多中繼節(jié)點(diǎn)選擇能效優(yōu)化策略

李小麗　張征

摘要：針對(duì)多中繼節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制中的能效優(yōu)化問題，一直是研究的重點(diǎn)。能量效率是基于資源配置策略提出的優(yōu)化方案，也是當(dāng)前協(xié)作通信中獲得穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)傳輸目標(biāo)的基本要求。對(duì)于多中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，在保障最大發(fā)送功率基礎(chǔ)上，要從分析傳輸效能上來提升網(wǎng)絡(luò)的可靠性，選擇策略的應(yīng)用就顯得尤為關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：中繼選擇；網(wǎng)絡(luò)傳輸；能量效率；選擇策略

近年來，對(duì)于多中繼節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中的能效優(yōu)化研究頗受關(guān)注。如何選擇中繼節(jié)點(diǎn)，如何從能效優(yōu)化上來提升系統(tǒng)性能。有文獻(xiàn)提出基于信道容量增益的中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略，從中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)的最優(yōu)選擇方法上來提升系統(tǒng)性能，來降低功率消耗；也有文獻(xiàn)提出結(jié)合信道狀態(tài)，從距離信息中來選擇中繼節(jié)點(diǎn)，并從標(biāo)準(zhǔn)化分析中獲得最佳中繼節(jié)點(diǎn)；還有文獻(xiàn)通過對(duì)信道容量增益研究，將源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行最優(yōu)化功率分配算法來獲得最佳性能。

一、基于能效的中繼節(jié)點(diǎn)選擇研究概述

對(duì)于協(xié)作通信中的能量消耗，首先要探討能量效率，從功耗上來優(yōu)化資源配置策略，獲得最高的能量效率。協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中對(duì)于各節(jié)點(diǎn)間的信息傳輸，一方面要最放大前向和譯碼前向進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，另一方面對(duì)涉及的能量效率問題，要從最優(yōu)點(diǎn)選擇上來實(shí)現(xiàn)。有文獻(xiàn)從功率分配上來優(yōu)化每比特下的功耗和運(yùn)行周期，并未對(duì)電路的能耗進(jìn)行研究；有文獻(xiàn)從電路的能耗分析上，來優(yōu)化節(jié)點(diǎn)選擇，卻未能與中繼節(jié)點(diǎn)在傳輸中自身性能進(jìn)行比較；特別是在中繼節(jié)點(diǎn)選擇上多出的開銷，對(duì)能耗影響較大。關(guān)于電路損耗問題，利用設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的線路電路功耗模型，特別是從DSP功耗模型上，針對(duì)發(fā)射帶寬來建立線性函數(shù)，并通過能量效率和最優(yōu)點(diǎn)選擇策略進(jìn)行分析，來探討其通信中的性能狀況；對(duì)于混合網(wǎng)絡(luò)下中繼和無線電模型，需要從多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)接入中來探討各節(jié)點(diǎn)的能耗；對(duì)于存在多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的虛擬MISO時(shí)的能效，需要從發(fā)送機(jī)制、最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)等方法上來進(jìn)行綜合；總的來說，對(duì)于基于能效的中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略，需要從保障網(wǎng)絡(luò)可靠性的基礎(chǔ)上，對(duì)每一傳輸階段進(jìn)行能耗分析，以獲得相應(yīng)的選擇標(biāo)準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)中繼功耗最小，系統(tǒng)性格最大的傳輸狀態(tài)。

二、多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)模型構(gòu)建

從協(xié)作網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型的構(gòu)建來看，首先滿足一個(gè)源節(jié)點(diǎn)和多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)及目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。在構(gòu)成的虛擬MISO傳輸系統(tǒng)中，對(duì)于中繼節(jié)點(diǎn)選擇及分布是隨機(jī)的，通常以源節(jié)點(diǎn)為中心，以R為半徑的圓形范圍內(nèi)。在這個(gè)MISO虛擬系統(tǒng)中，源節(jié)點(diǎn)通過若干個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)來尋找目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，其概率密度函數(shù)為：。我們假設(shè)該系統(tǒng)中源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)i之間的信道系數(shù)為，則利用其滿足均值為0、方差為的復(fù)高斯隨機(jī)變量，當(dāng)信道系數(shù)為，則信道路徑損耗計(jì)作：，其中，λ表示為波長(zhǎng)，為路徑損耗指數(shù)，為參考半徑。

三、中繼選擇策略研究

在滿足系統(tǒng)可靠性基礎(chǔ)上，對(duì)于節(jié)點(diǎn)選擇策略的能耗分析，主要從四個(gè)階段來完成。一是估測(cè)源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)間的信道階段；二是估測(cè)信道共享階段；三是由源節(jié)點(diǎn)向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息；四是中繼節(jié)點(diǎn)向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。對(duì)于第三個(gè)階段是保障信息傳輸穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵，也是整個(gè)選擇策略中的最復(fù)雜的環(huán)節(jié)。因此，在本階段需要進(jìn)行能量損耗分析。第一階段的能耗分析表示為：；第二階段的能耗分析表示為：；對(duì)于式中的表示為發(fā)送訓(xùn)練符號(hào)數(shù)量；B表示為帶寬，表示為第一階段發(fā)送功率；表示第二階段發(fā)送功率；表示為估測(cè)信道增益的比特?cái)?shù)；ρ表示為放大功率；為電路功耗。第三個(gè)階段較為復(fù)雜，在源節(jié)點(diǎn)向中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送信息時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)需要向D發(fā)送信息鏈路，并在開始階段，對(duì)SR、RD鏈路進(jìn)行計(jì)算功率，，利用系統(tǒng)最大功率發(fā)送進(jìn)行比較，獲得可靠節(jié)點(diǎn)集合N和L，通過對(duì)兩個(gè)集合交集的運(yùn)算獲得集合A，由A中的節(jié)點(diǎn)向源節(jié)點(diǎn)反饋信息，則本階段所需發(fā)送的節(jié)點(diǎn)數(shù)為。此時(shí)，再由目標(biāo)節(jié)點(diǎn)向i節(jié)點(diǎn)發(fā)送L位數(shù)據(jù)，則能耗計(jì)算為；對(duì)于式中的J表示為A中中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)，為反饋耗時(shí)，為節(jié)點(diǎn)篩選耗時(shí)，當(dāng)時(shí)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送L位數(shù)據(jù)，則當(dāng)L過大時(shí)，。第四階段中，對(duì)于集合A中的中繼節(jié)點(diǎn)，通過向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)生源信息，則完成信息選擇過程。本階段的能耗計(jì)算為。至此，四個(gè)階段的能耗計(jì)算已經(jīng)得出，并可以計(jì)算出總能耗。

四、最優(yōu)中繼選擇標(biāo)準(zhǔn)

通過對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)的選擇策略進(jìn)行分析，能夠從各中繼點(diǎn)的選擇上，利用能量效率來進(jìn)行選擇，從而滿足不同信道下各節(jié)點(diǎn)選擇的總能耗。為此，在判斷中繼節(jié)點(diǎn)的選擇標(biāo)準(zhǔn)上，可以從節(jié)點(diǎn)集合A中來進(jìn)行篩選，并得到最優(yōu)節(jié)點(diǎn)。也就是說，對(duì)于上述基于能耗的中繼選擇策略，可以歸結(jié)為四點(diǎn)：一是首先利用最大發(fā)送功率受限來進(jìn)行可靠性節(jié)點(diǎn)篩選，獲得節(jié)點(diǎn)集合A；二是利用集合A中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸中繼，并從計(jì)算中獲得每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗；三是對(duì)比各計(jì)算結(jié)果，獲得最小能耗值，并確定該節(jié)點(diǎn)為最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)；四是選擇最佳中繼節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。頻譜效率是單位頻率所能獲得的傳輸能力，利用頻譜效率公式：；對(duì)于表示為傳輸過程中的容量，而B作為帶寬，T作為傳輸時(shí)間，表示為節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒Ω怕省Ｍㄟ^對(duì)頻譜效率的分析，對(duì)于一定帶寬下頻譜效率，主要取決于中繼節(jié)點(diǎn)在選擇傳輸過程中的時(shí)間、容量、成功概率，而當(dāng)傳輸容量確定時(shí)，對(duì)于傳輸時(shí)間在限定條件下，影響節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵在于選擇成功概率。我們從SR和RD鏈路分析中，可以獲得中繼節(jié)點(diǎn)在傳輸中的成功概率表示為：；可見，當(dāng)對(duì)于自適應(yīng)鏈路來說，其傳輸成功概率可以簡(jiǎn)化為：；通過最優(yōu)中繼選擇后，其傳輸概率為。也就是說，當(dāng)對(duì)中繼選擇策略進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)后，其能量效率獲得提升，中繼節(jié)點(diǎn)傳輸成功率也獲得提升，且對(duì)頻譜效率不影響。

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