基于協(xié)作通信的雙定時(shí)器中繼選擇方案

陳思

摘要：協(xié)作通信技術(shù)主要利用不同用戶(hù)彼此共享天線來(lái)獲得空間分集增益和性能增益。因此，協(xié)作通信能有效抵抗信道衰落、改善系統(tǒng)容量、提高信息傳輸速率、降低信號(hào)誤碼率。本文針對(duì)現(xiàn)有機(jī)會(huì)中繼選擇方案中由于定時(shí)誤差大導(dǎo)致資源耗損多、碰撞概率高及節(jié)點(diǎn)誤選等導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低的問(wèn)題，深入分析了機(jī)會(huì)中繼中存在的定時(shí)器選取問(wèn)題，并做出了相應(yīng)改進(jìn)，提出了一種基于協(xié)作通信的雙定時(shí)器的中繼選擇方案。

關(guān)鍵詞：協(xié)作通信;中繼選擇;定時(shí)精度

Abstract：Cooperative communication technology mainly uses different users to share antennas with each other to obtain spatial diversity gain and performance gain. Therefore， cooperative communication can effectively resist channel fading， improve system capacity， improve information transmission rate and reduce signal error rate. In this paper， aiming at the problems of the existing opportunistic relay selection schemes， such as large timing error， high resource consumption， high collision probability and node selection error， which lead to system performance degradation， the timer selection problem in opportunistic relay is deeply analyzed， and the corresponding improvement is made， and a relay selection scheme based on double timers is proposed.

KeyWords： Cooperative communication; Relay selection; Timing accuracy

1 引言

在無(wú)線協(xié)作通信系統(tǒng)中，中繼選擇實(shí)際上是從多個(gè)候選的中繼節(jié)點(diǎn)選取一個(gè)或者多個(gè)性能好的中繼節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作傳輸，盡可能使人們獲得到最大的協(xié)作分集增益。作為協(xié).作.通.信中的一個(gè)非常重要研究方向，中繼選擇的研究已收到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注。目前中繼選擇的研究方向主要包括如下的幾個(gè)方面：

（1）基于節(jié)點(diǎn)數(shù)目的中繼選擇

在協(xié).作.通.信.系.統(tǒng)中，按照所選中繼節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)可以將中繼選擇分為兩大類(lèi)：?jiǎn)沃欣^選擇及多中繼選擇。其中，單.中.繼.選.擇是指在多個(gè)備選的中.繼.節(jié).點(diǎn)中，選取能從源節(jié).點(diǎn)到目的節(jié).點(diǎn)中的最好性能的中.繼.節(jié).點(diǎn)。而多中繼選擇會(huì)從多個(gè)備選的中繼節(jié)點(diǎn)中選取兩個(gè)及兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作傳輸，一般需要利用中繼子集或門(mén)限來(lái)進(jìn)行選擇節(jié)點(diǎn)。單中繼節(jié)點(diǎn)和多中繼節(jié)點(diǎn)的不同之處在于：?jiǎn)沃欣^選擇算法復(fù)雜性不高，但要比較的次數(shù)多;而多中繼復(fù)雜性高，但需要比較的次數(shù)少[1-3]。

（2）基于信道信息的中繼選擇

根據(jù)所依據(jù)的信道信息，中繼選擇可以分為：統(tǒng)計(jì)信.道.信.息的中繼選擇和瞬.時(shí).信.道的中.繼.選擇。其中，統(tǒng)計(jì)信道的中繼選擇適應(yīng)于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)及低速的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，這種選.擇策略是根據(jù)地.理區(qū)域進(jìn).行的。基.于.瞬.時(shí)信道的中.繼.選.擇比較適合動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)及速度較高的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。該種策略可以利用稍微簡(jiǎn)單的方法獲取節(jié).點(diǎn)的瞬.時(shí).信.道.狀態(tài)[3-5]。然而，瞬時(shí)信道的信息狀態(tài)是動(dòng)態(tài)的、不確定的，因此在中繼選擇過(guò)程中需要頻繁的對(duì)信道狀態(tài)進(jìn)行預(yù)估計(jì)，當(dāng)然這種頻繁的工作肯定會(huì)增加成本的開(kāi)銷(xiāo)，也存在著估計(jì)不準(zhǔn)確而導(dǎo)致協(xié)作系統(tǒng)選用了不好的工作方式而致使系統(tǒng)性能降低[6-8]。

（3）基于準(zhǔn)則限定下的中繼選擇

在中繼選擇中，往往涉及到兩跳鏈路，基于此，定制出合理的準(zhǔn)則能更好好地評(píng)估

出最優(yōu)中.繼.節(jié).點(diǎn)，這將有利于于提高無(wú)線協(xié).作.通.信.系統(tǒng)的整體性.能。在已有的研究中，中.繼.選.擇準(zhǔn)則主.要有以.下幾種：最大信噪比、功率受限、最.好或最.壞鏈路質(zhì).量及最佳調(diào).和.平.均等等[9-10]。

2 雙定時(shí)器中繼選擇方案

機(jī)會(huì)中繼是近年來(lái)研究較多的中繼選擇方案，它通過(guò)定時(shí)器來(lái)選擇一個(gè)最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)。該方案僅利用瞬時(shí)的信道信息，在降低系統(tǒng)的復(fù)雜度的同時(shí)獲取了與采用其他復(fù)雜方案相同的分集增益。但是機(jī)會(huì)中繼也存在當(dāng)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)被選擇就會(huì)發(fā)生碰撞導(dǎo)致信息重傳，降低了傳輸效率的問(wèn)題，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文在分析和改進(jìn)機(jī)會(huì)中繼算法存在的問(wèn)題基礎(chǔ)上，提出了一種基于雙定時(shí)器的中繼選擇方案并分析了其性能。

2.1機(jī)會(huì)中繼協(xié)議存在的問(wèn)題

機(jī)會(huì)中.繼是一.種適用于動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的中.繼選.擇策略[56]，它根據(jù)瞬.時(shí)的信道狀.態(tài)信.息從M個(gè)候.選.節(jié)點(diǎn)中選出具.有最佳端到端路.徑的節(jié).點(diǎn)作為.中.繼進(jìn)行信.息轉(zhuǎn)發(fā)。由于具.有分布式的特.點(diǎn)，所以相對(duì)其他中.繼選.擇方.案具有系統(tǒng)復(fù).雜度低的特.點(diǎn)。機(jī)會(huì)中繼選擇模型如圖1所示。

機(jī)會(huì)中繼的選擇過(guò)程如下：第一，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS（Ready-To-Send： RT.S）分.組，所有潛在中繼節(jié).點(diǎn)和目地節(jié).點(diǎn)接.收RT.S分.組。第二，當(dāng)目的節(jié).點(diǎn)監(jiān).聽(tīng)到R.TS分.組后，向中.繼節(jié).點(diǎn)發(fā)送C.TS（C.lear-T.o-S.end： CTS）分組。第三，能正確接.收到R.TS分.組和C.TS分.組的中繼節(jié).點(diǎn)分.別估.計(jì)其到源節(jié).點(diǎn)的信.道狀況hs，i 和到目的節(jié).點(diǎn)的信.道狀況hi，.d。最后，通.過(guò)相應(yīng)的信.道衡量準(zhǔn)則計(jì)算出信.道度量參.數(shù)hi。hi的值越大，代表中繼鏈路的信.道狀況越好。

2.2提高定時(shí)精度的雙定時(shí)器選取方法

從機(jī)會(huì)中.繼.選擇過(guò).程來(lái)看，當(dāng)兩.個(gè)或多個(gè)中.繼定.時(shí)器計(jì)時(shí)時(shí)間過(guò).于接.近時(shí)，就有可.能發(fā).生中.繼選.擇沖.突。如圖3.2所示，節(jié).點(diǎn)和分.別代.表最.佳中.繼和另.外一.個(gè)中.繼。其.中，代.表節(jié).點(diǎn)定時(shí)器的初.始值，為中.繼和目的節(jié).點(diǎn)間的傳.播時(shí).延，為每.部無(wú).線收發(fā).機(jī)的收.發(fā)轉(zhuǎn).換時(shí).間，為兩中.繼之.間的傳.播時(shí).延，和分.別為標(biāo).志包和廣播包的持續(xù)時(shí).間。

由圖2可知，當(dāng)不存在隱藏中繼時(shí)，沖突會(huì)發(fā)生在區(qū)間里，沖突時(shí)間為：

沖突時(shí)間包含了目的節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)間傳輸?shù)臅r(shí)延，這導(dǎo)致中繼節(jié)點(diǎn)的定時(shí)器不是同時(shí)啟動(dòng)的，對(duì)最優(yōu)中繼選擇造成了影響。

如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)信道質(zhì)量很好，可以被選為最佳中繼，但其傳播時(shí)延較大，導(dǎo)致定時(shí)器啟動(dòng)的比較晚，使得最佳節(jié)點(diǎn)被錯(cuò)誤選擇為其他的中繼節(jié)點(diǎn)。為此，本文在機(jī)會(huì)中繼選擇中引入計(jì)數(shù)器和定.時(shí)器來(lái)計(jì)算最終定時(shí)器時(shí)間。當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)接收源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的RTS分組后，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)算鏈路時(shí)延，然后當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)接收到目的節(jié)點(diǎn)所發(fā)出的CTS分組后，計(jì)算出定時(shí)時(shí)間。最終的定.時(shí)時(shí)間應(yīng)減去計(jì).數(shù)器的時(shí)間。此時(shí)沖突時(shí)間變?yōu)椋?/p>

由很明顯看出，利用計(jì)數(shù)器和定時(shí)器計(jì)算最終定時(shí)時(shí)間，一方面減小了沖突時(shí)間，降低了中繼選擇發(fā)生碰撞的概率。令一方面降低了節(jié)點(diǎn)間延時(shí)對(duì)定時(shí)器時(shí)間的影響，消除了當(dāng)延時(shí)很大時(shí)最優(yōu)中繼被誤選的情況。

3 總結(jié)

通過(guò)對(duì)機(jī)會(huì)中繼選擇中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析改進(jìn)，提出了一種基于雙定時(shí)器的中繼選擇方案，此方案可以有效的減少由于定時(shí)器誤差導(dǎo)致的碰撞概率，提高中繼選擇精度。通過(guò)對(duì)沖突時(shí)間的計(jì)算分析證明雙定時(shí)器具有很高的可用性，對(duì)所有類(lèi)型的中繼選擇方案都適用，在中繼選擇起始階段就提升了效率。

參考文獻(xiàn)

[1]白智全，賈建嵐，楊祥來(lái)，崔娟.協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中基于Lagrange算法的中繼選擇和功率優(yōu)化方案[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2012，（03）：25-30+38.

[2]滕世海，蔣占軍，陳婧婧.異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)作通信技術(shù)研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2016，（10）：78-81+86.

[3]Cui Y Q， Yan L I， Zhang M Z， et al. Research of power allocation in cooperative communication system[J]. Electronic Design Engineering， 2013.

[4]石海，周健.放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)同通信的功率分配[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，（02）：115-118.

[5]朱黔，周銳.面向目標(biāo)跟蹤的多機(jī)協(xié)同通信保持控制[J].控制理論與應(yīng)用，2015，（11）：1551-1560.

[6]曹儐，段海霞，朱德利，王勇，李云，蘇開(kāi)榮.協(xié)作通信系統(tǒng)中能效優(yōu)化的中繼分配算法[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，（06）：807-812.

[7]M.Zorzi and R.R.Rao，GeograPhie random forwarding（gera） for adhoc and sensor networks：multi-hoP Performanee， IEEETrans. onMobileComPuting，2003，PP.337一348

[8]A. Bletsas， A. Khisti， D. P. Reed， and A. Lippman， A simple Cooperative diversity method based on network path selection， IEEE Journal on Selected Areas in Communications， March 2008， vol. 24， pp. 659 672.

[9]Zhang Peng， Wang Fu rong， TU Lai， Li Ke wei， Diouba S， khider I， Opportunistic Virtual Antenna Array with Optimal Relay Mobile Terminals Selection， Proc of IEEE WiCOM.， 2008， IEEE Press， pp. 1 4.

[10]K.S.Hwang， Y.C.Ko， An effcient relay selection algorithm for cooperative networks，Proc VTC， Oct.2007， Baltimore， pp. 81 85.