協同通信網絡中繼選擇策略研究

劉善斌

【摘要】 本文以協同通信網絡中繼選擇策略為研究對象，通過對協同通信及其中繼選擇技術基礎、單源以及多源多中繼網絡自適應中繼選擇策略的分析，試圖探索出相對完善的協同通信網絡中繼選擇策略，推動協同通信網絡中繼系統的理論研究發展。

【關鍵詞】 協同通信 網絡 中繼 策略

一、協同通信的基本原理

協同通信是通過由通信網絡的用戶天線構成分布式天線陣列，讓不同用戶向目標節點發送的信號通過各自獨立的衰落信道，而接受到的衰落信號也是各自獨立的。協同傳輸本質是讓不同的單天線用戶以合作方式獲取通信系統的分集性能，降低通信設備開發成本，用一種更高效快捷的形式實現分集。同時協同中繼可以通過通信網絡中各個用戶節點的接力傳輸，有效擴展通信覆蓋面、降低通信組網成本、提高通信系統容量，優化通信網絡性能。協同通信系統由源節點、中繼節點以及目標節點構成。

在三節點中繼信道模型中只存在單一的源節點，中繼節點和目標節點，中繼節點為源節點進行協同傳輸的屬于單源單中繼協同系統模型。單源多中繼協同系統模型則是由單一源節點、多個中繼節點、和單一目標節點構成。多源多中繼協同系統模型則是由由多個源節點，多個中繼節點和多個目標節點構成。

二、基于不同準則的中繼選擇策略

第一，以平均信道信息為基準的中繼選擇。在以平均信道狀態信息為基準的中繼選擇策略中，人們需要依據源節點和目標節點或中繼節點同目標節點間的相對位置信息或參數來實現協同中繼節點的選擇策略，該策略要求通信系統具備相對距離和位置參數的評估設備等，如可以估計通信系統中繼節點間的平均SNR。第二，以瞬時信道信息為基準的中繼選擇。機會中繼選擇策略是具有代表性的以瞬時信道狀態信息為基準的分布式中繼選擇策略。該策略的基本原理是從M個備選中繼節點內，選擇一個介于源節點和目標節點間，具備從最佳端到端路徑的相應節點用來作為協同中繼，為通信系統的源節點發送信息數據。在以瞬時信道狀態信息為基準的中繼選擇策略中，人們必須了解各節點間的相應的瞬時信道狀態，而估計該參數相對容易，而且不需要相對距離和位置參數的估計，成本低廉；但瞬時信道狀態的不穩定性要求相對的協同伙伴能同步跟蹤并及時更新信道狀態參數，需要額外成本。第三，以中斷概率為基準的中繼選擇策略。中斷概率一般是指在描述評估當信道容量不能達到目標傳輸速率的要求時，發生中斷情況的可能性大小。中斷概率總體分布主要是由信道鏈路的相應的信道衰落分布模型和平均信噪比所決定的.，其本質上在表達通信系統的互信息量大小。該中繼選擇策略能夠提高通信過程的可靠性和連續性，但采用多節點中繼以片面追求低中斷概率會導致成本升高。第四，以誤符號率為基準的中繼選擇。除了速率與信噪比，誤符號率同時要評估通信終端的信號合并方式和網絡物理層利用的調制傳輸方式等。用戶使用不同的中繼或源節點都會導致誤符號率的不同，因此在中繼節點集合中可尋求讓誤符號率最小的中繼用作最優中繼。該中繼選擇策略可通過信道系數代入計算誤符號率公式求出所需誤符號率參數，求出最優中繼作為源節點發送信息。該選擇策略兼顧了終端信號合并方式與網絡物理層調制傳輸方式，貼近網絡實際。高信噪比同高中繼數量一樣會使誤碼率降低，需要對其進行聯合優化。第五，以功率分配為基準的中繼選擇。各節點合理的功率分配有利于延長各節點的工作時間，從而增加全通信網絡使用生命。網絡生命期一般指的是為滿足預期中斷概率，滿足信宿接收信噪比需求所持續的時間。若通信系統內源節點和目標節點間無直接路徑，則要選擇相應的中繼放大轉發信源信息。根據剩余能量信息和中繼節點信道狀態信息的不同，網絡生命周期最大化的中繼選擇策略一般可分為三種。如可在多用戶協同系統中選擇一個中繼節點參與協同，給出效用方程的函數定義，方程包含兩變量：中繼節點傳輸功率和源節點，依據效用方程劃分三種最優節點選擇策略。第一種是最小化總功率效用函數，側重于降低源、中繼節點的總傳輸功耗，第二種是最小化最大化功率的效用函數，側重于降低源、中繼節點中較大的節點功耗，從增加節點層功耗的公平性；第三種是最小化平均功率的效用方程，側重于整個網絡層的功率的平均合理分配。

三、結語

各種以不同準則為基準的中繼選擇策略各有優缺點，以平道信道狀態為準則的策略復雜度低，但是要求對相對距離和位置參數進行估計；以瞬時信道狀態信息為準則的策略自適應靈活，所選中繼節點信道狀態良好，但是容易發生節點沖突導致無法得出正確中繼節點；以中斷概率為準則的策略有利于保障通信的連續性與可靠性，但是盲目追求低中斷概率容易導致資源耗費增加；以誤符號率為為準則的策略更貼近網絡通信實際，但是需要對高信噪比和中繼數量進行聯合優化；以功率分配為為準則的策略有利于節省能量，增加網絡生命周期，但是復雜度高，操作性不強。各個不同準則的協同通信中繼選擇策略為中繼選擇策略的優化奠定理論與技術基礎。