基于功率分配最優(yōu)中繼選擇的研究

徐丹丹+葛文萍

摘 要：文中研究了一種低干擾、高通信質(zhì)量的中繼選擇方案，用拉格朗日極值法分配源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的功率，其目的在于使系統(tǒng)的中斷率最小。文中的方案由各鏈路的平均信噪比、發(fā)射功率的倒數(shù)與約束條件組成拉格朗日函數(shù)；再對(duì)拉格朗日函數(shù)求極值，求出能使聯(lián)合函數(shù)最大的功率分配值，然后把功率和信道參數(shù)代入被發(fā)送信息的系數(shù)中，對(duì)系數(shù)和排序選擇出系數(shù)最大的中繼節(jié)點(diǎn)；結(jié)合放大轉(zhuǎn)發(fā)策略完成通信。理論分析與仿真結(jié)果表明，在相同條件下，所提出的方案在中斷率方面明顯優(yōu)于隨機(jī)選擇方案、最大和準(zhǔn)則方案，此外，中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸速率也是影響中斷率的一個(gè)因素。

關(guān)鍵詞：中繼選擇；信息系數(shù)；發(fā)射功率；中斷率

中圖分類號(hào)：TN911.25+4；TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）02-00-03

0 引 言

在實(shí)際通信系統(tǒng)中，由于地理環(huán)境、建筑物、氣候等復(fù)雜多變，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中存在快、慢以及多徑衰落現(xiàn)象，采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)可以降低無(wú)線傳輸鏈路中斷率，從而保證整個(gè)通信系統(tǒng)的有效性和可靠性。在文獻(xiàn)[1]中，C. C. Chu等人提出了最小錯(cuò)誤比特率的功率分配算法，作者假設(shè)源節(jié)點(diǎn)使用相同的發(fā)射功率、中繼節(jié)點(diǎn)也使用相同的發(fā)射功率將信息傳送到目的地，沒(méi)有根據(jù)不同的環(huán)境和不同的信道增益合理控制發(fā)射功率的大小。在文獻(xiàn)[2，3]中作者研究了兩跳中繼方案的功率分配和中繼選擇算法，并假設(shè)源節(jié)點(diǎn)知道所有信道狀態(tài)信息（CSI），沒(méi)有考慮信噪比的影響。文獻(xiàn)[4]僅考慮信噪比的協(xié)同中繼選擇，雖然能選擇出信道較好的中繼節(jié)點(diǎn)，但好的信道意味著發(fā)射功率較大，而較大的功率會(huì)導(dǎo)致設(shè)備壽命降低、網(wǎng)絡(luò)資源分配不均，并給其他設(shè)備帶來(lái)干擾。

本文研究的功率分配既考慮信噪比的影響，又對(duì)源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)分配不同的功率值。首先采用聯(lián)合函數(shù)求出最優(yōu)功率分配值，然后結(jié)合每條鏈路的信道參數(shù)，計(jì)算出被發(fā)送信息的系數(shù)，對(duì)系數(shù)和的大小進(jìn)行排序，從而選出系數(shù)最大的中繼節(jié)點(diǎn)。本方案可以在選擇好通信鏈路的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源，降低干擾的目的。

1 系統(tǒng)模型

本文基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的中繼協(xié)作通信模型進(jìn)行研究。假設(shè)該系統(tǒng)中存在一個(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)（R1，R2，...，Rn-1，Rn），如圖1所示。為了方便研究，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都只有一根天線，均處于半雙工狀態(tài)進(jìn)行收發(fā)信息。由于深度衰落，在源節(jié)點(diǎn)S和目的節(jié)點(diǎn)D之間沒(méi)有直通鏈路，所有的數(shù)據(jù)傳輸都要經(jīng)過(guò)中繼轉(zhuǎn)發(fā)。在系統(tǒng)中，S到R和R到D的信道均為平坦瑞利衰落信道，而hsi為源節(jié)點(diǎn)S到第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的信道參數(shù)，hid為第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)D的信道參數(shù)，且hsi、hid是相互獨(dú)立的復(fù)高斯隨機(jī)變量。

在中繼選擇中，假設(shè)每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)知道自己的信道狀態(tài)信息，目的節(jié)點(diǎn)知道全部信道狀態(tài)信息。整個(gè)信息傳輸過(guò)程分為兩個(gè)時(shí)隙，第1個(gè)時(shí)隙為源節(jié)點(diǎn)廣播需要發(fā)送的信息X；第2個(gè)時(shí)隙為中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)放大后并轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。

3 仿真結(jié)果與性能分析

本節(jié)采用Matlab工具對(duì)提出的算法進(jìn)行性能評(píng)估，仿真環(huán)境為加性高斯白噪聲、瑞利衰落信道，并采用放大轉(zhuǎn)發(fā)策略進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)?？紤]了以下2種對(duì)比方案：

（1）不采用任何算法的隨機(jī)選擇方案；

（2）最大和準(zhǔn)則方案，[10]。

I=2 b/s，n=50，N0=1時(shí)，系統(tǒng)中斷率隨SNR增加的變化曲線圖如圖2所示。I=2或2.5 b/s，n=30，N0=1時(shí)，系統(tǒng)中斷率隨SNR增加的變化曲線圖如圖3所示。

從圖2可以看出，隨著信噪比的增大，3種方案的中斷率都在逐漸下降，在信噪比相同的情況下，本文所提方案比其他兩種方案中斷率更低。這是因?yàn)殡S機(jī)選擇方案沒(méi)有考慮發(fā)射功率和信道參數(shù)，最大和準(zhǔn)則方案只考慮了信道參數(shù)，沒(méi)有考慮發(fā)射功率的影響。而本文提出的基于發(fā)射功率和信道參數(shù)的方案能選擇出所有中繼節(jié)點(diǎn)中最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)從而降低中斷率。從圖2還可以看出，本文所提方案的信噪比門限是15 dB，而隨機(jī)選擇方案、最大和準(zhǔn)則方案的信噪比門限是20dB。當(dāng)傳輸速率為2 b/s，信噪比小于15 dB時(shí)極易中斷，與理論分析值一致。圖3表示是在不同傳輸速率 （I=2 b/s或者2.5 b/s）的條件下，系統(tǒng)的中斷率隨信噪比的變化情況，從圖中的曲線可以看出，傳輸速率越高，要求的信噪比門限值越大，系統(tǒng)越容易中斷，信息速率和信噪比呈正比例關(guān)系。

從圖2和圖3中可以看出，當(dāng)信噪比增大到50 dB時(shí)，中斷率趨于某個(gè)值不再降低，且中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)不同，中斷率也有所不同。圖2中有50個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)其信噪比門限為15 dB，圖3中有30個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)其信噪比門限為20 dB，但考慮到計(jì)算的復(fù)雜度，中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)不宜過(guò)多。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以三節(jié)點(diǎn)兩跳的協(xié)作通信模型為基礎(chǔ)，在AF策略下，提出了一種功率分配的最優(yōu)中繼選擇算法。適宜的中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)能降低終端設(shè)備的計(jì)算復(fù)雜度，高信噪比可以保證好的信道鏈路以及通信系統(tǒng)的有效性和可靠性，低發(fā)射功率能降低設(shè)備的能源消耗，延長(zhǎng)其使用壽命，減小對(duì)其他用戶的干擾。相比隨機(jī)選擇方案、最大和準(zhǔn)則方案，文中所提出的方案能得到較低的中斷率，同時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸速率也影響系統(tǒng)的中斷率，傳輸速率越大系統(tǒng)的性能越差。本文所提的方案是基于單網(wǎng)絡(luò)的，下一步的研究計(jì)劃是基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的功率分配算法的中繼選擇方案。

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