协作通信网络中的中继节点选择技术

(6)中继节点属性

在不同的网络中中继节点的属性也不尽相同。中继节点可以是固定的也可以是移动的，可以是有源的也可以是无源的，有些装配单根天线而有些则装配多根天线，节点的属性不同直接影响了协同节点选择的策略。在蜂窝网中，无论固定的还是移动的中继节点大多是有能量支持的，并且中继节点上大多可能配备多根天线，拥有相对较强处理和传输能力，因此可以将较多的工作转移到中继节点上进行，从而降低移动终端的复杂度和能量消耗，同时为移动终端提供较好的QoS保障。在自组织网络中，网络中所有节点属性基本相同，且大都使用电池供电，处理和传输能力也相对有限，因此在协同节点选择算法设计时应充分考虑节点的能量问题，在保证服务的条件下尽量延长网络的生存时间。

3 典型算法介绍

(1)基于协作增益的单节点选择策略

协同节点选择算法的目的就是提高协同通信所带来的增益，文献[5]研究了编码协同中的协同节点选择策略，协同网络模型如图1所示，本文以端到端的误帧率作为标准定义了用户协同增益G：

式(1)中Pno-coop为非协同传输时的误帧率，Pcoop为协同传输时的误帧率，因此当G >1时才使用协同，从而得到了能够带来增益的协同区域，并给出了协同节点选择的标准，即选择能够带来最大协同增益的协同节点参与协同。该算法需要节点地理位置信息的支持，需要额外的硬件设备(如GPS)或运行相应的定位算法。

(2)基于瞬时信道状态的分布式选择策略

无线信道的时变特性，使协同节点选择算法应具有一定的自适应特性，文献[6]中提出了一种分布式的协同节点选择算法，该算法和传统的802.11协议相结合，利用RTS和CTS分别估计源节点到中继节点和目的节点到中继节点之间的信道状态：asi和aid，中继节点收到该信道信息后进行判断，判断的准则如式(2)所示，

随后开启一个退避定时器，退避时间T 和信道条件hi  成反比，这样一来信道条件好的中继节点就会优先介入信道，发送一个FLAG帧通知源节点、目的节点和其他中继节点，这样以来就完成了一次中继选择，即从M个可行的中继节点集合中选择出一个最好的协同节点。该算法是根据瞬时信道条件来选择中继节点，随着信道衰落情况的变化来选择不同的中继节点如图2所示，但该算法在节点选择过程中可能发生碰撞，从而导致无法正确的选择到中继节点。

(3)基于分群的协同节点选择策略

文献[7]研究了存在多对源和目的节点情况下的协同节点选择问题。为了能够达到全网范围的分集增益，节点选择协议应为每一个发送节点提供足够的协作节点，使这些节点形成为若干个群，如图3所示。每个群内的协同节点能够以很高的概率正确解码发送节点的信息。

该文中针对分布式场景下提出了一种简单的静态协同节点选择策略，该策略可以保证网络中的所有发送节点都能够获得n +1的分集增益，n为协作节点个数。首先，每个节点都维护一个优先协作表，该节点优先支持表中的前n 个节点。优先协作表设计和实现方法很多，其中一个简单实现方式为：

[i +1,i +2,…,M,1,2,…,i -1]，i为本节点编号。

在有中心式控制场景下，由于中心控制节点拥有信道信息，因此可以从所有可能的解中选择最优的方案，从而可以获得额外的性能增益。图4中比较了在知道不同程度信道信息以及分布式和中心式算法的比较。

(4)基于能量考虑的协同节点选择策略

当前应用的无线网络如蜂窝网，WLAN，无线传感器网络等，终端设备大都使用电池供电，使得网络可利用的资源受到限制，因此如何高效的利用网络资源、延长网络的生存时间是无线网络设计的一个重要问题。随着协同通信技术的出现，它使得协同节点间的资源(信道，能量)得到共享，从而为节约节点能量、延长网络的生存期提供了有效途径。最近在利用协同通信技术来延长网络生存期方面已有部分研究者做出了贡献，文献[8]中作者在图5的模型下，联合考虑协同节点的信道状态信息CSI和剩余能量信息REI，选择出一个最优的协同节点并利用它完成协同传输，从而延长了AF协同网络的生存时间，文献[9]中作者在相同的模型下又通过离散化功率的调整范围，使得算法更加实际，同时利用马氏链估计了网络的生存期。

类似，文献[10]在DF协同网络中，通过启发式的中继节点选择和功率分配方法以及中继节点位置的布设来降低节点的功率消耗、延长网络生存期。文献[11]通过协同波束成形的方法来提高的传输距离，从而避免节点能量少的节点的中继来达到延长网络生存期的目的。

作者：张琰　盛敏　李建东   来源：中兴通讯技术——2010年 第1期　总第89期