基于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的最佳中繼選擇方案研究

劉德文（南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇南京210003）

基于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的最佳中繼選擇方案研究

劉德文
（南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇南京210003）

針對(duì)多個(gè)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，提出了基于有限反饋的分布式最佳中繼選擇方案。該方案通過(guò)有限反饋，選出信道條件最好的作為中繼節(jié)點(diǎn)。解決最佳中繼沖突問(wèn)題時(shí)，提出用最大化傳輸鏈路功率算法解決中低SNR時(shí)的功率分裂問(wèn)題，使有限的總功率能夠獲得最大的成功傳輸數(shù)目。仿真結(jié)果表明，該方案具有更好的中斷率性能，有效降低了中繼選擇時(shí)的信息交互開(kāi)銷，提高了系統(tǒng)的性能。

Ad hoc網(wǎng)絡(luò)；反饋；最佳中繼選擇；功率分配

0 引言

Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是一種全分布式的無(wú)線分組網(wǎng)絡(luò)，組成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)既是通信終端，又具有路由器的功能，可自由移動(dòng)，無(wú)需固定基礎(chǔ)設(shè)施的支持。對(duì)于分簇結(jié)構(gòu)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，地理上相近的多個(gè)節(jié)點(diǎn)按照一定的規(guī)則構(gòu)成不同的虛擬組（稱為簇），并通過(guò)這些簇間的進(jìn)一步連接實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的連通[1]。

同一簇內(nèi)，如果使用傳統(tǒng)的工作方式，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的通信由簇頭來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)，簇頭控制節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量太多，會(huì)產(chǎn)生瓶頸，故要使用中繼轉(zhuǎn)發(fā)。因此對(duì)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中最佳中繼協(xié)作方案的研究一直是重點(diǎn)也是熱點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[2]中詳細(xì)研究了無(wú)反饋的選擇協(xié)作方案，基于的信道環(huán)境為Nakagami-m衰落。參考文獻(xiàn)[3]中介紹了多次傳播編碼協(xié)作背景下機(jī)會(huì)中繼的中斷率性能。參考文獻(xiàn)[4]介紹了多點(diǎn)干擾環(huán)境下機(jī)會(huì)中繼的中斷率性能。以上協(xié)議中都假設(shè)系統(tǒng)獲取全反饋，即全部鏈路的信道狀態(tài)信息（CSI[5]），但是全反饋的開(kāi)銷很大，對(duì)于現(xiàn)在很多網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)較大。若采用有限的部分反饋，如源-中繼節(jié)點(diǎn)鏈路的CSI，則開(kāi)銷會(huì)小很多。參考文獻(xiàn)[6]介紹了超過(guò)設(shè)定門(mén)限值的中繼進(jìn)行有限反饋的方法。參考文獻(xiàn)[7]分析了有限反饋延遲和信道估計(jì)誤差的再生中繼選擇協(xié)作方案。參考文獻(xiàn)[8]對(duì)機(jī)會(huì)中繼在通用信道中基于反饋協(xié)作進(jìn)行理論分析。在通用衰落模型Nakagami-m環(huán)境中，存在反饋的選擇協(xié)作的分集性能，有待進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn)[9]介紹了一種通過(guò)中繼和目的節(jié)點(diǎn)間的有限信息反饋選擇最佳中繼的中繼選擇策略。這些協(xié)議也要求系統(tǒng)能精確獲得反饋信息，實(shí)際系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較為困難。

本文在現(xiàn)有選擇方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)多個(gè)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)[10]，對(duì)簇內(nèi)中繼選擇的問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了有限反饋的分布式多個(gè)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的最佳中繼選擇方案，從SNR角度，提出了最大化傳輸鏈路的功率算法解決最佳中繼沖突問(wèn)題。仿真結(jié)果表明，相比之前的多源多目標(biāo)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的選擇協(xié)作方法，本文的協(xié)作方案有效降低了中繼選擇時(shí)的信息交互開(kāi)銷，擁有更好的中斷率性能，明顯改善了網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。

1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型如圖1所示，本文所研究系統(tǒng)是一個(gè)多源多目標(biāo)的Ad hoc協(xié)作網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)中繼協(xié)作系統(tǒng)由L個(gè)源節(jié)點(diǎn)、L個(gè)目的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，令源節(jié)點(diǎn)為si，目的節(jié)點(diǎn)為di，其中源節(jié)點(diǎn)si∈S，對(duì)應(yīng)的目的節(jié)點(diǎn)di∈D。源節(jié)點(diǎn)si對(duì)應(yīng)的最佳中繼節(jié)點(diǎn)為b（b為原來(lái)的源節(jié)點(diǎn)sj，即每個(gè)源節(jié)點(diǎn)可能充當(dāng)其余L-1個(gè)源節(jié)點(diǎn)的中繼），它們之間的信道值分別為。假設(shè)信道值全為準(zhǔn)靜態(tài)信道，為循環(huán)對(duì)稱復(fù)高斯隨機(jī)變量，且獨(dú)立同分布，方差為1，均值為0。

圖1 中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

某個(gè)源節(jié)點(diǎn)和被選定為中繼的另外一個(gè)源節(jié)點(diǎn)在傳輸時(shí)都使用相同的碼本，所有的數(shù)據(jù)傳輸都使用正交方式。令節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的信道值為hi，j、成型因子為ki，j、擴(kuò)展因子為θi，j。本文的Nakagami-m可以看作通用衰落模型，當(dāng)ki，j=（K+1）2/（2K+1）時(shí)，它可近似表述衰落因子為K的Rician分布；當(dāng)ki，j=1時(shí)，它可退化為Rayleigh分布；當(dāng)ki，j→∞時(shí)，它表示沒(méi)有衰落的直視傳輸情況。

系統(tǒng)的干擾噪聲服從CN（0，σ2）分布，為獨(dú)立同分布的白高斯噪聲。接收節(jié)點(diǎn)接收的平均信噪比為（SNR）：ρ=P/σ2，其中P為節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率。另外在發(fā)送前，節(jié)點(diǎn)不能通過(guò)自身獲取信道狀態(tài)，即各節(jié)點(diǎn)只能通過(guò)接收數(shù)據(jù)來(lái)獲取所需的CSI。

2 最佳中繼協(xié)作策略研究

2.1 基于有限反饋的最佳中繼選擇協(xié)作方案

本文研究對(duì)象是Ad hoc中的多個(gè)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)[11]，針對(duì)目前協(xié)議存在的開(kāi)銷大和傳輸效率低的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和完善，提出一種基于有限反饋的全分布式中繼協(xié)作方法。

假設(shè)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)為N bit，發(fā)送時(shí)間為T(mén)f，速率為R bit/Hz，將N分為兩個(gè)子幀N1、N2發(fā)送。定義一個(gè)α，有N1=αN，N2=（1-α）N，αTf用來(lái)發(fā)送N1，（1-α）Tf發(fā)送N2。

方法如下：

（1）規(guī)定的αTf時(shí)間里，源節(jié)點(diǎn)先發(fā)送第一個(gè)子幀N1，其他節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)信息，并譯碼。

（2）成功譯碼的節(jié)點(diǎn)重新參照源節(jié)點(diǎn)的編碼規(guī)則進(jìn)行編碼。同時(shí)將第二子幀的冗余校驗(yàn)信息存入緩存區(qū)，并依此廣播1 bit信息通知目的節(jié)點(diǎn)。若沒(méi)能正確譯碼，則忽略。目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)此信息估計(jì)各自信道的瞬時(shí)SNR，選擇信道條件最好的信道發(fā)送第二子幀的冗余校驗(yàn)信息，并把該節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)廣播給其他節(jié)點(diǎn)。

（3）收到發(fā)送通知的節(jié)點(diǎn)立即發(fā)送緩存區(qū)里源節(jié)點(diǎn)的第二子幀冗余校驗(yàn)信息，其余節(jié)點(diǎn)則清除緩存區(qū)內(nèi)的信息。如果目的節(jié)點(diǎn)判斷沒(méi)有其他中繼節(jié)點(diǎn)能正確譯碼，則由源節(jié)點(diǎn)發(fā)送冗余校驗(yàn)信息。

網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)固定分配長(zhǎng)度是1 bit的時(shí)隙，用此1 bit告知目的節(jié)點(diǎn)能正確譯碼。目的節(jié)點(diǎn)分配（L-1）bit時(shí)隙用于目的節(jié)點(diǎn)選擇最佳中繼節(jié)點(diǎn)。本文采用競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙的幀結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示，當(dāng)Tf一定時(shí)，Tw越小，表明交互信息時(shí)間越少。

圖2 時(shí)隙的幀結(jié)構(gòu)圖

2.2 最大化傳輸鏈路的功率分配算法

本文的多源多目標(biāo)的Ad hoc協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，會(huì)有多個(gè)源節(jié)點(diǎn)同時(shí)把其一節(jié)點(diǎn)作為它們的最佳中繼的情況發(fā)生，采用共享中繼的策略解決中繼沖突問(wèn)題。對(duì)于共享中繼導(dǎo)致的功率分裂，提出最大化傳輸鏈路（Maximize the Number of Links，MNL）的功率算法來(lái)保證優(yōu)越的DMT性能，分析如下：

對(duì)于SNR較低的情況[12]，由于功率P的限制，信道信息同上，先通過(guò)信道狀態(tài)預(yù)估各協(xié)作鏈路的傳輸結(jié)果，共享中繼根據(jù)預(yù)估結(jié)果對(duì)各鏈路的功率進(jìn)行智能分配，以在總功率上獲得最大的成功傳輸數(shù)目。各鏈路上的信道狀態(tài)是通過(guò)最佳中繼接收到的NACK幀的信息獲取的。

設(shè)kiP是共享中繼b為協(xié)作si與di這一鏈路所分配的功率，則有中繼協(xié)作情況下，對(duì)于si與di，成功解碼時(shí)對(duì)應(yīng)的互信息量為Ii，且Ii≥R。

功率分配系數(shù)ki為：

其中：

為獲得更多的鏈路傳輸成功，所以優(yōu)化的目標(biāo)是找到合適的ki（i=1，2，..，n），即下式成立的個(gè)數(shù)越多越好：

用比較型迭代過(guò)程來(lái)解決式（3）的優(yōu)化問(wèn)題。該算法的具體實(shí)現(xiàn)如下：

（2）查找系數(shù)集合K的最小值kj；

（3）更新已分配功率：kalloc=kalloc+kj；

（4）若kalloc<1，則更新系數(shù)集合K=K-{kj}，否則算法終止；

（5）若K=Φ，則算法終止，否則執(zhí)行步驟（2）進(jìn)行迭代過(guò)程。

上述算法的復(fù)雜度為O（n2），該算法表明，每次尋求出ki中的最小值，當(dāng)P分配完畢，即kalloc≥1時(shí)停止。

另外研究表明，SNR較高時(shí)，基于所提的有限反饋的最佳中繼選擇方案，最佳中繼節(jié)點(diǎn)的功率分配系數(shù)不影響每個(gè)源節(jié)點(diǎn)的DMT性能，所以所提功率分配算法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)具有可行性。

3 仿真結(jié)果與分析

對(duì)本文提出的協(xié)議及功率分配算法在MATLAB 2010平臺(tái)上進(jìn)行仿真。信道都服從獨(dú)立同分布的Rayleigh衰落，且頻率效率R=1，采用中斷率作為性能指標(biāo)，分別采用網(wǎng)絡(luò)中斷率和節(jié)點(diǎn)中斷率[13]。

仿真中，設(shè)置源節(jié)點(diǎn)數(shù)目為6個(gè)，圖3是對(duì)所給出的無(wú)反饋的協(xié)作協(xié)議與基于MNL功率分配方法的有限反饋協(xié)作協(xié)議進(jìn)行仿真的對(duì)比。從圖中看到，無(wú)論是節(jié)點(diǎn)中斷率還是網(wǎng)絡(luò)中斷率，在相同SNR情況下，所提方案的中斷率性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了無(wú)反饋協(xié)作協(xié)議。

現(xiàn)實(shí)環(huán)境是非均衡網(wǎng)絡(luò)，信道均值不同，在基于有限反饋的選擇協(xié)作協(xié)議中分別采用MNL功率分配方法和等功率算法進(jìn)行仿真對(duì)比。假定按照源節(jié)點(diǎn)號(hào)，各個(gè)源節(jié)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)目的節(jié)點(diǎn)間的信道質(zhì)量依次增加200%。仿真結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯瑢?duì)于節(jié)點(diǎn)中斷率和網(wǎng)絡(luò)中斷率，MNL功率分配算法的中斷率性能都優(yōu)于等功率算法，即實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中MNL功率分配算法也能使系統(tǒng)效果更優(yōu)越。

圖3 無(wú)反饋與基于MNL功率分配的有限反饋協(xié)議的中斷率仿真對(duì)比

圖4 MNL功率分配和等功率分配在非均衡網(wǎng)絡(luò)中的中斷率仿真對(duì)比

改變?cè)垂?jié)點(diǎn)的數(shù)目，取L=6，8，10，在基于有限反饋的選擇協(xié)作協(xié)議中分別采用等功率算法和MNL功率分配方法進(jìn)行仿真對(duì)比。結(jié)果如圖5。隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，系統(tǒng)的中斷率持續(xù)下降，性能更好。且隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)L的增加，兩種功率算法的中斷率差距增大，即表明對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)多的較大規(guī)模無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，MNL功率分配算法更為優(yōu)越。

圖5 MNL的功率分配和等功率分配在不同節(jié)點(diǎn)數(shù)目下的中斷率仿真對(duì)比

圖6 的仿真是分別在非均衡網(wǎng)絡(luò)與理想均衡網(wǎng)環(huán)境下，模擬所提協(xié)議MNL功率分配算法產(chǎn)生的中斷率。通過(guò)仿真看出，相同條件下，對(duì)于節(jié)點(diǎn)中斷率和網(wǎng)絡(luò)中斷率，非均衡和均衡網(wǎng)絡(luò)中的中斷率性能差距不斷增加，MNL功率分配算法在非均衡網(wǎng)絡(luò)中的性能要比均衡網(wǎng)絡(luò)中差。

圖6 MNL功率分配算法在均衡和非均衡網(wǎng)絡(luò)的中斷率仿真對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)多源多目標(biāo)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的簇內(nèi)中繼協(xié)作進(jìn)行了研究，提出了基于有限反饋的分布式最佳中繼選擇方案，方案簡(jiǎn)單高效，可以方便地集成到現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，解決最佳中繼沖突而采用共享中繼時(shí)，提出MNL（最大化傳輸鏈路）功率分配算法使有限的總功率能夠獲得最大的成功傳輸數(shù)目。仿真結(jié)果表明，所提方案相比以往針對(duì)多源多目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的選擇協(xié)作方法具有更好的中斷率性能，有效降低了中繼選擇時(shí)的信息交互開(kāi)銷，對(duì)于最佳中繼選擇傳輸方案，采用本文提出的功率分配策略所獲得的系統(tǒng)性能明顯高于等功率分配。但本文僅考慮簇內(nèi)中繼的選擇，當(dāng)簇間需要中繼傳輸時(shí)，由于簇間的頻點(diǎn)不同，需要進(jìn)行頻點(diǎn)切換。因此下一步工作將在本文基礎(chǔ)上，研究簇間中繼協(xié)作。

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Research on the optimal relay selection scheme based on Ad hoc networks

Liu Dewen
（School of Communication and Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China）

In this paper，an optimal relay selection scheme with limited feedback is proposed for multi-source multi-destination ad hoc networks.The scheme will choose the relay node which has the best channel condition throuth limited feedback.When sovling optimal relay conflicts，we propose a power match algorthm based on maximize the number of links to solve the power division to get the most number of successful transmission based on the limited power.Simulation results illustrate the scheme has better interrupt rate，it can effectively reduce information exchangeswhen choosing the optimal relay and improve the performance of the system.

Ad hoc networks；feedback；optimal relay selection；power allocation

TN925

A

1674-7720（2015）03-0063-04

2014-10-07）

劉德文（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：無(wú)線數(shù)據(jù)與移動(dòng)計(jì)算。