DF中继网络中的分布式机会信道接入策略

董 蕾,王勇超

(西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室,陕西西安 710071)



DF中继网络中的分布式机会信道接入策略

董 蕾,王勇超

(西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室,陕西西安 710071)

摘要:针对连续传输速率下分布式机会信道接入场景设定与性能优化受限的问题,提出了离散传输速率下译码转发中继网络中的分布式机会信道接入策略.该策略在最优停止理论的指导下,将最大化系统平均吞吐率作为优化目标,通过对译码转发中继网络中的第2跳传输时间进行完全优化,使总体的传输时间大幅度减小,系统性能得到显著提高.仿真结果表明,相较现有策略,文中所提策略在系统平均吞吐率上具有明显优势.

关键词:中继网络;机会式接入;最优停止理论

近来,联合物理层(PHYsical layer,PHY)和媒体接入控制层(Media Access Control,MAC)的分布式机会信道接入已成为研究热点.通常来说,机会接入要求用户只在信道条件足够好的时候才被允许接入,而在分布式网络中,由于缺少全局信道状态信息,最优的机会信道接入研究面临着各种挑战.文献[1]提出了自组网(ad-hoc)中的基于纳什均衡的信道接入策略.文献[2]研究了自组网中基于最优停止理论的机会信道接入策略.在该策略下,当竞争信道成功的用户所获得信道增益小于最优门限时,用户放弃传输机会并且开始新一轮的竞争,如果用户所获得信道增益不小于最优门限,用户则停止竞争过程并且传输数据.随后,文献[3]研究了在不完全信道信息下的分布式机会信道接入.文献[4]提出了在干扰模型下的机会接入策略.文献[5]给出了平衡更准确信道估计和额外探测时间的双层信道接入策略.文献[6-8]将研究进一步扩展到了两跳中继网络,文献[6]提出了放大-转发(Amplify-Forward,AF)中继网络中的分布式机会信道接入.文献[7-8]研究了译码-转发(Decode-Forward,DF)中继网络中的分布式机会信道接入,其中,文献[7]考虑了中继链路所提供的增益与所花费时间的折中关系,文献[8]提出了在多个信道相干时间内传输的中继等待策略.文献[9]则研究了引入队列状态信息后,队列稳定约束下的分布式机会信道接入策略.

现有的分布式机会信道接入大部分采用连续传输速率的假设.然而在某些实际系统中,需要采用固定的离散速率进行传输,因此有必要研究离散传输速率下的机会信道接入策略.在另一方面,由于连续传输速率的限制,导致在某些场景中只能获得局部最优接入策略.例如在文献[8]的中继等待策略下,第2跳的传输时长采用了并非最优选择的信道相干时间,但是在离散传输速率下,上述问题可以得到解决.针对文献[8],笔者在最优停止理论的指导下,以最大化系统平均吞吐率为目标,提出了离散传输速率下DF中继网络中的分布式机会信道接入策略.仿真结果验证了所提策略的可靠性.

1 系统模型

考虑一个有K个源-目的对和一个中继节点的DF中继网络,并假设这K个源-目的对之间不存在直接链路.源节点i与中继节点之间的信道增益为fi,中继节点与目的节点i之间的信道增益为gi,fi和gi服从独立同分布的瑞利衰落.两跳的平均接收信噪比分别为ρf和ρg,信道相干时间均为τd.假设可用的离散传输速率集R={R1,R2,…,Rl,…,RL},其中,L为可用的速率的个数.在该系统模型下,由源节点i、中继节点和目的节点i所组成的信道所能提供的最大信道速率为

在每个传输周期开始时,K个源节点通过概率p0向中继发送一个请求发送(Request-To-Send,RTS)包来竞争传输机会.源节点竞争的结果可分为以下3类:所有的源节点都没有参与竞争;参与竞争的源节点为2个或2个以上,因此多个源节点发生碰撞,导致所有源节点均无法获得传输机会;只有1个源节点参与竞争,该节点可获得传输机会.假设时间被分割为连续的时隙,K个源节点在每个时隙内重复上述竞争过程,直到第种竞争结果出现,中继再将获得的第1跳信道信息通过一个清除发送(Clear-To-Send,CTS)包反馈给获胜的源节点.由上述竞争过程可知,竞争成功所需要的时隙个数可视为一个服从几何分布的随机变量,该随机变量的期望为定义所有源节点竞争信道直到成功的过程为一个观察,观察的长度可视为一个随机变量,其期望为其中,δ表示所有的源节点都没有参与竞争时的时隙长度.

2 中继等待信道接入策略

假设第n个观察时的优胜源节点为s(n),第1跳信道信息rf(n)位于区间[ri,ri+1)内,如果s(n)决定在第n个观察时放弃传输机会,则所获得的增益V0(rf(n),λ*)=V(λ*)-λTn;否则,s(n)采用中继等待策略传输数据.定义Rf(n)=lb ( 1+rf(n) ),为第n个观察时第1跳所能获得的最大速率.在中继等待策略的第1阶段,优胜源节点以不高于Rf(n)的速率Rn∈R将数据传输到中继,传输时间为相干时间τd.由于数据此时只抵达至中继,中继节点还需要探测第2跳信道信息,并且决定转发数据或者继续探测.而且由于抵达中继的数据量为Rnτd,中继到目的节点的最大传输时间为τd,因此,中继需要持续探测第2跳信道直到可获得信道速率不小于第1跳的传输速率Rn.

当Rn=Rl时,中继等待策略可获得的增益Yrl为

其中,τd为第1跳的传输时间.由上式可得,由于最优的传输速率Rn会影响所传输的数据量、中继的等待时间及第2跳的传输时间,因此,它在中继等待策略中具有关键作用.

当第1跳信道增益rf(n)位于区间[ri,ri+1),在中继等待策略下,最优的增益为

根据上述分析,文中提出的中继等待策略下的最优停止法则定理如下.

证明 通过最优停止理论,当停止所获得的增益不小于采用中继等待策略传输所获得的增益时,探测应该停止.因此,最优停止理论可表示为

根据最优停止理论,最优等式可表示为

由于最优等式的左边为一个关于λ的减函数,因此,最优的λ*惟一.证毕.

3 仿真结果

仿真中参数的设定为K= 5,τd= 2 ms,τRTS= 50μs,τCTS= 50μs,δ=25μs,p0=0.3.ρf=1,ρg从1变化到10.离散传输速率集R= {1 bit/s,2 bit/s,3 bit/s,4 bit/s,5 bit/s},所对应的信噪比比值集合R= {1,3,7,15,31}.图1比较了文中所提策略与文献[8]策略的平均吞吐率,从图1可以看出,文中所提策略的平均吞吐率优于文献[8]策略的,因此,该策略的性能得到了有效验证.

图1 文中所提策略与文献[8]策略的性能比较

4 结束语

笔者提出了一种DF中继网络下基于最优停止理论的分布式机会信道接入策略.该策略以最大化系统

的平均吞吐率为目标,有效利用了系统的多用户分集和时间分集,并且提出了实施复杂度低的纯门限准则.最后,仿真结果通过与现有文献相比,有效验证了文中所提策略的性能.

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(编辑:齐淑娟)

Distributed opportunistic channel access strategy in DF relay networks

DONG Lei,WANG Yongchao
(State Key Lab.of Integrated Service Networks,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

Abstract:Considering the two limitations of scenario assumption and performance optimization in distributed opportunistic channel access under the continuous transmission rate,a distributed opportunistic channel access strategy is proposed in DF relay networks under the discrete transmission rate.The proposed strategy maximizes the system average throughput with the instruction of optimal stopping theory.By optimizing the second-hop transmission time in DF relay networks completely,the total transmission time is reduced,and the system performance is improved.Compared with the current strategy,simulation result demonstrates the validity of the proposed strategy in system average throughput.

Key Words:relay networks;opportunistic access;optimal stopping

作者简介:董 蕾(1987-),女,西安电子科技大学博士研究生,E-mail:donglei.xian@gmail.com.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(61372135);高等学校学科创新引智计划资助项目(B08038)

收稿日期:2014-10-21 网络出版时间:2015-05-21

doi:10.3969/j.issn.1001-2400.2016.02.003

中图分类号:TN92

文献标识码:A

文章编号:1001-2400(2016)02-0013-04

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150521.0902.026.html