一种基于QoS的自适应混合协同传输方法及性能分析

李国彦， 张有光， 廖芒

北京航空航天大学 电子信息工程学院， 北京 100191

一种基于QoS的自适应混合协同传输方法及性能分析

李国彦， 张有光*， 廖芒

北京航空航天大学 电子信息工程学院， 北京 100191

理想的混合协同传输系统中，所有的中继节点都参与译码，将带来计算复杂度的提高、节点资源消耗的增加以及信息传输时延的增大。针对多节点的协同无线传输网络，提出了一种基于服务质量(Quality of Service, QoS)的自适应混合协同传输方法，并进行了性能分析，给出了系统误码率(Symbol Error Rate, SER)及中断概率的闭合表达式。该方法根据目的节点的QoS需求以及中继节点的信噪比(SNR)门限，动态地调整中继节点的传输模式，能够减小系统能耗，延长节点使用寿命。数值及仿真结果表明，基于中继节点信噪比门限的混合协同传输能够以较低的实现复杂度获得与理想的混合协同传输相近的性能，理论的性能分析结果与实际仿真结果相一致。

无线网络； 服务质量(QoS)； 混合协同； 误符号率； 中断概率

无线通信中，衰落是影响通信质量的主要因素，各类衰落都会导致差错率的上升，严重影响通信的可靠性。协同通信技术已经被证明是能够有效对抗无线信号衰落，提高无线通信系统可靠性的有效手段[1-4]。根据中继节点的工作方式，协同通信可分为再生中继传输与非再生中继传输[5-6]。非再生中继传输中，中继节点仅将接收到的源节点信号进行加权放大后转发到目的节点，也称做放大转发(Amplify-Forward, AF)；而再生中继传输中，中继节点则对接收的源节点信号进行解调、译码，获得原始信息，然后经重新编码与调制后转发到目的节点，也称做译码转发(Decode-Forward, DF)。相对于DF而言，AF实现较简单，能够降低中继节点信号处理的复杂性。然而，中继节点在放大有用信号的同时也放大了源-中继信道引入的噪声，因此AF方式存在噪声放大效应。对于DF，由于其需要中继节点的解调、译码、编码等处理，复杂度较高，节点能耗也较大，在中继节点正确译码的情况下，系统能够获得较好的性能。尽管DF不会带来噪声放大问题，然而在中继节点译码出现错误的情况下，这种错误会随着跳数的增加不断积累，从而影响到系统的分集效果。

混合协同传输(Hybrid Cooperation, HC)将AF和DF相结合，根据中继节点的译码结果来决定其是采用AF还是DF进行传输[7-10]。若中继节点能够正确译码，则工作于DF模式；否则，工作于AF模式。尽管HC能够同时利用AF和DF的优势，最大限度地抑制了AF中的噪声放大及DF中的错误传播所带来的影响，然而，在多节点协同传输的情况下，各中继节点工作于HC模式需要其首先进行译码，之后根据译码结果来决定所采用的传输方式，虽然这种方式能够提升系统性能，然而每个中继节点都参与译码势必会带来系统复杂度及节点资源消耗的增加以及信息传输时延的增大。此外，系统的输出信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)能够反应系统多个方面的性能，例如误码率、中断概率等，因此，可以用系统的输出信噪比作为目的端服务质量(Quality of Service, QoS)的度量来设计相应的低复杂度、低能耗协同传输策略。本文针对多节点协同传输的场景，从接收端的QoS约束出发，提出了一种自适应的混合协同传输方法并对其进行了性能分析。该方法能够实现系统性能与复杂度的有效折中，能够节省系统资源，减小节点能耗，延长节点的使用寿命，便于在实际无线网络中应用。

1 系统模型

考虑如图1所示的多节点协同无线网络传输模型，其中包括1个源节点S，1个目的节点D以及N个中继节点Ri(i=1,2,…,N)。源节点S在中继节点的帮助下将信息发送到目的节点D。中继节点受到半双工的约束，即节点不能在同一频率上同时收发信息。

图1 系统模型Fig.1 System model

源节点S到目的节点D的信息传输分为两个阶段：在第1个阶段，源节点S发送信息，中继节点Ri和目的节点D接收信息；在第2个阶段，各中继节点Ri通过正交信道(时间、频率、码字)采用AF或DF方式将接收到的信息转发到目的节点，目的节点对两个阶段的接收信号进行最大比合并(Maximal Ratio Combining, MRC)后检测。假设信道为准静态的平坦衰落信道，目的节点可以获得准确的信道状态信息。

ySRi=hSRix+nSRi

(1)

ySD=hSDx+nSD

(2)

式中：hSD、hSRi分别为S-D和S-Ri链路的信道衰落系数；nSRi、nSD分别为中继节点Ri和目的节点D处的均值为零、方差为σ2的复高斯噪声随机变量。

在第2个阶段，若中继节点Ri采用AF方式转发接收到的信号，则目的节点D接收到的来自中继节点Ri的信号yRiD可以表示为

yRiD=hRiDβiySRi+nRiD

(3)

式中：hRiD为Ri-D链路的信道衰落系数；nRiD为目的节点D处的零均值复高斯噪声随机变量，不失一般性，假设各噪声项nSRi、nSD、nRiD相互独立且具有相同的方差σ2(i=1,2,…,N)；βi为中继节点Ri处的放大因子，由式(4)给出：

(4)

式中：PRi为中继节点Ri的发射功率。

将式(1)、式(4)代入式(3)中，则目的节点的接收信号yRiD可以重新表示为

yRiD=hRiDβi(hSRix+nSRi)+nRiD=
βihRiDhSRix+βihRiDnSRi+nRiD

(5)

(6)

式中：上标*表示共轭。进一步，将式(2)、式(4)、式(5)代入式(6)中，可得系统的输出信噪比γT为

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

2 自适应混合协同传输

理想的基于循环冗余检验编码的多节点混合协同传输系统中，所有中继节点都需要参与译码，这将带来计算复杂度的提高、节点资源消耗的增加以及信息处理时延的增大。同时，在协同通信系统中，有效降低系统能耗是移动网络绿色化的一种解决方案。因此，在实际应用时，为了减小实现复杂性，可以在中继节点设置一个信噪比门限γthreshold，根据节点的接收信噪比与γthreshold之间的关系来确定中继节点的传输方式。目前，已有一些文献对节点译码信噪比门限的选择进行了研究，然而采用解析的方法给出最优的译码门限仍然是一个具有挑战性的问题[11-13]。此外，对于一个通信系统，其误码率(Symbol Error Rate, SER)、中断概率等都可以描述为系统输出信噪比的单调递减函数，因此，这里以系统的输出信噪比作为QoS参数，给出一种基于接收端QoS的自适应混合协同传输方法。在该方案中，预先给定目的节点的QoS需求(接收信噪比门限γth)，目的节点根据获得的信道状态信息形成关于各中继节点传输模式的最佳判决向量，之后将判决结果通过控制信道发送到中继节点，中继节点根据接收到的信息调整其传输模式。相对于理想的混合协同传输，这种基于QoS的混合协同传输不需要所有中继节点都参与译码，实现简单，能够减小节点能耗，便于在实际网络中应用。具体实现流程如下：

1) 初始阶段根据系统性能要求，在目的节点设置信噪比门限γth，源节点S以广播方式向目的节点和中继节点发送导频信号。各中继节点Ri采用AF方式转发接收到的源信号到目的节点，目的节点采用MRC合并接收信号并计算输出信噪比γT，由式(7)给出。

2) 定义z=[z1z2…zN]，其中zi表示第i个中继节点所采用的传输方式：

zi={

1 AF
0 DF

3) 将2)得到的信噪比γ与门限γth进行比较。若γ≥γth，执行5)。若γ<γth，则目的节点将剩余中继节点中最大的源-中继链路信噪比γSRk与γthreshold进行比较。若γSRk≥γthreshold，则调整此中继节点的传输模式为DF，并置相应的标识zk为0，同时，目的节点重新计算输出信噪比γ，执行4)；若γSRk<γthreshold，则该中继节点保持传输方式不变，执行5)。

4) 重复3)的操作，直到γ≥γth。若最终γ<γth，则将z置为对应于最大γ时的判决向量，执行5)。

5) 目的节点将判决向量z通过反馈控制信道发送到中继节点，中继节点根据接收到的信息在接下来的传输中调整传输模式。

在无线网络中，目的节点相对于其他节点较容易获得信道的状态信息，目的节点在得到了关于各中继节点传输模式的判决向量后，为实现节点间的协同传输，还需要额外的控制协议提供支持，用于向中继节点传输协同控制信息。这里并不介绍如何传输这种信息，而是着重说明需要传输何种信息。由于每个中继节点只有AF和DF两种传输模式，因此只需1个比特就能够表征该节点的传输模式，N个中继节点只需N个比特就能够表征(实际网络中N并不是很大)。此外，由于信道的广播特性，如果使用独立的控制消息，只需1个控制消息(目的节点的判决向量)就能够实现节点间的协同传输。因此，所提出的自适应混合协同传输方法具有较小的控制开销。同时，由于并不需要所有的中继节点都进行解调、译码等处理，因此相对于理想的混合协同传输具有较低的复杂性。

3 SER性能分析

(12)

式中：Pr(Θm)表示集合Θm的概率；Pe|Θm表示在译码集合为Θm时，目的节点的条件SER。

(13)

式中：pd,Ri表示节点Ri成功译码的概率。

pd,Ri=Pr(γSRi>γthreshold) =e-λSRiγthreshold

(14)

将式(14)代入式(13)中，可得

(15)

利用矩生成函数(Moment Generating Function, MGF)的方法[14]，在译码集合Θm下，目的节点的SER可以表示为

(16)

(17)

式中：EγA{·}表示对随机变量γA求期望。

在高信噪比的情况下(γ0≫1)，式(17)可以近似表示为

(18)

γj≤γup,j=min(γSRj,γRjD)

(19)

式中：γup,j的累积分布函数Fγup,j(γ)可以表示为

Fγup,j(γ)=Pr(min(γSRj,γRjD)≤γ)=
1-Pr(min(γSRj,γRjD)>γ)=
1-[1-FγSRj(γ)][1-FγRjD(γ)]=
1-e-(λSRj+λRjD)γ

(20)

式中：FγSRj(γ)和FγRjD(γ)分别为γSRj和γRjD的累积分布函数。

由式(20)可知，γup,j服从参数为λγup,j=λSRj+λRjD的指数分布。因此，其MGF可以表示为

(21)

在高信噪比的情况下，式(21)可以表示为

(22)

将式(19)代入式(11)中，可得

(23)

由于各链路的信道衰落相互独立，因此，根据式(23)可得γup的MGF为

(24)

进一步，将式(17)、式(21)代入式(24)中，可得

(25)

对式(25)采用部分分式展开可得

(26)

将式(26)代入式(16)中，再结合式(12)、式(15)，得到系统的SER为

(27)

式中：

(28)

式中：

4 中断性能分析

在译码集合Θm下，当目的节点的输出信噪比低于预设的信噪比门限，即γ<γth时，就认为出现中断，相应的概率Pr|Θm(γ<γth)为中断概率[19]。在图1所示的混合协同传输系统中，其中断概率Pout可以表示为

(29)

式中：Pr|Θm(γ)为给定集合Θm时的中断概率，可以表示为

Pr|Θm(γ)=Pr|Θm(γ<γth)=Fγ|Θm(γth)

(30)

式中：Fγ|Θm(·)为γ的累积分布函数。

为便于进一步分析，这里采用式(23)给出的结果。对式(26)进行逆拉普拉斯变换，得到γup的概率密度函数pγup(γ)为

(31)

在式(31)中对γ积分，得到γup的累积分布函数Fγup(γ)为

(32)

将式(32)代入式(30)中，并令γ=γth，得到给定集合Θm时的中断概率为

(33)

进一步，将式(13)、式(30)、式(33)代入式(29)中，系统的中断概率可以表示为

(34)

5 仿真结果与分析

本节通过计算机仿真对提出的混合协同传输方法及理论的性能分析结果进行验证。首先给出不同中继节点数的情况下，目的节点的信噪比门限γth与所需要的DF中继节点数之间的关系。相对于AF方式而言，由于DF方式需要中继节点进行解调、译码、重新编码等处理，因此其实现复杂度较高，相应的能耗也较大，所以DF中继节点数目的多少在一定程度上也反应出系统能耗的高低以及节点使用寿命的长短。相对于理想的混合协同传输，所提出的自适应混合协同传输方法能够根据目的节点的性能需求动态地调整中继节点的传输模式，不需要所有中继节点都进行解调、译码等处理，因此其复杂度及能耗也较低。

图2给出的是在中继节点数N=3,4,…,10的情况下，为达到接收端的信噪比门限所需要的平均DF中继节点数，其中参数设置为：中继节点的译码信噪比门限γthreshold=5；各节点间的信道为瑞利衰落信道，信道衰落系数是零均值，方差为1的复高斯随机变量；源节点S及各中继节点Ri(i=1,2,…,N)的发射信噪比为10 dB；节点处的噪声方差σ2=1。从图2中可以看出，在目的节点的信噪比门限γth较低时，所有中继节点工作于AF模式即能满足要求。随着信噪比门限的提高，所需要的DF中继节点数随之增加且当门限增大到一定值时，需要所有能够正确译码的中继节点都参与DF传输。例如当N=10，γth>25 dB时，则需要所有的DF中继节点参与DF传输以提高接收性能；而当γth=18 dB时，则只需3个DF中继节点参与DF传输，而并非所有能够正确译码的节点都参与DF传输。因此，目的节点可以通过选择合适的信噪比门限来达到通信质量与系统能耗的折中。

图2 DF中继节点数与信噪比门限γth的关系Fig.2 Number of DF relay node versus SNR threshold γth

图3 SER随信噪比的变化曲线(N=1)Fig.3 SER versus SNR (N=1)

图4 SER随信噪比的变化曲线(N=2)Fig.4 SER versus SNR (N=2)

下面给出混合协同传输系统的中断性能以及文中理论分析中断性能结果的仿真与分析。

图5 中断概率随信噪比的变化曲线(N=1)Fig.5 Outage probability versus SNR (N=1)

图6 中断概率随信噪比的变化曲线(N=2)Fig.6 Outage probability versus SNR (N=2)

6 结 论

1) 在多节点协同无线传输网络中，提出了一种基于QoS的自适应混合协同传输方法，该方法根据目的节点的QoS需求动态地调整中继节点的传输模式，能够减小系统能耗，延长节点使用寿命，降低信息传输时延。从分析结果可以看出，随着目的节点信噪比门限的增加，所需要的DF节点数随之增加，这意味着系统的能耗随之增加，因此可以通过选择合适的信噪比门限来达到通信质量与系统能耗的折中。

2) 基于中继节点信噪比门限的混合协同传输能够以较低的实现复杂度获得与理想的混合协同传输相近的误码率以及中断性能，便于在实际的无线网络中应用。

3) 理论的SER及中断性能分析结果与实际的仿真结果相一致，表明了理论分析的正确性，给出的结果有利于采用解析的方法来分析混合协同传输系统的性能。

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MethodandPerformanceofQoS-basedAdaptiveHybridCooperativeTransmission

LIGuoyan,ZHANGYouguang*,LIAOMang

SchoolofElectronicsandInformationEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,China

Inanidealhybridcooperativetransmissionsystem,allrelaynodesareinvolvedindecodingthe

signalsfromthesource,whichwillresultinanincreaseincomputationalcomplexity,resourceconsumptionandtransmissiondelay.Inthispaper,anovelqualityofservice(QoS)-basedadaptivehybridcooperativetransmissionmethodisproposedinamulti-relayassistedwirelesstransmissionnetwork.Thesymbolerrorrate(SER)andoutageprobabilityperformanceoftheproposedmethodareanalyzedandtheiranalyticalexpressionsaregiven.ThismethodcanadjustthetransmissionmodeoftherelaynodesadaptivelyaccordingtotheQoSrequirementatthedestinationandthethresholdofsignal-to-noiseratio(SNR)attherelaynodes.Therefore,theresourceconsumptionofthesystemcanbereducedandthelife-spanoftherelaynodescanbeextended.NumericalandsimulationresultsshowthattheperformanceoftheSNRthresholdbasedhybridcooperativetransmissionisclosetothatoftheidealhybridcooperativetransmissionwhiletheformerhaslowerimplementationcomplexity.ThetheoreticalperformanceanalysisisconsistentwiththeresultsofactualMonteCarlosimulation.

wirelessnetwork;qualityofservice(QoS);hybridcooperation;symbolerrorrate;outageprobability

2011-11-29；Revised2011-12-15；Accepted2012-02-20；Publishedonline2012-03-051108

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20120305.1108.004.html

s：NationalBasicResearchProgramofChina(2010CB731803);NationalScienceFoundationforInnovativeResearchGroupsofChina(60921001);NationalNaturalScienceFoundationofChina(61071072)

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2011-11-29；退修日期2011-12-15；录用日期2012-02-20； < class="emphasis_bold">网络出版时间

时间：2012-03-051108

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20120305.1108.004.html

国家“973”计划(2010CB731803);国家创新研究群体科学基金(60921001);国家自然科学基金(61071072)

.Tel.：010-82339530E-mailzhangyouguang@vip.sina.com

LiGY,ZhangYG,LiaoM.MethodandperformanceofQoS-basedadaptivehybridcooperativetransmission.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2012,33(9):1688-1696.李国彦，张有光，廖芒．一种基于QoS的自适应混合协同传输方法及性能分析．航空学报,2012,33(9):1688-1696.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

1000-6893(2012)09-1688-09

V443.1； TN925

A

李国彦男，博士研究生。主要研究方向：无线网络、数据链通信和协同通信技术。

Tel: 010-82324390

E-mail: lgy198211@ee.buaa.edu.cn

张有光男，博士，教授，博士生导师。主要研究方向：通信网络理论与技术、宽带无线通信和信号处理。

Tel: 010-82339530

E-mail: zhangyouguang@vip.sina.com

廖芒女，博士研究生。主要研究方向：通信网络理论与技术、MIMO与协同通信技术。

Tel: 010-82339530

E-mail: liaomang87@163.com