摘  要： 針對多個源節(jié)點和目的節(jié)點的Ad hoc網(wǎng)絡，提出了基于有限反饋的分布式最佳中繼選擇方案。該方案通過有限反饋，選出信道條件最好的作為中繼節(jié)點。解決最佳中繼沖突問題時，提出用最大化傳輸鏈路功率算法解決中低SNR時的功率分裂問題，使有限的總功率能夠獲得最大的成功傳輸數(shù)目。仿真結(jié)果表明，該方案具有更好的中斷率性能，有效降低了中繼選擇時的信息交互開銷，提高了系統(tǒng)的性能。

　　關鍵詞： Ad hoc網(wǎng)絡；反饋；最佳中繼選擇；功率分配

0 引言

　　Ad hoc網(wǎng)絡是一種全分布式的無線分組網(wǎng)絡，組成網(wǎng)絡的節(jié)點既是通信終端，又具有路由器的功能，可自由移動，無需固定基礎設施的支持。對于分簇結(jié)構(gòu)的Ad hoc網(wǎng)絡，地理上相近的多個節(jié)點按照一定的規(guī)則構(gòu)成不同的虛擬組（稱為簇），并通過這些簇間的進一步連接實現(xiàn)全網(wǎng)的連通[1]。

　　同一簇內(nèi)，如果使用傳統(tǒng)的工作方式，源節(jié)點和目的節(jié)點之間的通信由簇頭來轉(zhuǎn)發(fā)，簇頭控制節(jié)點業(yè)務量太多，會產(chǎn)生瓶頸，故要使用中繼轉(zhuǎn)發(fā)。因此對Ad hoc網(wǎng)絡中最佳中繼協(xié)作方案的研究一直是重點也是熱點。參考文獻[2]中詳細研究了無反饋的選擇協(xié)作方案，基于的信道環(huán)境為Nakagami-m衰落。參考文獻[3]中介紹了多次傳播編碼協(xié)作背景下機會中繼的中斷率性能。參考文獻[4]介紹了多點干擾環(huán)境下機會中繼的中斷率性能。以上協(xié)議中都假設系統(tǒng)獲取全反饋，即全部鏈路的信道狀態(tài)信息（CSI[5]），但是全反饋的開銷很大，對于現(xiàn)在很多網(wǎng)絡系統(tǒng)負擔較大。若采用有限的部分反饋，如源-中繼節(jié)點鏈路的CSI，則開銷會小很多。參考文獻[6]介紹了超過設定門限值的中繼進行有限反饋的方法。參考文獻[7]分析了有限反饋延遲和信道估計誤差的再生中繼選擇協(xié)作方案。參考文獻[8]對機會中繼在通用信道中基于反饋協(xié)作進行理論分析。在通用衰落模型Nakagami-m環(huán)境中，存在反饋的選擇協(xié)作的分集性能，有待進一步研究。參考文獻[9]介紹了一種通過中繼和目的節(jié)點間的有限信息反饋選擇最佳中繼的中繼選擇策略。這些協(xié)議也要求系統(tǒng)能精確獲得反饋信息，實際系統(tǒng)實現(xiàn)較為困難。

　　本文在現(xiàn)有選擇方法的基礎上，針對多個源節(jié)點和目的節(jié)點的Ad hoc網(wǎng)絡[10]，對簇內(nèi)中繼選擇的問題進行了研究，提出了有限反饋的分布式多個源節(jié)點和目的節(jié)點的最佳中繼選擇方案，從SNR角度，提出了最大化傳輸鏈路的功率算法解決最佳中繼沖突問題。仿真結(jié)果表明，相比之前的多源多目標Ad hoc網(wǎng)絡中的選擇協(xié)作方法，本文的協(xié)作方案有效降低了中繼選擇時的信息交互開銷，擁有更好的中斷率性能，明顯改善了網(wǎng)絡傳輸性能。

1 系統(tǒng)模型

　　系統(tǒng)模型如圖1所示，本文所研究系統(tǒng)是一個多源多目標的Ad hoc協(xié)作網(wǎng)絡。假設中繼協(xié)作系統(tǒng)由L個源節(jié)點、L個目的節(jié)點構(gòu)成，令源節(jié)點為si，目的節(jié)點為di，其中源節(jié)點si∈S，對應的目的節(jié)點di∈D。源節(jié)點si對應的最佳中繼節(jié)點為b（b為原來的源節(jié)點sj，即每個源節(jié)點可能充當其余L-1個源節(jié)點的中繼），它們之間的信道值。假設信道值全為準靜態(tài)信道，為循環(huán)對稱復高斯隨機變量，且獨立同分布，方差為1，均值為0。

　　某個源節(jié)點和被選定為中繼的另外一個源節(jié)點在傳輸時都使用相同的碼本，所有的數(shù)據(jù)傳輸都使用正交方式。令節(jié)點i和節(jié)點j之間的信道值為hi，j、成型因子為ki，j、擴展因子為?茲i，j。本文的Nakagami-m可以看作通用衰落模型，當ki，j=（K+1）2/（2K+1）時，它可近似表述衰落因子為K的Rician分布；當ki，j=1時，它可退化為Rayleigh分布；當ki，j→∞時，它表示沒有衰落的直視傳輸情況。

　　系統(tǒng)的干擾噪聲服從CN（0，2）分布，為獨立同分布的白高斯噪聲。接收節(jié)點接收的平均信噪比為（SNR）：ρ=P/2，其中P為節(jié)點的發(fā)射功率。另外在發(fā)送前，節(jié)點不能通過自身獲取信道狀態(tài)，即各節(jié)點只能通過接收數(shù)據(jù)來獲取所需的CSI。

2 最佳中繼協(xié)作策略研究

　　2.1 基于有限反饋的最佳中繼選擇協(xié)作方案

　　本文研究對象是Ad hoc中的多個源節(jié)點和目的節(jié)點的網(wǎng)絡[11]，針對目前協(xié)議存在的開銷大和傳輸效率低的問題，通過對其進行改進和完善，提出一種基于有限反饋的全分布式中繼協(xié)作方法。

　　假設發(fā)送的數(shù)據(jù)幀長為N bit，發(fā)送時間為Tf，速率為R bit/Hz，將N分為兩個子幀N1、N2發(fā)送。定義一個，有N1=N，N2=（1-）N，Tf用來發(fā)送N1，（1-）Tf發(fā)送N2。

　　方法如下：

　?。?）規(guī)定的Tf時間里，源節(jié)點先發(fā)送第一個子幀N1，其他節(jié)點監(jiān)聽信息，并譯碼。

　?。?）成功譯碼的節(jié)點重新參照源節(jié)點的編碼規(guī)則進行編碼。同時將第二子幀的冗余校驗信息存入緩存區(qū)，并依此廣播1 bit信息通知目的節(jié)點。若沒能正確譯碼，則忽略。目的節(jié)點根據(jù)此信息估計各自信道的瞬時SNR，選擇信道條件最好的信道發(fā)送第二子幀的冗余校驗信息，并把該節(jié)點的ID號廣播給其他節(jié)點。

　?。?）收到發(fā)送通知的節(jié)點立即發(fā)送緩存區(qū)里源節(jié)點的第二子幀冗余校驗信息，其余節(jié)點則清除緩存區(qū)內(nèi)的信息。如果目的節(jié)點判斷沒有其他中繼節(jié)點能正確譯碼，則由源節(jié)點發(fā)送冗余校驗信息。

　　網(wǎng)絡中每個節(jié)點固定分配長度是1 bit的時隙，用此1 bit告知目的節(jié)點能正確譯碼。目的節(jié)點分配（L-1） bit時隙用于目的節(jié)點選擇最佳中繼節(jié)點。本文采用競爭時隙的幀結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示，當Tf一定時，Tw越小，表明交互信息時間越少。

　　2.2 最大化傳輸鏈路的功率分配算法

　　本文的多源多目標的Ad hoc協(xié)作網(wǎng)絡，會有多個源節(jié)點同時把其一節(jié)點作為它們的最佳中繼的情況發(fā)生，采用共享中繼的策略解決中繼沖突問題。對于共享中繼導致的功率分裂，提出最大化傳輸鏈路（Maximize the Number of Links，MNL）的功率算法來保證優(yōu)越的DMT性能，分析如下：

　　對于SNR較低的情況[12]，由于功率P的限制，信道信息同上，先通過信道狀態(tài)預估各協(xié)作鏈路的傳輸結(jié)果，共享中繼根據(jù)預估結(jié)果對各鏈路的功率進行智能分配，以在總功率上獲得最大的成功傳輸數(shù)目。各鏈路上的信道狀態(tài)是通過最佳中繼接收到的NACK幀的信息獲取的。

　　設kiP是共享中繼b為協(xié)作si與di這一鏈路所分配的功率，則有。中繼協(xié)作情況下，對于si與di，成功解碼時對應的互信息量為Ii，且Ii≥R。

　　功率分配系數(shù)ki為：

　　為獲得更多的鏈路傳輸成功，所以優(yōu)化的目標是找到合適的ki（i=1，2，..，n），即下式成立的個數(shù)越多越好：

　?。?）查找系數(shù)集合K的最小值kj；

　?。?）更新已分配功率：kalloc=kalloc+kj；

　　（4）若kalloc<1，則更新系數(shù)集合K=K-{kj}，否則算法終止；

　　（5）若K，則算法終止，否則執(zhí)行步驟（2）進行迭代過程。

　　上述算法的復雜度為O（n2），該算法表明，每次尋求出ki中的最小值，當P分配完畢，即kalloc≥1時停止。

　　另外研究表明，SNR較高時，基于所提的有限反饋的最佳中繼選擇方案，最佳中繼節(jié)點的功率分配系數(shù)不影響每個源節(jié)點的DMT性能，所以所提功率分配算法對整個系統(tǒng)具有可行性。

3 仿真結(jié)果與分析

　　對本文提出的協(xié)議及功率分配算法在MATLAB 2010平臺上進行仿真。信道都服從獨立同分布的Rayleigh衰落，且頻率效率R=1，采用中斷率作為性能指標，分別采用網(wǎng)絡中斷率和節(jié)點中斷率[13]。

　　仿真中，設置源節(jié)點數(shù)目為6個，圖3是對所給出的無反饋的協(xié)作協(xié)議與基于MNL功率分配方法的有限反饋協(xié)作協(xié)議進行仿真的對比。從圖中看到，無論是節(jié)點中斷率還是網(wǎng)絡中斷率，在相同SNR情況下，所提方案的中斷率性能遠遠超過了無反饋協(xié)作協(xié)議。

　　現(xiàn)實環(huán)境是非均衡網(wǎng)絡，信道均值不同，在基于有限反饋的選擇協(xié)作協(xié)議中分別采用MNL功率分配方法和等功率算法進行仿真對比。假定按照源節(jié)點號，各個源節(jié)點和對應目的節(jié)點間的信道質(zhì)量依次增加200%。仿真結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，對于節(jié)點中斷率和網(wǎng)絡中斷率，MNL功率分配算法的中斷率性能都優(yōu)于等功率算法，即實際網(wǎng)絡中MNL功率分配算法也能使系統(tǒng)效果更優(yōu)越。

　　改變源節(jié)點的數(shù)目，取L=6，8，10，在基于有限反饋的選擇協(xié)作協(xié)議中分別采用等功率算法和MNL功率分配方法進行仿真對比。結(jié)果如圖5。隨著網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)目的增加，系統(tǒng)的中斷率持續(xù)下降，性能更好。且隨著節(jié)點數(shù)L的增加，兩種功率算法的中斷率差距增大，即表明對于節(jié)點數(shù)多的較大規(guī)模無線網(wǎng)絡，MNL功率分配算法更為優(yōu)越。

　　圖6的仿真是分別在非均衡網(wǎng)絡與理想均衡網(wǎng)環(huán)境下，模擬所提協(xié)議MNL功率分配算法產(chǎn)生的中斷率。通過仿真看出，相同條件下，對于節(jié)點中斷率和網(wǎng)絡中斷率，非均衡和均衡網(wǎng)絡中的中斷率性能差距不斷增加，MNL功率分配算法在非均衡網(wǎng)絡中的性能要比均衡網(wǎng)絡中差。

4 結(jié)束語

　　本文針對多源多目標Ad hoc網(wǎng)絡的簇內(nèi)中繼協(xié)作進行了研究，提出了基于有限反饋的分布式最佳中繼選擇方案，方案簡單高效，可以方便地集成到現(xiàn)有無線網(wǎng)絡中，解決最佳中繼沖突而采用共享中繼時，提出MNL（最大化傳輸鏈路）功率分配算法使有限的總功率能夠獲得最大的成功傳輸數(shù)目。仿真結(jié)果表明，所提方案相比以往針對多源多目標網(wǎng)絡的選擇協(xié)作方法具有更好的中斷率性能，有效降低了中繼選擇時的信息交互開銷，對于最佳中繼選擇傳輸方案，采用本文提出的功率分配策略所獲得的系統(tǒng)性能明顯高于等功率分配。但本文僅考慮簇內(nèi)中繼的選擇，當簇間需要中繼傳輸時，由于簇間的頻點不同，需要進行頻點切換。因此下一步工作將在本文基礎上，研究簇間中繼協(xié)作。

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