一種新型多協作中繼選擇協議研究

徐以標，張會生，李立欣

（西北工業大學 陜西 西安 710072）

協作分集技術[1]作為近年來出現的一種新技術，已引起國內外學者的關注，并成為當前無線通信領域一新的研究熱點。其基本思想是各單天線用戶彼此為對方轉發信息，這樣，每個終端在傳輸信息的過程中，既利用了自己又利用了其合作伙伴的空間信道，從而獲取一定的空間分集增益。其主要協作方式有放大轉發（Amplify and Forward，AF），解碼轉發（Decode and Forward，DF）和編碼協作（Coded Cooperation，CC）[2]。

機會中繼選擇協議是由A.Bletsas等人在文獻[3]中提出的一種基于即時信道狀態 （Channel State Information，CSI）的協作中繼選擇方法，系統根據某種選擇算法從所有備選中繼中選擇一個最佳中繼節點與源節點協作發射信號到目的節點。該方法不需要知道網絡的拓撲信息，從而大大簡化了物理層的設計。Salama在文獻[4]中證明了該算法相比于常規分集方案在節省信道資源方面有更多的優勢，同時實現了系統的全分集階數。

現有的改進都是集中在選擇單個最佳中繼上，文獻[5]在機會中繼協議基礎上提出了一種半分布式中繼選擇方案，每個中繼測量測量其后向信道和前向信道的瞬時信道增益，若該兩個信道增益均大于一個門限，則該中繼可用，最終基站從所有可用中繼中選擇最佳中繼。但單個節點的處理和傳輸能力有限，通過多個節點的協作不僅僅可以得到空間分集增益還可以獲得空間復用增益，同時還可以均衡業務負載。筆者將機會中繼選擇的思想推廣到多中繼選擇場景，提出一種新的多中繼選擇方法。

1 機會選擇中繼協議分析

文獻[3]已給出詳細的協議選擇方法，具體的說，源節點S發送RTS（Request To Send）分組給所有中繼和目的節點D，D在接收到RTS分組后，產生CTS（Clear to Send）分組發給源節點S和中繼節點，中繼根據RTS和CTS分組測量鏈路的瞬時信道狀態信息 hs，i和hi，d；每個中繼節點都將根據信道狀態信息觸發一個定時器（Timer）。最佳中繼所對應的定時器將最先超時，緊接著，該最佳中繼則會發送一個標志包（flag packet），表明其最佳中繼的身份，其他尚未超時的中繼在接收到該標志包后將放棄對本次最佳節點的競爭。對于存在隱藏中繼（即不能偵聽中繼彼此之間的信息，但能偵聽源節點和目的節點信息的中繼）的情況，最佳中繼則向目的節點發送該標志包，然后由目的節點發送很短的廣播包（broadcast packet）通知所有中繼節點。

定時器的取值如下：

λ為ms級的時間常量。hi的計算有如下兩種方式：

方案 1：

方案 2：

由式（2）和（3）可知，信道狀況最好的中繼，即最佳中繼具有最小的起始時間。

從上述中繼選擇過程來看，當兩個或多個中繼定時器過于接近時，有可能發生中繼選擇沖突。如圖1所示，節點b和j分別代表最佳中繼和另外一個中繼。其中，Tb代表節點b定時器的初始值，ni為中繼i和目的節點間的傳播時延，ds為每部無線收發機的收發轉換時間，r為兩中繼之間的傳播時延，dur1和dur2分別為標志包和廣播包的持續時間。

圖1 機會中繼選擇協議沖突示意圖Fig.1 Diagram of collision in opportunistic relaying scheme

很明顯，當無隱藏中繼時，在區間[tL，tC]會發生沖突；當存在隱藏中繼時，在區間[tL，tH]內將會發生沖突。則相應的沖突時間c為：

無隱藏中繼時：

隱藏中繼時：

對于普通的低成本無線收發機而言，無隱藏中繼時沖突時長c的典型值是幾個微秒，通常取5μs，而在有隱藏中繼時則為10μs。

當兩個或多個中繼定時器在沖突時間c內超時時，導致沖突發生，則其沖突概率可表示為：

其中 Tb=min{Tj}，j∈[1，n]，n 為中繼數目。

當存在{Tj}的有序序列{Tj|Y1＜Y2…＜Yn}時，有 Y1≡Tb對應最小的定時器，Y2對應次小的定時器。則式（6）變為：

根據 Yj=λ/hj，式（7）等價為：

由式（8）可以看出，沖突概率與λ的取值密切相關，不斷增加λ可以使沖突概率無限趨于0。但是，λ還決定了最佳中繼選擇所需的平均時間T，即：

由式（9）可以得到，λ取值不能過大，否則中繼選擇速度過慢，無法滿足遠高于信道變化速度的要求。所以實際選取λ時需要在沖突概率和中繼選擇速度之間進行折中。考慮到慢衰落的環境，在0～3 km/s的移動速度，最大多普勒頻移為2.5 Hz，最小信道相干時間為200 ms量級條件下，取λ值比相干時間低兩個數量級，即1～2 ms是比較合理的。

2 一種改進的多機會中繼協議設計

原有協議存在問題分析：

1）中繼信道參數的選擇依據。原協議中給出的兩種選擇依據的前提是源到中繼，中繼到目的信道衰落系數對中繼選擇的影響因子是等價的。文獻[6]中結論表明，在最優功率分配中系統更傾向將功率分配給距離源節點更近的中繼節點，即源到中繼的信道衰落系數在其中所占影響因子更大。

2）中繼選擇的公平性。機會中繼選擇協議僅僅考慮了性能而忽略了備選協作伙伴的公平性。如果有一個備選中繼始終作為最佳伙伴，那么結果是其電池很快被消耗完而其他的備選的伙伴很可能根本就沒有用到。這對整個協作網絡是非常不公平的，尤其是這個最佳中繼。

3）能否選擇多個中繼？參與協作的中繼數目直接影響到系統信道容量，而且原有協議中區分最佳中繼的身份一個重要影響因素，就是收發機轉換時間。收發機轉換時間對某個節點是相對固定的。對于信道系數和最佳中繼一樣，而轉換時間稍長的其他節點來說，也是一種不公平。

基于上面的分析，此處提出一種優化的多種機會中繼選擇協議，協議具體過程如下：

1）每個中繼i監聽RTS，CTS分組，以獲得信道衰落系數；

2）計算信道信息 hi，中繼啟動定時器 Ti=λ/hi；

注：取hi=|hs，i|2，根據最優功率分配結論可知，源到中繼節點的信道衰落系數在功率分配中占主導因素，為簡化協議設計的復雜度，此處忽略中繼到目的節點信道衰落系數的影響。

3）中繼定時器超時后，向目的節點發送協作請求Req.，此后等待目的節點確認；

4）目的節點收到中繼首個 Req.，立即啟動延時器Tdelay，此過程中繼續接受其他協作中繼的請求；

注：Tdelay的選擇需確保目的節點收到所有最優信道條件的中繼節點發送的Req.。這樣可以避免傳播時延，收發轉換時間等次要因素對中繼選擇造成“不公平”，同時其值變化也可以用于控制參與協作的中繼數量。

5）Tdelay超時后，向所有中繼廣播參與本次協作的中繼確認信息Ack.，收到確認信息的中繼參與協作通信。

根據上述步驟，協議流程如圖2所示。

圖2 改進協議中繼選擇示意圖Fig.2 Diagram of new relay selection method

中繼1，中繼2具有相近的信道參數，在該中繼協議下都將參加本次協作，其中目的節點最先收到中繼2發送的協作請求Req.。n1、n2分別為中繼1、中繼2到目的節點的傳輸時延，dur-req、dur-ack 分別為 Req.、Ack.傳輸持續時間。

Tdeldy的取值：若中繼1是參與協作節點中最后向目的節點發送Req.，則有：

中繼選擇時間：無論是否存在隱藏中繼，中繼選擇時間：

若只選擇信道條件最好的中繼，則Tdelay=2|n1-n2|，此時有：

對比式（9），原協議中繼選擇時間：

在有隱藏中繼時，系統中繼選擇時間并沒有明顯增加。

3 改進協議沖突分析

從改進協議的流程來看，唯一可能發生沖突的情況是在Taelay階段兩個或更多中繼的Req.到達目的站的時間有重疊，目的端將無法正確解析中繼的Req.，則無論是否存在隱藏中繼，系統沖突時間變為dur-req。Req.中加入了中繼標識信息，長度有所增加，在現有系統中仍有可能將其控制在2μs以下，系統沖突概率也隨之下降。

文獻[3]中給出了原協議在不同方案下的理論推導結果，如下：

其中 f（y）為變量 Yj的概率密度函數，F（y）為其聯合分布函數。

改進協議中變量|hs，i|2分別為參數， 是 σ-2s，i的獨立指數隨機變量，有：

圖3比較不同方案下的沖突概率。其中，假定所有信道參數σ-2i，j=1，圖中N表示所有備選中繼數。正如理論分析，沖突概率隨著中繼數量的增多而增大，隨著參數λ的增大而減小；從圖中還可以看出改進協議相對于原協議，沖突概率明顯下降。

圖3 中繼選擇沖突概率仿真Fig.3 Simulation of collision probability in relay selection

4 改進協議系統性能仿真

圖4中仿真了新協議下系統誤碼率性能，仿真中只考慮加性高斯白噪聲，瑞利衰落對信號的影響，系統采用QPSK調制方式，最大比合并方式分集接收，系統功率分配采用等功率分配方式，即源節點和中繼節點發射功率相等，中繼采用AF協議。可以看出，相對于傳統固定中繼，即協作中繼已選定，新協議的誤碼率顯著下降，特別是協作中繼數n=1時，協作增益已經完全克服了協作帶來的額外損耗（AF協議同時放大了噪聲，消耗部分系統功率）；在20 dB時，n=2時系統性能提升了近一個數量級，相比之下，n=1時提升了約5倍，參與協作中繼數目越多，新協議帶來的性能提升越明顯。

圖4 不同中繼選擇協議系統誤碼率比較Fig.4 Comparison of different relay selection method in bit error ratio

5 結 論

本文將機會中繼選擇協議推廣到多協作中繼系統中，提出了一種新的協議，協議改用目的點來確認中繼的協作請求Req.，目的通過延時機制來控制中繼選擇的個數，該機制同時保證了中繼選擇的公平性。根據文獻[6]中最優功率分配研究結論，方案中還修正了原協議中繼選擇標準（相比于中繼到目的信道，源到中繼的信道參數影響更大，而非等價），使中繼選擇更趨合理。改進協議中繼選擇時間變長，但在該時間內選擇了多個中繼，中繼選擇效率相對提高。分析表明，系統能有效減少中繼選擇造成的沖突，仿真表明協議能夠有效降低系統誤碼率。

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