一種新型多協(xié)作中繼選擇協(xié)議研究

摘要：機(jī)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(jī)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(jié)點(diǎn)確認(rèn)協(xié)作中繼及加入延時(shí)等機(jī)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(shù)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(shù)選擇問(wèn)題。
仿真表明該協(xié)議能夠極大地提升系統(tǒng)誤碼率性能。
關(guān)鍵詞：機(jī)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(xiàn)的一種新技術(shù)，已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，并成為當(dāng)前無(wú)線通信領(lǐng)域一新的研究熱點(diǎn)。其基本思想是各單天線用戶彼此為對(duì)方轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)(Amplify and Forward，AF)，解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode and Forward，DF)和編碼協(xié)作(Coded Cooperation，CC)。
機(jī)會(huì)中繼選擇協(xié)議是由A．Bletsas等人在文獻(xiàn)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(tǒng)根據(jù)某種選擇算法從所有備選中繼中選擇一個(gè)最佳中繼節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)協(xié)作發(fā)射信號(hào)到目的節(jié)點(diǎn)。該方法不需要知道網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?，從而大大?jiǎn)化了物理層的設(shè)計(jì)。Salama在文獻(xiàn)中證明了該算法相比于常規(guī)分集方案在節(jié)省信道資源方面有更多的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的全分集階數(shù)。
現(xiàn)有的改進(jìn)都是集中在選擇單個(gè)最佳中繼上，文獻(xiàn)在機(jī)會(huì)中繼協(xié)議基礎(chǔ)上提出了一種半分布式中繼選擇方案，每個(gè)中繼測(cè)量測(cè)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(jié)點(diǎn)的處理和傳輸能力有限，通過(guò)多個(gè)節(jié)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(fù)用增益，同時(shí)還可以均衡業(yè)務(wù)負(fù)載。筆者將機(jī)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(jī)會(huì)選擇中繼協(xié)議分析
文獻(xiàn)已給出詳細(xì)的協(xié)議選擇方法，具體的說(shuō)，源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送RTS(Request To Send)分組給所有中繼和目的節(jié)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(jié)點(diǎn)S和中繼節(jié)點(diǎn)，中繼根據(jù)RTS和CTS分組測(cè)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(jié)點(diǎn)都將根據(jù)信道狀態(tài)信息觸發(fā)一個(gè)定時(shí)器(Timer)。最佳中繼所對(duì)應(yīng)的定時(shí)器將最先超時(shí)，緊接著，該最佳中繼則會(huì)發(fā)送一個(gè)標(biāo)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(biāo)志包后將放棄對(duì)本次最佳節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)。對(duì)于存在隱藏中繼(即不能偵聽中繼彼此之間的信息，但能偵聽源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)信息的中繼)的情況，最佳中繼則向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送該標(biāo)志包，然后由目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送很短的廣播包(broadca stpacket)通知所有中繼節(jié)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(dāng)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(jié)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(jié)點(diǎn)b定時(shí)器的初始值，ni為中繼i和目的節(jié)點(diǎn)間的傳播時(shí)延，ds為每部無(wú)線收發(fā)機(jī)的收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間，r為兩中繼之間的傳播時(shí)延，dur1和dur2分別為標(biāo)志包和廣播包的持續(xù)時(shí)間。