基于信道狀態(tài)和剩余能量的動態(tài)多中繼選擇

摘 要：為了優(yōu)化譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）協(xié)同通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)生存時間，提出一種基于信道狀態(tài)信息（CSI）和剩余能量信息（REI）的動態(tài)多中繼選擇算法，該算法根據(jù)信道-能量函數(shù)和信道容量增益門限選擇協(xié)同中繼節(jié)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，對中繼功率進(jìn)行動態(tài)分配時，該算法選擇四個中繼可使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)為4時，與僅基于CSI的中繼選擇算法相比，該算法能延長網(wǎng)絡(luò)生存時間最高達(dá)75%。

關(guān)鍵詞：協(xié)同通信；譯碼轉(zhuǎn)發(fā)；多中繼選擇；剩余能量；網(wǎng)絡(luò)生存時間

協(xié)同通信通過彼此共享網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不同終端節(jié)點(diǎn)的信道資源，構(gòu)成虛擬多天線陣而獲得空間分集增益，能夠有效抵抗無線信道的衰落效應(yīng)。在多中繼節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)同中繼節(jié)點(diǎn)的合理選擇是非常重要的，即如何從眾多潛在中繼節(jié)點(diǎn)中選擇最佳中繼集合來提高網(wǎng)絡(luò)性能。

無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)大多采用電池供電，通常采用網(wǎng)絡(luò)中最先耗盡能量的節(jié)點(diǎn)生存時間來衡量網(wǎng)絡(luò)生存時間，最大化網(wǎng)絡(luò)生存時間就等價于最大化節(jié)點(diǎn)最小網(wǎng)絡(luò)生存時間，因此需要設(shè)計盡可能均衡地消耗網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)能量的中繼選擇算法來最大化網(wǎng)絡(luò)生存時間。文獻(xiàn)[1]提出了一種低復(fù)雜度的次優(yōu)多中繼選擇算法，能夠獲得全分集增益，但忽略了節(jié)點(diǎn)的剩余能量信息。文獻(xiàn)[2]提出一種基于節(jié)點(diǎn)剩余能量信息的中繼選擇算法，但局限于單中繼選擇。

本文針對譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)，綜合考慮CSI和REI，提出一種復(fù)雜度較低的動態(tài)多中繼選擇算法，仿真結(jié)果表明該算法能有效延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。

1 系統(tǒng)模型

2 動態(tài)多中繼選擇算法

聯(lián)合考慮信道信息和節(jié)點(diǎn)剩余能量進(jìn)行多中繼選擇在提升系統(tǒng)信道容量性能的同時，可以避免過度使用信道狀態(tài)好的中繼節(jié)點(diǎn)，從而保證網(wǎng)絡(luò)的公平性。

3 仿真結(jié)果和分析

在基于CSI和REI的中繼選擇算法驗證中，主要使用網(wǎng)絡(luò)生存時間做為性能評價指標(biāo)，并假設(shè)歸一化網(wǎng)絡(luò)生存時間的單位為1。假設(shè)在以源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間距離為直徑的圓內(nèi)隨機(jī)分布10個中繼節(jié)點(diǎn)。仿真中設(shè)置信道系數(shù)的方差為 ，其中ι為節(jié)點(diǎn)之間的距離，η為路徑衰假設(shè)所有中繼節(jié)點(diǎn)的初始能量都為E0，被選中繼采用動態(tài)中繼功率發(fā)射。動態(tài)中繼功率是指對每個被選擇中繼，發(fā)射功率是“動態(tài)”變化的，即每次發(fā)射總功率Ptotal是一定的，它在每次選擇的中繼節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行平均分配，即 。

仿真中比較基于信道信息CSI和剩余能量REI的多中繼選擇策略和僅基于CSI進(jìn)行中繼選擇策略的性能。

3.1 網(wǎng)絡(luò)生存時間與容量增益門限的關(guān)系

從圖1中可以看到，網(wǎng)絡(luò)生存時間隨容量增益門限的增加而減小。由于每次發(fā)射總功率一定，隨著門限值的減小，被選擇的轉(zhuǎn)發(fā)中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，使每個中繼節(jié)點(diǎn)的實際發(fā)射功率減少，網(wǎng)絡(luò)生存時間增加。與僅基于CSI的策略相比，基于CSI和REI的策略的網(wǎng)絡(luò)生存時間最少提高約31%，最多提高約68%?？紤]性能和實現(xiàn)復(fù)雜度的折中，信道容量增益門限的最優(yōu)值應(yīng)在15%左右。

3.2 網(wǎng)絡(luò)生存時間與中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)的關(guān)系

從圖2中可以看到，網(wǎng)絡(luò)生存時間隨中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加呈上升趨勢。當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到3個以上時，網(wǎng)絡(luò)生存時間變化趨緩，說明性能在選擇4個中繼節(jié)點(diǎn)時已能達(dá)到最優(yōu)。相對于僅基于CSI的策略，基于CSI和REI的策略在中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)為4時的網(wǎng)絡(luò)生存時間可以提高約75%。

4 結(jié)束語

為優(yōu)化譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）協(xié)同通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)生存時間性能，提出了一種基于信道狀態(tài)信息和剩余能量信息的動態(tài)多中繼選擇算法。仿真結(jié)果表明，選擇4個中繼節(jié)點(diǎn)時系統(tǒng)性能已達(dá)到最優(yōu)。當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)大于3時，歸一化網(wǎng)絡(luò)生存時間逼近于1。所提算法以較低的復(fù)雜度有效地延長了網(wǎng)絡(luò)生存時間，使系統(tǒng)在總?cè)萘亢湍芰啃噬嫌锌捎^的增益。

[參考文獻(xiàn)]

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