慢衰落信道环境下中继节点的优化选择方案

端木春江 王培 杨永铎

摘要： 在协同通信技术中，中继节点的选择是一个重要的研究方向。在以往的文献中，只考虑了单径信道下的中继节点选择，而在实际情况下，通信信道是多径衰落的。为此，提出了一种多径慢衰落信道环境下的最优中继的选择方案。实验结果显示，利用此方案选出的最优中继节点往往不是传统的只考虑单径情况下所选出的最优中继节点。因此，所提出的方案更符合协同通信中的实际情况，并可在较大程度上提高系统的性能。

关键词： 协作通信； 中继节点； 中继节点的最优选择； 慢衰落信道

中图分类号：TN925文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2012）03-37-03

A selection scheme for optimal relay nodes under slowly fading channel environment

Duanmu Chunjiang, Wang Pei, Yang Yongduo

（Zhejiang Normal University, Jinhua， Zhejiang 321004， China）

Abstract： Selection of optimal relay node is an important problem in cooperative communications. In the previous literature, only single-path channel environments were considered, while in reality, communication channels are mostly multi-path fading channels. For this reason, it is proposed in this paper a selection scheme for optimal relay nodes under a multi-path fading channel environment. The experimental results demonstrate that the optimal relay nodes selected by this scheme are usually not the optimal relay nodes selected by the conventional methods, which only consider single-path. Thus, this scheme is more suitable for real environments and may significantly boost system performance.

Key words： cooperative communications； relay node； optimal relay node selection， multi-path fading channels

0 引言

与直接通信相比，协作通信能提供空间分集增益，实现目标用户高速、高可靠性的数据传输。协作通信技术利用多个不同用户的天线组成虚拟天线阵，从而获得多输入多输出（MIMO）系统的性能增益。其概念最早由Sendonaris[1，2]等人提出；Laneman[3]等人研究了瑞利衰落环境下的各种协作通信协议，如解码转发、放大转发等，并将由协作带来的分集称为协作分集。

协作分集的基本思想是源节点通过中继的帮助向目的节点发送信息。协作通信中的一个关键问题是如何分配和管理中继节点，有很多文献都对此进行了研究。文献[4-5]提出了基于单个中继节点的最佳中继节点选取算法。文献[6-7]分别对基于放大转发（AF，amplify-and-forward）和译码转发（DF，decode-and-forward）中继系统的中继节点选择算法进行了研究。文献[8]为了避免多个中继同时竞争最佳中继而出现冲突导致失败，引入候选节点限制策略，从而在实现快速选择节点的同时降低了选择失败的概率。文献[9]提出一种改进的最佳中继选择算法，在源站受到最佳中继发出的标志分组后发送选择确认消息，中继节点在冲突发生后进行回避。文献[10]分析了解码中继（DF）情况下协作传输的中断概率。但是这些文献中讨论的都是单径信道下的信号传输和中继节点的选择问题，而没有考虑多径衰落信道下的中继选择问题。为此，本文针对放大转发协作通信网络，以降低系统误码率为目标，进行多径信道下的中继节点的优化选择。

1 系统模型

图1协作通信系统模型

协作通信的系统的模型如图1所示。此系统中除有源节点到目的节点之间的信道外，还存在源节点到各中继节点以及各中继节点到目的节点之间的信道。最优中继的选择问题，是要从所有的候选的中继节点中选择一个最优的节点以辅助源节点的信息传输。

在已有的文献中，都假设源节点到目的节点、源节点到各中继节点、以及各中继节点到目的节点间的信道是单径的，即只存在一个信道增益。而在实际情况中，由于信号的反射和折射等原因，源节点到目的节点、源节点到各中继节点，以及各中继节点到目的节点间的信道都是多径衰落的，即每两个节点之间存在着多条可达路径，各条路径上都具有相应的信道增益。因此，本文将讨论在实际情况下协同通信中的中继节点的选择问题，以使所提出的方案更符合实际的情况和提高系统的实际性能。

图2多径衰落的二进制数字接收机的系统模型

图2是一个具有多径衰落的二进制数字接收机的系统模型。系统信道有L条路径传送携带有相同的信息的信号，假设每条路径为频率非选择的、慢衰落的且其包络统计特性为瑞利分布，再假设L条路径之间的衰落过程是相互统计独立的，每条路径的信号受到零均值加性高斯白噪声过程的恶化。

因为L条路径的噪声过程是相互统计独立的，且具有相同的自相关函数。于是，第L条路径上的信道等效低通接收信号为

（k＝1，2…，L，m＝1，or 2） ⑴

式中，表示L条路径的衰减因子和相移，skm(t)表示第k条信道的第m个信号值，zk(t)表示第k条路径上的加性高斯白噪声。在集合{skm(t)}内的所有信号具有相同的能量。这里假设传输中使用的是BPSK调制方法。

2 多径衰落信道下的中继节点的优化选择方案

这里中继节点的选择是从最小误码率的目标来考虑的。由通信原理的基本知识可知，在接收机最大比合并的情况下，从节点A到节点B的多径信道的误码率可表示为：

⑵

其中，对于BPSK的调制方法发射信号间的相关系数ρr=-1，Q(x)的定义为：

⑶

从节点A到节点B的平均信噪比，其定义为：

⑷

其中，PA为发射节点A的发射功率，N0为噪声的平均功率，为从节点A到节点B的第k条路径上的增益的模。

这样，可以利用式⑵来计算多径衰落情况下从源节点S到第i个候选中继节点Ri之间的误码率。在第i个候选节点Ri接收正确的情况下，通过单个Ri的辅助，从源节点到目的节点之间的误码率可表示为：

⑸

其中γi的定义为

⑹

式⑹中，PS为源节点S的发射功率，PRi为中继节点Ri的发射功率，一般情况下要求总功率PS+PRi不能超过一门限值P。为从源节点S到目的节点D之间的第S条路径上的增益的模，为从中继节点Ri到目的节点D之间的第m条路径上的增益的模。在第i个候选节点Ri接收不正确的情况下，它不发射功率，即此时它不能辅助信息的传输。此时，从源节点到目的节点之间的误码率可表示为：

⑺

其中φi的定义为：

⑻

这样，当选中单个第i个中继节点Ri时，其平均误码率可表示为：

⑼

在本论文所提出的算法中，将根据Pe(i)的值的大小，选择使误码率Pe(i)最小的中继节点m*作为最优中继节点，即：

⑽

3 仿真结果与分析

图3采用所提出的方法和传统的方法的对比效果图

我们设计了一个试验来验证所提出的算法能带来性能的较大提高。现假设有两个候选的中继节点，其中源节点S到中继节点S的多径衰落信道的增益的模分别为6，2，1，1，1，中继节点R1到目的节点的多径衰落信道的增益的模分别为10，3，2，1，1。源节点S到中继节点R2的多径衰落信道的增益的模分别为5，4，4，4，4，中继节点R2到目的节点的多径衰落信道的增益的模分别为9，8，8，8，8。源节点S到目的节点D的多径衰落信道的增益分别为3，2，2，1，1。噪声的功率谱N0=1，源节点S和所选择的最优中继节点平分总功率。在这种情况下，传统的中继选择算法会选择中继节点R1作为最佳中继节点，因为从源节点S到中继节点R1的主径6大于从源节点S到R2的主径5，同时中继节点R1到目的节点D的主径10大于中继节点R2到目的节点的主径9。而在本论文所提出的方法中，会选择中继节点R2作为最优中继节点（因为在实际情况下Pe(2)

4 结束语

本文提出的最优中继节点的选择方案，由于考虑了实际通信系统中的多径效应，因此更符合和贴近实际情况。仿真结果显示，本方案可在很大程度上提高系统的性能，即在同样的误码率的要求下，大幅减少系统的发射总功率。

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