協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點(diǎn)選擇技術(shù)

楊婧瑋

（78111部隊(duì)，四川 成都 610011）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，無線通信領(lǐng)域也是日新月異，為了應(yīng)對(duì)當(dāng)代人對(duì)于無線通信的需求，滿足其要求，利用協(xié)作通信技術(shù)將會(huì)有效地提高無線通信網(wǎng)絡(luò)的性能，有效地解決無線信道衰退的缺點(diǎn)，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。協(xié)作通信技術(shù)利用分集技術(shù)將多條傳輸線路的通行環(huán)境通過協(xié)議進(jìn)行共享，聯(lián)合成一個(gè)系統(tǒng)，大大提高了無線信道的傳輸能力，解決了移動(dòng)設(shè)備體型小、耗能低、無法連接多條天線的問題。中繼節(jié)點(diǎn)選擇是中繼通信的重要內(nèi)容，關(guān)乎系統(tǒng)整體性能。

1 中繼協(xié)作技術(shù)及中繼選擇概念

1.1 中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型在中繼轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)方面，分為兩跳中繼和多跳中繼。其中兩跳中繼網(wǎng)絡(luò)模型就是中繼節(jié)點(diǎn)與終端之間存在有中級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)的線路以及直接傳輸?shù)木€路，終端同時(shí)接受這兩條線路傳輸?shù)男畔ⅲ欢嗵欣^網(wǎng)絡(luò)模型則是在傳輸源到終端之間設(shè)置多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，通過接力傳輸?shù)姆绞綄⑿畔鬏數(shù)浇K點(diǎn)[1]。所以中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型也可以從中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)目進(jìn)行劃分為單中繼系統(tǒng)和多中繼系統(tǒng)，就是根據(jù)信息傳輸過程中經(jīng)過的中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量為依據(jù)的。

1.2 中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法類型

中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法的分類可以從多個(gè)方向進(jìn)行，在以中繼節(jié)點(diǎn)屬性差異為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)將會(huì)從環(huán)境因素及自身特點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行分類；在以中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)方式差異為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)將會(huì)以對(duì)信息的處理方式出發(fā)進(jìn)行分類，不同的節(jié)點(diǎn)對(duì)信息往往具有不同的處理方式；在以中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)量差異為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以以單中繼節(jié)點(diǎn)和多中繼節(jié)點(diǎn)方向出發(fā)，根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的信道衰落程度進(jìn)行選擇，同時(shí)也要結(jié)合資源利用、算法的復(fù)雜度、成本等情況進(jìn)行考慮；在以信道的差異為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就需要對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的信道進(jìn)行分析，根據(jù)節(jié)點(diǎn)獲取信道信息的方式進(jìn)行選擇，一般來說，有依據(jù)平均信道信息選擇算法和瞬時(shí)信道信息選擇算法兩種。

2 中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

為了對(duì)各種各樣的中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法進(jìn)行比較深入以及深刻的比較以及分析，我們一定要保障性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的正確性以及有效性，以下我們從這幾個(gè)方面來分析以及研究定性評(píng)價(jià)中繼選擇算法的具體性能。

（1）算法效果。在協(xié)同系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，其主要目標(biāo)是為了使得網(wǎng)絡(luò)容量得到持續(xù)的增加，降低功率消耗以及保障網(wǎng)絡(luò)覆蓋率得到增加等，其逐漸成為了協(xié)同節(jié)點(diǎn)選擇算法當(dāng)中比較重要的考核標(biāo)準(zhǔn)。功率消耗、網(wǎng)絡(luò)容量以及網(wǎng)絡(luò)覆蓋之間具備折中點(diǎn)，因此要按照不同系統(tǒng)的具體需求對(duì)協(xié)同節(jié)點(diǎn)選擇算法實(shí)施不斷的優(yōu)化。（2）算法具備復(fù)雜性。協(xié)同通信指的是在網(wǎng)絡(luò)角度的基礎(chǔ)之上對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行一定的優(yōu)化，但是在這個(gè)過程中需要引入非常多的具體優(yōu)化元素，但是這樣就會(huì)使得算法的復(fù)雜度逐漸的增加，因此如何完成控制協(xié)同節(jié)點(diǎn)選擇算法的具體復(fù)雜程度是非常重要的一件十強(qiáng)，并且在這個(gè)過程中，還需要和理想的系統(tǒng)性能具備一致性，保障其屬于協(xié)同節(jié)點(diǎn)選擇算法評(píng)價(jià)的主要標(biāo)尺。（3）算法帶來的具體通信開銷。在協(xié)同系統(tǒng)當(dāng)中，節(jié)點(diǎn)間非常多的信息（比如：信道信息、信源信息以及能量信息等）都需要進(jìn)行具體交換，這樣才可以促進(jìn)信息之間的良好傳遞，從而會(huì)對(duì)系統(tǒng)的通信開銷進(jìn)行增加，但是這會(huì)影響系統(tǒng)性能，進(jìn)而帶來一定的負(fù)面影響。因此在實(shí)施協(xié)同節(jié)點(diǎn)選擇算法的過程當(dāng)中，一定要對(duì)這一點(diǎn)重視起來，如果協(xié)同增益和額外開銷的性能損失相比較較大時(shí)，才可以選擇協(xié)同。在協(xié)同節(jié)點(diǎn)選擇算法進(jìn)行執(zhí)行的過程中，一定要盡量的降低開銷，目前存在的方法：模糊選擇以及有限制反饋等。（4）算法的自適應(yīng)以及容錯(cuò)性。由于無線信道具備節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性以及時(shí)變特性，造成無法精確的獲得節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息、信道信息等，這樣以來，協(xié)同節(jié)點(diǎn)選擇算法就一定要存在魯棒性，這樣可以在適應(yīng)的過程中對(duì)選擇策略實(shí)施調(diào)整，并且對(duì)協(xié)同節(jié)點(diǎn)以及信道環(huán)境變差等情況具備容錯(cuò)特性。（5）算法代價(jià)（軟硬件支持）。關(guān)于算法的代價(jià)可以從時(shí)間代價(jià)以及空間代價(jià)來進(jìn)行評(píng)價(jià)，時(shí)間代價(jià)主要包含：系統(tǒng)的安裝時(shí)間、算法執(zhí)行時(shí)間以及配置時(shí)間等。空間代價(jià)主要包含：該算法需要的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量、基礎(chǔ)設(shè)施以及節(jié)點(diǎn)尺寸等。協(xié)同節(jié)點(diǎn)選擇算法的不同所需要使用的軟硬件支持也會(huì)不一致，有些算法需要節(jié)點(diǎn)具備比較強(qiáng)的計(jì)算能力以及存儲(chǔ)能力，有些算法需要一些額外硬件進(jìn)行支持（比如GPS等）。因此，一定要按照應(yīng)用背景以及需求，綜合的對(duì)技術(shù)以及成本等多種因素進(jìn)行考慮，進(jìn)而選則協(xié)同節(jié)點(diǎn)的選擇算法

3 協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)的中繼節(jié)點(diǎn)選擇技術(shù)算法分析

3.1 隨機(jī)選擇算法

隨機(jī)中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法就是指信息源與終端節(jié)點(diǎn)在信息傳遞過程中對(duì)所需要使用的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)分類和選擇，隨機(jī)選擇算法是所有的算法中最簡(jiǎn)單的一個(gè)，但是由于節(jié)點(diǎn)與所需要傳遞的信息的適配性無法計(jì)算，也無法對(duì)信息收發(fā)環(huán)境進(jìn)行分析，所以該方法經(jīng)常處于時(shí)好時(shí)壞的情況，對(duì)于信息的傳遞非常不利，導(dǎo)致通信協(xié)作網(wǎng)絡(luò)性能并不穩(wěn)定。

3.2 機(jī)會(huì)選擇算法

機(jī)會(huì)選擇算法是基于信道衰落程度信息中，對(duì)瞬時(shí)信道信息進(jìn)行分析和計(jì)算選出節(jié)點(diǎn)的一種算法，該方法在信息源節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行對(duì)信道信息的分析，從適合的節(jié)點(diǎn)集里選出最適合的節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作過程。具體的分析要結(jié)合信道系數(shù)與相位，具體操作時(shí)信息源節(jié)點(diǎn)將對(duì)所有的中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求發(fā)送指令信息，而終端節(jié)點(diǎn)回復(fù)允許發(fā)送指令信息，并同樣將該信息發(fā)送到中繼節(jié)點(diǎn)。將可以正常進(jìn)行請(qǐng)求發(fā)送/允許發(fā)送協(xié)議的中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行稽核，將協(xié)議信息傳輸中的信道信息利用相關(guān)計(jì)算方法進(jìn)行估算和分析和每一個(gè)節(jié)點(diǎn)所需時(shí)間，篩選出需時(shí)最短的節(jié)點(diǎn)。如果需要多個(gè)節(jié)點(diǎn)，則進(jìn)行多次篩選，并對(duì)落選的節(jié)點(diǎn)發(fā)送相關(guān)通知，保證被選擇節(jié)點(diǎn)的正常工作。該方法優(yōu)點(diǎn)在于算法較為簡(jiǎn)單，不需要先進(jìn)行信息交互，但是缺點(diǎn)在于定時(shí)器需要實(shí)時(shí)更新并且可能出現(xiàn)定時(shí)器為零或者通知無法傳送的情況，發(fā)生信息傳輸?shù)幕靵y，導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定。

3.3 信嗓比門限選擇算法

信嗓比門限值算法需要中繼節(jié)點(diǎn)的接收信嗓低于終端節(jié)點(diǎn)，其不需要對(duì)信道進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和分析，也不需要數(shù)據(jù)傳輸來進(jìn)行選擇，對(duì)于整個(gè)信道系統(tǒng)來說，降低了能耗，且對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)的選擇較準(zhǔn)確，但是其復(fù)雜度很高并且隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大漲幅也很大。

3.4 聯(lián)合功率分配算法

功率是整個(gè)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，決定著網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，所以需要合理分配功率資源到中繼節(jié)點(diǎn)上，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的作用時(shí)間，從而提高通信性能。對(duì)節(jié)點(diǎn)的資源分配一般來說有等功率分配和注水功率分配，等功率分配的算法簡(jiǎn)單但是穩(wěn)定性弱，而注水功率分配方法需要建立多個(gè)獨(dú)立信道，算法復(fù)雜但是可以最大新都優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。

3.5 中繼節(jié)點(diǎn)選擇和功率分配聯(lián)合優(yōu)化

使用中繼選擇和功率分配兩種技術(shù)可以很大提升系統(tǒng)性能，在不同的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中的優(yōu)化方向是網(wǎng)絡(luò)性能有限的情況下通過最小化協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)功率的優(yōu)化以及在網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的能量小號(hào)的情況下將協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)能源效率最優(yōu)化。在單向中繼網(wǎng)絡(luò)中，上訴要求可以通過高信噪比與調(diào)節(jié)信息源節(jié)點(diǎn)的功率分配實(shí)現(xiàn)，而雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中較為復(fù)雜，但也是需要基于信嗓比門限選擇算法、信道選擇和實(shí)驗(yàn)。

3.6 中繼節(jié)點(diǎn)選擇和其他協(xié)同資源的聯(lián)合分配

在系統(tǒng)資源中，協(xié)同系統(tǒng)以及協(xié)同節(jié)點(diǎn)占據(jù)的比例是非常小的，只是一小部分，因此在當(dāng)前的研究工作當(dāng)中，需要把協(xié)同節(jié)點(diǎn)選擇以及其他的一些資源分配進(jìn)行綜合性的考慮，比如：寬帶以及功率等。在跨層聯(lián)合設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，可以大大的改善系統(tǒng)資源的性能。但是在這個(gè)過程中引入了比較多的變量以及優(yōu)化目標(biāo)，從而會(huì)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)造成較大的影響，在非常多的情況下，系統(tǒng)最優(yōu)問題逐漸的變?yōu)榉嵌囗?xiàng)式（NP）難問題。因此，如何找到可執(zhí)行的漸進(jìn)最優(yōu)算法以及找到適當(dāng)?shù)穆?lián)合優(yōu)化參數(shù)，屬于資源分配算法當(dāng)中重點(diǎn)考慮的問題。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)的中繼節(jié)點(diǎn)選擇技術(shù)進(jìn)行概述，列舉了幾種中繼節(jié)點(diǎn)的選擇算法以及多與功率分配聯(lián)合優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能的要點(diǎn)進(jìn)行說明，具體的方案設(shè)計(jì)和實(shí)施要需要進(jìn)一步研究。