DF协同通信网络两种机会中继选择策略研究

康虹

摘 要：本文針对DF协同通信网络，对两种机会中继选择策略的系统中继概率和复杂度进行了分析，其一是分布式机会中继，通过引入定时器，由各个中继节点根据本地信道状态信息竞争选出最佳中继，其二是集中式机会中继，由目的节点选择候选中继集合中瞬时信噪比最大的节点作为最佳中继。仿真结果表明，集中式机会中继的中断概率性能在高SNR时略优于分布式机会中继策略，但其复杂度和系统开销较高。

关键词：协同通信；译码转发；机会中继；中断概率；复杂度

协同通信通过彼此共享网络内不同终端节点的信道资源，构成虚拟多天线阵而获得空间分集增益，能够有效抵抗无线信道的衰落效应。在多中继节点网络，如何选择合适的中继节点参与协同是一个关键问题，不同的中继选择策略实现复杂度不同，并对系统性能产生不同的影响。文献[1]分析了“全中继”转发策略的协同系统的性能，由于系统中存在多个中继，要求各链路满足正交特性以减小信道间干扰，导致频谱效率降低，当中继数过多时，引起的性能损失会相当明显。为了弥补“全中继”协同的不足，文献[2-4]提出了机会中继选择策略，通过选择一个最佳中继进行信息转发，可获得与“全中继”协同或更为复杂的分布式空时编码时相同的分集增益性能，同时提高了频谱效率，降低了系统实现的复杂度。本文主要针对DF协同通信网络，分析两种机会中继选择策略下的系统中断概率和计算复杂度，并通过数值分析和仿真进行比较。

1 系统模型

在DF协议下，分布式机会中继和集中式机会中继协同通信网络模型如图1所示。系统中包括1个源节点S，1个目的节点D和 M个中继节点Ri（i=1，2，L M）。假设各节点仅有一根天线并工作在半双工模式，中继的半双工特性使目的节点对接收到的信号能够采用最大比合并技术进行解码。系统中所有信道均相互独立，且为慢衰落瑞利信道。任意节点i和j之间的信道系数hij服从零均值、方差为σ2ij的复高斯分布。信道噪声服从零均值、方差为N0的复高斯分布。假设各节点的发射功率均为P，记平均信噪比为SNR，则有SNR=P/N0。设数据流的目标速率为R。

⑴在分布式机会中继策略中，网络中所有的潜在中继节点Ri都监听源节点发送的RTS（Ready-To-Send）分组和目的节点回复的CTS（Clear-To-Send）分组，并根据所接收的RTS和CTS分组分别估计其与源节点和目的节点间的信道状态hsi和hid。则中继Ri的信道度量参数为

每个中继节点Ri设置定时器为hi的倒数，则具有最佳端到端路径的中继节点的定时器会最先超时，并向整个网络广播一个标志分组以表明其是最佳中继。最佳中继选出后，源节点发送信息给最佳中继节点，并由最佳中继向目的节点进行解码转发。

⑵在集中式机会中继策略中，源节点首先采用广播模式向所有中继节点发送数据，能够正确解码源节点信息的中继构成候选中继集合Ω，中继Ri∈Ω向目的节点发送训练序列。目的节点根据接收到的训练序列估计hid，选取瞬时信噪比最大的节点作为最佳中继。最后被选中的最佳中继向目的节点转发源节点信息。

中继节点Ri能够正确解码源节点信息，要求源节点S到Ri的瞬时信噪比γsi不小于信噪比门限γth，则候选中继集合Ω为

2 性能分析

2.1 中断概率

⑴分布式机会中继策略选取的最佳中继是具有最佳端到端瞬时信噪比的节点，其中端到端瞬时信噪比用源-中继瞬时信噪比和中继-目的节点瞬时信噪比的最小值描述，则最佳中继的选择准则可描述为

令 ，则Wi服从参数为 的指数分布，即

系统中断概率为

⑵集中式机会中继策略的最佳中继选择准则如式（3）所示。

2.2 复杂度

分布式机会中继策略的最佳中继选择过程由各个中继节点仅根据本地信道状态信息（channel state information，CSI）来完成，不需要每个中继或目的（中心）节点已知全局CSI。当最佳中继选出后，只有最佳中继接收源节点信息，其余未选中的中继节点则处于空闲状态。而集中式机会中继策略需要网络中所有中继节点监听接收源节点信息并进行解码，其最佳中继选择过程由目的（中心）节点根据全局CSI计算完成，并需要将选择结果通过一个低速率的信道反馈给被选中继。

因此，与集中式机会中继策略相比，分布式机会中继策略的中继节点解码次数少，系统实现复杂度更低，同时能够减少网络中的功率（能量）开销和控制开销，更适用于能量受限的网络，例如Ad hoc网络或无线传感器网络。

3 仿真结果和分析

本节主要采用蒙特卡洛仿真对分布式和集中式机会中继选择策略的中断概率性能进行比较。仿真中设置信道系数的方差为σ2ij=1，目标速率为R=1。图2给出了两种策略下的中断概率随信道平均信噪比和潜在中继个数的变化关系，横轴表示中继到目的节点的平均信噪比值，纵轴表示系统中断概率。

从图2中可以看出，两种策略的仿真值均在理论曲线附近，从而验证了理论分析的正确性。当潜在中继个数一定时，两种策略在低SNR时的中断概率几乎重合，但随着SNR的增加，集中式机会中继策略的中断概率性能略优于分布式机会中继策略。另外，两种策略的中断概率都随着潜在中继个数的增加而减小。

4 结束语

机会中继通过选择一个最佳中继进行信息转发，获得与更为复杂的分布式空时码相同的分集增益。本文主要研究了DF协同通信网络中的分布式和集中式机会中继选择策略，对两种策略的中断概率性能和复杂度进行了分析和比较。与集中式机会中继策略相比，分布式机会中继策略的实现复杂度较低，网络中功率开销和控制开销更少，更适用于能量受限的网络，但其在高SNR时的中断概率性能略差。

[参考文献]

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