基于協作通信系統的中繼選擇方案的研究

摘要：本文研究基于兩跳的協作通信系統中的中繼選擇問題。為了降低中斷概率，傳統中繼選擇方案往往需要引入更多的中繼節點參與協作傳輸，導致系統平均吞吐量下降。為解決上述問題，本文提出了一種新的自適應中繼選擇方案(ARSS)，此方案可以結合兩跳的鏈路信道狀況，自適應地選擇中繼節點及其轉發協議。仿真結果表明，與其他中繼選擇方案相比，本文提出的方案有效地降低了系統中斷概率，最小化中繼節點選擇的數目，同時提高了系統平均吞吐量。
關鍵詞：協作通信；自適應中繼選擇；中斷概率

0 引言
在無線通信網絡中，由于用戶終端受體積、功率等各種條件的約束，給多天線技術的實施帶來了困難。協作分集技術作為一種虛擬多天線技術，可以通過中繼節點的協作，對傳輸的信息進行轉發處理，以使網絡用戶的能耗顯著降低，保證終端的數據接收，優化網絡性能。協作分集技術已經成為當前無線通信領域的一個新的研究熱點。
對于協作傳輸系統中的中繼選擇問題，Laneman和Wornell首先提出了在兩跳多分支(Two-Hop Multiple Channels)的協作網絡中，利用所有可獲得的中繼節點進行數據轉發，即“全中繼協作”(APR)方案。由于APR方案需要利用所有可獲得的信道，因而在多中繼場景下，APR方案的頻譜效率較低。中繼選擇(RS)方案克服了低頻譜效率的問題，大致可分為單中繼選擇(SRS)方案和多中繼選擇(MRS)方案。在SRS中，文獻選擇端到端SNR最大的中繼節點，從而帶來全分集增益(Full diversity gain)。文獻提出了最優最差信道的中繼選擇(Best Worse Channel)方案，也實現了全分集。在MRS中，文獻提出在功率限制下，基于最大接收SNR(SNR)的RS方案。文獻提出在總能量受限的情況下選擇中繼節點，從而差錯概率最小。
SRS相比APR有更高的頻譜效率，但沒有充分利用空間分集的自由度。MRS具有更優的差錯與中斷概率性能，但最優MRS方案的復雜度隨中繼數量呈指數增加，有時由于合并的SNR超出系統的要求，MRS方案會選擇一些不必要的中繼。基于RS中出現的以上問題，本文提出一種自適應中繼選擇方案。在保證目的節點成功解碼的基礎上，減少中繼節點選擇的數目，從而在差錯性能和頻譜效率之間取得更好的折衷。

1 系統模型
設協作傳輸系統的系統模型如圖1所示，它是一個兩跳網絡，其中S表示源節點，D表示目的節點，Ri表示第i個中繼節點，hsi表示S到Ri的信道增益，服從均值為0、方差為σsi2的復高斯分布；hid表示Ri到D的信道增益，服從均值為0、方差為σid2的復高斯分布。

假設信道狀態在完成一次S到D信息傳輸的過程中保持不變，S發送的總功率為1，發送的信號為xs，則Ri收到的信號yri為：

其中nsi是Ri處的噪聲，服從均值為0，方差為N0的復高斯分布。如果中繼節點采用放大轉發(AF)模式，則Ri轉發的信號xi示為XiAF：

如果中繼節點采用解碼轉發(DF)模式，則Ri成功解碼轉發的信號xi表示為XiDF：

D接收到的Ri發送的信號為：

其中nid是D處的噪聲，服從均值為0，方差為N0的復高斯分布。