù)先確定的，且不隨系統(tǒng)中瞬時(shí)信道狀態(tài)的變化而變化。盡管這種預(yù)先確定的（固定的）角色配置有其自身優(yōu)點(diǎn)，它卻不能保證每次信息傳輸時(shí)均采用信道質(zhì)量最好的鏈路，因此存在一些缺陷：

（1）公平性不足。

（2）能量有效性不足。

針對(duì)上述不足之處，文獻(xiàn)[11]推導(dǎo)了一種具有兩發(fā)射機(jī)、兩接收機(jī)的四節(jié)點(diǎn)ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的信息理論容量上下界。分析表明：發(fā)射機(jī)（接收機(jī)）間的協(xié)作分集可以提供一種高信噪比加性增益。進(jìn)而，針對(duì)相同的系統(tǒng)模型，Ng等人同時(shí)考慮了接收機(jī)協(xié)作和發(fā)射機(jī)協(xié)作，并刻畫(huà)了其協(xié)作開(kāi)銷(xiāo)（以網(wǎng)絡(luò)中分配的功率和帶寬為指標(biāo)）[12]。最近，通過(guò)在上述系統(tǒng)模型中增加中繼節(jié)點(diǎn)并考慮含有多個(gè)信源-目的端對(duì)的一般場(chǎng)景，Ju等人[13]提出了幾種最優(yōu)和子優(yōu)的傳輸策略并分別計(jì)算了對(duì)應(yīng)的中斷概率。盡管上述工作[11-13]研究了信源或目的端節(jié)點(diǎn)間的相互協(xié)作，機(jī)會(huì)角色選擇的概念尚未建立起來(lái)。更重要的是，機(jī)會(huì)角色選擇的內(nèi)在工作機(jī)理尚未得到深入研究，不同鏈路對(duì)于系統(tǒng)中斷性能的影響仍然是未知的。為解決上述問(wèn)題，文章將構(gòu)建一種兩用戶(hù)機(jī)會(huì)角色協(xié)作框架，并提出一種中心化的機(jī)會(huì)角色協(xié)作策略。通過(guò)這種動(dòng)態(tài)的機(jī)會(huì)角色選擇機(jī)制，全面提高系統(tǒng)端到端傳輸可靠性。

1 系統(tǒng)模型與協(xié)議描述

1.1 系統(tǒng)模型

在無(wú)線(xiàn)ad-hoc網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備間以彼此對(duì)等的方式相互通信而不需要有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)者或基礎(chǔ)設(shè)施做更好支撐[11]。為克服路徑損耗或障礙物等因素影響，信源與目的端間的通信可借助一些中間節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，由此形成了中繼鏈路。同時(shí)，由于每個(gè)終端設(shè)備所具有的能量是有限的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)試圖借助臨近節(jié)點(diǎn)幫助轉(zhuǎn)發(fā)信息以減少能耗。對(duì)于這些場(chǎng)景，機(jī)會(huì)規(guī)劃可以有效利用隨機(jī)信道條件來(lái)提高傳輸魯棒性，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)節(jié)點(diǎn)間的相互競(jìng)爭(zhēng)。如圖1所示，考慮一種協(xié)作分集系統(tǒng)，其中兩個(gè)用戶(hù)S 1和S 2向同一目的端D發(fā)送信息。所有終端均為單天線(xiàn)設(shè)備且工作于半雙工模式。此外，假設(shè)任意兩節(jié)點(diǎn)間的信道均滿(mǎn)足互逆性且遭受獨(dú)立的瑞利平坦慢衰落[14]。

在每次兩階段信息傳輸前，S 1和S 2中的某個(gè)用戶(hù)被機(jī)會(huì)地選為信息源，另外一個(gè)用戶(hù)作為其放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF）中繼。這里考慮一種能量受限的場(chǎng)景，即S 1和S 2只在兩階段中的某一階段傳輸信息。對(duì)于該場(chǎng)景，開(kāi)采S 1和S 2間的協(xié)作分集將獲得更高的傳輸可靠性。文章將這種協(xié)作機(jī)制稱(chēng)為機(jī)會(huì)角色選擇（ROSE）。

1.2 中心化角色選擇策略

中心化ROSE策略（C-ROSE）是指在系統(tǒng)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)集中收集所有鏈路的信道狀態(tài)信息（CSI）來(lái)中心化配置各節(jié)點(diǎn)的協(xié)作角色。該策略依賴(lài)于目的端對(duì)CSI的集中式收集和比較判決。具體來(lái)說(shuō)，C-ROSE策略在5個(gè)時(shí)隙內(nèi)完成角色選擇。在前兩個(gè)時(shí)隙，用戶(hù)S 1通過(guò)直傳鏈路S 1→D和兩跳中繼鏈路（S 2的放大轉(zhuǎn)發(fā)操作將產(chǎn)生另外1 bit信令開(kāi)銷(xiāo)）S 1→S 2→D分別傳輸1 bit測(cè)試信令到目的端。進(jìn)而，目的端執(zhí)行最大比組合（MRC）來(lái)收集直傳鏈路和中繼鏈路信號(hào)。類(lèi)似地，在接下來(lái)兩個(gè)時(shí)隙，用戶(hù)S 2通過(guò)直傳鏈路S 2→D和中繼鏈路S 2→S 1→D分別發(fā)送1 bit測(cè)試信令給目的端D。目的端D通過(guò)MRC組合收集來(lái)自S 2的直傳鏈路和中繼鏈路信號(hào)，在D具有更高組合信噪比的用戶(hù)被選為信息源，而另外一個(gè)用戶(hù)被選為AF中繼。由此，可在目的端D進(jìn)行中心化角色判決。隨后，目的端廣播1 bit信令“0”或“1”來(lái)告知S 1和S 2其角色判決結(jié)果。該過(guò)程將占用一個(gè)附加時(shí)隙，于是產(chǎn)生總共5個(gè)時(shí)隙的選擇延遲。注意，C-ROSE的延遲和信令開(kāi)銷(xiāo)不隨系統(tǒng)中瞬時(shí)信道條件的變化而變化。

2 機(jī)會(huì)角色選擇的研究意義

機(jī)會(huì)角色選擇機(jī)制作為一種嶄新的自適應(yīng)協(xié)作方式，它源于傳統(tǒng)的固定角色指配機(jī)制，但又有其不可比擬的優(yōu)勢(shì)：

（1）同樣是利用中繼協(xié)作技術(shù)的增益來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性，機(jī)會(huì)角色選擇機(jī)制充分利用了無(wú)線(xiàn)信道衰落的隨機(jī)波動(dòng)特性對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)角色進(jìn)行實(shí)時(shí)的最優(yōu)分配，從而全面提高了端到端的信息傳輸可靠性。

（2）與傳統(tǒng)的固定節(jié)點(diǎn)角色機(jī)制相比，根據(jù)各條鏈路的CSI，合理地、機(jī)會(huì)地規(guī)劃各節(jié)點(diǎn)的角色，有助于增強(qiáng)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)角色配置的動(dòng)態(tài)性和靈活性，進(jìn)而提高各節(jié)點(diǎn)信息傳輸?shù)墓叫浴?/p>

（3）由于各節(jié)點(diǎn)能量或功耗是有限的，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)度各節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作的角色，能夠均衡各節(jié)點(diǎn)能耗（或功耗），有效延長(zhǎng)系統(tǒng)生命周期，保證系統(tǒng)能量的高效性。

（4）由于ROSE協(xié)作系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)對(duì)等特性和協(xié)作自組織特性，可嘗試通過(guò)分布式ROSE策略以降低機(jī)會(huì)角色選擇的信令開(kāi)銷(xiāo)和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

總之，ROSE協(xié)作系統(tǒng)研究是傳統(tǒng)協(xié)作分集系統(tǒng)研究的深化和拓展，具有重要的理論研究意義和實(shí)用價(jià)值[12-13]。

3 亟待解決的問(wèn)題

雖然協(xié)作分集系統(tǒng)中的機(jī)會(huì)角色選擇策略有諸多優(yōu)勢(shì)，但也存在其特有的、亟待解決的問(wèn)題：

（1）如何能夠降低最佳方案選擇的難度？

在機(jī)會(huì)角色選擇協(xié)作系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可能作為信源、中繼或目的端，因此候選角色配置方案的種類(lèi)會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而增加。由于最終角色配置方案的確定依賴(lài)于各節(jié)點(diǎn)間鏈路的瞬時(shí)信道衰落狀態(tài)，而各角色配置方案共享相同的鏈路信道狀態(tài)，這會(huì)使得各種角色配置方案之間緊耦合，從而增大候選角色配置方案間的相關(guān)性和最佳方案選擇的難度。因此，如何在保持節(jié)點(diǎn)角色選擇動(dòng)態(tài)性和靈活性的同時(shí)，最大程度降低方案選擇的難度成為一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。

（2）如何通過(guò)研究信令反饋、交互傳輸錯(cuò)誤引起的角色判決偏差使理論分析更符合實(shí)際應(yīng)用？

任何理論研究都是以實(shí)際應(yīng)用為最終目的。在角色選擇機(jī)制協(xié)作系統(tǒng)中，大量的信令反饋與交互被引入，為了降低性能分析的復(fù)雜度，在分析的過(guò)程中往往默認(rèn)信令傳輸不會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)，或是忽略為支撐信息傳輸而實(shí)際存在的信令傳輸，由此得到的性能分析結(jié)果只能看作是系統(tǒng)實(shí)際性能的上界[1-2]，[15]，這樣做是不全面不客觀(guān)的，會(huì)導(dǎo)致理論分析與實(shí)際應(yīng)用之間存在性能偏差。因此，深入研究信令傳輸錯(cuò)誤對(duì)ROSE協(xié)作系統(tǒng)性能的影響有助于全面、客觀(guān)評(píng)估ROSE協(xié)作系統(tǒng)的實(shí)際可達(dá)性能，減小理論分析與實(shí)際性能間的偏差。

（3）如何合理分配信息和信令發(fā)射功率？

在傳統(tǒng)的協(xié)作系統(tǒng)中，信令反饋和交互較少發(fā)生，因此可以在考慮功率分配問(wèn)題時(shí)只關(guān)注用于信息傳輸?shù)陌l(fā)射功率分配，而忽略用于信令傳輸?shù)陌l(fā)射功耗。然而，對(duì)于信令反饋與交互頻繁發(fā)生的ROSE協(xié)作系統(tǒng)，信令交互與信息傳輸變得同等重要，在系統(tǒng)（或每個(gè)節(jié)點(diǎn)）總發(fā)射功率一定條件下，增大用于信息傳輸?shù)陌l(fā)射功率就意味著減小用于信令傳輸?shù)陌l(fā)射功率，信令交互錯(cuò)誤會(huì)擾亂節(jié)點(diǎn)角色的機(jī)會(huì)規(guī)劃配置，導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸中斷。反之，一味增大信令發(fā)射功率雖然能選出最有利于信息傳輸?shù)慕巧渲茫皩?duì)應(yīng)的無(wú)線(xiàn)鏈路），卻會(huì)因?yàn)樾畔l(fā)射功率的枯竭而對(duì)系統(tǒng)傳輸可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此合理分配各節(jié)點(diǎn)用于信息和信令傳輸?shù)陌l(fā)射功率，將同時(shí)保證信息和信令傳輸可靠性，最終全面提升ROSE協(xié)作系統(tǒng)傳輸性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章首先構(gòu)建了一種兩用戶(hù)機(jī)會(huì)協(xié)作框架，在該框架中根據(jù)瞬時(shí)信道條件，每個(gè)用戶(hù)都能作為信源（或中繼）來(lái)傳輸（或轉(zhuǎn)發(fā)）信息給目的端。針對(duì)該協(xié)作框架，我們提出了一種中心化機(jī)會(huì)角色選擇策略，即C-ROSE?？梢钥闯觯瑓f(xié)作分集系統(tǒng)中機(jī)會(huì)角色選擇策略研究作為一個(gè)嶄新的前沿課題，可充分研究并利用無(wú)線(xiàn)信道的隨機(jī)波動(dòng)特性有效提升協(xié)作分集系統(tǒng)的抗衰落性能，是傳統(tǒng)機(jī)會(huì)協(xié)作機(jī)制的拓展和深化。這不僅符合傳統(tǒng)協(xié)作分集技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，具有重要的理論研究意義，而且對(duì)于構(gòu)建穩(wěn)固、高效、互惠的協(xié)作傳輸體系也具有重要的實(shí)際應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] BLETSAS A， KHISTI A， REED D P，et al. A Simple Cooperative Diversity Method Based on Network Path Selection[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2006， 24（3）： 659-672.

[2] BLETSAS A， SHIN H， WIN M Z. Cooperative Communications with Outage-Optimal Opportunistic Relaying[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications，2007， 6（9）： 3450-3460.

[3] ZHANG X， WANG W， JI X. Multiuser Diversity in Multiuser Two-Hop Cooperative Relay wireless Networks： System Model and Performance Analysis[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology，2009， 58（2）： 1031-1036.

[4] CHEN S， WANG W， ZHANG X. Performance Analysis of Multiuser Diversity in Cooperative Multi-Relay Networks Under Rayleigh-Fading Channels[J].IEEE Transactions on Wireless Communications， 2009， 8（7）： 3415-3419.

[5] SUN L， ZHANG T， LU L，et al. On the combination of cooperative diversity and multiuser diversity in multi-source multi-relay wireless networks[J]. IEEE Signal Processing Letters， 2010， 17（6）： 535-538.

[6] DING H， GE J， DA COSTA D B，et al. A New Efficient Low-Complexity Scheme for Multi-Source Multi-Relay Cooperative Networks[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2011， 60（2）： 716-722.

[7] YANG N， ELKASHLAN M， YUAN J. Impact of Opportunistic Scheduling on Cooperative Dual-Hop Relay Networks[J]. IEEE Transactions on Communications， 2011， 59（3）： 689-694.

[8] YANG N， ELKASHLAN M， YUAN J. Outage Probability of Multiuser Relay Networks in Nakagami-m Fading Channels[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2010， 59（5）： 2120-2132.

[9] DING H， GE J， DA COSTA D B， et al.Spectrally Efficient Diversity Exploitation Schemes for Downlink Cooperative Cellular Networks.[J] IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2012， 61（1）： 386-393.

[10] KIM J， MICHALOPOULOS D S， SCHOBER R. Diversity Analysis of Multiuser Multi-Relay Networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2011， 10（7）： 2380-2389.

[11] HOST-MADSEN A. Capacity Bounds for Cooperative Diversity[J]. IEEE Transactions on Information Theory， 2006， 52（4）：1522-1544.

[12] NG C T K， JINDAL N， GOLDSMITH A J， et al.Capacity Gain From Two-Transmitter and Two-Receiver Cooperation[J]. IEEE Transactions on Information Theory， 2007， 53（10）：3822-3827.

[13] JU M， KIM I M， KIM D I. Opportunistic Source/Destination Cooperation in Cooperative Diversity Networks. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2010，9（12）： 3822-3937.

[14] SKLAR B. Rayleigh Fading Channels in Mobile Digital Communication Systems， Part II： Mitigation[J]. IEEE Communications Magazine，1997， 35（7）： 102-109.

[15] DING H， GE J， DA COSTA D B，et al.Link Selection Schemes for Selection Relaying Systems with Transmit Beamforming： New and Efficient Proposals From a Distributed Concept[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2012， 61（2）： 533-552.

作者簡(jiǎn)介

葛建華，現(xiàn)任西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院副院長(zhǎng)、教授、博士生導(dǎo)師，ISN國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，國(guó)家數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)委員；長(zhǎng)期從事數(shù)字視頻廣播技術(shù)、MIMO-OFDM技術(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)研究；榮獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)多項(xiàng)；在一些知名學(xué)術(shù)刊物和IEEE重要國(guó)際會(huì)議發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，完成學(xué)術(shù)專(zhuān)著多部。

丁海洋，西安電子科技大學(xué)博士研究生，解放軍西安通信學(xué)院講師；主要從事無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)研究；2013年榮獲IEEE通信快報(bào)杰出審稿人獎(jiǎng)，2012年榮獲全軍學(xué)位與研究生教育研討會(huì)優(yōu)秀論文一等獎(jiǎng)和西安電子科技大學(xué)RIM無(wú)線(xiàn)研究獎(jiǎng)學(xué)金；在一些知名學(xué)術(shù)刊物和IEEE重要國(guó)際會(huì)議上發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇，參編德國(guó)施普林格出版社學(xué)術(shù)專(zhuān)著1部。

許唐雯，西安電子科技大學(xué)博士研究生；主要從事無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)研究，研究重點(diǎn)為認(rèn)知協(xié)作通信技術(shù)；目前已在IEEE通信快報(bào)等刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文多篇。