一種新型多協(xié)作中繼選擇協(xié)議研究

摘要：機會(huì )中繼選擇協(xié)議是一種基于即時(shí)信道狀態(tài)的單協(xié)作中繼選擇方法。文章將機會(huì )中繼的思想推廣到多中繼選擇場(chǎng)景，提出一種新的中繼選擇協(xié)議。協(xié)議通過(guò)采用目的節點(diǎn)確認協(xié)作中繼及加入延時(shí)等機制，有效地降低了中繼選擇的沖突概率，并能控制中繼選擇的數目，保證中繼選擇的公平性。協(xié)議還修正了原協(xié)議中繼定時(shí)器參數選擇問(wèn)題。
仿真表明該協(xié)議能夠極大地提升系統誤碼率性能。
關(guān)鍵詞：機會(huì )中繼；即時(shí)信道狀態(tài)；多中繼；沖突概率；誤碼率

協(xié)作分集技術(shù)作為近年來(lái)出現的一種新技術(shù)，已引起國內外學(xué)者的關(guān)注，并成為當前無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域一新的研究熱點(diǎn)。其基本思想是各單天線(xiàn)用戶(hù)彼此為對方轉發(fā)信息，這樣，每個(gè)終端在傳輸信息的過(guò)程中，既利用了自己又利用了其合作伙伴的空間信道，從而獲取一定的空間分集增益。其主要協(xié)作方式有放大轉發(fā)(Amplify and Forward，AF)，解碼轉發(fā)(Decode and Forward，DF)和編碼協(xié)作(Coded Cooperation，CC)。
機會(huì )中繼選擇協(xié)議是由A．Bletsas等人在文獻中提出的一種基于即時(shí)信道狀態(tài)(Channel State Information，CSI)的協(xié)作中繼選擇方法，系統根據某種選擇算法從所有備選中繼中選擇一個(gè)最佳中繼節點(diǎn)與源節點(diǎn)協(xié)作發(fā)射信號到目的節點(diǎn)。該方法不需要知道網(wǎng)絡(luò )的拓撲信息，從而大大簡(jiǎn)化了物理層的設計。Salama在文獻中證明了該算法相比于常規分集方案在節省信道資源方面有更多的優(yōu)勢，同時(shí)實(shí)現了系統的全分集階數。
現有的改進(jìn)都是集中在選擇單個(gè)最佳中繼上，文獻在機會(huì )中繼協(xié)議基礎上提出了一種半分布式中繼選擇方案，每個(gè)中繼測量測量其后向信道和前向信道的瞬時(shí)信道增益，若該兩個(gè)信道增益均大于一個(gè)門(mén)限，則該中繼可用，最終基站從所有可用中繼中選擇最佳中繼。但單個(gè)節點(diǎn)的處理和傳輸能力有限，通過(guò)多個(gè)節點(diǎn)的協(xié)作不僅僅可以得到空間分集增益還可以獲得空間復用增益，同時(shí)還可以均衡業(yè)務(wù)負載。筆者將機會(huì )中繼選擇的思想推廣到多中繼選擇場(chǎng)景，提出一種新的多中繼選擇方法。

1 機會(huì )選擇中繼協(xié)議分析
文獻已給出詳細的協(xié)議選擇方法，具體的說(shuō)，源節點(diǎn)S發(fā)送RTS(Request To Send)分組給所有中繼和目的節點(diǎn)D，D在接收到RTS分組后，產(chǎn)生CTS(Clear to Send)分組發(fā)給源節點(diǎn)S和中繼節點(diǎn)，中繼根據RTS和CTS分組測量鏈路的瞬時(shí)信道狀態(tài)信息hs,i和hi,d每個(gè)中繼節點(diǎn)都將根據信道狀態(tài)信息觸發(fā)一個(gè)定時(shí)器(Timer)。最佳中繼所對應的定時(shí)器將最先超時(shí)，緊接著(zhù)，該最佳中繼則會(huì )發(fā)送一個(gè)標志包(flagpacket)，表明其最佳中繼的身份，其他尚未超時(shí)的中繼在接收到該標志包后將放棄對本次最佳節點(diǎn)的競爭。對于存在隱藏中繼(即不能偵聽(tīng)中繼彼此之間的信息，但能偵聽(tīng)源節點(diǎn)和目的節點(diǎn)信息的中繼)的情況，最佳中繼則向目的節點(diǎn)發(fā)送該標志包，然后由目的節點(diǎn)發(fā)送很短的廣播包(broadca stpacket)通知所有中繼節點(diǎn)。
定時(shí)器的取值如下：

由式(2)和(3)可知，信道狀況最好的中繼，即最佳中繼具有最小的起始時(shí)間。
從上述中繼選擇過(guò)程來(lái)看，當兩個(gè)或多個(gè)中繼定時(shí)器過(guò)于接近時(shí)，有可能發(fā)生中繼選擇沖突。如圖1所示，節點(diǎn)b和j分別代表最佳中繼和另外一個(gè)中繼。其中，Tb代表節點(diǎn)b定時(shí)器的初始值，ni為中繼i和目的節點(diǎn)間的傳播時(shí)延，ds為每部無(wú)線(xiàn)收發(fā)機的收發(fā)轉換時(shí)間，r為兩中繼之間的傳播時(shí)延，dur1和dur2分別為標志包和廣播包的持續時(shí)間。