基于AHMT放大转发协作网络中继选择算法

李丹丹，王 丹，侯云山

(河南科技大学 信息工程学院，河南 洛阳471023)

基于AHMT放大转发协作网络中继选择算法

李丹丹，王 丹，侯云山

(河南科技大学 信息工程学院，河南 洛阳471023)

对于单源多中继放大转发(Amplify and forward, AF)协作网络，传统中继选择方法存在难以在性能和复杂度之间取得折中的问题。结合最佳调和平均和SR门限算法，提出了一种基于AHMT( Approximate Harmonic Mean with Threshold, AHMT)中继选择算法。该算法首先在中继节点处设置信噪比门限值，然后将源S到中继R链路的瞬时信噪比大于门限值的中继作为待选中继。最后在待选中继集合中通过最佳部分信道AHMT算法选出最佳中继。仿真结果表明：与传统算法相比，所提算法不仅降低了系统的复杂度，而且性能更优，在高信噪比和中继个数较多时均可逼近传统最佳调和平均算法。

中继选择；放大转发；协作网络；复杂度

随着无线通信技术的快速发展，人们对数据传输速率和传输性能也提出了更高的要求。而现有的可用频谱资源也越来越趋于紧张，为了满足人们对数据传输速率和传输性能的要求，同时节约有限的频谱资源，出现了分集技术和多输入多输出(Muliti-lnput-Muilti-Output，MIMO)技术[1]。MIMO是一种能有效提高传输速率且很好地利用多径效应实现空间分集增益而不占用多余频谱资源的技术。但由于受终端尺寸，功耗和复杂度以及成本等诸多因素的限制，在移动终端上安装多个天线有一定的困难。因此，一种新的协作通信(Cooperative Communication)技术[2]应运而生。协作通信是一种广义的MIMO，融合了中继技术和分集技术的优势，能有效对抗信道的多径衰落，提高传输速度，从而获得空间分集。然而在协作通信技术中，往往存在多个潜在的中继节点，使用不同的中继节点将极大地影响协作通信的最终性能，则需要考虑“与谁协作”，即中继选择。如何合理、有效地从这些潜在中继节点中选择协同节点，制定协同策略是协作通信的研究重点。

Bletsas在文献[3]中综合考虑了两跳链路的瞬时信道信息，提出了一种分布式最佳中继选择算法。Y.ZHAO等人在文献[4]中，通过接收端SNR的累积密度函数进行一定近似，分析了单中继选择算法的错误概率，比较了选择一个中继参与协作和所有中继都参与协作的BER性能。文献[5]分别对最佳中继选择，最佳最差中继选择，最佳调和平均中继选择3种算法分集增益进行推导，证明了这3种算法能够达到满分集增益。文献[6]在DF协作网络中，针对不同种类信道状态信息提出了最佳中继选择算法。文献[7]在AF协作网络中，基于两跳瞬时信道信息，提出一种最佳中继选择方案。文献[8]研究了双向AF中继协作系统，在能够保证两条链路的平衡性前提下提出了双链路的中继选择算法并进行了功率分配，但复杂度较高。

在上述研究的基础上，本文结合最佳调和平均和SR门限算法，提出了一种灵活的基于AHMT中继选择算法。最后通过仿真证明，所提算法有效降低了系统的复杂度，同时提高了系统的整体性能。

1 系统模型

如图1所示，“考虑AF单向协作系统模型，其包括一个源节点S，一个目的节点D和N个中继节点i(i=1,2,…,N)。系统的每个节点配备单天线，且工作在半双工模式下。假设节点间信道为独立瑞利平坦衰落信道，并存在S到D的直传链路。

图1 系统模型

整个传输过程分为两个阶段。第一阶段：源节点S发送广播信号到中继节点和目的节点。中继节点i(i=1,2,…,N)和目的节点D的接收信号分别为

(1)

(2)

第二阶段：中继节点i(i=1,2,…,N)把来自源节点S的信号进行放大，并转发给目的节点D，则第i个中继到节点D接收的信号为

(3)

式中：xi=βysi是第i个中继节点转发的信号，β为放大倍数。

(4)

节点S到目的节点D、节点S到中继节点i(i=1,2,…,N)以及中继节点i(i=1,2,…,N)到目的节点D之间的瞬时信噪比γsd,γsi,γid分别为

(5)

所以，经过第i个中继节点转发的源节点S到目的节点D之间的信道容量Ci为

(6)

2 算法的提出

2.1 已有中继选择算法

传统中继选择算法不仅需要准确信道信息，而且需要额外的信令进行及时准确的反馈，且系统采用全分集发送方式。对于资源受限的无线网络来说，增加了系统的复杂度。以下介绍几种传统中继选择算法：

1)最佳SNR中继选择[9]

从所有中继中选择SNR最大的为最佳中继，数学表达式为

(7)

2)Maxmin中继选择[9]

先选择两跳链路的差者，再从所有中继中选出最佳的中继，数学表达式为

(8)

3)最佳调和平均中继选择[9]

对所有中继的两跳链路求调和平均值，选出最佳的中继。数学表达式为

(9)

在以上3种算法中，都综合考虑了2条链路的瞬时信噪比，其中，最佳调和平均中继选择算法系统性能最好，但复杂度高。文献[10]提出了SR门限算法，只考虑了部分链路的瞬时信道信息，因此复杂度低，并减少了中继节点的功率消耗；但缺点是总体性能却没有传统的最佳调和平均算法[5]性能好。因此，下面结合最佳调和平均算法和SR门限算法提出一种基于AHMT中继选择算法。

2.2 提出的AHMT中继选择算法

首先，在中继节点处设置信噪比门限值γth，比较第1跳链路的瞬时信噪比γsi与门限值γth的大小，若满足

(10)

则将该中继加入待选中继集合，这样待选中继集合中仅包括满足条件的部分中继，与所有中继都参加协作的网络相比，降低了系统复杂度。

定义部分信道AHMT表达式

(11)

最后，在待选中继集合中选择使部分信道AHMT表达式bi最大的中继Rbest，也即

(12)

提出的算法步骤总结如下：

1)设置中继节点处瞬时接收信噪比门限值γth；

3)比较瞬时信噪比γsi与门限值γth的大小，若γsi≥γth，将该中继加入待选中继集合中，转4)；否则转2)；

6)根据式(12)，选择出最佳中继Rbest。

和传统中继选择算法不同，提出的AHMT中继选择算法使用了门限值和部分信道信息，因此可通过对门限的选择和控制使系统在复杂度和性能之间取得折中。

3 仿真结果

3.1 仿真实验

本次仿真基于MATLAB7.0软件开发平台，将本文提出的AHMT算法与文献[9]中的最佳SNR算法、Maxmin算法及最佳调和平均算法以及文献[10]中的SR门限算法进行性能比较。假设每个传输帧有50个数据块儿，每个数据块儿长度为256，数据符号采用BPSK调制，门限值设为5dB。

图2中，仿真了中继个数N=4时不同中继选择算法BER的性能。结果表明：随着SNR的增加，不同选择算法BER性能都在增加。提出的方法性能在高信噪比处接近最佳调和平均中继选择算法，并优于其他算法。而且当SNR高时，性能优势更加明显。

图2 N=4不同中继选择算法BER性能比较

图3中，仿真了中继个数N=4时，不同中继选择算法信道容量性能比较。从图中可以看到：随着SNR的增加，信道容量在逐渐增加。在高信噪比时提出的算法性能与最佳调和平均中继选择算法性能接近，且获得了比其他方法更高的信道容量。

图3 N=4不同中继选择算法Capacity性能比较

图4给出了不同中继个数下中继选择算法BER性能变化曲线。假设SNR=10 dB。由图所知：随着N值增加，SR门限算法、最佳SNR算法、Maxmin算法误码率性能几乎保持不变，而最佳调和平均中继选择算法和提出的AHMT中继选择算法BER性能更好，且性能优于其他算法。

图4 不同中继个数下误码率性能比较

图5 不同功率限制下BER性能比较

3.2 复杂度分析

已有的最佳SNR中继选择、Maxmin中继选择、最佳调和平均算法，都采用的是穷举搜索方式，最佳SNR中继选择和最佳调和平均算法需计算N个中继两条链路的接收SNR与调和平均值，然后选择其值最大的中继，故复杂度为线性，即O(N)。Maxmin中继选择，先比较N个中继两条链路瞬时信道信息的值选出最差链路，再从中选择最佳中继，故复杂度也为O(N)。而SR门限算法，只需计算满足条件的中继，其复杂度为对数阶，即O(lbN)。假设j为不满足条件的中继个数，提出的AHMT算法，首先选出满足条件的部分中继N-j，然后从中选出最佳的中继，其复杂度为O(lbN)。可见最佳SNR中继选择，Maxmin中继选择，最佳调和平均算法，复杂度一样；SR门限算法与提出的AHMT算法复杂度也一样，所以这里只具体仿真分析复杂度高性能好的调和平均算法与提出的AHMT算法。

从表1中可以看到，随着中继数目N的增多最佳调和平均算法总运算次数在迅速增加，且增加速度远远大于提出的AHMT算法。由此可见，提出的AHMT算法降低了运算次数，从而系统的复杂度显著降低了。

4 结束语

本文针对传统中继选择算法复杂度高和性能差的问题，提出了一种新的基于AHMT中继选择算法。该方法通过对最佳调和平均选择算法和SR门限算法的改进，首先在中继节点处引入门限值，选择满足条件的部分中继集合，然后从中继集合中选择部分信道AHMT表达式最大的中继为最佳中继。仿真实验表明：该算法不仅降低了系统的复杂度，而且提高了系统的整体性能。

表1 调和平均算法与提出的AHMT算法性能比较

中继个数信噪比/dB最佳调和平均算法提出的AHMT算法参与协作中继个数总运算次数参与协作中继个数总运算次数4104242910101012053750105026003095510010100102006037063001050025100029688124N10N2N+N2N-jN+lb(N-j)+(N-j)2

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李丹丹(1989— )，女，硕士生，主研协作通信中继选择技术；

王 丹(1979— )，女，硕士生导师，主要研究方向为无线通信系统信号处理和计算机检测技术；

侯云山(1973— )，博士，副教授，主要研究领域为多传感器与自适应信号处理、协作通信。

责任编辑：闫雯雯

Based on AHMT Relay Selection Algotzrithm of Amplify and Forward Cooperative Network

LI Dandan，WANG Dan，HOU Yunshan

(InformationEngineeringCollege,HenanUniversityofScienceandTechnology,HenanLuoyang471023,China)

According to monophyletic relay amplify and forward collaborative network, because of the traditional relay selection method is difficult to achieve the compromise between performance and complexity. Combining with the best harmonic mean and SR threshold algorithm, and based on approximate harmonic mean with threshold relay selection algorithm are proposed. Firstly, algorithm introduced SNR threshold on relays. Then the source-relay link instantaneous SNR more than threshold method of relay nodes as candidate relay , and last in the candidate set of relay choose the best relay by the best part of AHMT algorithm. The simulation results show that compared with the traditional relay selection algorithm, the proposed algorithm not only reduces the complexity of the system and but also has better performance. And in high SNR and relay number is large close to harmonic average algorithm.

relay selection; amplify and forward; collaborative network; complexity

国家自然科学基金项目(61101167)；河南科技大学博士科研启动基金项目(09001409)；河南科技大学“青年学术技术带头人”项目(2014)；河南省科技攻关计划项目(112102210431)；河南省基础与前沿技术研究计划项目(142300410343)

TN925

A

10.16280/j.videoe.2015.22.025

2015-06-29

【本文献信息】李丹丹，王丹，侯云山.基于AHMT放大转发协作网络中继选择算法[J].电视技术,2015，39(22).