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Hans Journal of Wireless Communications 无线通信, 2014, 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 Zhang, Wensheng Sun
College of Communication Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou
Email: 825429583@qq.com
Received: Dec. 23rd, 2013; revised: Dec. 26th, 2013; accepted: Dec. 30th, 2013
Copyright © 2014 Yu Zhang, 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 Zhang, Wensheng Sun. All Copy-
right © 2014 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 network 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. Simu-
lation results show ed that, compared with traditional fixed cooperative diversity, the proposed adaptive relaying scheme
further improved the performance gain, bit error rate dropped significantly, and that the network life was pr olonged.
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 adaptive 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。
( )
()
__
22
,__ ,
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
22_ ,_,_
,__ ,22
,, ,__ ,_
total_ _
max min,1
Subject to
sr DFrAF
s r AFsr AFrd AF
ssrDFr DFrd
PP PssrAFr AFrd AF
srAFr DF
PP hh
PhP hPhP 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
2total 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
ebd
=+
，
bd
fbd
=+
。
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
2total total
1 10KcPKL eccP+− −+<
totals
d
PP
db
=+
,
_ totalDF 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
2total total
1 10KcPKL eccP+− −+≥
( )
( )( )
( )
()
()
()( )
( )
()( )
()
( )
( )
()( )
()
( )
( )
( )
( )
( )
2
2total total
total
2
2total total
total
_
2
2total total
total
_
11
1
11
1
11
1
s
r DF
total
r AF
dKcPKL eccP
d cP
Pecdb Kdbec
bKcPKL eccP
b cP
Pecdb 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 DFsr AF
acP P
FPP PaP cP
=++
(11)
() ( )
( )
( )
() ( )
()
( )
2
total totaltotal
total
2
total totaltotal
total
_ total
_
11
1
11
1
0
s
r AF
r DF
cPPa ccP
cP
Pac 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
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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
0510 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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less Communications, 7, 4558-4567.
510 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
510 1520 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

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