基于Ad hoc网络的最佳中继选择方案研究

刘德文（南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏南京210003）

基于Ad hoc网络的最佳中继选择方案研究

刘德文
（南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏南京210003）

针对多个源节点和目的节点的Ad hoc网络，提出了基于有限反馈的分布式最佳中继选择方案。该方案通过有限反馈，选出信道条件最好的作为中继节点。解决最佳中继冲突问题时，提出用最大化传输链路功率算法解决中低SNR时的功率分裂问题，使有限的总功率能够获得最大的成功传输数目。仿真结果表明，该方案具有更好的中断率性能，有效降低了中继选择时的信息交互开销，提高了系统的性能。

Ad hoc网络；反馈；最佳中继选择；功率分配

0 引言

Ad hoc网络是一种全分布式的无线分组网络，组成网络的节点既是通信终端，又具有路由器的功能，可自由移动，无需固定基础设施的支持。对于分簇结构的Ad hoc网络，地理上相近的多个节点按照一定的规则构成不同的虚拟组（称为簇），并通过这些簇间的进一步连接实现全网的连通[1]。

同一簇内，如果使用传统的工作方式，源节点和目的节点之间的通信由簇头来转发，簇头控制节点业务量太多，会产生瓶颈，故要使用中继转发。因此对Ad hoc网络中最佳中继协作方案的研究一直是重点也是热点。参考文献[2]中详细研究了无反馈的选择协作方案，基于的信道环境为Nakagami-m衰落。参考文献[3]中介绍了多次传播编码协作背景下机会中继的中断率性能。参考文献[4]介绍了多点干扰环境下机会中继的中断率性能。以上协议中都假设系统获取全反馈，即全部链路的信道状态信息（CSI[5]），但是全反馈的开销很大，对于现在很多网络系统负担较大。若采用有限的部分反馈，如源-中继节点链路的CSI，则开销会小很多。参考文献[6]介绍了超过设定门限值的中继进行有限反馈的方法。参考文献[7]分析了有限反馈延迟和信道估计误差的再生中继选择协作方案。参考文献[8]对机会中继在通用信道中基于反馈协作进行理论分析。在通用衰落模型Nakagami-m环境中，存在反馈的选择协作的分集性能，有待进一步研究。参考文献[9]介绍了一种通过中继和目的节点间的有限信息反馈选择最佳中继的中继选择策略。这些协议也要求系统能精确获得反馈信息，实际系统实现较为困难。

本文在现有选择方法的基础上，针对多个源节点和目的节点的Ad hoc网络[10]，对簇内中继选择的问题进行了研究，提出了有限反馈的分布式多个源节点和目的节点的最佳中继选择方案，从SNR角度，提出了最大化传输链路的功率算法解决最佳中继冲突问题。仿真结果表明，相比之前的多源多目标Ad hoc网络中的选择协作方法，本文的协作方案有效降低了中继选择时的信息交互开销，拥有更好的中断率性能，明显改善了网络传输性能。

1 系统模型

系统模型如图1所示，本文所研究系统是一个多源多目标的Ad hoc协作网络。假设中继协作系统由L个源节点、L个目的节点构成，令源节点为si，目的节点为di，其中源节点si∈S，对应的目的节点di∈D。源节点si对应的最佳中继节点为b（b为原来的源节点sj，即每个源节点可能充当其余L-1个源节点的中继），它们之间的信道值分别为。假设信道值全为准静态信道，为循环对称复高斯随机变量，且独立同分布，方差为1，均值为0。

图1 中继协作网络系统模型

某个源节点和被选定为中继的另外一个源节点在传输时都使用相同的码本，所有的数据传输都使用正交方式。令节点i和节点j之间的信道值为hi，j、成型因子为ki，j、扩展因子为θi，j。本文的Nakagami-m可以看作通用衰落模型，当ki，j=（K+1）2/（2K+1）时，它可近似表述衰落因子为K的Rician分布；当ki，j=1时，它可退化为Rayleigh分布；当ki，j→∞时，它表示没有衰落的直视传输情况。

系统的干扰噪声服从CN（0，σ2）分布，为独立同分布的白高斯噪声。接收节点接收的平均信噪比为（SNR）：ρ=P/σ2，其中P为节点的发射功率。另外在发送前，节点不能通过自身获取信道状态，即各节点只能通过接收数据来获取所需的CSI。

2 最佳中继协作策略研究

2.1 基于有限反馈的最佳中继选择协作方案

本文研究对象是Ad hoc中的多个源节点和目的节点的网络[11]，针对目前协议存在的开销大和传输效率低的问题，通过对其进行改进和完善，提出一种基于有限反馈的全分布式中继协作方法。

假设发送的数据帧长为N bit，发送时间为Tf，速率为R bit/Hz，将N分为两个子帧N1、N2发送。定义一个α，有N1=αN，N2=（1-α）N，αTf用来发送N1，（1-α）Tf发送N2。

方法如下：

（1）规定的αTf时间里，源节点先发送第一个子帧N1，其他节点监听信息，并译码。

（2）成功译码的节点重新参照源节点的编码规则进行编码。同时将第二子帧的冗余校验信息存入缓存区，并依此广播1 bit信息通知目的节点。若没能正确译码，则忽略。目的节点根据此信息估计各自信道的瞬时SNR，选择信道条件最好的信道发送第二子帧的冗余校验信息，并把该节点的ID号广播给其他节点。

（3）收到发送通知的节点立即发送缓存区里源节点的第二子帧冗余校验信息，其余节点则清除缓存区内的信息。如果目的节点判断没有其他中继节点能正确译码，则由源节点发送冗余校验信息。

网络中每个节点固定分配长度是1 bit的时隙，用此1 bit告知目的节点能正确译码。目的节点分配（L-1）bit时隙用于目的节点选择最佳中继节点。本文采用竞争时隙的帧结构图，如图2所示，当Tf一定时，Tw越小，表明交互信息时间越少。

图2 时隙的帧结构图

2.2 最大化传输链路的功率分配算法

本文的多源多目标的Ad hoc协作网络，会有多个源节点同时把其一节点作为它们的最佳中继的情况发生，采用共享中继的策略解决中继冲突问题。对于共享中继导致的功率分裂，提出最大化传输链路（Maximize the Number of Links，MNL）的功率算法来保证优越的DMT性能，分析如下：

对于SNR较低的情况[12]，由于功率P的限制，信道信息同上，先通过信道状态预估各协作链路的传输结果，共享中继根据预估结果对各链路的功率进行智能分配，以在总功率上获得最大的成功传输数目。各链路上的信道状态是通过最佳中继接收到的NACK帧的信息获取的。

设kiP是共享中继b为协作si与di这一链路所分配的功率，则有中继协作情况下，对于si与di，成功解码时对应的互信息量为Ii，且Ii≥R。

功率分配系数ki为：

其中：

为获得更多的链路传输成功，所以优化的目标是找到合适的ki（i=1，2，..，n），即下式成立的个数越多越好：

用比较型迭代过程来解决式（3）的优化问题。该算法的具体实现如下：

（2）查找系数集合K的最小值kj；

（3）更新已分配功率：kalloc=kalloc+kj；

（4）若kalloc<1，则更新系数集合K=K-{kj}，否则算法终止；

（5）若K=Φ，则算法终止，否则执行步骤（2）进行迭代过程。

上述算法的复杂度为O（n2），该算法表明，每次寻求出ki中的最小值，当P分配完毕，即kalloc≥1时停止。

另外研究表明，SNR较高时，基于所提的有限反馈的最佳中继选择方案，最佳中继节点的功率分配系数不影响每个源节点的DMT性能，所以所提功率分配算法对整个系统具有可行性。

3 仿真结果与分析

对本文提出的协议及功率分配算法在MATLAB 2010平台上进行仿真。信道都服从独立同分布的Rayleigh衰落，且频率效率R=1，采用中断率作为性能指标，分别采用网络中断率和节点中断率[13]。

仿真中，设置源节点数目为6个，图3是对所给出的无反馈的协作协议与基于MNL功率分配方法的有限反馈协作协议进行仿真的对比。从图中看到，无论是节点中断率还是网络中断率，在相同SNR情况下，所提方案的中断率性能远远超过了无反馈协作协议。

现实环境是非均衡网络，信道均值不同，在基于有限反馈的选择协作协议中分别采用MNL功率分配方法和等功率算法进行仿真对比。假定按照源节点号，各个源节点和对应目的节点间的信道质量依次增加200%。仿真结果如图4所示。可以看出，对于节点中断率和网络中断率，MNL功率分配算法的中断率性能都优于等功率算法，即实际网络中MNL功率分配算法也能使系统效果更优越。

图3 无反馈与基于MNL功率分配的有限反馈协议的中断率仿真对比

图4 MNL功率分配和等功率分配在非均衡网络中的中断率仿真对比

改变源节点的数目，取L=6，8，10，在基于有限反馈的选择协作协议中分别采用等功率算法和MNL功率分配方法进行仿真对比。结果如图5。随着网络中节点数目的增加，系统的中断率持续下降，性能更好。且随着节点数L的增加，两种功率算法的中断率差距增大，即表明对于节点数多的较大规模无线网络，MNL功率分配算法更为优越。

图5 MNL的功率分配和等功率分配在不同节点数目下的中断率仿真对比

图6 的仿真是分别在非均衡网络与理想均衡网环境下，模拟所提协议MNL功率分配算法产生的中断率。通过仿真看出，相同条件下，对于节点中断率和网络中断率，非均衡和均衡网络中的中断率性能差距不断增加，MNL功率分配算法在非均衡网络中的性能要比均衡网络中差。

图6 MNL功率分配算法在均衡和非均衡网络的中断率仿真对比

4 结束语

本文针对多源多目标Ad hoc网络的簇内中继协作进行了研究，提出了基于有限反馈的分布式最佳中继选择方案，方案简单高效，可以方便地集成到现有无线网络中，解决最佳中继冲突而采用共享中继时，提出MNL（最大化传输链路）功率分配算法使有限的总功率能够获得最大的成功传输数目。仿真结果表明，所提方案相比以往针对多源多目标网络的选择协作方法具有更好的中断率性能，有效降低了中继选择时的信息交互开销，对于最佳中继选择传输方案，采用本文提出的功率分配策略所获得的系统性能明显高于等功率分配。但本文仅考虑簇内中继的选择，当簇间需要中继传输时，由于簇间的频点不同，需要进行频点切换。因此下一步工作将在本文基础上，研究簇间中继协作。

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Research on the optimal relay selection scheme based on Ad hoc networks

Liu Dewen
（School of Communication and Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China）

In this paper，an optimal relay selection scheme with limited feedback is proposed for multi-source multi-destination ad hoc networks.The scheme will choose the relay node which has the best channel condition throuth limited feedback.When sovling optimal relay conflicts，we propose a power match algorthm based on maximize the number of links to solve the power division to get the most number of successful transmission based on the limited power.Simulation results illustrate the scheme has better interrupt rate，it can effectively reduce information exchangeswhen choosing the optimal relay and improve the performance of the system.

Ad hoc networks；feedback；optimal relay selection；power allocation

TN925

A

1674-7720（2015）03-0063-04

2014-10-07）

刘德文（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向：无线数据与移动计算。