一种基于信噪比反馈的机会中继选择协议

2018-12-29王文敬

无线电通信技术 2018年1期

王文敬

(中国民航飞行学院航空工程学院,成都广汉 618307)

10.3969/j.issn.1003-3114.2018.01.13

王文敬.一种基于信噪比反馈的机会中继选择协议[J].无线电通信技术,2018,44(1):65-68.

[WANG Wenjing.An SNR-feedback Opportunistic Relay Selection Protocol [J].Radio Communications Technology,2018,44(1):65-68.]

一种基于信噪比反馈的机会中继选择协议

王文敬

(中国民航飞行学院航空工程学院,成都广汉 618307)

提出了一种在协同中继通信中，基于信噪比反馈的机会中继选择(SNR-FORS)协议。在考虑了反馈噪声影响的情况下，利用LASSO方法估计出预选中继ID信息，并且利用最大似然法估计出各中继所反馈的等效信噪比信息，由源节点选出具有最高等效信噪比的最佳中继辅助进行数据传输。所提协议的传输速率在有限的反馈时间开销内，可接近全反馈性能，并且高于已有的Subset协议。

中继选择；SNR-FORS协议；传输速率

TN925

1003-3114(2018)01-65-4

2017-09-14

中国民航飞行学院青年基金“协同通信中中继网络的中继选择算法关键技术的研究”资助项目

AnSNR-feedbackOpportunisticRelaySelectionProtocol

WANG Wenjing

(Civil Aviation Flight University of China,Guanghan 618307,China)

An SNR-FORS (SNR-Feedback Opportunistic Relay Selection) protocol based on SNR feedback in cooperative relay communication is proposed.It achieves higher transmission rate than Subset protocol by selecting the best relay within limited time overhead under the assumption of noisy feedback channels,using LASSO to estimate the ID and ML method to estimate the equivalent SNRs of the strong relays.Its performance can be close to that achieved by full feedback scheme.

relay selection; SNR-FORS protocol; transmission rate

0 引言

在协同中继通信中，通常部署了多个中继，因此需要选择出最佳中继进行协同传输。文献[1]提出了机会中继选择协议，其中中继监听在数据传输之前由发射端和接收端分别发送的请求发送(Request-to-Send,RTS)和允许发送(Clear-to-Send,CTS)数据包，然后根据中继到两端的信道质量，依据一定的准则选择出最佳中继。文献[2]证明了在DF转发协议下，上述机会中继协议可以实现和分布式空时编码相同的分集增益。文献[3]更加深入地分析了反应式模型和前摄式模型的中继选择策略，证明了2种模型下DF协议具有最佳中断性能。文献[4]提出了一种基于定时机制的中继选择策略，其中每个中继设置一个与信道系数成反比的定时器，当定时归零时中继反馈一个信噪比包。为了最小化反馈开销，文献[5]中，反馈仅由一个含有K个中继的子集进行，这项技术以中断概率为代价减小了反馈的时间开销。文献[6]以提高系统吞吐量为目的，基于贝叶斯准则进行了中继规划问题的研究，并且通过计算后验概率，进行了中继选择。

本文着眼于有2个信息源和多个中继的网络，并且假定每个中继仅对自身与2个信息源的信道状态已知，而2个信息源对此未知。所以，在源节点进行最佳中继选择时，需要中继等效信噪比的反馈，反馈中考虑了有限的时间开销以及反馈噪声的影响。在兼顾系统复杂度、时间开销和系统性能的同时，尽可能地提高传输速率，优化系统性能。

1 SNR-FORS协议

1.1 单中继选择模型

系统工作在半双工模式。A代表一个数据发送或接收端，B代表另一个发送或接收端，R代表独立的各中继。每个中继仅配备一根天线，可用于接收和发送信息。假设A和B之间不可进行通信，整个传输过程只能借助于R的协同将信息转发给对方。图1中，fr代表A和第r个中继之间的信道系数，gr代表第r个中继和B之间的信道系数，假设信道均为瑞利衰落信道，且各个节点之间的信道互为可逆，源节点S和第r个中继的发送功率分别为P和Pr，各节点处的噪声为零均值、方差为σ2的加性高斯白噪声，在这个模型中，每个中继将通过接收数据来估计A或B与自身的信道状态。

图1 中继选择系统模型

1.2 协议描述

一个完整的时间结构如图2所示，每个时间结构长度为Tf，它由以下部分组成：一个用于在中继端进行信道估计的长度为TP的索引广播副时隙、M个长度为Tm的反馈微小时隙、一个长度为T的用于数据传输的传输时隙。在一个微小时隙仅可传输一个反馈符号。假设信道在一个时间结构Tf中保持恒定。在索引广播副时隙中，A发送RTS，B发送CTS，所有中继可由其来分别估计A、B与本节点的信道状态。之后，第r个中继在M个微小反馈时隙中，向A反馈各自的等效信噪比。A再选择出最佳中继，在传输时隙进行数据传输。

图2 SNR-FORS选择协议时间结构

每个中继通过RTS和CTS，可得知自身分别与A和B之间的信道状态，每个中继分别计算其与A和B之间的信噪比：

(1)

每个中继被分配一个非正交码，用于代表其身份信息，这些码由A产生，长度为M，并且满足M

(2)

式中，F∈是一个对角矩阵，它的各对角元(r,r)分别代表第r个中继和A之间的信道系数，J=[j1,j2…jR]代表中继的反馈码矩阵，w∈M×1代表A处的噪声，sr代表第r个中继所反馈的等效信噪比。需要说明，由于中继在反馈之前对其反馈信道进行了归一化，所以得到的R-A信道矩阵为一个单位矩阵，即不存在衰落，且向量y仅受加性噪声的影响。A可根据r得到等效信噪比向量s。

采用LASSO估计方法进行信号重建，由于LASSO具有能产生稀疏性的优良性质，使得s中的许多项变成零，根据噪声存在时稀疏检测概率闭式的可行性[8]，在反馈中仅进行少量测量来从噪声中恢复出稀疏实向量s。

r=Js+w。

(3)

式(3)是一个线性模型，其中r为一个M×1维实向量，J为一个M×R维实矩阵，s为一个R×1维实稀疏向量，w为一个具有随机独立误差的零均值、方差为σ2的M×1维实向量。LASSO估计如下[7]：

(4)

中继选择的目的是用最少的反馈时间开销从R个中继中选出具有最高等效信噪比的最佳中继。每个中继被分配一个长度为M的高斯码。高斯码是从一个归一化的实高斯向量中选取，其均值为零，方差为1/M。

首先由A广播一个阈值ξ，阈值ξ需要最优化，以致于仅少数中继得以反馈，每个中继的反馈概率为S/R。这对应着一个选择中断概率Po，定义为所有中继都无法反馈一个高于阈值ξ的等效信噪比的概率。此选择中断概率表示如下：

(5)

式中，Fγe(·)是等效信噪比的累积分布函数，并且由所采用的转发协议决定。由上式可计算出相对应的阈值ξ：

(6)

假设所有中继均能收到，然后与其等效信噪比作比较，其值大于阈值的中继将等效信噪比与自身的高斯码结合，即第r个中继向A反馈：

(7)

而等效信噪比小于阈值的中继将保持静默，相当于反馈为零。阈值的选择应该仅使少量优势中继拥有反馈机会，以使得s稀疏，其稀疏度S由参与反馈的中继数量决定。当所有中继的等效信噪比都低于阈值时，没有中继进行反馈，此时判定系统出现选择中断。一旦A收到所有反馈信息后，它会估计这些中继的ID，并利用式(4)对等效信噪比进行粗略估计。如果至少有一个中继被检测到，那么A会对信噪比进行更为精确的估计。

一旦A估计出s，便从J的列向量中减去未反馈的中继，得到JS∈M×S。现在接收向量r可表示为：

r=JSsS+w，

(8)

式中，sS是由向量s移除其中未反馈的中继所对应的元素所得到的向量。由于M

(9)

(10)

(11)

式中，SNR为式(3)中的信噪比向量，e代表高斯噪声，δ代表削弱量。并且给出削弱效率η，它表示当被削弱后的信噪比小于或等于实际信噪比的概率：

(12)

式中，σe由式(10)所给出，δ的最优解将在下节讨论。

A通过以下选择准则对反馈的中继进行选择，选出具有最大等效信噪比值的中继R*作为最佳中继并向它进行数据传输：

(13)

1.3 传输速率

传输速率体现了系统在一定时间单位带宽内所能传输的符号个数。文中，传输速率c定义为受制于选择中断概率Po的数据速率，即：

c=lb(1+γe)(1-Po)。

(14)

(15)

将所有可能的r值概率求和可得反馈的平均中继数：

(16)

为了找到最佳的δ值以最大化系统速率的上限，对c关于δ微分并将结果设为0，可得到：

(17)

通过式(17)，根据式(10)的σe可得到最佳的δ。

2 仿真结果分析

将所提SNR-FORS协议与Subset中继选择进行性能比较。其中全反馈(Full feedback)为SNR-FORS协议中所有中继得以反馈，即Po=0的情况，其速率为SNR-FORS协议可达速率的上限。图3为不同选择协议下传输速率随反馈微小时隙的变化曲线。随着反馈时间的增加，SNR-FORS协议的速率越来越接近全反馈情况。Subset的速率在低反馈时隙时表现得比SNR-FORS略高，原因是当反馈时隙越小，SNR-FORS中反馈中继数S会相应变小，这会使得Po增加。所以，Subset在低复杂度时相较于SNR-FORS可得到更好的速率性能。当反馈微小时隙为60时，SNR-FORS的传输速率比Subset高0.12 bps/Hz。

图4为不同选择协议下传输速率随中继总数的变化曲线，固定反馈时间为10个微小时隙。同样地，全反馈情况为SNR-FORS可达速率上限。可以看出，SNR-FORS的传输速率高于Subset协议。随着中继总数的增加，SNR-FORS的速率增加，但是当中继总数增加到一定程度，速率增加不再明显。S减少将会导致选择中断概率Po升高，进而使得可达速率的降低。对于Subset，传输速率并没有受到影响，容易知道是由于既定了10个微小时隙，即反馈子集固定为10个中继。当中继个数为50时，SNR-FORS比Subset高0.43 bps/Hz。

图3 传输速率随反馈时间变化曲线图4 传输速率随中继个数变化曲线

3 结束语

提出了一种基于反馈的中继选择工作模型以及SNR-FORS中继选择协议，所提模型工作在半双工模式的DF传输下，结合了实际的噪声情况，所提协议的传输速率高于已有的Subset协议，并且通过减少反馈中继数目减小了反馈开销。

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