一種改進的協同中繼節點選擇算法
2008-12-31 00:00:00聞鵬舉易輝躍趙曉群徐尚志
計算機應用研究 2008年12期
（1. 同濟大學 電子與信息工程學院， 上海 200092； 2. 上海無線通信研究中心， 上海 200050)
摘 要：
機會主義中繼選擇算法（ORS）基于瞬時信道質量選擇一個最優中繼節點幫助源節點進行協同通信，可以取得與其他復雜協議相同的分集階次；但該算法存在碰撞問題，其采取的退避機制會增加網絡延時。為此，提出一種碰撞時的改進處理方法，可以避免延時，提高網絡容量。仿真結果表明，與原方法相比，該方法在保證BER性能時可有效地提高吞吐量。
關鍵詞：中繼； 碰撞； 協同； 分集
中圖分類號：TP393.03 文獻標志碼：A
文章編號：10013695(2008)12381603
Improved algorithm of cooperative relay nodes selection
WEN Pengju1， YI Huiyue2， ZHAO Xiaoqun1， XU Shangzhi1
(1. College of Electronic Information Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China;
2. Shanghai Research Centre for Wireless Communications， Shanghai 200050， China)
Abstract:Opportunistic relay selection (ORS) algorithm could achieve the same cooperativemultiplexing tradeoff as other more complex protocols by selecting a best relay based on the instantaneous channel conditions. However， it suffered from a problem of delay when collision happened during the selection. This paper proposed an improved method instead of the original backoff scheme after the collision， which increased the whole network throughput by avoiding delay. Simulations demonstratethat the new method can achieve the same BER performance while enhancing the throughput effectively.
Key words：relay; collision; cooperative; diversity
近年來，隨著Ad hoc網絡為主的多跳通信的發展，中繼（relay）技術應運而生。中繼技術中一個重要問題是協同中繼。基本的協同中繼系統是由一個廣播信道加上一個多址信道組成。利用協同中繼，可以使單天線系統具有多天線的優點，形成一個虛擬的MIMO系統；可以有效地對抗多徑衰落，在接收端形成分集增益，獲取更好的信號質量，滿足用戶對高數據率和QoS的要求。目前，關于協同中繼的研究主要集中于分布式空時編碼協同技術[1]和協作編碼[2]，所使用的模型大多基于兩用戶、一個目的節點的基本協同模型。對于多個中繼節點的網絡場景，如何選擇協同中繼節點就變得非常重要了。文獻[3]提出了一種基于定時器算法的最優中繼選擇算法（opportunistic relay selection，ORS），該算法根據瞬時信道質量選擇一個最優中繼節點，并使該節點和源端一起為目的節點提供協同分集，具有與空時編碼技術相同的分集階次。但是，該方法具有時延隱患，且不適用于高速移動網絡。在文獻[3]的基礎上，文獻[4]引入剩余能量參數和瞬時信道質量信息共同決定定時器的大小，以適用于Ad hoc網絡以及功耗受限網絡。文獻[5]從誤符號率(SER)表達式導出一個基于瞬時信道增益的調和平均函數β，利用β與SER成反比的特性，選出β值最大的中繼來進行協同。但是在該方法下，增加中繼并不能帶來頻譜效率的增加，因此算法具有較大的局限性。文獻[6]在機會主義中繼的選擇中引入了反饋機制，但該算法過于復雜，且需要額外的反饋信道。在文獻[3]所提出的ORS算法的基礎上，本文提出了一種中繼選擇發生碰撞時的處理機制。新方法中，在舉手發生碰撞時，由源節點廣播消息通知舉手的中繼節點繼續完成協同通信，取代原有的退避機制，有效地避免了由于退避機制而引入的時延，提高了吞吐量，使得算法更趨近于實用。仿真結果證明了本方法的正確性和有效性。
1 ORS算法及存在的問題
1. 1 ORS算法原理[3]
ORS算法的基本思想是在候選中繼節點中選出一個最優中繼，將此最優中繼作為協同傳輸對象。方法具體描述如下：
每次傳輸可分為以下三個階段：
a)握手階段。圖1給出了握手階段的示意圖，源節點S發送RTS包(readytosend)給中繼(R1，R2，R3，R4)和目的節點D；D在接收到RTS包后，產生CTS包（cleartosend）發給中繼和源節點S。中繼根據RTS和CTS包測量兩跳鏈路瞬時信道狀態信息（ICSI）hs，i和hi，d。其中：hs，i表示源與每個中繼鏈路信道信息；hi，d表示中繼與目的節點的信道信息。
b)時鐘設置與舉手階段。圖2給出了時鐘設置與舉手階段的示意圖。每個中繼在收到CTS包后，即根據瞬時信道狀態信息hs，i和hi，d來啟動一個定時器（timer）。定時器的起始時間參數T由下式決定。
T=λ/hi
（1）
hi=min{|hs，i|2， |hi，d|2}
(2)
式中，λ為具有時間單位的常數，其數值影響著中繼選擇的速度以及發生碰撞的概率。由上式可知，信道狀況最好的中繼將有最小的起始時間，從而最先走完定時器。當最優中繼(圖中為R1)走完定時器后立即發送一個flag包，告知其余中繼以及源節點和目的節點，以標志自己的存在；其他中繼收到flag包后就停止競爭。
c)協同通信階段。源節點收到flag包后，廣播數據和被選出的最優中繼節點共同向目的節點發送數據。數據傳輸采取時間正交方式，即第一個子時隙源節點發送數據給中繼和目的節點，中繼節點監聽數據；第二個子時隙源節點不發送數據，中繼轉發數據到目的節點。由于數據來自兩個獨立的衰落路徑，接收端可通過合并兩路數據獲得分集增益。
1. 2 ORS算法存在的問題
實際通信中，每個通信節點均有一個處理延時，加上flag包的發送延時，其總延時記為c（如果中繼沒有處于互相監聽的狀態，這個flag包還要經由源節點轉發給其余中繼，其延時就更大）。在上述算法的b)（時鐘設置與舉手階段），最優中繼R1在其定時器T1走完后發送flag包給其余節點時，有可能遇到這種情況：假設有一個中繼R4，其信道質量比較好，有可能在這段時延中，R4在收到flag包之前也走完了自己的定時器T4，即T4 在出現碰撞時，原有的中繼選擇算法令所有的中繼退避一段時間，然后由源節點重新發起中繼選擇機制，直到沒有碰撞。由此產生的延時和多余的信令開銷，將會降低通信質量。針對這一問題，本文提出一種解決方案，其詳細描述如下。 2 基于ORS算法的改進 2. 1 改進的ORS算法 基于以上闡述，通過對上述方法的第二步和第三步進行改進，提出一種新方案。該方案可以描述如下： a)在握手階段，與原方法一樣發送接收RTS、CTS包，以供中繼進行信道估計。 b)在時鐘設置與舉手階段，圖3給出了其改進方案示意圖。最優中繼R1走完計時器后，置相應字段為1(如cooperation=1)，并發送flag包，沒有走完計時器的中繼（圖中為R2、R3）在接收到flag包后停止計時器，置相應字段為0，退出競爭程序。而假如有中繼節點（圖中為R4）在接收flag包之前出現了碰撞情況，這時為了避免由退避機制產生的延時和多余的信令開銷，允許出現碰撞的這個中繼繼續發送flag包給其他節點(圖中省略了R4發給其他中繼的flag包圖示)。 c)在協同通信階段，圖4給出了其改進方案示意圖，源節點收到兩個（或多個）來自不同中繼的flag包。如果是在不同時隙收到的，那么源節點能分辨出是哪個中繼發送的flag包；如果是在同一時隙收到的，源節點不能分辨flag包的發送者，但是能知道有中繼發送了flag包。此時，無論是否能分辨，源節點都在收到flag包后，以固定功率廣播數據至所有的中繼和目的節點，舉手的中繼節點對廣播數據進行轉發，而沒有舉手的中繼則不作任何處理。中繼轉發數據給目的節點后，目的節點對接收到的多路數據進行合并，完成整個協同通信過程。中繼端常用的轉發技術有AAF(amplifyandforward)和DAF(decodeandforward)。 2. 2 同步方法 關于RTS/CTS握手階段的同步問題，在文獻[3]中，由于源端到目的端存在直連鏈路，無須精確同步。在協同數據傳輸階段，所提出的新方法中由于增加了兩個以上中繼傳輸的可能性，在正交傳輸中，第二個子時隙的傳輸存在著同步問題。但是，通過定時器所選出的多個relay與目的節點之間的距離（時延）差不會太大，在容忍范圍內，是無須同步的。此外，精確的同步機制已經有了很多研究成果，具體的可以參照集中式的同步機制[7]以及分布式的同步機制[8]。 2. 3 性能分析 本文所提出的改進的ORS算法與機制，簡單實用，有以下三點性能優勢： a）由于出現了兩個以上中繼協同傳輸的可能性，目的節點有可能接收到更多的來自不同衰落路徑的數據，為終端合并判決提供了更高的分集增益，從而提高了通信性能。此外，性能提高提升與碰撞概率有關聯，碰撞概率越大，誤碼率性能改善越大。 b）在舉手發生碰撞時，用新的協同機制取代原有的退避機制，減少了整個系統的時延，從而有效地提高了系統的吞吐量。這種提升與碰撞概率也有關聯，碰撞概率越大，則吞吐量提高越大。 c）原來的ORS算法中，要使碰撞概率在1%以下，必須保證移動端處于較低的速度。當速度增加時，碰撞概率會急劇上升。由于本方法在碰撞時所采取的新型處理機制，可以在高碰撞概率下，依舊能保證算法的正常執行和性能，能夠支持終端的快速移動。 3 仿真驗證 3. 1 仿真場景與參數 仿真模型如圖4所示，由一個源節點、一個目的節點和若干個中繼節點組成。為了簡化模型，假設每個節點的發射功率相同，節點間的距離相等；信道假設為獨立同分布瑞利平坦衰落信道，且假設信道在相關時間內保持不變。信道模型可表示為 y(n)=d(n)×a(n)×x(n)+z(n) （3） 式中：y(n)為接收信號;x(n)為發送信號;d(n)為路徑損耗;a(n)為衰落；z(n)為獨立高斯白噪聲。 仿真中，以BER和歸一化吞吐量為衡量指標。使用QPSK調制方式，無信道編碼。其他參數設定如表1所示。 表1 仿真參數 中繼轉發協議AAF或DAF中繼轉發協議AAF或DAF 數據合并方式等比速率合并(ERC)每次發送比特數1 024 bit 終端移動速度30 km/h 或120 km/h幀大小16符號/幀 仿真次數2 000~8 000自適應幀長0.5 ms 3. 2 仿真結果與分析 首先，圖5和6給出了單中繼系統和多中繼系統在不同的中繼轉發協議下的BER性能。由圖可知，多中繼系統的BER性能優于單中繼系統，表明多中繼系統能獲得更高的分集增益。 圖7和8給出了改進ORS算法與原有ORS算法，在不同中繼轉發協議，及不同終端移動速率下的歸一化吞吐量比較。 由圖7、8可知，相比于原方法，吞吐量有了較明顯的提高。這是由于新方法減少了延時，使得網絡的傳輸效率增加；此外終端判決正確率的提高，提高了歸一化吞吐量，最高可達8%，這與理論分析是一致的。此外，相對于DAF方式，AAF方式的性能改善更為明顯，這是因為在仿真中，DAF轉發協議中沒有加入糾錯碼，使其性能上有一定的折扣。 4 結束語 中繼節點選擇在無線中繼傳輸以及協同通信中均有重要的作用。本文分析了ORS的原理以及存在的問題，提出了一種改進的方法來增強網絡吞吐量。該方法在ORS算法的基礎上，通過引入新的碰撞處理機制，避免了原算法由于碰撞所產生的時延隱患，提升了網絡吞吐量，從而增加了ORS算法的實用性。 參考文獻： [1]JING Y， HASSIBI B. Distributed spacetime coding in wireless relay networks[J]. IEEE Trans onWireless Communications，2006，5(12):35243536. [2]NOSRATINIA A， HUNTER T E. Grouping and partner selection in cooperative wireless networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2007，25(2):369378. [3]BLETSAS A， KHISTI A， REED DP， et al. A simple cooperative diversity method based on network path selection[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communication， 2006，24(3):659672. [4]CHEN Chao， ZHENG Baoyu， ZHAO Xianjing， et al. A novel weighted cooperative routing algorithm based on distributed relay selection[C]//Proc of the 2nd Wireless Pervasive Computing. 2007:224229. [5]IBRAHIM A S， SADEK A K， SU Weifeng， et al. Relay selection in multinode cooperative communications: when to cooperate and whom to cooperate with[J]. IEEE Trans on Wireless Communications， 2006，7(7):28142827. [6]LO C K， Jr HEATH R W， VISHWANATH S. Opportunistic relay selection with limited feedback[C]//Proc of IEEE Vehicular Technology Conference. 2007:135139. [7]BLETSAS A. Evaluation of Kalman filtering for network time keeping[J]. IEEE Trans onUltrasonics， Ferromagnetics and Frequency Control， 2005，52(9):14521460. [8]BLETSAS A， LIPPMAN A. Spontaneous synchronization in multihop embedded sensor networks: demonstration of a serverfree approach[C]//Proc of the 2nd European Workshop on Wireless Sensor Networks. Istanbul:[s.n.]， 2005:333341. [9]AZARIAN K， GAMAL H E， SCHNITER P. On the achievable diversityvsmultiplexing tradeoff inhalfduplexcooperative channels[J]. IEEE Trans onInformation Theory， 2005，51(12):41524172.
