最近中继协作算法研究

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州310018)

0 引 言

在协作分集的相关理论基础上，目前国际上很多知名学者都在对协作通信技术进行研究。其中中继选择是提升多中继协作通信系统性能的一项重要研究[1-6]。文献[1]提出一种基于放大协议的双向中继选择策略，选取源和目的端到中继节点的最小信噪比最大化的中继为最优中继。文献[2]提出一种增强中继的协作方案，基于解码转发协议，在无线网络功率一定的前提下降低了算法复杂度。文献[3]提出一种中继选择算法，仿真表明中断概率最小的是机会中继策略。文献[4-5]针对总功率受限情况下，提出一种基于中断概率最小化的最优功率分配算法。大多数文献都是假设在给定中继列表提供给用户节点选择，然后在此基础上研究最优中继算法，但当小区半径不固定时，协作传输中断概率与小区半径关系的相关研究不多。在此基础上，本文主要讨论的是在无线网络中通过选择最近的邻居节点作为中继来辅助传输，从而扩展信号的覆盖范围。

1 系统模型

蜂窝小区中协作通信传输和直接传输模型如图1所示。图1中，用户1 通过中继协作在小区外传输信息给基站，增大了基站覆盖小区范围。在协作模型中，用户S 在第1时隙向目的D 发送信息，同时中继R 也能监听到该消息。在第2时隙，中继R 将源信息放大处理后转发给目的D。假设参与协作的中继和发送端节点均以相同的功率P 发送信息，K为常数，μ为路径损耗系数，hs，d，hs，r，hr，d分别为源节点到基站节点、源节点到中继节点和中继节点到基站节点的信道衰落增益，ns，d，ns，r，nr，d建模为零均值且方差为N0的复高斯随机变量。

在第一时隙时，目的节点D和中继节点R 收到的信息分别为ys，d，ys，r:

在第2时隙时，中继节点将源信息放大后转发给基站节点，中继发送给基站节点的信息为yr，d，则:

基站通过将收到的两个信息最大比合并(MRC)，输出可以写成y=a1ys，d+a2yr，d，其中合并因子a1，a2为

2 算法描述

在多中继协作通信中，一个重要的问题就是如何确定参与协作的最优中继，以求给系统带来最大的增益。文献[7]仅给出了基于瞬时信道衰落时选择最优中继策略，但没有给出平均接收信噪比对中断概率的影响。本文提出一种最近的节点作为中继参与协作分配的算法，通过中继分配给最近的邻居节点来辅助传输，然后找出接收信噪比最大的节点。

由于中继的位置分布不是均匀的，故需要计算中继位置的概率密度函数。考虑蜂窝系统小区的半径为L，基站节点位于小区的中心位置，N个用户均匀分布在小区中，用户节点距离基站的距离q(r) =2r/L2，0 ≤r ≤L。

由图2可以观察到用户节点、中继节点和基站节点的位置，根据本优化算法表示，最近邻节点距离源节点为rs，r的概率等效于计算图2中覆盖区域为空的概率，然后计算出rs，d的概率密度函数。用S (rs，d，rs，r)表示以s和d为圆心的两个圆的重叠区域。

图1 直接传输与协作传输区别

图2 最近用户节点作为中继参与协作

该区域的面积为:

由于最近中继节点在两个圆的相交部分，即rs，r的范围是L-rs，d＜rs，r≤L+rs，d，则rs，d的概率密度函数为:

其中协作传输的条件中断概率参考文献[7]中的增量和选择中继的混合方式，本算法思想是如果用户的数据包丢失，基站节点广播消息请求中继重新发送该数据包。协作传输的条件中断概率为:

3 仿真性能分析

通过MATLAB 工具进行仿真分析验证理论算法的可行性。这里比较4种不同发送方案，分别是直接发送、分布式协作发送[6]、最近中继节点发送和由Genie-aided算法算出的理论值[7]。信道衰落建模为单位方差的随机瑞利衰落信道。仿真中，取发射功率P =10 mW，路径损耗μ =2.3，小区内用户N =100，接收信噪比门限值γc=5 dB，得到如图3所示的仿真结果。图3给出了中断概率与小区半径之间的关系，其中最近中继协作传输算法更接近于理论值，且优于直接传输和分布式协作传输。在中断概率为0.01时，相对于直接传输，小区覆盖面积增加了110%，相对于分布式协作传输，覆盖面积增加了15%。但随着小区半径的增大，中继转发源数据包的概率也增加，由此增加了系统的总的中断概率，所以本算法逐渐趋近于直接传输方案。

取小区半径L=50 m，路径损耗μ=2.3，得到如图4所示的仿真结果。由图4可以看出，中断概率与发射功率之间的关系，其中最近中继协作传输算法，曲线更为陡峭，性能接近于理论值，优于分布式协作传输方案。在固定中断概率时发射功率可降低了6 dBW，在相同发射功率下频谱效率可以获得3 bps/Hz的性能提升。

图3 不同小区半径的平均中断概率

图4 不同发射功率下的平均中断概率

4 结束语

本文介绍了一种基于最近中继协作传输算法，即中继分配给最近的邻居节点来辅助传输，然后选择出接收信噪比最大的节点。在已知信道统计特性情况下，通过对协作中断概率和小区半径、发射功率的关系进行仿真分析表明，最近中继协作传输算法更接近于理论值，对比直接传输和分布式协作传输方案，可以获得相当可观的增益。本算法不仅可以显著的提升覆盖范围，还可以降低发送功率。但是本文尚未讨论各中继节点的功率分配问题，这将是今后需要进一步研究的方向。

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