放大转发中继器降低发射功率的选择策略研究

    周晓明

    

    

    

    摘 要：文章针对传统多中继放大转发协作通信网络中所有潜在中继均参与协作，导致系统所需发射功率增加的问题，提出了一种中继节点选择策略。该策略以最小化系统中断概率为目标，引入了中继节点的选择门限，并据此逐一令低于门限的中继节点不参与协作，将其资源重新分配给其他节点，从而降低系统整体所需发射功率。中继节点选择策略运算开销小，且选择门限只与中继节点数、平均信道增益以及当前系统信噪比有关，可在传输开始前确定而无需实时更新，从而节省了系统开销。仿真实验表明，在相同的信噪比条件下，该策略在满足一定的中断概率条件下，可以有效降低发射功率。

    关键词：协作通信；发射功率；放大转发；中继选择

    协作通信技术利用多个不同用户的天线组成虚拟天线阵，从而获得类似多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）系统的性能增益，其概念最早由Sendonaris等提出[1-2]。Laneman等研究了瑞利衰落环境下的各种协作通信协议，如解码转发、放大转发等，并将由协作带来的分集称为协作分集。协作分集的基本思想是源节点通过中继的帮助向目的节点传送信息。在中继协作通信系统中，适当地选择中继节点与源节点进行协作转发，能够获得可观的分集增益。随着人们对协作中继技术的进一步研究，产生了Adhoc，WSN等多种网络与协作中继的融合，在很大程度上扩大了信号覆盖范围，增加了传输速率，提高了传输可靠性。

    以现有研究结果为基础，以多源节点—多中继节点协作通信系统模型为基础，针对包含译码转发中继节点的网络提出了一种集中式的中继选择算法。该算法复杂度低，在保证系统满足一定中断概率的前提下，能够有效地降低传输所需总功率。

    1 系统模型

    以多源节点—多中继—单目的节点无线协作通信网络为系统模型[3]，网络中存在M个源节点S1…Si…SM、N个中继节点R1…Rj…RN和1个目的节点D，N个中继节点协助源节点转发信息。

    假设在一次传输中每个源节点选择一个中继为其转发信息。传输过程分两个阶段进行：第一阶段，源节点发送信号到中继节点，第j个中继节点接收到来自第i个源节点的信号可以表示为

    第二阶段，中继节点将译码信号重新编码并发送至目的节点，假设中继在信噪比高于设定阈值的情况下能够正确译码，目的节点D接收到的来自第j个中继节点的信号可以表示为

    其中Psi表示第i个源节点的发射功率，x表示单位功率发射的符号，hsi，d、hsi，r和hr，d分别表示第i个源节点到目的节点、第i个源节点到第j个中继节点和第j个中继节点到目的节点的信道衰落系数，它们都是相互独立的零均值循环对称复高斯随机变量，其方差分别为λsi，rj、λsi，d和λrj，d，慢衰落信道。nsi，rj、nsi，d和nrj，d分别为独立的零均值加性高斯白噪声，并假设其噪声功率谱密度为1。

    2 中继选择算法

    在无线通信网络中，根据具体应用环境不同，有些节点可能采用电池供电，因此有必要通过合理地选择中继进行信息转发达到减小发射功率、有效配置资源的目的。

    首先讨论单个源节点在周围布放多个中继节点的情况下的减小发射功率的中继选择问题，之后再将结论应用到多源节点的模型中，并提出一种在一定中断概率限制的前提下最小化系统发射功率的中继选择算法。假设每次源节点在协作过程中选取一个节点转发信息，亦假设系统对中断概率要求为 γ，所以该问题可表示为：

    式（3）的3个限制条件中，第1个是中断概率要低于系统要求，第2个和第3个是源节点和中继节点的发射功率不能超过额定最大值Pmax。

    如果网络中只有一个源节点和一个目的节点通过多个中继进行协作通信的情况，此时的中断概率可以表示为

    式（4）中前一项为源节点到中继节点（S-R）通信链路和源节点到目的节点（S-D）直接通信链路两种方式同时中断的概率，第二项为当S-R链路不中断而S-D或R-D链路中断的概率。中断概率Pout的表达式为

    式中Pi，j表示第j个源节点通过第i个中继节点协作通信时，系统所需要的发射功率。因此，矩阵的每一行表示一个源节点分别选择每一个中继节点时所需要的发射功率，每一列则表示一个中继节点分别被每个源节点选作协作节点时所需要的发射功率。

    可见，通过计算所有源节点和中继节点组合所需发射功率，再从“功率矩阵”中选出最小的一个值Pi，j即可得到中繼选择的结果。穷举搜索法的结果可以被视为总发射功率的下界，但其有较高的复杂度，较长的计算时间会造成通信的延时。

    为此，提出一种复杂度较低的中继选择算法，该算法计算复杂度为O（n），而穷举搜索法的计算复杂度为O（n！），能够大大减小计算时间。算法应用于源节点，统一控制中继的选取，属于集中式算法。算法以“功率矩阵”为基础，通过对矩阵行和列的操作实现对最小功率节点的选择。算法流程描述如下：

    （1）通过计算得到“功率矩阵”P。

    （2）从矩阵P中随机选择一行进行选择操作，从中选出数值最小的一个元素。

    （3）再删除矩阵中上一步中选中元素所在的行。

    （4）循环进行（2）（3）两步，直到功率矩阵P为空矩阵。

    （5）将（2）（3）（4）步进行多次操作，选出其中值最小的一次，以消除随机性带来的较大偏差。

    3 仿真结果及分析

    通过MATLAB对算法进行仿真实验，所得结果如图1所示。不失一般性，该实验分别将随机选择法（随机选择中继进行信息转发的方法，图1中虚线所示）、随机比较法（即上文所述的算法，图1中实线所示）和穷举搜索法（理论上的最优方法，图1中点划线所示）进行性能比较。相关信道参数假设如下：信道衰落指数α=2，信噪比SNRtarget=10 dB，加性高斯白噪声方差。

    圖1为在不同中断概率约束条件下，运用3种算法时所需总发射功率的比较图，其中图中纵轴单位为W，直观表示系统功率。实验假设源节点个数固定为4，中继个数为16，系统中断概率在10-6～10-1之间变化。随机选择法在中断概率较小，即对通信系统可靠性要求较高时系统所需总功率非常大，而随机比较法则仅需要很小的功率，因此该算法在中断概率较小时有很大的优势。

    4 结语

    以包含多源节点的译码转发中继无线网络为基础，在满足一定中断概率的前提下，以最小化系统发射总功率为目标，提出了一种集中式的中继选择算法。中继节点通过信道估计得到瞬时信道状态信息，并将该信息反馈给源节点，在源节点处利用中继选择算法选择符合条件的中继进行信息的转发。仿真结果表明，该集中式算法能够有效降低系统发射总功率，尤其在源结点个数较少、系统对通信中断要求较高时与随机选择算法相比具有较为明显的优势。

    [参考文献]

    [1]成聿伦.无线协作通信系统中基于网络编码的可靠传输技术研究[D].南京：南京邮电大学，2014.

    [2]孙立悦，赵晓晖，虢明.基于中断概率的协作通信中继选择与功率分配算法[J].通信学报，2013（10）：84-91.

    [3]徐盼，芮贤义.协作通信中混合双工方案下的中断概率分析[J].计算机工程与应用，2015（21）：102-105.

    Abstract：Aiming at the problem that all potential relays in traditional multi-relay amplification and cooperative communication networks are involved in cooperation， resulting in increase of the transmission power of the system， this article proposes a relay node selection strategy. In order to minimize the probability of system outage， this strategy introduces the selection threshold of relay nodes with the relay nodes below the threshold not involved in the collaboration， and reallocates resources to other nodes to reduce the overall transmit power required by the system. The calculation cost of the relay node selection strategy is small， and the selection threshold is only related to the number of relay nodes， the average channel gain and the current system signal-to-noise ratio， and can be determined before the start of transmission without being updated in real time， thereby saving system overhead. Simulation results show that under the condition of the same signal-to-noise ratio， the proposed method can effectively reduce the transmission power under the condition of certain interruption probability.

    Key words：cooperative communication； transmit power； amplifying forward； relay selection