基于干扰感知的双路径译码转发中继选择算法

张玉，丁玲

(1.中国科学院 信息工程研究所，北京 100093;2.沧州医学高等专科学校 人文与社科部，河北 沧州 061001)



基于干扰感知的双路径译码转发中继选择算法

张玉1，丁玲2

(1.中国科学院 信息工程研究所，北京 100093;2.沧州医学高等专科学校 人文与社科部，河北 沧州 061001)

双路径中继协议(two-path relaying，TPR)可以很大程度改善由于中继半双工产生的频谱效率损失,然而双路径中继协议的中继节点间干扰会严重影响系统传输速率,为此本文针对译码转发双路径中继协议，提出了一种启发性中继选择算法以最大化系统的传输速率性能.不同于现有的中继选择算法，该算法考虑了中继间干扰，其设计原则不仅基于当前时隙信道状态，还取决于被选中中继节点的上一时隙的信道状态.仿真结果证明启发式中继选择(heuristil relay selection,HRS)算法能够克服中继间干扰问题，以较低复杂度改善系统平均传输速率.

中继间干扰；最优化；中继选择；频谱效率；双路径中继

[6-7]中，研究者分析了使用中继协作通信可得速率性能的理论，并为中继通信技术实施提供了有价值的指导.然而，大量相关文献也表明由于中继工作在半双工状态产生log函数前的因子将导致频谱效率巨大损失.一种直接解决的办法就是使用全双工中继，它可以同时间同频率发射并接收信号[8].但现阶段该技术很难实施，且存在较大的复杂度.发射和接收功率之间很大的功率差异使得中继的模拟放大器进入饱和区，因此无法处理发射和接收信号的自干扰.

针对全双工中继的实施困难问题，Rankov[9]提出双路径中继协议以及双向中继协议2种有效的方案用于减缓由于中继节点工作在半双工造成的频谱效率损失，其中双向中继涉及大量信号处理问题，需要节点具备较大的计算功能，因此本文研究双路径中继协议.近年来已有学者开始致力双路径中继协议的研究.Choi等学者研究了双路径中继网络的训练序列和信道估计问题[10]，文献[11]提出放大转发双路径中继的资源分配算法，文献[12]考虑多天线双路径中继在Nakagami-m信道中的问题.

文献[6]研究表明，选择合适的中继传输路径可以有效改善传输性能.选择错误的中继反而适得其反，导致系统传输速率性能降低，有可能还不如直接传输的效果.文献[13]提出了3种基于信噪比的中继选择算法以改善放大转发中继系统，文献[14]研究干扰如何影响中继选择问题，并给出了具备减轻干扰效果的中继选择算法.双路径中继协议的中继选择问题尤为突出，直接影响到整个系统的性能.然而，如何在双路径中继协议中进行中继选择不仅与当前时刻中继的信道状态相关，还与上一时刻中继的信道状态也有密切联系.同时，中继间的干扰问题也值得考虑，当某一被选中的中继节点的信道状态很好，因此该链路上会获得较好的传输速率，但是与之靠近的其余中继链路将会受到该链路严重的干扰而只能维持较低的通信速率，因此系统整体的传输速率会受到限制.

本文将双路径中继协议中的中继选择问题建模为一个以最大化平均系统传输速率为目标的优化问题.由于该优化问题的复杂度，直接求解该问题存在较大的难度，并且复杂的计算也将导致选择过程产生较大的时延，从而失去中继链路当前最佳信道状态的优势.因此本文提出一种低复杂度的中继选择算法，它在考虑中继间干扰的同时，还结合当前时刻与上一时刻中继链路的信道状态信息，有效改善系统传输速率性能.

1 系统模型与问题建模

为方便研究，本文仅考虑网络中存在1个信源节点和1个信宿节点，以及多个可供选择的中继节点.其余信源与信宿之间通信可使用不同的频率或者不同的时隙传输，相互不影响，因此本文研究的系统模型可直接扩展到多信源信宿对的场景.系统示意如图1所示，信源节点使用符号S表示，信宿节点使用符号D表示，多个中继节点使用符号R表示.中继节点在网络中均匀随机分布.本文假设信源和信宿之间由于存在较大障碍物或者距离较远而无法直接传输信号的情况，因此需要中继辅助传输.此外，本文还假设链路信道状态在一个时隙内是保持恒定的.

不失一般性，本文假设所有的节点仅配备一根天线，且均工作在半双工状态，即它们不能在同一时刻发射并接收信号.为节省能耗和成本，每个中继节点不具备复杂的功能，中继间无用信号将视为干扰.因为译码转发型中继仅发送有用数据，而不转发干扰以及噪声，因此本文使用译码转发型中继.为了防止信源节点和中继节点之间的相互干扰，信道占用时隙被划分为2个相等的时隙，分别用于不同节点的发送.对于译码转发型中继，信源节点使用第1时隙发送信号给中继节点；中继节点使用第2时隙将从信源节点收到的信号处理后转发给信宿节点.

图1 系统框架Fig.1 System framework

与传统的译码转发型中继传输模式不同，双路径中继(TPR)协议中的信源节点使用2个中继节点轮流转发信息.如图1所示，信源节点在中继节点R1和R4的帮助下，不停地发送信息给信宿节点.其工作流程如下：中继节点R1和R4在第1时隙同时监听信源节点发来的信息.然后中继节点R1(或R4)在第2时隙转发信息给信宿节点，而中继节点R4(或R1)继续监听信源节点传来的信息.上述过程一直循环执行直至信源节点停止给信宿节点发送信息.双路径中继协议的流程示意为图2所示，其中Tx表示节点在该时隙发送信息，Rx表示节点在该时隙接收信息.很明显，该协议可以防止中继节点半双工导致的频谱效率损失，因为信源节点在中继节点参与的2个时隙均传输不重复的有用信息.此外，因为选择多个中继对于传输速率的改善较单中继选择差别不明显，因此本文仅考虑选择1个中继辅助传输而不是多个中继.图2仅是一个示意图，每个时隙选择的中继节点可能不一样，取决于双路径中继协议中继选择算法.

信源TxTxTxTx…中继1TxRxTx…中继4RxTxRx…

图2 双路径中继协议传输示意

Fig.2 Transmission sketch for TPR protocol

因为在无线网络中研究信道效率无需考虑复杂的编码、检测以及解码过程，是一个很好的评价指标，本文的目标是最大化系统传输速率.双路径中继协议[9]的传输速率可以表示为

CTPR=E{min[Csr,Crd]},

(1)

maxr∈∏CTRR=maxr∈∏(E{min[Csr,Crd]}),

(2)

其中,∏为网络中所有可用中继的集合.该优化问题以最大化系统平均传输速率为目标，由于本文主要研究双路径中继协议的中继选择问题，因此不考虑功率分配问题，即令信源节点和中继节点的发射功率固定.

2 启发式中继选择算法

传统的中继选择算法大多基于信噪比，在每个时隙选择1个具有最优信道状态的中继节点可以得到最优的传输速率.然而这类算法不适用于双路径中继协议的中继选择，首先因为存在中继间干扰.基于公式(1)，除了中继选择算法执行的第1时隙以外，系统传输速率性均都受上一时隙所选中继影响.上一时隙所选的中继节点位置也影响到当前时隙的中继选择策略.此外，信道状态的时变特性以及用户终端(信宿节点)的移动性均对系统传输速率性能有较大的影响.从优化问题(2)可以看出，当前中继节点的选择取决于当前2跳的中继链路信道状态以及上一时隙备选中继节点的信道状态.因此双路径中继协议的中继选择问题尤为困难.求解该优化问题的最优解需要搜索所有可能的中继节点，并找到一系列的中继节点以保障系统的传输速率最大化，这就是穷举法.但是该方法在实际中并不可行，因为尝试所有可能的中继节点的计算复杂度为O(|∏|(|∏|)-1)T-1，其中T为考虑时间范围内的时隙数.即使计算复杂度是可接受的，执行该算法还需要得到T时间范围内所有中继链路的信道状态.研究表明，信道相关性随时间消耗相关性越来越小[15].换句

话说，即使执行穷举算法收集到T时间内所有中继链路的信道状态找到最优中继系列后，按照中继信道状态得到的一系列中继节点早已失效.因此，在实际网络中不可能采用耗时复杂的穷举算法.

本文针对双路径中继协议，提出一种便于实际执行的启发式中继选择(heuristic relay selection，HRS)算法.其主要思想是设计一种可以在每个时隙实时执行的低复杂度的算法来改善系统传输速率性能.在第1时隙，首先选择出1个具有最好信道状态的中继节点，因为第1时隙不存在中继间干扰.其次，除了第1时隙选择出的中继节点，其余节点均计算各自存在中继间干扰的第1跳和第2跳传输速率.再次，该算法依据计算结果选择出具有最好传输速率的中继节点作为当前时隙的中继辅助节点.接下来就一直重复上述过程直到信源节点停止发送信息给信宿节点.该算法具体流程如图3所示.

Algorithm1双路径中继协议HRS算法1:forr=1to|∏|do2: C18r←log(1+Psgsrσ2)3: C1rd←log(1+Prgrdσ2)4:endfor5:r*←argmaxr∈Rmin(C1sr,C1rd)6:C1←min(C1sr*,C1r*d)7:fort=2toTdo8: forr=1to|∏|do9: Ctsr←log(1+Psgsrσ2+Pr*grr*)10: Ctrd←log(1+Prgrdσ2)11: endfor12: r*←argmaxr∈∏min(Ctsr,Ctrd)13: Ct←min(Ctsr*,Ctr*d)14:endfor

图3 HRS算法流程

Fig.3 Flow chart for HRS algorithm

(3)

但这里要注意，在执行该算法的第1时隙是不存在公式(3)中的Pr′grr′中继间干扰项.为了最大化优化问题的目标函数，信源节点到信宿节点之间最佳中继节点则是具备最好中继链路指标hr的中继节点.每个中继节点当接收到中继链路指标hr后，开始各自初始值为Tr的计时器.Tr与中继链路指标hr成反比，可以表示为

(4)

其中λ为一个常数，单位取决于hr的单位.因此，带有最佳中继链路指标的中继节点的计时器因为它的值最小将最先减小到零.然后该中继节点就发送消息给信源节点请求参与当前时隙的传输，其余中继节点在监听到该中继节点的请求信息后均保持监听状态.每个时隙均采用上述过程即可完成中继选择算法.从上述对比可以看出，集中式方法容易执行调度，但是需要大量信令开销维持，而使用分布式方法虽然不需要太多信令开销，但存在隐藏终端等问题.因此使用集中式或分布式方法可根据实际系统需求而定.

综上所述，HRS算法考虑了2跳传输信道状态和中继间干扰，具有较低的复杂度，能够很大程度上改善系统传输速率.此外，该算法可以实时执行，而不需要收集给定时间段内所有中继链路的信道状态信息，因此可以在实际网络中实时执行.

3 仿真实验

本文通过仿真来证明提出的HRS算法的性能.为了保证信源节点和信宿节点之间无法直接传输信息，信源节点通常在网络的正中，部署信宿节点在距离信源节点0.9*R左右的位置，其中R为信源节点的传输范围.信源节点和信宿节点之间将随机均匀分布一定数量的中继节点.主要仿真参数在表1中描述.整个仿真过程使用蒙特卡洛方法，执行足够多次数可以得到系统的平均性能.

为了验证提出HRS算法的优势，同时比较3种中继选择算法.第1种是本文提出的HRS算法.第2种算法为随机中继选择算法，该算法在每个时隙随机地从可选中继节点中以1/|∏|的概率选择中继节点，该算法记为“Random RS”算法.最后1种对比的算法是依赖于信噪比的中继选择，记为“SNR-based RS”算法，该算法不考虑干扰的影响.

图4显示了不同时隙数对应的平均传输速率性能.不论考虑的时隙数为多少，提出的HRS算法优于其他2种中继选择算法.从图中可以发现，在少量的时隙数时，各种中继选择算法得到的平均传输速率相对较大，这是因为在初始第1时隙时，不存在中继间干扰，因此可以得到较大的传输速率.然而随着时隙数越来越多，第1时隙的传输速率增益逐渐被平均化.此外，从图4还可以发现平均传输速率越来越趋于稳定，这意味着只要考虑一定数目的时隙数就可以得到较大的平均传输速率性能.鉴于考虑多时隙的计算复杂度，考虑100个时隙作为后续的仿真参数.

表1 仿真主要参数

图4 不同时隙数时平均传输速率Fig.4 Average transmission rate versus slots

图5显示了不同中继节点数目对平均传输速率的影响.如图5所示，当大量中继节点存在于网络中，HRS算法能获得更好的平均传输速率性能.这是由于更多的中继节点将提供更多选择的机会.提出的HRS算法比“SNR-based RS”算法的传输速率更高，这是因为“SNR-based RS”算法忽略了中继间干扰，有可能选择到信噪比高但是信干燥比低的中继链路，这样受到干扰的影响所得到的传输速率反而更低.因此，随着中继节点数目的增加，“SNR-based RS”算法将更加恶化传输速率性能.从图中也能看出，更多的中继节点并未给“Random RS”算法带来太多增益.

接下来评估不同信源节点和信宿节点间距离对平均传输速率的影响.部署50个中继节点均匀地分布在信源节点和信宿节点之间.图6显示提出的HRS算法在平均传输速率性能上远胜于其他2种中继选择算法.随着中继节点覆盖范围的增加，系统平均传输速率性能逐渐变小.这是因为在同样数目的中继数目前提下，增加中继节点覆盖范围其密度将相应变小，导致单位面积内的可选中继数目变少，对于信源节点和信宿节点的通信辅助选择机会也就越小.此外，平均传输速率性能并没有随着信源节点和信宿节点间距离而发生巨大改变.这主要是由于虽然信源节点和信宿节点间距离变小单位面积内中继数目增多，但是也带来了更多的干扰，因此并未带来太大增益.

图5 不同中继数时平均传输速率Fig.5 Average transmission rate versus number of relay nodes

图6 不同信源信宿距离时平均传输速率Fig.6 Average transmission rate versus distance between source and sink nodes

最后，考察不同的发射功率对系统性能的影响.同样有50个中继节点均匀地分布在信源节点和信宿节点之间，发射功率为5～15 W.如图7所示，提出的HRS算法在不同的发射功率下也能得到最好的传输速率性能.当然，各种中继选择的算法在传输速率性能上并没有太大变化，这是由于更低的发射功率虽然会导致传输速率的降低，但是也减缓了干扰，对传输速率有促进作用.

图7 不同发射功率时平均传输速率Fig.7 Average transmission rate versus transmit power

4 总结

本文针对双路径中继协议研究了中继辅助网络的中继选择算法.该HRS算法兼顾信道状态和中继间干扰，为双路径中继协议提高平均传输速率性能提供了正确指导.同时，该HRS算法易于实施，可以在实际网络中以集中式或分布式运行.大量的仿真也验证了HRS算法可以以较低复杂度改善系统平均传输速率.本文仅考虑了双路径中继协议的中继选择问题,为了更深层次了解双路径中继协议的传输速率性能理论极限，应研究更多无线资源分配算法，例如联合功率分配和中继选择算法等.

参 考 文 献：

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(责任编辑：王兰英)

Interference-aware-based decode-and-forward relay selection algorithm for two-path relaying protocol

ZHANG Yu1，DING Ling2

(1.Institute of Information Engineering,CAS，Beijing 100093，China;2.Humanity and Social Science Department,Cangzhou Medical College,Cangzhou 061001,China)

Spectral efficiency loss due to the half-duplex operated in relay nodes can be potentially improved by the two-path relaying (TPR) protocol.However，the mutual interference between the relay nodes can negatively affect the performance.Therefore，relay selection can be crucial to the system performance.In this paper，we propose a heuristic relay selection method for the decode-and-forward TPR strategy in order to maximize the transmission rate.Different from the existing relay selection methods，the inter-relay interference is considered.Meanwhile，the design principle of this method is based on not only the link conditions in current time slot，but also those of the relay node selected in previous time slot.Simulation results are conducted to verify the effectiveness of the proposed heuristic relay selection scheme.

inter-relay interference；optimization；relay selection；spectral efficiency；two-path relaying.

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.05.017

2016-05-26

北京市自然科学基金资助项目(4154072);国家自然科学基金资助项目(61303251)

张玉(1984—)，女，河北沧州人，中国科学院博士后，主要从事无线通信、移动安全研究. E-mail:yuzhang1984@iie.ac.cn

丁玲(1968—)，女，河北沧州人，沧州医学高等专科学校副教授，主要从事计算机应用、通信研究. E-mail:DL6805@sina.com

TN912

A

1000-1565(2016)05-0554-07

近几年，中继技术得到了工业界以及学术界广泛关注[1-3].使用中继技术能有效利用无线网络的广播特性，并能很好地开发潜在的空间分集及多用户分集能力.在中继节点的帮助下，可以在通信系统中改善传输速率、增加系统覆盖以及增强服务质量等优势[4-5].