超短波通信下緩存協(xié)作中繼系統(tǒng)剩余能量中繼選擇方案

陳慧林 王呈貴 楊文東解放軍理工大學通信工程學院 江蘇南京 210007

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超短波通信下緩存協(xié)作中繼系統(tǒng)剩余能量中繼選擇方案

陳慧林 王呈貴 楊文東
解放軍理工大學通信工程學院 江蘇南京 210007

【摘要】在本文中，我們在超短波通信下針對有限長緩存輔助協(xié)作中繼系統(tǒng)提出了一種基于緩存中繼剩余能量的緩存中繼選擇方案。所提方案不僅考慮了無線鏈路的信道狀態(tài)信息（CSI），而且還考慮了緩存中繼的剩余能量和緩存剩余大小，綜合考慮這三種因素來選擇最優(yōu)中繼節(jié)點。我們運用馬爾科夫鏈模型在放大轉發(fā)協(xié)議下（AF）分析了所提方案的中斷概率和網(wǎng)絡的使用壽命。仿真結果表明，所提方案相比于最大鏈路選擇方案，明顯提高了網(wǎng)絡的使用壽命。

【關鍵詞】緩存輔助中繼；剩余能量；中繼選擇；網(wǎng)絡壽命

一、引言

由于超短波通信工作在甚高頻段，具有很寬的頻帶，利用視距傳播方式，傳播穩(wěn)定性高，抗干擾能力強，因此其在軍事領域和民用救急中占重要的地位。因此如何提高超短波通信的性能顯得尤為重要，但因為超短波的直線傳播特性和不能長距離通信特性，使得它又存在一定的通信局限。

鑒于協(xié)作中繼技術能提高網(wǎng)絡的可靠性和增大無線通信系統(tǒng)的覆蓋面，多中繼的協(xié)作中繼系統(tǒng)中，中繼選擇技術被證明能在保持通信系統(tǒng)效率的同時有效的提高分集增益，本文將協(xié)作中繼選擇技術引入超短波通信中，以增強超短波通信的抗干擾能力。

最近，在［7］，［8］中提出的中繼緩存輔助系統(tǒng)能夠解除信息在預定義的時間周期內進行傳遞的約束，它所提出的中繼選擇方案總是在每一個時隙選擇在所有可行S-R和R-D鏈路中最好的一個。在［9］中，對一個具有固定速率的多中繼有限緩存系統(tǒng)進行了研究，同時還提出了最大鏈路中繼選擇方案。在每一個時隙，使用可用鏈路中的具有最強信道增益的鏈路進行接收或者傳遞消息。但是以往的中繼選擇算法，主要都只考慮信道狀態(tài)信息，而對中繼本身的約束未加考慮，造成了信道鏈路利用率低，和單一中繼的重復多次使用，增加了中繼老化的速度，降低了網(wǎng)絡使用壽命。

在本文中，針對超短波通信中的多中繼緩存輔助系統(tǒng)，我們提出了一個基于緩存中繼剩余能量選擇方案。在該方案中，我們同時考慮中繼剩余能量和鏈路信道狀態(tài)信息（CSI），來選擇最優(yōu)中繼。對網(wǎng)絡的中斷概率和使用壽命進行了具體分析。仿真結果表明，在保證通信系統(tǒng)一點可靠度的前提下，所提算法能有效的增加緩存協(xié)作中繼網(wǎng)絡的使用壽命。

圖1　緩存中繼系統(tǒng)模型

二、緩存中繼系統(tǒng)模型

圖1為緩存中繼的系統(tǒng)模型。在該系統(tǒng)中，有一個源節(jié)點，一個目標節(jié)點和K個緩存中繼，每一個中繼緩存大小為L，并且每個中繼都是單天線的，在一個時隙內只能收或者發(fā)，是一個半雙工系統(tǒng)。

在此系統(tǒng)中，我們給定一個中心控制節(jié)點，來決定其他中繼節(jié)點用作接收或是發(fā)送。任意能與所有節(jié)點通信的節(jié)點都能被選作中心控制節(jié)點。為了不失去一般性，我們假定R1為中心控制節(jié)點。為了方便本文的研究，對本緩存中繼系統(tǒng)，做出如下假設：

1）各個鏈路的信道增益是不相關，相互獨立的；

2）源節(jié)點能源源不斷發(fā)送數(shù)據(jù)，即假設其隊列長度無限大；

3）當節(jié)點的剩余能量不能支撐一次信號的接收或發(fā)送時，認為該節(jié)點死亡；

4）根據(jù)文獻［10］的定義，我們設定一個門限值N，當系統(tǒng)的死亡節(jié)點個數(shù)超過N時，則認為網(wǎng)絡死亡。

三、剩余能量緩存中繼選擇算法

考慮中繼的剩余能量對網(wǎng)絡的影響，能減小過度使用某一信道狀態(tài)良好的中繼，以降低器件損耗。算法步驟如下：

步驟1：首先網(wǎng)絡初始化，每個中繼節(jié)點得到其信道狀態(tài)信息。信道狀態(tài)信息定義如下：

其中hSR：與hR：D分別為源節(jié)點到第j個中繼的信道增益和第j個中繼到目標節(jié)點的信道增益。而本文綜合考慮緩存大小信息，我們定義信道狀態(tài)信息如下：

a）當L0=0時，即緩存達到滿狀態(tài)，此時該中繼不能接受信號，接收鏈路不可用，此時URK=0，也就相當于此時的S-RK鏈路中斷，與本文所提機制保持一致。

b）當L0=L時，即中繼緩存為空，此時UTK=0，表明此時的RK-D鏈路中斷，保證了當緩存為空時，中繼不能發(fā)送數(shù)據(jù)。

此時，可以得到各個信道狀態(tài)信息與最大信道信息的比值：

步驟2：計算每一個中繼節(jié)點剩余能量與當前狀態(tài)下最大中繼剩余能量的比值，獲得能量信息度。

其中Eek為當前緩存狀態(tài)下中繼Rk的剩余能量，Er為所有中繼剩余能量之和。

步驟3：運用模糊評判準則，選擇最佳中繼。此時我們引入一個模糊關系矩陣，rij表示第i種因素對第j個中繼的影響因子。R（1，：）表示信道狀態(tài)信息對中繼的影響因子，R（2，：）為剩余能量對中繼的影響因子。通過評判矩陣W，我們得到模糊評價矩陣B：

最后選擇B中的最大值作為中繼節(jié)點，即：

（一）舉例分析

假定中繼數(shù)K=6，通過（3），（4）的計算，得到模糊關系矩陣：

假定評判矩陣：

通過（5），我們得到：

通過模糊評判準則，此時的最優(yōu)中繼為第5個中繼，但是若只考慮信道狀態(tài)信息，則最優(yōu)中繼為第3個中繼。

四、中斷概率分析

對于放大轉發(fā)（AF）中繼系統(tǒng)，節(jié)點的中斷概率定義為在目標節(jié)點端到端的瞬時SNR值小于給定個門限值γth時系統(tǒng)中斷，表達為：

我們用馬爾科夫鏈模型來描述緩存中繼中各狀態(tài)的轉移情況，中繼的狀態(tài)數(shù)為，描述了每一個中繼包含的數(shù)據(jù)包數(shù)量，其中第l個狀態(tài)可表達為：

其中Qi表示第i個中繼緩存，表示該中繼的緩存大小。假定在t時刻，系統(tǒng)的狀態(tài)為si，假如一個S-R鏈路被選擇，則相應中繼的緩存大小增加1。另一方面，假如一個R-D鏈路被選擇，則相應中繼的緩存大小減小1。因此，在t時刻，系統(tǒng)選擇哪一條鏈路，決定了中繼的下一個狀態(tài)。我們用A來表示狀態(tài)轉移矩陣，其中表示從t時刻的狀態(tài)Si轉移到t+1時刻的狀態(tài)Si的轉移概率。

由于我們假定，數(shù)據(jù)s（t）從源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸總是通過我們所選定的最優(yōu)中繼RK，所以當中繼狀態(tài)為Si，Si時，系統(tǒng)總是分別選定最好的 鏈路和S-D鏈路。由AF中繼系統(tǒng)，我們得到目的節(jié)點收到s（t）時的瞬時端到端SNR為：

因為所有信道都相互獨立，所以有：

因此：

其中：

B.P（si）的分析

在本系統(tǒng)的馬爾科夫鏈模型中，狀態(tài)sl有兩種轉移方式：一種是選擇接收時的轉移，并記為選擇接收時的所有可行S-R鏈路，為選擇接收的概率；另一種是選擇發(fā)送時的轉移，記為選擇發(fā)送時的所有可行R-D鏈路，為選擇發(fā)送的概率。由于閉環(huán)馬爾科夫鏈的性質，得到。由于每一條鏈路獨立同分布，且服從本文所提的剩余能量中繼選擇，則每一條可行鏈路被選擇的概率可表述如下：

其中W為能量比重權度，w=1?w，通過以上分析，我們得到狀態(tài)轉移矩陣：

根據(jù)［15］，可得到穩(wěn)態(tài)分布向量：

假如，狀態(tài)Si沒有數(shù)據(jù)可發(fā)時，；當狀態(tài)Si為滿狀態(tài)時，。在其他情況下，表示為：

x，y分別為所有可行S-R鏈路和可行R-D鏈路中，具有最大信道狀態(tài)信息的鏈路，由于x與y相互獨立，則根據(jù)：

fx（x），fy（y）分別為x和y的概率密度函數(shù)。綜合（26），（27），得到的表達式：

結合（13），得到中斷概率為：

五、仿真結果

在本文的仿真環(huán)境中，我們設定超短波信道，其為一個復隨機過程。中繼數(shù)K=3，緩存大小L=3，中繼的門限SNR設定為4。所有中繼節(jié)點的初始能量值 都相同，其接收功率和發(fā)送功率同為0.1w。采用蒙特卡羅仿真方法，進行了10000此仿真。仿真對比了本方案與最大鏈路選擇方案系統(tǒng)的中斷概率性能和使用壽命。

圖2對比了文所提剩余能量方案與最大鏈路選擇方案的中斷概率性能，可以看出，在中斷概率為10-5時，最大鏈路選擇方案相比與本章所提方案有接近1dB的增益。

圖2　中斷概率性能

圖3展示了系統(tǒng)的使用壽命隨中繼節(jié)點的變化情況。在此仿真中，我們定義中繼的初始能量E=100，為了不失一般性，定義權重向量W=（0.5 0.5）。從圖中可以看出，網(wǎng)絡壽命隨著中繼的增多而增長，同時，當用模糊評判準則考慮剩余能量時，網(wǎng)絡壽命的性能比一般的信道狀態(tài)選擇要好。

圖3　網(wǎng)絡壽命隨中繼數(shù)的變化曲線

圖4中，我們設定中繼節(jié)點數(shù)K=3，權重向量W=（0.5 0.5）。從圖中可以看出，當初始能量增加時，兩種方案的網(wǎng)絡壽命都增長，但是基于模糊評判的剩余能量選擇方案，能實現(xiàn)更長的網(wǎng)絡壽命。

圖4　網(wǎng)絡壽命隨系統(tǒng)初始能量變化的曲線

圖5給出了不同權重向量下，系統(tǒng)壽命的對比。中繼的初始能量E=100，緩存中繼大小L=3。從圖中可以看出，當剩余能量所占權重增大時，系統(tǒng)的壽命會越來越大，最終在比重值達到0.7時，系統(tǒng)壽命達到最大值。而只考慮信道狀態(tài)方案，其使用壽命恒定不變。不失一般性而言，當權重指數(shù)為0.52時，剩余能量中繼選擇方案的網(wǎng)絡壽命接近是最大鏈路選擇方案的兩倍。

圖5　不同權重向量下系統(tǒng)壽命曲線

六、結束語

在本文中，我們研究了超短波通信中的協(xié)作中繼選擇問題，針對多中繼緩存協(xié)作通信系統(tǒng)提出了剩余能量緩存中繼選擇方案，采用模糊評判算法將緩存中繼的剩余能量與可用鏈路的信道狀態(tài)信息相結合，分別考慮了系統(tǒng)的初始能量，中繼數(shù)目以及剩余能量所占權重的改變，對網(wǎng)絡壽命造成的影響。從結果可以看出，本文所提方案能在保證網(wǎng)絡一定可考慮的前提下，增加了網(wǎng)絡的使用壽命。

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作者簡介

陳慧林（1991-），男，碩士，主要研究方向：無線移動通信，網(wǎng)絡編碼。

王呈貴（1970-），男，博士，教授，主要研究方向：無線通信及組網(wǎng)技術。

楊文東（1981-），男，講師，主要研究方向：無線移動通信。