基于中断概率的协作通信中继选择与功率分配算法

2013年10月JournalonCommunicationsOctober2013第34卷第10期通信学报Vol.34No.10基于中断概率的协作通信中继选择与功率分配算法孙立悦，赵晓晖，虢明（吉林大学通信工程学院，吉林长春130012）摘要：研究了功率受限情况下多中继协作通信网络的中继选择和功率优化问题。在AF网络中，提出了一种低复杂度中继选择与功率分配算法，其目标是在总功率一定的条件下使系统的中断概率最小。本算法对源节点和所有潜在中继节点进行功率分配，结合当前信噪比选择最优的中继集合，通过最速下降法求出使系统中断概率最低的功率分配因子。该算法不需要知道大量瞬时信道信息、不需要系统在等功率条件下进行中继选择，只需求得中继节点排列矩阵便可根据当前信噪比自适应获得最优中继节点集合。仿真结果表明，在相同条件下，该算法明显优于不同中继节点集合下几种算法的中断性能，并且与传统的SAF及AAF算法相比，有效降低了中断概率，提升了系统性能和功率效率。关键词：协作通信；功率分配；中断概率；中继选择中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：1000-436X(2013)10-0084-08OutageprobabilitybasedpowerallocationandrelayselectionalgorithmincooperativecommunicationSUNLi-yue,ZHAOXiao-hui,GUOMing（CollegeofCommunicationEngineering,JilinUniversity,Changchun130012,China）Abstract:Therelayselectionandpoweroptimizationofmulti-relaycooperativecommunicationnetworkunderajointsumpowerconstraintwasconsidered.Alowcomplexityrelayselectionandpowerallocationalgorithmwasalsopro-posedinamplify-and-forwardcooperativenetworkaimingatminimizingtheprobabilityofsystemoutage.Inthisscheme,optimalpowerallocationamongsourceandrelaynodeswasconducted.AccordingtotheSNR,anoptimalrelaynodesetwasselectedandapowerallocationfactorleadingtoalowersystemoutageprobabilitywasobtainedbysteepestdescentmethod.Thisalgorithmdidnotneedlargequantityofchannelstatisticalinformationandequalpowercondition.ItcanobtainthebestsetofrelaynodesunderoptimalpowerallocationonlybysolvingthearrangedmatrixonthebasisofSig-naltoNoiseRatio.Simulationresultsshowthattheproposedrelayselectionandpowerallocationalgorithm,underthesameconditions,comparedintheoutageprobabilityindifferentrelaynodesetamongseveralalgorithms,achievesbetterperformanceinoutageprobabilityandpowerefficiency.Keywords:cooperativecommunication;optimalpowerallocation;outageprobability;relayselection1引言随着无线通信技术及其在各个领域应用的飞速发展，现有的无线频谱资源变得空前紧张，如何提高频谱利用率和数据传输速率成为未来无线通信中亟待解决的问题。推动通信技术高速发展的MIMO（multiple-inputmultiple-output）技术通过空间复用和空间分集可以有效地提高数据传输速率和可靠性，但是由于其限制因素，在不同的实现过程中也有各种困难。鉴于此，协作通信技术应运而生，其基本思想是在多用户环境中，通过网络间节点资源协作的方式，有效地共享传输资源，形成虚拟天线阵列，从而获得分集增益。这项技术有诸多优点，与MIMO技术形成互补和竞争，很快成为目收稿日期：2012-12-26；修回日期：2013-06-06基金项目：国家自然科学基金资助项目(61171079)FoundationItem:TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(61171079)doi:10.3969/j.issn.1000-436x.2013.10.010第10期孙立悦等：基于中断概率的协作通信中继选择与功率分配算法·85·前国内外最新的研究热点。最早，VANDERMULEN和COVER等人在无线中继信道上进行了开创性的研究[1,2]，他们首次提出了由源节点、中继节点和目的节点构成的协作通信网络模型，并将系统划分为一个广播信道和一个多址信道，为协作通信的发展奠定了重要的基础。根据中继站对接收到的信息处理方式的不同，可以将协作协议分为放大转发（AF，中继将接收到的信息放大后转发）、解码转发（DF，中继将接收到的信息译码并重新编码后转发）和编码协作（CC，中继传输不再是与信源相同的信息，而是增加的冗余）等多种方式[3]。随后，LANEMAN等人研究了低复杂度的经典协作分集协议，它能够有效抵抗无线通信网络中多径效应带来的衰落损耗，并在高信噪比近似条件下分析了其中断概率的性能[3,4]。协作通信技术涉及的研究范围很广，中继节点选择及其功率分配往往被作为重要的研究方向，在中继选择中，中断概率是其中一个重要的标准和评价方式，在此基础上再考虑实际协作通信运营环境中的一些限制条件[5~10]，而一个源节点、一个目的节点和多个中继节点的系统网络是研究热点之一[10~14]。GOMEZ-CUBA等人全面研究了无线网络的协作分集技术，提出了一个通用的理论框架[9]。WANG等人对协作MIMO信道模型现状进行深入研究，说明了尽管现有的标准化的点对点MIMO信道模型在一定程度上得到应用，但仍存在很多新的挑战[15]。ERKIP等人研究的中继选择算法需要知道链路每一跳的距离，用户协作区域的位置和大小与源节点和目的节点的位置有关，因此不适用于动态网络[5~7]。ZHAO等人在AF模式下，基于瞬时信道信息，提出一种最优中继选择方案，证明了选择一个最优中继与多中继参与协作获得的分集阶数相同[8]。随后，ANNAVAJIALA等人提出了高信噪比近似下系统中断概率表达式，比较分析了源节点与目的节点之间有无直接链路2种情况在AF/DF/DSTC3种协议下的系统中断性能[16]。上述2种方案都是基于瞬时信道信息，需要时刻掌握系统的信道状态，并反馈给参与通信的全部节点，复杂度高，开销大。在ANNAVAJIALA等人的基础上，文献[10,11,13]研究了在AF协议下，基于中断概率的中继选择算法，给出了等功率分配条件下最优中继集合的选择算法，但实际中继节点的选择未必依据等功率条件，且由等功率条件下选择的中继节点推导出的中断概率可能会变大，不能保证系统达到最佳性能。BAI等人基于距离中继选择方案，深入研究了路径损耗，在机会中继算法的基础上提出了新的中继选择方案，但该方案不能实时精确地选择最佳中继[17]。尽管基于等功率分配AF协作系统的中继选择的研究工作有很多，但是目前仍没有文献研究功率优化后的中继选择技术在AF协作系统中的应用。考虑上述问题，本文在AF模式下，采用拉格朗日乘子法和最陡下降法，提出了一种基于信道统计特性的中继选择与功率分配算法。该算法在中继选择之前对源节点和各个中继节点进行了功率优化，然后根据当前信噪比自适应地选择最优中继集合，最后对源节点和最优中继集合进行功率再分配。该方法避免了等功率分配下选择中继节点对中断性能的影响，同时未被选择的中继节点处于空闲状态，降低了资源损耗并提升了系统寿命。仿真实验表明，在相同条件下，本算法性能是最优的。2系统模型多节点协作中继网络模型如图1所示，该系统存在一个源节点S，一个目的接收节点D和n个采用放大转发方式的中继节点iR（1,,in=）。假设源节点和中继节点的发射功率分别为sE和iE，参与转发数据的中继节点集合为{},Ll=1,2,，分别采用均值为零的相互独立的复高斯分布随机变量sih，sdh和idh表示源节点到中继节点和目的节点以及中继节点到目的节点的信道增益，它们的方差分别为2siσ、2sdσ、2idσ。各个节点之间信道是统计独立的，并且服从频率平坦衰落。在实际通信环境中，考虑到中继节点的射频设备限制，中继节点在同一频段上很难同时收发数据，因此本文采用半双工模式，即在同一频段节点不能同时收发信息。并且采用时分方式构成正交信道，即每个节点传输数据占用一个时隙，避免信道之间相互干扰。整个协作通信过程分为2个阶段。第一个阶段，源节点广播其需要发送的数据，被选择出来的中继节点和目的节点同时接收源节点的数据。令源节点发送的数据为x。sdz和siz分别表示相应信道上的加性高斯白噪声，它们是相互独立的均值为零、方差分别为sdZ和siZ的复高斯随机变量。这时目的节点D和参与协作的中继节点iR接收到的数·86·通信学报第34卷据分别为sdsdssdyhExz=+(1)sisissiyhExz=+，iL∈(2)图1多节点协作中继网络模型第二个阶段，中继节点将接收到的数据模拟处理后放大并转发给目的节点。令参与转发数据的中继节点转发的数据为isixyα=，其中，α=21ssisiEhz+为缩放系数[10]，则目的节点接收到来自中继节点i的数据可表示为ididiiidyhExz=+，iL∈(3)其中，idz为加性高斯白噪声，是相互独立的均值为零、方差为idZ的复高斯随机变量。为考虑问题方便，做以下假设：0siidsdZZZZ===。所有中继节点都参与协作，在AF协议下，因为数据从源节点通过n个中继节点到达目的节点共分为1n+个时隙，形成n个相互正交的信道，所以源节点到目的节点的链路容量可以表示为[16]21log11ssdIEhnγ=+++()221,nssiiidifEhEhγγ=∑(4)其中，01=Zγ是系统信噪比，函数(,)=++1xyfxyxy。当链路容量不能满足所要求的用户速率时就会产生中断事件，这个事件发生的概率由链路的平均信噪比及其信道衰落分布模型决定。当要求速率为R时，中断概率定义为()()()out22211[],21rnrssdssiiidinRPPIRPEhfEhEhγγγ=+==+−∑212211111()nnissdssiiidCnEEEσγσσ+==+∏(5)其中，()1(1)()21(1)!nnRCnn++=−+。3算法描述3.1功率优化算法在协作通信中，中断概率是一个重要的系统通信质量评价标准和评价方式，在此基础上再考虑实际协作通信中的一些约束条件。因此，本文研究在总功率受限条件下，找到源节点和潜在中继节点的最优功率分配因子以使中断概率最小。该问题可以用如下数学模型描述为outout11minNiiPPN==∑(6)1s.t.NsitiEEE=+∑≤(7)其中，tE是总的发送功率。这是一个典型的凸优化问题，可以利用经典的拉格朗日乘子法求解。假设源节点的功率分配因子为0β，中继节点的功率分配因子为,1,,iinβ=，则