基于部分信道信息的中繼選擇與功率分配算法

惠 鏸,張 瑤,李 琦

(西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院,西安710048)

基于部分信道信息的中繼選擇與功率分配算法

惠 鏸,張 瑤,李 琦

(西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院,西安710048)

針對(duì)傳統(tǒng)中繼選擇算法反饋開銷大、信道條件利用不充分以及等功率分配算法資源利用率低等問題,在放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中,以最小化系統(tǒng)中斷概率為目標(biāo),提出基于部分信道狀態(tài)信息的中繼選擇與功率分配算法。指出源-中繼-目的節(jié)點(diǎn)傳輸鏈路所能獲得的信噪比受制于源-中繼及中繼-目的鏈路中接收信噪比較小者,各中繼依據(jù)自身到源及目的節(jié)點(diǎn)鏈路的統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息,采用不同的反饋策略向源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息反饋,由源節(jié)點(diǎn)完成中繼選擇,通過凸優(yōu)化方法對(duì)所選擇的源和中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功率分配。仿真結(jié)果表明,與基于第一跳信道信息的算法相比,該算法在僅增加少量反饋的條件下可明顯降低系統(tǒng)的中斷概率,且與同等反饋負(fù)荷下的其他算法相比,仍能獲得較好的中斷性能。

協(xié)作通信;放大轉(zhuǎn)發(fā);中斷概率;信道狀態(tài)信息;中繼選擇;功率分配

1 概述

無線通信中的多徑衰落是影響系統(tǒng)性能的重要原因之一,多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技術(shù)由于能夠利用空間分集對(duì)抗多徑衰落從而顯著提高系統(tǒng)性能受到了廣泛應(yīng)用。但由于受移動(dòng)終端尺寸、成本及設(shè)備復(fù)雜度等因素的制約,MIMO技術(shù)在一些場(chǎng)景中的應(yīng)用十分受限。協(xié)作通信技術(shù)[1-2]通過多個(gè)獨(dú)立分布于無線網(wǎng)絡(luò)中的單天線用戶共享頻譜等資源引入空間分集,可獲得與MIMO系統(tǒng)相同的分集性能。但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)中繼時(shí),各節(jié)點(diǎn)在相互正交的信道上進(jìn)行傳輸,頻譜利用率受到制約,并且協(xié)作方案的設(shè)計(jì)也較為復(fù)雜。

選擇單個(gè)中繼進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)可以有效避免上述問題。如文獻(xiàn)[3]提出的機(jī)會(huì)中繼策略通過選擇一個(gè)最優(yōu)中繼來進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā),能夠獲得與分布式空時(shí)碼相同的分集性能。文獻(xiàn)[4]提出選擇中斷概率最低鏈路所對(duì)應(yīng)的中繼參與信息傳輸,可以得到比所有中繼都參與時(shí)更好的系統(tǒng)中斷性能,并且同樣可以獲得滿分集增益。但在中繼的選擇過程中,上述算法仍需要獲得各傳輸鏈路的瞬時(shí)信道狀態(tài)信息,隨著網(wǎng)絡(luò)中中繼數(shù)量的增加,這種方式將給系統(tǒng)帶來難以承受的反饋負(fù)擔(dān)。

為了降低反饋開銷,有學(xué)者提出了基于部分信道狀態(tài)信息的中繼選擇策略。傳統(tǒng)算法[5-6]在選擇過程中僅考慮第一跳鏈路的瞬時(shí)信道狀態(tài)信息,這將不可避免地導(dǎo)致系統(tǒng)性能的損失。而文獻(xiàn)[7]提出的高效算法依據(jù)兩跳的統(tǒng)計(jì)信道信息和單跳的瞬時(shí)信道信息進(jìn)行中繼選擇,但它沒有對(duì)已知的信道條件進(jìn)行充分利用,也沒有依據(jù)變化的信道條件及時(shí)調(diào)整源與中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率。

本文在以上研究的基礎(chǔ)上,針對(duì)放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò),以最小化系統(tǒng)中斷概率為目標(biāo),提出了基于部分信道狀態(tài)信息的中繼選擇與功率分配算法。各中繼依據(jù)統(tǒng)計(jì)信道信息向源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行不同的信息反饋,源節(jié)點(diǎn)通過反饋信息完成中繼選擇,同時(shí)在所選擇的中繼節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行功率分配。

2 系統(tǒng)模型

圖1 系統(tǒng)模型

傳輸過程分為2個(gè)階段:

第1階段:源節(jié)點(diǎn)S向所有中繼Rk(k=1,2,…,N)廣播信號(hào)x,中繼Rk接收到的信號(hào)ySk為:

其中,PS為源節(jié)點(diǎn)S的發(fā)送功率;nSk為對(duì)應(yīng)信道的噪聲。

第2階段:被選擇的中繼節(jié)點(diǎn)Rk向目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息。目的節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)ykD為:

其中,Pk為Rk的發(fā)送功率;nkD為對(duì)應(yīng)信道的噪聲;xk為Rk轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào),xk=βySk;β是放大因子[1],其值為:

對(duì)于放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議,目的端的互信息量[1]為:

其中,Pr(·)表示某事件發(fā)生的概率。

3 中繼選擇

不失一般性,假設(shè)γSk＜γkD。當(dāng)γSk增加(或減少)Δx(0＜Δx＜γSk,0＜Δx＜γkD)時(shí),令目的端接收信噪比γk的改變量為Δγ1,同樣當(dāng)γkD增加(或減少)Δx時(shí),令目的端信噪比γk的改變量為Δγ2。分析當(dāng)γSk和γkD有相同的變化時(shí),哪一個(gè)對(duì)γk的影響較大。當(dāng)γSk和γkD均增加Δx時(shí),有:

基于以上分析,本文為了提高接收端信噪比,在中繼節(jié)點(diǎn)的選擇過程中以γSk,γkD中較小者為依據(jù)進(jìn)行最佳中繼選擇。假設(shè)源與被選擇的中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率相等,即PS=Pk=P,算法步驟如下:

4 功率分配

在傳輸中采用等功率分配雖然簡(jiǎn)單易行,但由于沒有考慮系統(tǒng)各跳信道狀況的不同以及信道的時(shí)變性,無法實(shí)現(xiàn)對(duì)功率資源的有效利用。而在協(xié)作傳輸中,合理的功率分配已經(jīng)被證明能夠使得資源有效利用從而提升系統(tǒng)性能[8-10]。因此,本文在總功率Pt=PS+Pk一定的情況下,對(duì)源節(jié)點(diǎn)S和已選擇的最佳中繼節(jié)點(diǎn)Rk*進(jìn)行功率分配。

4.1 已知統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息的情況

根據(jù)第3節(jié)所描述的中繼選擇算法,在中繼選擇過程中,若βSk*＜βk*D,則源節(jié)點(diǎn)僅已知統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息 βSk*和 βk*D,此時(shí)系統(tǒng)中斷概率 Pout可表示為[11]:

令功率分配因子為ζ(0＜ζ＜1),將源節(jié)點(diǎn)S的發(fā)送功率表示為PS=ζPt,中繼Rk*的發(fā)送功率表示為Pk*=(1-ζ)Pt,則功率分配問題可描述為:

從式(13)可以看出,當(dāng)已知鏈路的統(tǒng)計(jì)信息時(shí)功率分配因子可在傳輸之前計(jì)算得到,從而減少源節(jié)點(diǎn)的計(jì)算復(fù)雜度。

4.2 已知瞬時(shí)信道狀態(tài)信息的情況

由以上分析可得,當(dāng)?shù)谝惶钠骄诺拦β瘦^小時(shí),源節(jié)點(diǎn)采用式(13)進(jìn)行源與中繼間的功率分配,而當(dāng)?shù)?跳的平均信道功率較小時(shí),功率分配因子可由式(16)求得。

5 仿真結(jié)果

本節(jié)對(duì)所提出的中繼選擇算法(本文算法1)及考慮功率分配后的算法(本文算法2)進(jìn)行了性能仿真。為了便于比較,本文還針對(duì)僅已知第一跳信道信息的傳統(tǒng)中繼選擇算法(Conventional PRS)[6]及文獻(xiàn)[7]所提出的高效中繼選擇算法(Efficient P-RS)進(jìn)行了仿真。不失一般性,在仿真中令R=1 bit·s-1·Hz-1,中繼個(gè)數(shù)N=4,噪聲功率N0=1。令系統(tǒng)中各鏈路的單跳平均信噪比為ρ,ρ=Pt/2/N0。

圖2 各算法的中斷概率比較1

圖3 各算法的中斷概率比較2

圖4 各算法的中斷概率比較3

6 結(jié)束語

本文針對(duì)放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò),以最小化系統(tǒng)中斷概率為目標(biāo),提出了基于部分信道狀態(tài)信息的中繼選擇與功率分配算法。各中繼依據(jù)自身到源及目的節(jié)點(diǎn)鏈路的統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息向源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行不同的信息反饋,源節(jié)點(diǎn)通過反饋信息完成中繼選擇,并且在所選擇的中繼節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行功率分配。仿真結(jié)果表明,相比傳統(tǒng)中繼選擇算法,本文算法在僅增加少量反饋的條件下可大幅降低系統(tǒng)的中斷概率,并具有較好的中斷性能。

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編輯 金胡考

Relay Selection and Power Allocation Algorithm Based on Partial Channel Information

HUI Hui,ZHANG Yao,LI Qi
(School of Automation and Information Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China)

A relay selection jointly with power allocation scheme is proposed to improve the outage performance of an Amplify-and-Forward(AF)cooperative network with partial Channel State Information(CSI).Firstly,it is proved that the system Signal-to-Noise Ratio(SNR)is subjected to the smaller one of the SNR between Source-Relay and Relay-Destination links.According to that,the potential relays choose different feedback schemes based on their statistical CSI to the source and the destination.Then the source node selects one best relay to forward messages based on the information feedback from relays.A corresponding power allocation scheme is also developed by the convex optimization method.Simulation results show that the proposed scheme significantly reduces the outage probability compared with the conventional schemes,and outperforms other schemes with the same feedback load in outage behavior.

cooperative communication;Amplify-and-Forward(AF);outage probability;Channel State Information (CSI);relay selection;power allocation

1000-3428(2014)10-0109-05

A

TN925

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.10.021

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61102061)。

惠 鏸(1979-),女,講師,主研方向:協(xié)作通信;張 瑤,碩士研究生;李 琦,教授。

2013-10-06

2013-11-29E-mail:huihui@xaut.edu.cn

中文引用格式:惠 鏸,張 瑤,李 琦.基于信道信息的中繼選擇與功率分配算法[J].計(jì)算機(jī)工程,2014,40(10): 109-113.

英文引用格式:Hui Hui,Zhang Yao,Li Qi.Relay Selection and Power Allocation Algorithm Based on Partial Channel Information[J].Computer Engineering,2014,40(10):109-113.