基于AHMT放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中繼選擇算法

李丹丹，王 丹，侯云山

(河南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 洛陽471023)

基于AHMT放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中繼選擇算法

李丹丹，王 丹，侯云山

(河南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 洛陽471023)

對(duì)于單源多中繼放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify and forward, AF)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)中繼選擇方法存在難以在性能和復(fù)雜度之間取得折中的問題。結(jié)合最佳調(diào)和平均和SR門限算法，提出了一種基于AHMT( Approximate Harmonic Mean with Threshold, AHMT)中繼選擇算法。該算法首先在中繼節(jié)點(diǎn)處設(shè)置信噪比門限值，然后將源S到中繼R鏈路的瞬時(shí)信噪比大于門限值的中繼作為待選中繼。最后在待選中繼集合中通過最佳部分信道AHMT算法選出最佳中繼。仿真結(jié)果表明：與傳統(tǒng)算法相比，所提算法不僅降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，而且性能更優(yōu)，在高信噪比和中繼個(gè)數(shù)較多時(shí)均可逼近傳統(tǒng)最佳調(diào)和平均算法。

中繼選擇；放大轉(zhuǎn)發(fā)；協(xié)作網(wǎng)絡(luò)；復(fù)雜度

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸性能也提出了更高的要求。而現(xiàn)有的可用頻譜資源也越來越趨于緊張，為了滿足人們對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸性能的要求，同時(shí)節(jié)約有限的頻譜資源，出現(xiàn)了分集技術(shù)和多輸入多輸出(Muliti-lnput-Muilti-Output，MIMO)技術(shù)[1]。MIMO是一種能有效提高傳輸速率且很好地利用多徑效應(yīng)實(shí)現(xiàn)空間分集增益而不占用多余頻譜資源的技術(shù)。但由于受終端尺寸，功耗和復(fù)雜度以及成本等諸多因素的限制，在移動(dòng)終端上安裝多個(gè)天線有一定的困難。因此，一種新的協(xié)作通信(Cooperative Communication)技術(shù)[2]應(yīng)運(yùn)而生。協(xié)作通信是一種廣義的MIMO，融合了中繼技術(shù)和分集技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，能有效對(duì)抗信道的多徑衰落，提高傳輸速度，從而獲得空間分集。然而在協(xié)作通信技術(shù)中，往往存在多個(gè)潛在的中繼節(jié)點(diǎn)，使用不同的中繼節(jié)點(diǎn)將極大地影響協(xié)作通信的最終性能，則需要考慮“與誰協(xié)作”，即中繼選擇。如何合理、有效地從這些潛在中繼節(jié)點(diǎn)中選擇協(xié)同節(jié)點(diǎn)，制定協(xié)同策略是協(xié)作通信的研究重點(diǎn)。

Bletsas在文獻(xiàn)[3]中綜合考慮了兩跳鏈路的瞬時(shí)信道信息，提出了一種分布式最佳中繼選擇算法。Y.ZHAO等人在文獻(xiàn)[4]中，通過接收端SNR的累積密度函數(shù)進(jìn)行一定近似，分析了單中繼選擇算法的錯(cuò)誤概率，比較了選擇一個(gè)中繼參與協(xié)作和所有中繼都參與協(xié)作的BER性能。文獻(xiàn)[5]分別對(duì)最佳中繼選擇，最佳最差中繼選擇，最佳調(diào)和平均中繼選擇3種算法分集增益進(jìn)行推導(dǎo)，證明了這3種算法能夠達(dá)到滿分集增益。文獻(xiàn)[6]在DF協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中，針對(duì)不同種類信道狀態(tài)信息提出了最佳中繼選擇算法。文獻(xiàn)[7]在AF協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中，基于兩跳瞬時(shí)信道信息，提出一種最佳中繼選擇方案。文獻(xiàn)[8]研究了雙向AF中繼協(xié)作系統(tǒng)，在能夠保證兩條鏈路的平衡性前提下提出了雙鏈路的中繼選擇算法并進(jìn)行了功率分配，但復(fù)雜度較高。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合最佳調(diào)和平均和SR門限算法，提出了一種靈活的基于AHMT中繼選擇算法。最后通過仿真證明，所提算法有效降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時(shí)提高了系統(tǒng)的整體性能。

1 系統(tǒng)模型

如圖1所示，“考慮AF單向協(xié)作系統(tǒng)模型，其包括一個(gè)源節(jié)點(diǎn)S，一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)D和N個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)i(i=1,2,…,N)。系統(tǒng)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備單天線，且工作在半雙工模式下。假設(shè)節(jié)點(diǎn)間信道為獨(dú)立瑞利平坦衰落信道，并存在S到D的直傳鏈路。

圖1 系統(tǒng)模型

整個(gè)傳輸過程分為兩個(gè)階段。第一階段：源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送廣播信號(hào)到中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)。中繼節(jié)點(diǎn)i(i=1,2,…,N)和目的節(jié)點(diǎn)D的接收信號(hào)分別為

(1)

(2)

第二階段：中繼節(jié)點(diǎn)i(i=1,2,…,N)把來自源節(jié)點(diǎn)S的信號(hào)進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)D，則第i個(gè)中繼到節(jié)點(diǎn)D接收的信號(hào)為

(3)

式中：xi=βysi是第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)，β為放大倍數(shù)。

(4)

節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D、節(jié)點(diǎn)S到中繼節(jié)點(diǎn)i(i=1,2,…,N)以及中繼節(jié)點(diǎn)i(i=1,2,…,N)到目的節(jié)點(diǎn)D之間的瞬時(shí)信噪比γsd,γsi,γid分別為

(5)

所以，經(jīng)過第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D之間的信道容量Ci為

(6)

2 算法的提出

2.1 已有中繼選擇算法

傳統(tǒng)中繼選擇算法不僅需要準(zhǔn)確信道信息，而且需要額外的信令進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的反饋，且系統(tǒng)采用全分集發(fā)送方式。對(duì)于資源受限的無線網(wǎng)絡(luò)來說，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。以下介紹幾種傳統(tǒng)中繼選擇算法：

1)最佳SNR中繼選擇[9]

從所有中繼中選擇SNR最大的為最佳中繼，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(7)

2)Maxmin中繼選擇[9]

先選擇兩跳鏈路的差者，再?gòu)乃兄欣^中選出最佳的中繼，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(8)

3)最佳調(diào)和平均中繼選擇[9]

對(duì)所有中繼的兩跳鏈路求調(diào)和平均值，選出最佳的中繼。數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(9)

在以上3種算法中，都綜合考慮了2條鏈路的瞬時(shí)信噪比，其中，最佳調(diào)和平均中繼選擇算法系統(tǒng)性能最好，但復(fù)雜度高。文獻(xiàn)[10]提出了SR門限算法，只考慮了部分鏈路的瞬時(shí)信道信息，因此復(fù)雜度低，并減少了中繼節(jié)點(diǎn)的功率消耗；但缺點(diǎn)是總體性能卻沒有傳統(tǒng)的最佳調(diào)和平均算法[5]性能好。因此，下面結(jié)合最佳調(diào)和平均算法和SR門限算法提出一種基于AHMT中繼選擇算法。

2.2 提出的AHMT中繼選擇算法

首先，在中繼節(jié)點(diǎn)處設(shè)置信噪比門限值γth，比較第1跳鏈路的瞬時(shí)信噪比γsi與門限值γth的大小，若滿足

(10)

則將該中繼加入待選中繼集合，這樣待選中繼集合中僅包括滿足條件的部分中繼，與所有中繼都參加協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)相比，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。

定義部分信道AHMT表達(dá)式

(11)

最后，在待選中繼集合中選擇使部分信道AHMT表達(dá)式bi最大的中繼Rbest，也即

(12)

提出的算法步驟總結(jié)如下：

1)設(shè)置中繼節(jié)點(diǎn)處瞬時(shí)接收信噪比門限值γth；

3)比較瞬時(shí)信噪比γsi與門限值γth的大小，若γsi≥γth，將該中繼加入待選中繼集合中，轉(zhuǎn)4)；否則轉(zhuǎn)2)；

6)根據(jù)式(12)，選擇出最佳中繼Rbest。

和傳統(tǒng)中繼選擇算法不同，提出的AHMT中繼選擇算法使用了門限值和部分信道信息，因此可通過對(duì)門限的選擇和控制使系統(tǒng)在復(fù)雜度和性能之間取得折中。

3 仿真結(jié)果

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)

本次仿真基于MATLAB7.0軟件開發(fā)平臺(tái)，將本文提出的AHMT算法與文獻(xiàn)[9]中的最佳SNR算法、Maxmin算法及最佳調(diào)和平均算法以及文獻(xiàn)[10]中的SR門限算法進(jìn)行性能比較。假設(shè)每個(gè)傳輸幀有50個(gè)數(shù)據(jù)塊兒，每個(gè)數(shù)據(jù)塊兒長(zhǎng)度為256，數(shù)據(jù)符號(hào)采用BPSK調(diào)制，門限值設(shè)為5dB。

圖2中，仿真了中繼個(gè)數(shù)N=4時(shí)不同中繼選擇算法BER的性能。結(jié)果表明：隨著SNR的增加，不同選擇算法BER性能都在增加。提出的方法性能在高信噪比處接近最佳調(diào)和平均中繼選擇算法，并優(yōu)于其他算法。而且當(dāng)SNR高時(shí)，性能優(yōu)勢(shì)更加明顯。

圖2 N=4不同中繼選擇算法BER性能比較

圖3中，仿真了中繼個(gè)數(shù)N=4時(shí)，不同中繼選擇算法信道容量性能比較。從圖中可以看到：隨著SNR的增加，信道容量在逐漸增加。在高信噪比時(shí)提出的算法性能與最佳調(diào)和平均中繼選擇算法性能接近，且獲得了比其他方法更高的信道容量。

圖3 N=4不同中繼選擇算法Capacity性能比較

圖4給出了不同中繼個(gè)數(shù)下中繼選擇算法BER性能變化曲線。假設(shè)SNR=10 dB。由圖所知：隨著N值增加，SR門限算法、最佳SNR算法、Maxmin算法誤碼率性能幾乎保持不變，而最佳調(diào)和平均中繼選擇算法和提出的AHMT中繼選擇算法BER性能更好，且性能優(yōu)于其他算法。

圖4 不同中繼個(gè)數(shù)下誤碼率性能比較

圖5 不同功率限制下BER性能比較

3.2 復(fù)雜度分析

已有的最佳SNR中繼選擇、Maxmin中繼選擇、最佳調(diào)和平均算法，都采用的是窮舉搜索方式，最佳SNR中繼選擇和最佳調(diào)和平均算法需計(jì)算N個(gè)中繼兩條鏈路的接收SNR與調(diào)和平均值，然后選擇其值最大的中繼，故復(fù)雜度為線性，即O(N)。Maxmin中繼選擇，先比較N個(gè)中繼兩條鏈路瞬時(shí)信道信息的值選出最差鏈路，再?gòu)闹羞x擇最佳中繼，故復(fù)雜度也為O(N)。而SR門限算法，只需計(jì)算滿足條件的中繼，其復(fù)雜度為對(duì)數(shù)階，即O(lbN)。假設(shè)j為不滿足條件的中繼個(gè)數(shù)，提出的AHMT算法，首先選出滿足條件的部分中繼N-j，然后從中選出最佳的中繼，其復(fù)雜度為O(lbN)?？梢娮罴裇NR中繼選擇，Maxmin中繼選擇，最佳調(diào)和平均算法，復(fù)雜度一樣；SR門限算法與提出的AHMT算法復(fù)雜度也一樣，所以這里只具體仿真分析復(fù)雜度高性能好的調(diào)和平均算法與提出的AHMT算法。

從表1中可以看到，隨著中繼數(shù)目N的增多最佳調(diào)和平均算法總運(yùn)算次數(shù)在迅速增加，且增加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于提出的AHMT算法。由此可見，提出的AHMT算法降低了運(yùn)算次數(shù)，從而系統(tǒng)的復(fù)雜度顯著降低了。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)傳統(tǒng)中繼選擇算法復(fù)雜度高和性能差的問題，提出了一種新的基于AHMT中繼選擇算法。該方法通過對(duì)最佳調(diào)和平均選擇算法和SR門限算法的改進(jìn)，首先在中繼節(jié)點(diǎn)處引入門限值，選擇滿足條件的部分中繼集合，然后從中繼集合中選擇部分信道AHMT表達(dá)式最大的中繼為最佳中繼。仿真實(shí)驗(yàn)表明：該算法不僅降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，而且提高了系統(tǒng)的整體性能。

表1 調(diào)和平均算法與提出的AHMT算法性能比較

中繼個(gè)數(shù)信噪比/dB最佳調(diào)和平均算法提出的AHMT算法參與協(xié)作中繼個(gè)數(shù)總運(yùn)算次數(shù)參與協(xié)作中繼個(gè)數(shù)總運(yùn)算次數(shù)4104242910101012053750105026003095510010100102006037063001050025100029688124N10N2N+N2N-jN+lb(N-j)+(N-j)2

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李丹丹(1989— )，女，碩士生，主研協(xié)作通信中繼選擇技術(shù)；

王 丹(1979— )，女，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闊o線通信系統(tǒng)信號(hào)處理和計(jì)算機(jī)檢測(cè)技術(shù)；

侯云山(1973— )，博士，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)槎鄠鞲衅髋c自適應(yīng)信號(hào)處理、協(xié)作通信。

責(zé)任編輯：閆雯雯

Based on AHMT Relay Selection Algotzrithm of Amplify and Forward Cooperative Network

LI Dandan，WANG Dan，HOU Yunshan

(InformationEngineeringCollege,HenanUniversityofScienceandTechnology,HenanLuoyang471023,China)

According to monophyletic relay amplify and forward collaborative network, because of the traditional relay selection method is difficult to achieve the compromise between performance and complexity. Combining with the best harmonic mean and SR threshold algorithm, and based on approximate harmonic mean with threshold relay selection algorithm are proposed. Firstly, algorithm introduced SNR threshold on relays. Then the source-relay link instantaneous SNR more than threshold method of relay nodes as candidate relay , and last in the candidate set of relay choose the best relay by the best part of AHMT algorithm. The simulation results show that compared with the traditional relay selection algorithm, the proposed algorithm not only reduces the complexity of the system and but also has better performance. And in high SNR and relay number is large close to harmonic average algorithm.

relay selection; amplify and forward; collaborative network; complexity

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61101167)；河南科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(09001409)；河南科技大學(xué)“青年學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人”項(xiàng)目(2014)；河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(112102210431)；河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(142300410343)

TN925

A

10.16280/j.videoe.2015.22.025

2015-06-29

【本文獻(xiàn)信息】李丹丹，王丹，侯云山.基于AHMT放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中繼選擇算法[J].電視技術(shù),2015，39(22).