對協作系統自適應角色選擇策略的思考

摘要： 在傳統協作系統基礎上提出了一種新穎的自適應協作方式——機會角色選擇協作。為進一步說明該策略，構建了一種最基本的兩用戶機會協作框架，其中兩個用戶相互競爭將各自信息發送給同一目的端。根據瞬時信道條件，兩用戶均可以機會地充當信息源角色，而另一用戶將作為放大轉發中繼來為信源服務。同時，在此基礎上提出并簡要描述了一種最優的中心化角色選擇策略（C-ROSE）。該策略能夠最大化目的端接收信噪比（SNR），進而提高系統傳輸性能。研究表明，通過這種動態、靈活、高效的節點角色分配方式，協作系統的傳輸可靠性可得到進一步增強，從而為構建穩固、高效、互惠的協作傳輸體系開辟了新道路。

關鍵詞： 協作通信；中斷概率；角色選擇

Abstract： This paper describes an adaptive cooperative technique and opportunistic role-selection scheme based on a traditional cooperative scheme. We create an opportunistic cooperative framework where two users compete to transmit their own information to a common destination. Depending on the instantaneous channel conditions， either of the users can be the information source and the other user is an amplify-and-forward relay. To reduce the likelihood of system outages， an optimal centralized role selection scheme called C-ROSE is proposed. This scheme maximizes the received signal-to-noise ratio at the destination. Our dynamic， flexible role-selection scheme can ameliorate transmission reliability in order to create an effective cooperative communication system.

Key words：cooperative communications； outage probability； role selection

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 （2013） 04-0046-03

在協作分集系統中，當有多個相同類型的節點（如信源、中繼或目的端節點）可供選擇時，可通過機會地選取具有最高端到端信噪比的節點參與協作來提高傳輸魯棒性。2006年，Bletsas等人針對典型的多中繼協作場景首次提出了機會選擇思想[1-2]。隨后，這種思想被拓展到多源協作系統[3-6]和多目的端協作系統[7-10]中。上述工作的共同點在于：每個節點的角色（即信源、中繼或目的端）都是預先確定的，且不隨系統中瞬時信道狀態的變化而變化。盡管這種預先確定的（固定的）角色配置有其自身優點，它卻不能保證每次信息傳輸時均采用信道質量最好的鏈路，因此存在一些缺陷：

（1）公平性不足。

（2）能量有效性不足。

針對上述不足之處，文獻[11]推導了一種具有兩發射機、兩接收機的四節點ad-hoc網絡的信息理論容量上下界。分析表明：發射機（接收機）間的協作分集可以提供一種高信噪比加性增益。進而，針對相同的系統模型，Ng等人同時考慮了接收機協作和發射機協作，并刻畫了其協作開銷（以網絡中分配的功率和帶寬為指標）[12]。最近，通過在上述系統模型中增加中繼節點并考慮含有多個信源-目的端對的一般場景，Ju等人[13]提出了幾種最優和子優的傳輸策略并分別計算了對應的中斷概率。盡管上述工作[11-13]研究了信源或目的端節點間的相互協作，機會角色選擇的概念尚未建立起來。更重要的是，機會角色選擇的內在工作機理尚未得到深入研究，不同鏈路對于系統中斷性能的影響仍然是未知的。為解決上述問題，文章將構建一種兩用戶機會角色協作框架，并提出一種中心化的機會角色協作策略。通過這種動態的機會角色選擇機制，全面提高系統端到端傳輸可靠性。

1 系統模型與協議描述

1.1 系統模型

在無線ad-hoc網絡中，終端設備間以彼此對等的方式相互通信而不需要有線網絡者或基礎設施做更好支撐[11]。為克服路徑損耗或障礙物等因素影響，信源與目的端間的通信可借助一些中間節點來實現，由此形成了中繼鏈路。同時，由于每個終端設備所具有的能量是有限的，每個節點都會試圖借助臨近節點幫助轉發信息以減少能耗。對于這些場景，機會規劃可以有效利用隨機信道條件來提高傳輸魯棒性，但同時也會帶來節點間的相互競爭。如圖1所示，考慮一種協作分集系統，其中兩個用戶S 1和S 2向同一目的端D發送信息。所有終端均為單天線設備且工作于半雙工模式。此外，假設任意兩節點間的信道均滿足互逆性且遭受獨立的瑞利平坦慢衰落[14]。

在每次兩階段信息傳輸前，S 1和S 2中的某個用戶被機會地選為信息源，另外一個用戶作為其放大轉發（AF）中繼。這里考慮一種能量受限的場景，即S 1和S 2只在兩階段中的某一階段傳輸信息。對于該場景，開采S 1和S 2間的協作分集將獲得更高的傳輸可靠性。文章將這種協作機制稱為機會角色選擇（ROSE）。

1.2 中心化角色選擇策略

中心化ROSE策略（C-ROSE）是指在系統中某個節點集中收集所有鏈路的信道狀態信息（CSI）來中心化配置各節點的協作角色。該策略依賴于目的端對CSI的集中式收集和比較判決。具體來說，C-ROSE策略在5個時隙內完成角色選擇。在前兩個時隙，用戶S 1通過直傳鏈路S 1→D和兩跳中繼鏈路（S 2的放大轉發操作將產生另外1 bit信令開銷）S 1→S 2→D分別傳輸1 bit測試信令到目的端。進而，目的端執行最大比組合（MRC）來收集直傳鏈路和中繼鏈路信號。類似地，在接下來兩個時隙，用戶S 2通過直傳鏈路S 2→D和中繼鏈路S 2→S 1→D分別發送1 bit測試信令給目的端D。目的端D通過MRC組合收集來自S 2的直傳鏈路和中繼鏈路信號，在D具有更高組合信噪比的用戶被選為信息源，而另外一個用戶被選為AF中繼。由此，可在目的端D進行中心化角色判決。隨后，目的端廣播1 bit信令“0”或“1”來告知S 1和S 2其角色判決結果。該過程將占用一個附加時隙，于是產生總共5個時隙的選擇延遲。注意，C-ROSE的延遲和信令開銷不隨系統中瞬時信道條件的變化而變化。

2 機會角色選擇的研究意義

機會角色選擇機制作為一種嶄新的自適應協作方式，它源于傳統的固定角色指配機制，但又有其不可比擬的優勢：

（1）同樣是利用中繼協作技術的增益來提高系統的可靠性，機會角色選擇機制充分利用了無線信道衰落的隨機波動特性對各個節點角色進行實時的最優分配，從而全面提高了端到端的信息傳輸可靠性。

（2）與傳統的固定節點角色機制相比，根據各條鏈路的CSI，合理地、機會地規劃各節點的角色，有助于增強系統中各節點角色配置的動態性和靈活性，進而提高各節點信息傳輸的公平性。

（3）由于各節點能量或功耗是有限的，通過動態調度各節點參與協作的角色，能夠均衡各節點能耗（或功耗），有效延長系統生命周期，保證系統能量的高效性。

（4）由于ROSE協作系統的節點對等特性和協作自組織特性，可嘗試通過分布式ROSE策略以降低機會角色選擇的信令開銷和實現復雜度。

總之，ROSE協作系統研究是傳統協作分集系統研究的深化和拓展，具有重要的理論研究意義和實用價值[12-13]。

3 亟待解決的問題

雖然協作分集系統中的機會角色選擇策略有諸多優勢，但也存在其特有的、亟待解決的問題：

（1）如何能夠降低最佳方案選擇的難度？

在機會角色選擇協作系統中，每個節點都可能作為信源、中繼或目的端，因此候選角色配置方案的種類會隨著節點數量的增加而增加。由于最終角色配置方案的確定依賴于各節點間鏈路的瞬時信道衰落狀態，而各角色配置方案共享相同的鏈路信道狀態，這會使得各種角色配置方案之間緊耦合，從而增大候選角色配置方案間的相關性和最佳方案選擇的難度。因此，如何在保持節點角色選擇動態性和靈活性的同時，最大程度降低方案選擇的難度成為一個關鍵性問題。

（2）如何通過研究信令反饋、交互傳輸錯誤引起的角色判決偏差使理論分析更符合實際應用？

任何理論研究都是以實際應用為最終目的。在角色選擇機制協作系統中，大量的信令反饋與交互被引入，為了降低性能分析的復雜度，在分析的過程中往往默認信令傳輸不會出現差錯，或是忽略為支撐信息傳輸而實際存在的信令傳輸，由此得到的性能分析結果只能看作是系統實際性能的上界[1-2]，[15]，這樣做是不全面不客觀的，會導致理論分析與實際應用之間存在性能偏差。因此，深入研究信令傳輸錯誤對ROSE協作系統性能的影響有助于全面、客觀評估ROSE協作系統的實際可達性能，減小理論分析與實際性能間的偏差。

（3）如何合理分配信息和信令發射功率？

在傳統的協作系統中，信令反饋和交互較少發生，因此可以在考慮功率分配問題時只關注用于信息傳輸的發射功率分配，而忽略用于信令傳輸的發射功耗。然而，對于信令反饋與交互頻繁發生的ROSE協作系統，信令交互與信息傳輸變得同等重要，在系統（或每個節點）總發射功率一定條件下，增大用于信息傳輸的發射功率就意味著減小用于信令傳輸的發射功率，信令交互錯誤會擾亂節點角色的機會規劃配置，導致系統傳輸中斷。反之，一味增大信令發射功率雖然能選出最有利于信息傳輸的角色配置（及對應的無線鏈路），卻會因為信息發射功率的枯竭而對系統傳輸可靠性產生嚴重影響。因此合理分配各節點用于信息和信令傳輸的發射功率，將同時保證信息和信令傳輸可靠性，最終全面提升ROSE協作系統傳輸性能。

4 結束語

文章首先構建了一種兩用戶機會協作框架，在該框架中根據瞬時信道條件，每個用戶都能作為信源（或中繼）來傳輸（或轉發）信息給目的端。針對該協作框架，我們提出了一種中心化機會角色選擇策略，即C-ROSE。可以看出，協作分集系統中機會角色選擇策略研究作為一個嶄新的前沿課題，可充分研究并利用無線信道的隨機波動特性有效提升協作分集系統的抗衰落性能，是傳統機會協作機制的拓展和深化。這不僅符合傳統協作分集技術的發展趨勢，具有重要的理論研究意義，而且對于構建穩固、高效、互惠的協作傳輸體系也具有重要的實際應用前景。

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作者簡介

葛建華，現任西安電子科技大學通信工程學院副院長、教授、博士生導師，ISN國家重點實驗室副主任，國家數字電視標準化委員會委員；長期從事數字視頻廣播技術、MIMO-OFDM技術和移動通信技術研究；榮獲國家科技進步獎多項；在一些知名學術刊物和IEEE重要國際會議發表學術論文50余篇，完成學術專著多部。

丁海洋，西安電子科技大學博士研究生，解放軍西安通信學院講師；主要從事無線通信技術研究；2013年榮獲IEEE通信快報杰出審稿人獎，2012年榮獲全軍學位與研究生教育研討會優秀論文一等獎和西安電子科技大學RIM無線研究獎學金；在一些知名學術刊物和IEEE重要國際會議上發表學術論文20余篇，參編德國施普林格出版社學術專著1部。

許唐雯，西安電子科技大學博士研究生；主要從事無線通信技術研究，研究重點為認知協作通信技術；目前已在IEEE通信快報等刊物發表學術論文多篇。