一种基于ARQ的最优中继动态选择协作方法

王 恒，赵晓瑞，李 敏



一种基于ARQ的最优中继动态选择协作方法

王 恒，赵晓瑞，李 敏

(重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室 重庆南岸区 400065)

在以多轮重传增加时延为代价提高可靠性的自动重传请求(ARQ)协作网络中，对中继节点无信号合并接收能力时的跨层协作策略进行了研究，提出了一种在ARQ重传过程中系统解码集和最优中继选择动态改变的选择协作方法。在Rayleigh衰落信道环境中，该方法能够在不增加中继节点接收机复杂度的情况下取得最优分集-复用-时延(D-M-D)权衡。仿真结果表明，该方法的系统中断概率性能与中继节点具备信号合并接收能力方案的中断概率性能接近，能够在接收机复杂度和系统性能之间取得较好的权衡。

自动重传请求; 协作通信; 分集复用时延权衡; 中断概率; 选择协作

协作分集技术利用无线信道的广播特性，使多用户网络中的节点彼此共享天线构成虚拟天线阵，互相协作传输数据信息，从而获得分集增益，大幅提高无线通信系统的性能[1-3]。根据参与协作传输的中继节点数目不同，协作分集方法可分为多中继协作和单中继协作。以分布式空时码为代表的多中继协作方法，已经能使系统获得显著的分集增益[4-5]。但是，在这种多中继协同参与机制中，伴随中继节点数量的增加，频谱效率会有所下降。针对该问题，文献[6-7]分别提出了机会中继和选择协作，并且分析了其性能，证明了在高信噪比(signal-to- noise ratio, SNR)条件下这两种协作方法都能够取得全分集增益，验证了单中继协作方法的有效性。选择协作方法的基本原理是源节点发送数据后，在成功解码源节点信息的中继节点中，选择一个节点作为最优中继协助源节点转发数据。目前针对选择协作方法的研究，大多关注物理层本身的协作，较少考虑与其他通信机制进行联合优化。

在实际通信系统中，为了提高传输可靠性，链路层自动重传请求(ARQ)机制被广泛应用[8]。若将物理层协作分集和ARQ机制联合使用，能进一步提高系统的传输性能。文献[9]研究了ARQ机制在多输入多输出(multiple-input multiple-output, MIMO)系统中的性能，指出ARQ机制能够提供额外的分集增益[9]。不同于传统ARQ重传总是由源节点响应重传请求，在协作ARQ系统中，中继节点能够响应重传请求，且每次重传的链路质量最优[10-11]。文献[12-13]通过将ARQ协议与基于分布式空时码的多中继协作方法相结合，使系统的传输性能得以改善，获得了较高的系统分集增益。为了有效提高系统的频谱利用率，进一步考虑将ARQ协议与单中继协作方法相结合。文献[14]改进了机会中继在ARQ场景下的中继选择方式，通过利用源节点与目的节点间的信道状态信息(channel state information, CSI)进行最优中继节点选择，并且推导了系统的中断概率。文献[15]讨论了分布式选择协作与ARQ机制联合使用的方法，并指出在中继节点具备信号合并接收能力的情况下，系统能够获得最优分集复用时延(D-M-D)权衡。节点具备信号合并接收能力，即能够合并处理所有轮次中接收到的数据；不具备信号合并接收能力，即当前轮次解码失败时，直接丢弃接收数据。

所以，在中继节点不具备信号合并接收能力的情况下，要通过合理的协议设计，使系统获得比较好的性能增益。在文献[15]中，中继节点在第1轮重传开始前被选择为最优中继节点，那么它在后面所有重传轮次中都将作为最优中继参与协作传输。其他中继节点一直处于空闲状态，重传过程实质上是重复简单的重传模式，很大程度上降低了系统性能。基于此，本文提出一种在重传过程中系统解码集和最优中继选择都动态改变的ARQ选择协作方法，称之为ML-DR(memoryless-dynamicrelay)，并分析了其D-M-D权衡性能和中断概率。

1 系统模型

2 协议及性能分析

2.1 协议描述

本文提出的ML-DR方法中单个数据包的传输过程如图1所示，包含的主要步骤如下：

1) 源节点向目的节点直接发送数据，同时所有中继节点也能够接收该数据。如果目的节点正确解码数据，则返回一个确认(acknowledgement, ACK)帧，表明传输成功；否则，返回一个否决(negative acknowledgement, NACK)帧，表明传输失败，系统进入步骤2)。

3) 目的节点接收最优中继节点发送的数据，与之前重传轮次中接收到的源节点或最优中继节点发送的数据进行合并处理。若正确解码数据，则返回一个ACK帧，表明传输成功；否则，返回一个NACK帧，表明传输失败，系统进入步骤4)。

ML-DR方法的优势主要有以下3点：

1) 利用ARQ机制的多轮反馈和重传机制，有效地提升了系统传输可靠性；

2) 在ARQ重传过程中保持系统解码集和最优中继选择动态变化，扩大了最优中继选取范围，充分利用了系统节点资源，且提高了系统性能；

3) 在高SNR条件下，能使系统在不增加中继节点接收机复杂度的情况下获得全分集增益。

2.2 中断概率

本文提出方法的系统中断概率由定理1给出。

定理1 ML-DR方法的系统中断概率为：

计算过程如下：

1) 解码集条件下的中断概率

式中，

通过观察可知：

根据指数阶数的性质[6]，由式(4)～式(7)可得：

2) 解码集概率

该节点无法加入解码集时，有：

进而得到：

将式(8)和式(12)带入式(3)可得：

证明完毕。

2.3 D-M-D权衡

本文提出方法的D-M-D权衡由定理2给出。

定理2 ML-DR方法的D-M-D权衡为：

证明：根据分集阶数的定义，由式(13)可得：

令：

从定理1和定理2可以看出，在中继节点不具备信号合并接收能力的情况下，保持系统解码集和最优中继节点选择动态变化，同样能使系统取得最优D-M-D权衡及全分集增益。

3 仿真与讨论

本节将通过仿真实验验证ML-DR方法的性能。

图2 ML-DR方法与其他协作方法中断概率对比曲线

图4给出了4种协作方法与ML-DR方法的D-M-D权衡对比曲线。仿真中，中继节点数目为10，ARQ方法均采用长静态信道，最大重传轮数为5；非ARQ方法均采用静态信道。从图中可以看出，所有ARQ方法的D-M-D权衡性能均优于非ARQ方法，在相同复用增益下，分集增益远远超出。在ARQ方法中，ML-DR方法的D-M-D权衡性能与合并接收ARQ方法的D-M-D权衡性能相同。

图3 ML-DR方法在不同最大重传轮数下的中断概率曲线

通过上述仿真实验可以看出，本文方法的理论性能与仿真性能一致。在高信噪比条件下，该方法的系统中断概率明显降低，而且随着重传轮数的不断增大，分集增益不断增加，系统传输可靠性明显提高。不同于文献[12-13]的基于分布式空时码多中继协作的ARQ协议，本文方法利用单中继协作方法就能达到相同的系统分集增益，不仅提高了频谱效率，且交互过程相对简单易于实现。此外，与文献[14]中在ARQ场景下的机会中继方法相比，本文的分布式中继选择方法能够减少反馈次数，从而有效降低系统开销。相比于文献[15]，本文方法在不增加中继节点接收机复杂度的情况下，同样能够使得系统获得较高的分集增益，在接收机复杂度和系统增益性能之间取得了较好的权衡，更适合应用于实际的无线传感网络中。

图5 ML-DR方法在不同最大重传轮数下的D-M-D权衡曲线

4 结束语

本文针对ARQ协作网络中中继节点无信号合并接收能力情况下，无法保证系统获得最优性能的局限，提出了一种在多轮反馈重传过程中系统解码集和最优中继选择动态变化的ARQ选择协作方法。该方法扩大了最优中继节点的选取范围，充分利用了系统节点资源，在不增加中继节点接收机复杂度的情况下，使得整个系统的性能及可靠性大幅提升，一定程度上降低了通信成本。此外，分析推导出了本文方法的D-M-D权衡性能和中断概率性能公式，并且通过仿真实验验证了理论推导的正确性。该方法可以应用在无线传感器网络等低成本时延容忍型网络中。

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编 辑 漆 蓉

An ARQ-Based Selection Cooperation Scheme with Dynamic Best Relays

WANG Heng, ZHAO Xiao-rui, and LI Min

(Key Laboratory of Industrial Internet of Things and Networked Control, Ministry of Education, Chongqing University of Posts and Telecommunications Nan’an Chongqing 400065)

In cooperative networks with automatic repeat request (ARQ), the multiple-rounds retransmission is used to improve the reliability at the cost of additional delay. In this paper, a cross-layer cooperative strategy is investigated in ARQ cooperative networks for the case that relay nodes do not have ability of signal combining reception. A selection cooperation scheme is proposed, in which both the decoding set and the selection of best relay are changed dynamically during each round of retransmission. In Rayleigh fading channels, the proposed scheme can achieve optimal diversity-multiplexing-delay (D-M-D) tradeoff without increasing the receiver complexity of relay nodes. Simulation results show that the outage probability performance of the proposed scheme is close to that of the scheme using combining reception at relay nodes. It achieves better tradeoff between the receiver complexity and the system performance.

automatic repeat request (ARQ); cooperative communication; diversity-multiplexing-delay (D-M-D) tradeoff; outage probability; selection cooperation

TN925

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2017.05.006

2016-01-14；

2017-03-06

国家自然科学基金(61301125)；重庆市基础与前沿研究计划(cstc2015jcyjA40023)；重庆市教委科学技术研究项目(KJ1500413)

王恒(1981-)，男，博士，教授，主要从事协作通信、工业物联网和无线传感器网络等方面的研究.