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●How to Cite this Article
Hans Journal o
f Wireless Communications
无线通信
, 201
4
,
4
,
17-22
http://dx.doi.org/10.12677/hjwc.2014.41004
Published Online
February 2014 (http://www.hanspub.org/journal/hjwc
.html
)
OPEN ACCESS
17
Adaptive Relay Selection Algorithm in Cooperative
Communication
Yu
Z
hang
, Wen
sheng
S
un
College of Communication Engineering, Hangzhou Dianzi University
, Hangzhou
Email:
825429583@qq.com
Received: Dec
. 23
rd
,
2013; revised:
Dec
.
26
th
, 2013; accepted: Dec
.
30
th
,
201
3
Copyright © 201
4
Yu Z
hang
, Wensheng Sun
. Th is is an open access article d istributed under the Creative Co mmons Attribution License, which per-
mits unrestricted use, distributio n, and reproduction in any mediu m, provided the original work is p roperly cited. In accordance of the Creative Com-
mons Attribution License all Copyrights © 2014 are reserved for Hans and the owner of the intellectual property
Yu Z
hang, Wensheng Sun
. All Copy-
right © 201
4 are guarded by law and by Hans as a guardian.
Abstract:
Based on the traditional cooperative communications
’
protocol for fixed forwarding based on the research,
according to
a dynamic net
work environment for network topology changes dynamically and wireless transmission tim
-
ing characteristics, an adaptive transmission relay selectio n strategy
and power allocation method
was
proposed
.
Sim
u-
lation results show
ed
that, compared with traditional fixed cooperative diversity, the proposed adaptive relaying scheme
further improve
d
the performance gain, bit error rate dropped significantly
, and that
the network life
was
pr olong
ed
.
Keywords:
Amplify Fo rward
;
Decode Forward
;
Outage Possibility Adaptive
Selection
;
Algorithm
Power Allocation
协作通信中自适应中继选择和功率控制算法
张
玉,孙文胜
杭州电子科技大学通信工程学院,杭州
Email:
825429583@qq.com
收稿日期:
2013
年
12
月
23
日;修回日期:
2013
年
12
月
26
日;录用日期:
2013
年
12
月
30
日
摘
要:
本文基于传统协作通信中的对于固定转发协议研究的基础上,针对了动态网络环境中网络拓扑的变化
与无线传输的时序特性,提出了自适应中继选择算法和功率分配方案。仿真结果表明,相对于传统固定协作分
集而言,本文提出算法进一步提高了性能增益,误比特率显著下降,延长网络寿命。
关键词:
放大转发;
解码转发
;中断选择;功率分配
1.
引言
多天线技术
(
MIMO
)
[1]
由于可以提供空间分集,在
不增加系统带宽和发送信号功率的情况下,提高频谱
效率,近年来在无线通信系统中已经能够成为研究的
热点。然而移动终端由于尺寸,复杂度,成本以及其
他因素的制约,使得其无法安装多个天线。为了解决
这些限制问题,
A.
Sendonaris
[2]
等人提出了用户间协作
通信技术。协作通信的基本思想就是每个单用户之间
共享彼此的天线,从而形成一种虚拟的多天线系统,
以实现发送分集。从而达到增强网络覆盖能力和提高
网络吞吐量
[3,4]
的目的。
经过数学建模和性能分析之后,协作通信中最关
键的问题就是怎么从多个可选中继中选出合适的节
点参与转发以及确定中继节点的转发方式和功率分
配情况。目前的研究方向集中在放大中继
(
Amplify and
Forward AF
)
,检测中继
(
Decode and Forward
,
DF
)
,
AF
协作通信中自适应中继选择和功率控制算法
OPEN ACCESS
18
转发方式下,中继节点只是将接收到的信息进行简单
的放大。在
DF
中,中继节点将接收到的信息进行解
码,然后对解码后的信息进行重新编码后发送给目的
节点。
目前的大多数研究主要基于
AF
或者
DF
,很少能
够根据信道的情况把两者结合起来。文献
[5-7]
提出了
在
DF
协作网络中,通过启发式的中继节点选择和功
率分配方法来降低接点的功率消耗和延长网络的生
命周期。文献
[8
,
9]
中研究了
AF
协作网络的生存时间,
提出了联合中继选择和功率分配策略。本文则为了能
够提高通信系统的性能,更好的利用系统资源提出了
一种新的中继选择方法和功率分配方案。然后仿真分
析了
LDPC
码在
AF
、
DF
,自适
应中继选择三种协作
策略下的系统性能。并且将该系统目的节点接收信噪
比作为目标函数,在总功率恒定的约束条件下,推导
了源节点和中继节点的功率分配表达式,还通过蒙特
卡洛仿真分析了
ARS
算法和传统的等功率分配进行
了性能比较。证明了本文提出来的功率分配方案可以
使通信系统消耗系统资源更少,从而节省了系统开销,
在提高系统性能的同时延长网络寿命。这种研究对于
资源非常有限的无线通信系统的来说是很有理论和
应用意义的。
2.
系统模型
图
1
是我们研究的系统模型,系统中包含一个源
节点,一个目的节点和
N
个中继节点。我们假设因为
源节点和目的节点之间由于障碍物的干扰不存在直
传链路。所有的中继节点可以采用
AF
或
DF
协作策
略。目的节点能同时接收来自于
AF
协作和
DF
协作
方式传来的信号。在发送信息前,通信系统中的各节
点间发送信息序列对信道性能进行估计,目的节点通
过获知的信道信息选择合适的中继节点然后对这些
参与信息转发的节点进行功率分配控制,最后将这些
信息反馈给信源节点和选择的中继节点进行信息的
发送。
源节点的信号通过两个时隙进行传输,第一个时
隙源节点向所有中继节点发送广播信号,第二个时隙
是选择出来的中继节点继续向目的节点发送信息。
我们定义源节点和中继节点之间的信道为
链路,把中继节点到目的节点的信道定义为
链路。
、 、
分别表示
源
–
中继、源
–
目的,中继
–
目的节点间链路
的信道
增益。
表示发送节点的功率,
表示第
i
个节点
的发射
功率,
表示总的发送功率 。
目的节点通过反馈信道获得
和
的链路
的瞬时信道增益选择中继选择方案并对源节点和中
继节点进行功率控制。虽然目的节点的接收反馈信号
会带来一定的开销,但是我们可以采用一种根据信道
变化的自适应中继方案改善系统性能。
3.
改进的自适应算法描述
本文我们提出了一种改进的自适应中继选择算
法,使得目的节点
SNB
最大的情况下,在
N
个节点
下选择两个中继。一个中继采用
DF
协作转发策略,
另一个中继选择
AF
协作转发策略。这样我们就可以
把
AF
和
DF
转发协作结合起来使用进而克服各自中
继转发策略自身的缺点。
3.1
.
选择采用
AF
、
DF
协作策略的中继节点
从
N
个中继节点中选择一个满足式的中继节点采
Figure 1.
Network
model of the system
图
1.
网络模型图
协作通信中自适应中继选择和功率控制算法
OPEN ACCESS
19
用
DF
中继选择。根据信息论的知识,我们知道选出
的这个中继节点可以使得接收端拥有最大的
SNR
,所
以选择采用
DF
协作方式的中继节点的准则是
(
)
( )
22
,,
argmax min,
ss ririri d
iR
Ph Ph
∈
(1)
根据信息论的知识,我们也可以得到采用
AF
协
作转发策略的中继节点应该满足以下准则:
22
,,
22
,,
argmax
1
sris riri d
iR
ss riririd
PP hh
Ph Ph
∈
++
(2 )
3.2
.
改进的自适应中继选择算法
根据上面推导出来的两个准则,我们可以很轻易
的选出合适的中继节点,但是实际上当两个中继节点
选出来后,哪一个应该被首先选出来也应该被考虑,
因为中继节点的选择顺序也会影响系统的性能。所以
我们提出来一种自适应中继选择算法并且具体算法
流程图如下所示。
在图
2
的流程
图中:假设目的节点知道
SR
→
和
SD
→
的链路的瞬时信道增益,然后一种情况是先选
择出使用
DF
协作策略的中继节点,然后选择出使用
AF
协作策略的中继节点。另一种情况则与之相反。
根据两种不同的选择顺序,计算出接收端的信噪比分
别如式
(3)
和式
(4)
所示,然后从两个方案中选择出使得
接收信噪比最大的那个中继节点的选择顺序。
(
)
22
__, ,
22
,,
22
,,
min ,
1
overallDFAFss ririri d
iR
sris riri d
ss ririri d
Ph Ph
PP hh
Ph Ph
γ
∈
=
+
++
(3)
(
)
22
__, ,
22
,,
22
,,
min ,
1
overallAFDFss rjrjrj d
iR
sris riri d
ss ririri d
PhP h
PP hh
Ph Ph
γ
∈
=
+
++
(4)
其中,
__
overall DFAF
γ
和
__
overall AF DF
γ
分别表示两种选择
链路信息
选取采用
DF
中继策
略的中继节点
,
sr
h
,
rd
h
选取采用
AF
中继策
略的中继节点
选取采用
AF
中继策
略的中继节点
选取采用
DF
中继策
略的中继节点
计算
计算
__
overall AF DF
γ
__
overall DFAF
γ
选择值较大
的方案
Figure 2. The flowchart of the
a
daptive relay selection algorithm
图
2.
自适应中继选择算法流程图
策略下的目的节点的接收信噪比。
3.
3.
自适应功率分配控制
功率对于协作通信的影响很大,不仅影响用户间
的相互干扰还涉及到网络整体寿命,所以我们必须对
网络模型中各节点的发送功率进行一定的控制。我们
假设通信系统中源节点和参与转发的中继节点们的
总功率的受限的,即
total_ _
sr AFr DF
P PPP
=++
,我们采
用的功率分配方案的准则是最大化目的节点的接收
信噪比。
( )
(
)
__
2
2
,__ ,
22
_ ,_,_
22
,__ ,_
,,
min ,
1
sr AFr DF
ssrDFr DFrd
s r AFsr AFrd AF
ssrAFr AFrd AF
FPP P
PhP h
PP hh
PhP h
=
+
++
(5)
其中
( )
__
,,
sr AFrDF
FPP P
表示目的节点的接收信噪比,
_
r AF
P
是采用
AF
协作策略的中继节点的发送功率,
_
r DF
P
采用
DF
协作策略的中继节点的发送功率。
接下来的任务就是将该系统目的节点接收信噪
比作为目标函数,系统总功率
total
P
恒定作为约束条件,
推导了源节点和中继节点的功率分配表达式。
(
)
__
22
2
2
_ ,_,_
,__ ,
22
,,
,__ ,_
total_ _
max min,
1
Subject to
sr DFrAF
s r AFsr AFrd AF
ssrDFr DFrd
PP P
ssrAFr AFrd AF
srAFr DF
PP hh
PhP h
PhP h
P PPP
+
++
=++
(6)
协作通信中自适应中继选择和功率控制算法
OPEN ACCESS
20
1)
第一种情况:
22
,_,_ _
ssrDFrd DFr DF
Phh P
≤
(7)
当
min
函数的值根据第一种情况确定后,结合式
(6)
和
total_ _
sr AFr DF
P PPP
=++
得到
( )
(
)
()( )
( )
( )
( )
(
)(
)
total
2
2
total total
argmax
1
11
Ss
P FP
d cP
dbec
dKcPKL eccP
Ke c db
=
−+
=
+−
+− −+
±
−+
(8)
其中
2
,_
s rAF
ah
=
,
2
,_
s rDF
bh
=
,
2
,_
r dAF
ch
=
,
2
,_
r dDF
dh
=
,
Kefec cf
=−−
,
total total
L ecPffcP
= ++
,
ad
e
bd
=
+
,
bd
f
bd
=
+
。
如果式
(8)
中根号下面的值是个负数,
s
P
就是一个
复数。如果根号下面的值是正数,那么
s
P
就是一个凹
函数,所以两种情况都应该考虑到。
①
( )
( )
( )
2
2
total total
1 10
KcPKL eccP
+− −+<
total
s
d
PP
db
=
+
,
_ total
DF
b
PP
db
=
+
,
_
0
AF
P
=
(9)
因为我们得到的采用
AF
协作策略的中继节点分
配功率为
0
,所以系统就可以看成是采用
DF
协作策
略进行通信的系统。
②
( )
( )
( )
2
2
total total
1 10
KcPKL eccP
+− −+≥
( )
( )
( )
( )
(
)
(
)
(
)
( )
( )
(
)(
)
(
)
( )
( )
()(
)
(
)
( )
( )
( )
( )
( )
2
2
total total
total
2
2
total total
total
_
2
2
total total
total
_
11
1
11
1
11
1
s
r DF
total
r AF
dKcPKL eccP
d cP
P
ecdb Kdbec
bKcPKL eccP
b cP
P
ecdb Kdbec
bKcPKL eccP
cP
PP
ec Kec
+−−+
−+
= ±
−+ +−
+−−+
−+
= ±
−+ +−
+−−+
+
=+
−−
2)
第二种情况:
2
2
_ ,,_
rDFr dss rDF
P hPh
<
(
10
)
同情况一的计算步骤,在情况二过程中,我们可以得到如下表达式
( )
_
__
_
,,
1
s r AF
srAFr DF
sr AF
acP P
FPP P
aP cP
=
++
(
11
)
()
( )
( )
( )
()
( )
(
)
( )
2
total totaltotal
total
2
total totaltotal
total
_ total
_
11
1
11
1
0
s
r AF
r DF
cPPa ccP
cP
P
ac ac
cPPa ccP
cP
PP
ac ac
P
+− −+
−+
= ±
−−
+− −+
+
= +
−−
=
(
12
)
协作通信中自适应中继选择和功率控制算法
OPEN ACCESS
21
第二种情况适用于采用
DF
协作策略的中继节点
与和目的节点之间的信道链路很差的状况。因为
RD
→
所在的链路状况比较差,所以
_
r DF
P
分配的功
率大小为
0
。这个结果也证明了给那些信道状况很差
的中继节点分配功率是不必要的。
4.
仿真分析
假设协作通信系统中有
10
个可选中继节点,系
统总功率为
3 w
,并且考虑用户采用的是具有良好性
能的低密度奇偶校验
(
LDPC)
进行编码,
LDPC
编码的
译码采用和
–
积译码算法。图
3
、
4
分析了三种协作
方式下,中断概率随系统总功率的关系以及信噪比与
误码率的关系,仿真结果可以看出,采用自适应中继
选择算法的系统比采用另外两种固定中继协作策略
的系统的拥有更低的中断概率和误码率。
我们利用蒙特卡洛仿真验证了
ARS
算法的理论
Figure 3. The outage probability of the system
depending on the
total power
图
3.
不同协作方式功率与中断概率关系
Figure 4. The BER of the system
depending on the SNR
图
4
.
不同协作方式
SNB
与误码率关系
05
10 1520 25
30
35 40
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
系统总功率
W
中断概率
AF
DF
ARSS
0
5
10
15
20
25
30
35
40
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
SNB(DB)
误码率
AF
ARSS
DF
协作通信中自适应中继选择和功率控制算法
OPEN ACCESS
22
分析,假设协作通信中各信道满足加性高斯白噪声的
瑞利分布且相互统计独
立。
图
5
分析了当协作通信系
统拥有
10
个中继节点的时候,两种功率分配方案中
信噪比与系统总功率的关系。仿真结果表明,在消耗
相同资源情况下,
ARS
算法中的目的接收端可以获得
更高的信噪比。图
6
仿真分析
了两种功率分配方案中
信噪比与中继节点数目的关系。仿真中,假设系统的
总功率为
20
w
,可以看出本文提出的功率分配算法比
等功率算法有
1~3
dB
的增益,进而证明
ARS
算法可
以很好的改善系统的性能。虽然
ARS
算法在进行中
继选择的时候会给系统带来一定的时延,但是对于无
Figure 5. The received SNR depending on the number of relays
图
5.
不同功率方案
SNR
与中继节点
Figure 6. The received SNR depending on the
total pow er
图
6.
不同功率方案
SNR
与总功率关系
实时要求的通信系统来说是可以接受的。
5.
结束语
本文提出基于各个信道的链路状况的提出了自
适应的中继选择和功率控制算法。
ARS
算法的主要优
势是在于根据实际信道状态自适应选择中继以及协
作方
式。研究表明这种方案 和固定中继转 发协议相比,
增加了系统的通信可靠性并且更加合理地利用了系
统资源,降低了链路的
BER
,获得了更优的协作性能。
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10
15
20
25
30
35
40
10
0
10
1
10
2
中继节点数目
S NR
自适应功率分配方案
传统等功率分配方案
5
10
15
20
25
30
35
40
10
0
10
1
10
2
总功率(
W)
S NR
自适应功率分配方案
传统等功率分配方案