基于部分信道信息的中繼選擇與功率分配算法

惠 鏸,張 瑤,李 琦

(西安理工大學自動化與信息工程學院,西安710048)

基于部分信道信息的中繼選擇與功率分配算法

惠 鏸,張 瑤,李 琦

(西安理工大學自動化與信息工程學院,西安710048)

針對傳統中繼選擇算法反饋開銷大、信道條件利用不充分以及等功率分配算法資源利用率低等問題,在放大轉發協作通信網絡中,以最小化系統中斷概率為目標,提出基于部分信道狀態信息的中繼選擇與功率分配算法。指出源-中繼-目的節點傳輸鏈路所能獲得的信噪比受制于源-中繼及中繼-目的鏈路中接收信噪比較小者,各中繼依據自身到源及目的節點鏈路的統計信道狀態信息,采用不同的反饋策略向源節點進行信息反饋,由源節點完成中繼選擇,通過凸優化方法對所選擇的源和中繼節點進行功率分配。仿真結果表明,與基于第一跳信道信息的算法相比,該算法在僅增加少量反饋的條件下可明顯降低系統的中斷概率,且與同等反饋負荷下的其他算法相比,仍能獲得較好的中斷性能。

協作通信;放大轉發;中斷概率;信道狀態信息;中繼選擇;功率分配

1 概述

無線通信中的多徑衰落是影響系統性能的重要原因之一,多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技術由于能夠利用空間分集對抗多徑衰落從而顯著提高系統性能受到了廣泛應用。但由于受移動終端尺寸、成本及設備復雜度等因素的制約,MIMO技術在一些場景中的應用十分受限。協作通信技術[1-2]通過多個獨立分布于無線網絡中的單天線用戶共享頻譜等資源引入空間分集,可獲得與MIMO系統相同的分集性能。但當網絡中存在多個中繼時,各節點在相互正交的信道上進行傳輸,頻譜利用率受到制約,并且協作方案的設計也較為復雜。

選擇單個中繼進行信息轉發可以有效避免上述問題。如文獻[3]提出的機會中繼策略通過選擇一個最優中繼來進行信息轉發,能夠獲得與分布式空時碼相同的分集性能。文獻[4]提出選擇中斷概率最低鏈路所對應的中繼參與信息傳輸,可以得到比所有中繼都參與時更好的系統中斷性能,并且同樣可以獲得滿分集增益。但在中繼的選擇過程中,上述算法仍需要獲得各傳輸鏈路的瞬時信道狀態信息,隨著網絡中中繼數量的增加,這種方式將給系統帶來難以承受的反饋負擔。

為了降低反饋開銷,有學者提出了基于部分信道狀態信息的中繼選擇策略。傳統算法[5-6]在選擇過程中僅考慮第一跳鏈路的瞬時信道狀態信息,這將不可避免地導致系統性能的損失。而文獻[7]提出的高效算法依據兩跳的統計信道信息和單跳的瞬時信道信息進行中繼選擇,但它沒有對已知的信道條件進行充分利用,也沒有依據變化的信道條件及時調整源與中繼節點的發射功率。

本文在以上研究的基礎上,針對放大轉發協作通信網絡,以最小化系統中斷概率為目標,提出了基于部分信道狀態信息的中繼選擇與功率分配算法。各中繼依據統計信道信息向源節點進行不同的信息反饋,源節點通過反饋信息完成中繼選擇,同時在所選擇的中繼節點和源節點之間進行功率分配。

2 系統模型

圖1 系統模型

傳輸過程分為2個階段:

第1階段:源節點S向所有中繼Rk(k=1,2,…,N)廣播信號x,中繼Rk接收到的信號ySk為:

其中,PS為源節點S的發送功率;nSk為對應信道的噪聲。

第2階段:被選擇的中繼節點Rk向目的節點轉發信息。目的節點接收到的信號ykD為:

其中,Pk為Rk的發送功率;nkD為對應信道的噪聲;xk為Rk轉發的信號,xk=βySk;β是放大因子[1],其值為:

對于放大轉發協議,目的端的互信息量[1]為:

其中,Pr(·)表示某事件發生的概率。

3 中繼選擇

不失一般性,假設γSk＜γkD。當γSk增加(或減少)Δx(0＜Δx＜γSk,0＜Δx＜γkD)時,令目的端接收信噪比γk的改變量為Δγ1,同樣當γkD增加(或減少)Δx時,令目的端信噪比γk的改變量為Δγ2。分析當γSk和γkD有相同的變化時,哪一個對γk的影響較大。當γSk和γkD均增加Δx時,有:

基于以上分析,本文為了提高接收端信噪比,在中繼節點的選擇過程中以γSk,γkD中較小者為依據進行最佳中繼選擇。假設源與被選擇的中繼節點發射功率相等,即PS=Pk=P,算法步驟如下:

4 功率分配

在傳輸中采用等功率分配雖然簡單易行,但由于沒有考慮系統各跳信道狀況的不同以及信道的時變性,無法實現對功率資源的有效利用。而在協作傳輸中,合理的功率分配已經被證明能夠使得資源有效利用從而提升系統性能[8-10]。因此,本文在總功率Pt=PS+Pk一定的情況下,對源節點S和已選擇的最佳中繼節點Rk*進行功率分配。

4.1 已知統計信道狀態信息的情況

根據第3節所描述的中繼選擇算法,在中繼選擇過程中,若βSk*＜βk*D,則源節點僅已知統計信道狀態信息 βSk*和 βk*D,此時系統中斷概率 Pout可表示為[11]:

令功率分配因子為ζ(0＜ζ＜1),將源節點S的發送功率表示為PS=ζPt,中繼Rk*的發送功率表示為Pk*=(1-ζ)Pt,則功率分配問題可描述為:

從式(13)可以看出,當已知鏈路的統計信息時功率分配因子可在傳輸之前計算得到,從而減少源節點的計算復雜度。

4.2 已知瞬時信道狀態信息的情況

由以上分析可得,當第一跳的平均信道功率較小時,源節點采用式(13)進行源與中繼間的功率分配,而當第2跳的平均信道功率較小時,功率分配因子可由式(16)求得。

5 仿真結果

本節對所提出的中繼選擇算法(本文算法1)及考慮功率分配后的算法(本文算法2)進行了性能仿真。為了便于比較,本文還針對僅已知第一跳信道信息的傳統中繼選擇算法(Conventional PRS)[6]及文獻[7]所提出的高效中繼選擇算法(Efficient P-RS)進行了仿真。不失一般性,在仿真中令R=1 bit·s-1·Hz-1,中繼個數N=4,噪聲功率N0=1。令系統中各鏈路的單跳平均信噪比為ρ,ρ=Pt/2/N0。

圖2 各算法的中斷概率比較1

圖3 各算法的中斷概率比較2

圖4 各算法的中斷概率比較3

6 結束語

本文針對放大轉發協作通信網絡,以最小化系統中斷概率為目標,提出了基于部分信道狀態信息的中繼選擇與功率分配算法。各中繼依據自身到源及目的節點鏈路的統計信道狀態信息向源節點進行不同的信息反饋,源節點通過反饋信息完成中繼選擇,并且在所選擇的中繼節點和源節點之間進行功率分配。仿真結果表明,相比傳統中繼選擇算法,本文算法在僅增加少量反饋的條件下可大幅降低系統的中斷概率,并具有較好的中斷性能。

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編輯 金胡考

Relay Selection and Power Allocation Algorithm Based on Partial Channel Information

HUI Hui,ZHANG Yao,LI Qi
(School of Automation and Information Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China)

A relay selection jointly with power allocation scheme is proposed to improve the outage performance of an Amplify-and-Forward(AF)cooperative network with partial Channel State Information(CSI).Firstly,it is proved that the system Signal-to-Noise Ratio(SNR)is subjected to the smaller one of the SNR between Source-Relay and Relay-Destination links.According to that,the potential relays choose different feedback schemes based on their statistical CSI to the source and the destination.Then the source node selects one best relay to forward messages based on the information feedback from relays.A corresponding power allocation scheme is also developed by the convex optimization method.Simulation results show that the proposed scheme significantly reduces the outage probability compared with the conventional schemes,and outperforms other schemes with the same feedback load in outage behavior.

cooperative communication;Amplify-and-Forward(AF);outage probability;Channel State Information (CSI);relay selection;power allocation

1000-3428(2014)10-0109-05

A

TN925

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.10.021

國家自然科學基金資助項目(61102061)。

惠 鏸(1979-),女,講師,主研方向:協作通信;張 瑤,碩士研究生;李 琦,教授。

2013-10-06

2013-11-29E-mail:huihui@xaut.edu.cn

中文引用格式:惠 鏸,張 瑤,李 琦.基于信道信息的中繼選擇與功率分配算法[J].計算機工程,2014,40(10): 109-113.

英文引用格式:Hui Hui,Zhang Yao,Li Qi.Relay Selection and Power Allocation Algorithm Based on Partial Channel Information[J].Computer Engineering,2014,40(10):109-113.