超短波通信下緩存協作中繼系統剩余能量中繼選擇方案

陳慧林 王呈貴 楊文東解放軍理工大學通信工程學院 江蘇南京 210007

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超短波通信下緩存協作中繼系統剩余能量中繼選擇方案

陳慧林 王呈貴 楊文東
解放軍理工大學通信工程學院 江蘇南京 210007

【摘要】在本文中，我們在超短波通信下針對有限長緩存輔助協作中繼系統提出了一種基于緩存中繼剩余能量的緩存中繼選擇方案。所提方案不僅考慮了無線鏈路的信道狀態信息（CSI），而且還考慮了緩存中繼的剩余能量和緩存剩余大小，綜合考慮這三種因素來選擇最優中繼節點。我們運用馬爾科夫鏈模型在放大轉發協議下（AF）分析了所提方案的中斷概率和網絡的使用壽命。仿真結果表明，所提方案相比于最大鏈路選擇方案，明顯提高了網絡的使用壽命。

【關鍵詞】緩存輔助中繼；剩余能量；中繼選擇；網絡壽命

一、引言

由于超短波通信工作在甚高頻段，具有很寬的頻帶，利用視距傳播方式，傳播穩定性高，抗干擾能力強，因此其在軍事領域和民用救急中占重要的地位。因此如何提高超短波通信的性能顯得尤為重要，但因為超短波的直線傳播特性和不能長距離通信特性，使得它又存在一定的通信局限。

鑒于協作中繼技術能提高網絡的可靠性和增大無線通信系統的覆蓋面，多中繼的協作中繼系統中，中繼選擇技術被證明能在保持通信系統效率的同時有效的提高分集增益，本文將協作中繼選擇技術引入超短波通信中，以增強超短波通信的抗干擾能力。

最近，在［7］，［8］中提出的中繼緩存輔助系統能夠解除信息在預定義的時間周期內進行傳遞的約束，它所提出的中繼選擇方案總是在每一個時隙選擇在所有可行S-R和R-D鏈路中最好的一個。在［9］中，對一個具有固定速率的多中繼有限緩存系統進行了研究，同時還提出了最大鏈路中繼選擇方案。在每一個時隙，使用可用鏈路中的具有最強信道增益的鏈路進行接收或者傳遞消息。但是以往的中繼選擇算法，主要都只考慮信道狀態信息，而對中繼本身的約束未加考慮，造成了信道鏈路利用率低，和單一中繼的重復多次使用，增加了中繼老化的速度，降低了網絡使用壽命。

在本文中，針對超短波通信中的多中繼緩存輔助系統，我們提出了一個基于緩存中繼剩余能量選擇方案。在該方案中，我們同時考慮中繼剩余能量和鏈路信道狀態信息（CSI），來選擇最優中繼。對網絡的中斷概率和使用壽命進行了具體分析。仿真結果表明，在保證通信系統一點可靠度的前提下，所提算法能有效的增加緩存協作中繼網絡的使用壽命。

圖1　緩存中繼系統模型

二、緩存中繼系統模型

圖1為緩存中繼的系統模型。在該系統中，有一個源節點，一個目標節點和K個緩存中繼，每一個中繼緩存大小為L，并且每個中繼都是單天線的，在一個時隙內只能收或者發，是一個半雙工系統。

在此系統中，我們給定一個中心控制節點，來決定其他中繼節點用作接收或是發送。任意能與所有節點通信的節點都能被選作中心控制節點。為了不失去一般性，我們假定R1為中心控制節點。為了方便本文的研究，對本緩存中繼系統，做出如下假設：

1）各個鏈路的信道增益是不相關，相互獨立的；

2）源節點能源源不斷發送數據，即假設其隊列長度無限大；

3）當節點的剩余能量不能支撐一次信號的接收或發送時，認為該節點死亡；

4）根據文獻［10］的定義，我們設定一個門限值N，當系統的死亡節點個數超過N時，則認為網絡死亡。

三、剩余能量緩存中繼選擇算法

考慮中繼的剩余能量對網絡的影響，能減小過度使用某一信道狀態良好的中繼，以降低器件損耗。算法步驟如下：

步驟1：首先網絡初始化，每個中繼節點得到其信道狀態信息。信道狀態信息定義如下：

其中hSR：與hR：D分別為源節點到第j個中繼的信道增益和第j個中繼到目標節點的信道增益。而本文綜合考慮緩存大小信息，我們定義信道狀態信息如下：

a）當L0=0時，即緩存達到滿狀態，此時該中繼不能接受信號，接收鏈路不可用，此時URK=0，也就相當于此時的S-RK鏈路中斷，與本文所提機制保持一致。

b）當L0=L時，即中繼緩存為空，此時UTK=0，表明此時的RK-D鏈路中斷，保證了當緩存為空時，中繼不能發送數據。

此時，可以得到各個信道狀態信息與最大信道信息的比值：

步驟2：計算每一個中繼節點剩余能量與當前狀態下最大中繼剩余能量的比值，獲得能量信息度。

其中Eek為當前緩存狀態下中繼Rk的剩余能量，Er為所有中繼剩余能量之和。

步驟3：運用模糊評判準則，選擇最佳中繼。此時我們引入一個模糊關系矩陣，rij表示第i種因素對第j個中繼的影響因子。R（1，：）表示信道狀態信息對中繼的影響因子，R（2，：）為剩余能量對中繼的影響因子。通過評判矩陣W，我們得到模糊評價矩陣B：

最后選擇B中的最大值作為中繼節點，即：

（一）舉例分析

假定中繼數K=6，通過（3），（4）的計算，得到模糊關系矩陣：

假定評判矩陣：

通過（5），我們得到：

通過模糊評判準則，此時的最優中繼為第5個中繼，但是若只考慮信道狀態信息，則最優中繼為第3個中繼。

四、中斷概率分析

對于放大轉發（AF）中繼系統，節點的中斷概率定義為在目標節點端到端的瞬時SNR值小于給定個門限值γth時系統中斷，表達為：

我們用馬爾科夫鏈模型來描述緩存中繼中各狀態的轉移情況，中繼的狀態數為，描述了每一個中繼包含的數據包數量，其中第l個狀態可表達為：

其中Qi表示第i個中繼緩存，表示該中繼的緩存大小。假定在t時刻，系統的狀態為si，假如一個S-R鏈路被選擇，則相應中繼的緩存大小增加1。另一方面，假如一個R-D鏈路被選擇，則相應中繼的緩存大小減小1。因此，在t時刻，系統選擇哪一條鏈路，決定了中繼的下一個狀態。我們用A來表示狀態轉移矩陣，其中表示從t時刻的狀態Si轉移到t+1時刻的狀態Si的轉移概率。

由于我們假定，數據s（t）從源節點到目的節點的傳輸總是通過我們所選定的最優中繼RK，所以當中繼狀態為Si，Si時，系統總是分別選定最好的 鏈路和S-D鏈路。由AF中繼系統，我們得到目的節點收到s（t）時的瞬時端到端SNR為：

因為所有信道都相互獨立，所以有：

因此：

其中：

B.P（si）的分析

在本系統的馬爾科夫鏈模型中，狀態sl有兩種轉移方式：一種是選擇接收時的轉移，并記為選擇接收時的所有可行S-R鏈路，為選擇接收的概率；另一種是選擇發送時的轉移，記為選擇發送時的所有可行R-D鏈路，為選擇發送的概率。由于閉環馬爾科夫鏈的性質，得到。由于每一條鏈路獨立同分布，且服從本文所提的剩余能量中繼選擇，則每一條可行鏈路被選擇的概率可表述如下：

其中W為能量比重權度，w=1?w，通過以上分析，我們得到狀態轉移矩陣：

根據［15］，可得到穩態分布向量：

假如，狀態Si沒有數據可發時，；當狀態Si為滿狀態時，。在其他情況下，表示為：

x，y分別為所有可行S-R鏈路和可行R-D鏈路中，具有最大信道狀態信息的鏈路，由于x與y相互獨立，則根據：

fx（x），fy（y）分別為x和y的概率密度函數。綜合（26），（27），得到的表達式：

結合（13），得到中斷概率為：

五、仿真結果

在本文的仿真環境中，我們設定超短波信道，其為一個復隨機過程。中繼數K=3，緩存大小L=3，中繼的門限SNR設定為4。所有中繼節點的初始能量值 都相同，其接收功率和發送功率同為0.1w。采用蒙特卡羅仿真方法，進行了10000此仿真。仿真對比了本方案與最大鏈路選擇方案系統的中斷概率性能和使用壽命。

圖2對比了文所提剩余能量方案與最大鏈路選擇方案的中斷概率性能，可以看出，在中斷概率為10-5時，最大鏈路選擇方案相比與本章所提方案有接近1dB的增益。

圖2　中斷概率性能

圖3展示了系統的使用壽命隨中繼節點的變化情況。在此仿真中，我們定義中繼的初始能量E=100，為了不失一般性，定義權重向量W=（0.5 0.5）。從圖中可以看出，網絡壽命隨著中繼的增多而增長，同時，當用模糊評判準則考慮剩余能量時，網絡壽命的性能比一般的信道狀態選擇要好。

圖3　網絡壽命隨中繼數的變化曲線

圖4中，我們設定中繼節點數K=3，權重向量W=（0.5 0.5）。從圖中可以看出，當初始能量增加時，兩種方案的網絡壽命都增長，但是基于模糊評判的剩余能量選擇方案，能實現更長的網絡壽命。

圖4　網絡壽命隨系統初始能量變化的曲線

圖5給出了不同權重向量下，系統壽命的對比。中繼的初始能量E=100，緩存中繼大小L=3。從圖中可以看出，當剩余能量所占權重增大時，系統的壽命會越來越大，最終在比重值達到0.7時，系統壽命達到最大值。而只考慮信道狀態方案，其使用壽命恒定不變。不失一般性而言，當權重指數為0.52時，剩余能量中繼選擇方案的網絡壽命接近是最大鏈路選擇方案的兩倍。

圖5　不同權重向量下系統壽命曲線

六、結束語

在本文中，我們研究了超短波通信中的協作中繼選擇問題，針對多中繼緩存協作通信系統提出了剩余能量緩存中繼選擇方案，采用模糊評判算法將緩存中繼的剩余能量與可用鏈路的信道狀態信息相結合，分別考慮了系統的初始能量，中繼數目以及剩余能量所占權重的改變，對網絡壽命造成的影響。從結果可以看出，本文所提方案能在保證網絡一定可考慮的前提下，增加了網絡的使用壽命。

參考文獻

［1］J. N. Laneman， D. N. C. Tse， and G. W. Wornell. Cooperative diversity in wireless networks： Efficient protocols and outage behavior ［J］. IEEE Trans. Inf. Theory， 2004， 50（12）：3062-3080.

［2］Q. Li， K. H. Li， and K. C. The. Diversity-multiplexing tradeoff of wireless communication systems with user cooperation ［J］. IEEE Trans. Inf. Theory， 2011， 57（9）： 5794-5819.

［3］A. Bletsas， A. Khisti， D. P. Reed， and A. Lippman. A simple cooperative diversity method based on network path selection ［J］. IEEE J. Sel. Areas Commun， 2006， 24（3）：659-672.

［4］A. Bletsas， H. Shin， and M. Z. Win. Cooperative communications with outage-optimal opportunistic relaying ［J］. IEEE Trans. Wireless Commun. 2007， 6（9）： 3450-3460.

［5］ W. J. Huang， Y. W. Hong， C. C. J. Kuo. Lifetime maximization for amplify-and-forward cooperative networks ［C］.Proceedings of Wireless Communications and Networking Conference. Hong Kong： IEEE， 2007：814-818.

［6］A. Ikhlef， D. S. Michalopoulos， and R. Schober. Maxmax relay selection for relays with buffers ［J］. IEEE Trans. Wireless Commun. 2012， 11（3）： 1124-1135.

［7］T. Liu， L. Song， Y. Li， Q. Huo， and B. Jiao. Performance analysis of hybrid relay selection in cooperative wireless systems ［J］. IEEE Trans. Commun.， 2012， 60（3）：779-788.

［8］Y. Jing and H. Jafarkhani. Single and multiple relay selection schemes and their achievable diversity orders ［J］. IEEE Trans. Wireless Commun. 2009， 8（3）： 349-353.

［9］I. Krikidis， T. Charalambous， and J. S. Thompson. Buffer-aided relay selection for cooperative diversity systems without delay constraints ［J］. IEEE Trans. Wireless Commun.，2012， 11（5）： 1957-1967.

［10 Wei Y F， Yu F R， Song M， Leung V C M. Energy Efficient Distributed Relay Selection in Wireless Cooperative Networks with Finite State Markov Channels ［C］ . IEEE Global Telecommunications Conference. Honolulu， HI：IEEE， 2011： 1-6.

［11］ D. S. Michalopoulos and G. K. Karagiannidis. Performance analysis of single relay selection in Rayleigh fading ［J］. IEEE Trans. Wireless Commun.， 2008， 7（10）： 3718-3724.

［12］ Q Qin， Zhi-Min Zeng， Tian-Kui Zhang， Cong-Qing Zhang. Dynamic Multi-nodes Relay Selection Algorithm ［J］.Journal of University of Electronic Science and Technology of China， 2011， 40（4）：505-508.

［13］ H. A. David， Order Statistics Second Edition. Hoboken， NJ， USA： Wiley， 1981

［14］ M. Abramowitz and I. A. Stegun. Handbook of Mathematical Functions： With Formulas， Graphs， Mathematical Tables ［J］. U.S. Govt. Print. Off.， 1965， 56（10）：136-144.

［15］I. Krikidis， T. Charalambous， and J. S. Thompson. Buffer-aided relay selection for cooperative diversity systems without delay constraints［J］. IEEE Trans. Wireless Commun.，2012， 11（5）： 1957-1967.

作者簡介

陳慧林（1991-），男，碩士，主要研究方向：無線移動通信，網絡編碼。

王呈貴（1970-），男，博士，教授，主要研究方向：無線通信及組網技術。

楊文東（1981-），男，講師，主要研究方向：無線移動通信。