协作通信中继选择策略的删余改进算法
2017-06-23刘顺兰包建荣
陈 磊，刘顺兰，包建荣
(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018)
协作通信中继选择策略的删余改进算法
陈 磊，刘顺兰，包建荣
(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018)
在多中继放大转发协作通信中，以系统平均中断概率最小化为目标，提出了中继选择策略的删余改进算法.新引入中继节点门限，并根据信道统计特性逐个删除高于该门限的中继节点，使剩余中继节点协作转发，从而获得较高的性能.并针对该算法提出了次优功率分配.仿真表明，所提算法的中断概率相比于其它中继数目情况是最小的，其中断性能在任何信噪比时都优于全及单中继转发算法.在中断概率为10-3时，与全中继转发及单中继转发方案相比，分别有近3.28 dB和3.72 dB信噪比增益，且次优功率分配具有更好中断概率性能.
放大转发；中继选择；中断概率；删余改进
0 引 言
随着无线通信快速发展，无线频谱资源分配变得格外紧张.多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术[1]虽可改善信道衰落，提高系统传输速率[2]，但因其多天线传输的复杂性而不易被应用，于是出现了协作通信技术[3].协作通信技术利用相邻用户天线发送信息，组成虚拟天线阵，从而获得类似MIMO的性能增益，增强了网络覆盖能力，提高了传输可靠性并降低了系统能耗[4].在多中继放大转发协作系统中，中断概率是系统性能评判的重要指标[5].当所有潜在中继节点都参与中继放大转发(All Relays Amplify-and-Forward，AAF)时，将降低系统资源的利用率，同时也影响了系统中断性能的提升.文献[6]根据系统信道容量增益选择最优中继集合.由于信道容量增益门限的大小选取对系统性能的影响很大，故很难选取合适的门限值.文献[7-8]提出了基于单个中继选择的最佳中继选取方案.单个中继参与协作虽能提高了系统性能，但不能获得多中继参与协作的增益.在放大转发协议下，文献[9]提出了基于误码率的快速中继选择算法.文献[10]基于瞬时信道信息，以系统中断概率最小化为目标，提出了选择单个最佳中继节点参与协作转发的策略.虽能有效降低系统资源损耗，但需获得各链路瞬时信道状态信息，使系统实现更加复杂.
为此，本文在多中继放大转发协作通信中，以系统平均中断概率最小化为目标，提出了中继选择策略的删余改进算法.根据删除某中继节点前后的系统平均中断概率的增减，判断并决定其保留或删余.对所有中继节点判断，以获得最优中继节点集合.此外，还针对本文算法提出了次优功率分配(Near Optimal Power Allocation，NOPA)方案.
1 系统模型
(1)
其中，ni,Di和ni,j分别表示源到目的和到各中继节点的信道加性高斯白噪声，它们是均值为0、方差分别为Ni,Di和Ni,j的随机高斯变量.
yj,Di=βjhj,Diyi,j+nj,Di
(2)
其中，Pij表示中继节点j发送功率，为简化分析，可设Ni,Di=Ni,j=Nj,Di=No，且缩放系数βj定义为：
(3)
经过上述2个阶段的数据传输，目的节点接收来自源及中继节点的2个信息，并对这2个信息最大比合并处理，接收信号的瞬时互信息量[10]为：
(4)
当接收端目标速率为R时，且链路瞬时互信息量小于接收端目标速率时，即出现中断现象.故数据流i的中断概率可表示为：
(5)
此外，文献[11]进一步简化了中断概率表达式，且能较好低逼近其实际值，表达式为：
(6)
其中，W(M)=(2(M+1)R-1)M+1/(M+1)!.
2 中继选择策略
2.1 等功率分配方案
当协作网络中系统总功率受限制时，如何选择合适的中继节点来达到系统平均中断概率最小化的目标，采用如下数学模型：
(7)
其中，Pt为协作网络中系统的最大总功率.数学模型的最优中继节点集合的求解等同于对网络中各子数据流的最优中继节点集合的求解[12].
(8)
其次，将已知条件的函数表达式代人式(8)中，经整理可得：
(9)
再次，根据式(9)分别定义中继节点l的等效信道增益Vl、中继选择门限Tr和系统信噪比门限，其表达式依次为：
(10)
Tr=[γP0(M+1)(2MR-1)M]/(2(M+1)R-1)M+1
(11)
γr=Vl(2(M+1)R-1)M+1/[P0(M+1)(2MR-1)M]
(12)
当中继节点的等效信道增益大于该中继选择门限时，从原先中继集合中将该节点l删余.
最后，经上述一系列推导，得出协作通信中继选择策略的删余改进算法.步骤如下：
4)M=M-1，更新门限值Tr.若M=1，转步骤5，否则转步骤3；
5)算法结束，得到了最优中继节点集合.
本算法根据信道统计特性逐一删除高于该门限的中继节点.而剩余节点组成最优中继节点集合，参与协作转发.但其可利用已有枚举法来搜寻该集合.即系统所有潜在节点可组成的中继节点集合，共有2k-1个.再分别计算各集合等功率分配后的系统平均中断概率.最后，通过全集搜索找到系统平均概率最小的最优中继节点集合.但枚举法存在明显缺点，即运算复杂度过大.根据本文算法选择的最优中继集合是一种低复杂度算法.其只需排列中继节点等效信道增益.根据中继选择门限获得最优的中继节点集合，其复杂度将大为降低.
2.2 次优功率分配方案
本文的删余改进算法是在等功率分配下选择出最优的中继节点集合.为进一步提升系统中断性能，提出了一种次优功率分配方案，即对源及最优中继集合的中继节点进行功率的次优化分配，并将其与原先的等功率分配方案进行仿真对比.
Pii=αPt
(13)
(14)
最后，将Pii和Pij的表达式代入式(6)中，得到次优功率分配后系统的中断概率.
3 仿真结果及分析
仿真实验1：以单数据流为例，3种不同中继节点数目与本文算法的中断概率比较.
仿真参数1：设协作网络系统中有8个节点，分别编号.以数据流1为例，其对应的目的节点为节点5，节点2，3，4为其对应的潜在中继节点.各节点信道特性统计为σ11=1.5,σ12=0.8,σ13=0.4，σ25=1.2,σ35=0.9,σ45=0.4，每个节点功率为1 W，信息速率R=0.5 bit/s.仿真结果如图1所示.
仿真实验2：在等功率分配情况下时，比较本文算法与AAF和单中继放大转发(Single Relay Amplify-and-Forward，SAF)算法的系统平均中断概率.本文算法在次优功率分配下，与等功率分配进行中断概率性能比较.
图1 不同算法的中断概率比较
图2 本文算法及其次功率分配与AAF和SAF比较
图1中，当系统信噪比分别为RSN≤6.8 dB，6.8 dB
4 结束语
本文提出了协作通信中继选择策略的删余改进算法，即根据信道统计特性逐一删除高于该门限的中继节点，选择最优的中继节点集合，具有更优的的中断概率性能表现，主要应用在多源多中继AF中继网络中.本算法是一种低复杂度算法，不仅能节省系统资源的开销，还能提高系统的中断概率性能.实验仿真表明：本算法的中断概率相比于其它3种不同中继数目情况是最小的，它在任何信噪比时较AAF及SAF两种算法有更好的中断概率性能，且它的次优功率分配方案的系统中断概率性能相对等功率分配又有了进一步提高.
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Puncturing Improvement Algorithm of Relay Selection Strategy in Cooperative Communications
CHEN Lei, LIU Shunlan, BAO Jianrong
(SchoolofCommunicationEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)
In the multi-relay amplify and forward cooperative communications, a puncturing improvement algorithm is proposed for the relay selection strategy to minimize the probability of the systematical average interruption. It introduces a new relay node selection threshold and punctures the node one by one with the above the relay node threshold according to channel statistics. So the remain relay nodes cooperatively forward and obtain high performance. In addition, it also puts forward an approximate optimal power allocation for the proposed algorithm. Simulation results show that the interruption probability of the proposed algorithm is always kept to a minimum level in any SNR, when compared with those of the other cases of the relay scheme. And it has better interruption probability than that of the whole or single relaying algorithm. When the interruption probability is 10-3, it obtains 3.28 dB and 3.72 dB SNR gain respectively compared with the all-relay and single-relay scheme. Moreover, the sub-optimal power allocation of the proposed scheme has much better interruption probability performance.
amplification repeater; relay selection; interruption probability; puncturing improvement
10.13954/j.cnki.hdu.2017.03.005
2016-07-27
国家自然科学基金资助项目(61471152)；浙江省自然科学基金资助项目(LZ14F010003)
陈磊(1991-)，男，浙江宁波人，硕士研究生，无线协作通信.通信作者：刘顺兰教授，E-mail：liushunlan@163.com.
TN929.5
A
1001-9146(2017)03-0020-04
