摘  要： 針對(duì)多個(gè)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，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(guò)有限反饋，選出信道條件最好的作為中繼節(jié)點(diǎn)。解決最佳中繼沖突問(wèn)題時(shí)，提出用最大化傳輸鏈路功率算法解決中低SNR時(shí)的功率分裂問(wèn)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(shí)的信息交互開(kāi)銷，提高了系統(tǒng)的性能。

　　關(guān)鍵詞： Ad hoc網(wǎng)絡(luò)；反饋；最佳中繼選擇；功率分配

0 引言

　　Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是一種全分布式的無(wú)線分組網(wǎng)絡(luò)，組成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)既是通信終端，又具有路由器的功能，可自由移動(dòng)，無(wú)需固定基礎(chǔ)設(shè)施的支持。對(duì)于分簇結(jié)構(gòu)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，地理上相近的多個(gè)節(jié)點(diǎn)按照一定的規(guī)則構(gòu)成不同的虛擬組（稱為簇），并通過(guò)這些簇間的進(jìn)一步連接實(shí)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(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的通信由簇頭來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)，簇頭控制節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量太多，會(huì)產(chǎn)生瓶頸，故要使用中繼轉(zhuǎn)發(fā)。因此對(duì)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中最佳中繼協(xié)作方案的研究一直是重點(diǎn)也是熱點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[2]中詳細(xì)研究了無(wú)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(xiàn)[3]中介紹了多次傳播編碼協(xié)作背景下機(jī)會(huì)中繼的中斷率性能。參考文獻(xiàn)[4]介紹了多點(diǎn)干擾環(huán)境下機(jī)會(huì)中繼的中斷率性能。以上協(xié)議中都假設(shè)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(kāi)銷很大，對(duì)于現(xiàn)在很多網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)較大。若采用有限的部分反饋，如源-中繼節(jié)點(diǎn)鏈路的CSI，則開(kāi)銷會(huì)小很多。參考文獻(xiàn)[6]介紹了超過(guò)設(shè)定門(mén)限值的中繼進(jìn)行有限反饋的方法。參考文獻(xiàn)[7]分析了有限反饋延遲和信道估計(jì)誤差的再生中繼選擇協(xié)作方案。參考文獻(xiàn)[8]對(duì)機(jī)會(huì)中繼在通用信道中基于反饋協(xié)作進(jìn)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(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn)[9]介紹了一種通過(guò)中繼和目的節(jié)點(diǎn)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(shí)際系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較為困難。

　　本文在現(xiàn)有選擇方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)多個(gè)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)[10]，對(duì)簇內(nèi)中繼選擇的問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了有限反饋的分布式多個(gè)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)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(wèn)題。仿真結(jié)果表明，相比之前的多源多目標(biāo)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)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(shí)的信息交互開(kāi)銷，擁有更好的中斷率性能，明顯改善了網(wǎng)絡(luò)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(gè)多源多目標(biāo)的Ad hoc協(xié)作網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)中繼協(xié)作系統(tǒng)由L個(gè)源節(jié)點(diǎn)、L個(gè)目的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，令源節(jié)點(diǎn)為si，目的節(jié)點(diǎn)為di，其中源節(jié)點(diǎn)si∈S，對(duì)應(yīng)的目的節(jié)點(diǎn)di∈D。源節(jié)點(diǎn)si對(duì)應(yīng)的最佳中繼節(jié)點(diǎn)為b（b為原來(lái)的源節(jié)點(diǎn)sj，即每個(gè)源節(jié)點(diǎn)可能充當(dāng)其余L-1個(gè)源節(jié)點(diǎn)的中繼），它們之間的信道值。假設(shè)信道值全為準(zhǔn)靜態(tài)信道，為循環(huán)對(duì)稱復(fù)高斯隨機(jī)變量，且獨(dú)立同分布，方差為1，均值為0。

　　某個(gè)源節(jié)點(diǎn)和被選定為中繼的另外一個(gè)源節(jié)點(diǎn)在傳輸時(shí)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(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的信道值為hi，j、成型因子為ki，j、擴(kuò)展因子為?茲i，j。本文的Nakagami-m可以看作通用衰落模型，當(dāng)ki，j=（K+1）2/（2K+1）時(shí)，它可近似表述衰落因子為K的Rician分布；當(dāng)ki，j=1時(shí)，它可退化為Rayleigh分布；當(dāng)ki，j→∞時(shí)，它表示沒(méi)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(dú)立同分布的白高斯噪聲。接收節(jié)點(diǎn)接收的平均信噪比為（SNR）：ρ=P/2，其中P為節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率。另外在發(fā)送前，節(jié)點(diǎn)不能通過(guò)自身獲取信道狀態(tài)，即各節(jié)點(diǎn)只能通過(guò)接收數(shù)據(jù)來(lái)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(duì)象是Ad hoc中的多個(gè)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)[11]，針對(duì)目前協(xié)議存在的開(kāi)銷大和傳輸效率低的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)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(shè)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)為N bit，發(fā)送時(shí)間為T(mén)f，速率為R bit/Hz，將N分為兩個(gè)子幀N1、N2發(fā)送。定義一個(gè)，有N1=N，N2=（1-）N，Tf用來(lái)發(fā)送N1，（1-）Tf發(fā)送N2。

　　方法如下：

　?。?）規(guī)定的Tf時(shí)間里，源節(jié)點(diǎn)先發(fā)送第一個(gè)子幀N1，其他節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)信息，并譯碼。

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

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

　　網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)固定分配長(zhǎng)度是1 bit的時(shí)隙，用此1 bit告知目的節(jié)點(diǎn)能正確譯碼。目的節(jié)點(diǎn)分配（L-1） bit時(shí)隙用于目的節(jié)點(diǎn)選擇最佳中繼節(jié)點(diǎn)。本文采用競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙的幀結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示，當(dāng)Tf一定時(shí)，Tw越小，表明交互信息時(shí)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(biāo)的Ad hoc協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，會(huì)有多個(gè)源節(jié)點(diǎn)同時(shí)把其一節(jié)點(diǎn)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(wèn)題。對(duì)于共享中繼導(dǎo)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(lái)保證優(yōu)越的DMT性能，分析如下：

　　對(duì)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(guò)信道狀態(tài)預(yù)估各協(xié)作鏈路的傳輸結(jié)果，共享中繼根據(jù)預(yù)估結(jié)果對(duì)各鏈路的功率進(jìn)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(guò)最佳中繼接收到的NACK幀的信息獲取的。

　　設(shè)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(duì)于si與di，成功解碼時(shí)對(duì)應(yīng)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(biāo)是找到合適的ki（i=1，2，..，n），即下式成立的個(gè)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；

　?。?）若K，則算法終止，否則執(zhí)行步驟（2）進(jìn)行迭代過(guò)程。

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

　　另外研究表明，SNR較高時(shí)，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(diǎn)的功率分配系數(shù)不影響每個(gè)源節(jié)點(diǎn)的DMT性能，所以所提功率分配算法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)具有可行性。

3 仿真結(jié)果與分析

　　對(duì)本文提出的協(xié)議及功率分配算法在MATLAB 2010平臺(tái)上進(jìn)行仿真。信道都服從獨(dú)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(biāo)，分別采用網(wǎng)絡(luò)中斷率和節(jié)點(diǎn)中斷率[13]。

　　仿真中，設(shè)置源節(jié)點(diǎn)數(shù)目為6個(gè)，圖3是對(duì)所給出的無(wú)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(jìn)行仿真的對(duì)比。從圖中看到，無(wú)論是節(jié)點(diǎn)中斷率還是網(wǎng)絡(luò)中斷率，在相同SNR情況下，所提方案的中斷率性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了無(wú)反饋協(xié)作協(xié)議。

　　現(xiàn)實(shí)環(huán)境是非均衡網(wǎng)絡(luò)，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(jìn)行仿真對(duì)比。假定按照源節(jié)點(diǎn)號(hào)，各個(gè)源節(jié)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)目的節(jié)點(diǎn)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(duì)于節(jié)點(diǎn)中斷率和網(wǎng)絡(luò)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(shí)際網(wǎng)絡(luò)中MNL功率分配算法也能使系統(tǒng)效果更優(yōu)越。

　　改變?cè)垂?jié)點(diǎn)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(jìn)行仿真對(duì)比。結(jié)果如圖5。隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)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(diǎn)數(shù)L的增加，兩種功率算法的中斷率差距增大，即表明對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)多的較大規(guī)模無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，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(luò)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(guò)仿真看出，相同條件下，對(duì)于節(jié)點(diǎn)中斷率和網(wǎng)絡(luò)中斷率，非均衡和均衡網(wǎng)絡(luò)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(luò)中的性能要比均衡網(wǎng)絡(luò)中差。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文針對(duì)多源多目標(biāo)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的簇內(nèi)中繼協(xié)作進(jìn)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(jiǎn)單高效，可以方便地集成到現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，解決最佳中繼沖突而采用共享中繼時(shí)，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(duì)多源多目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)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(shí)的信息交互開(kāi)銷，對(duì)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(dāng)簇間需要中繼傳輸時(shí)，由于簇間的頻點(diǎn)不同，需要進(jìn)行頻點(diǎn)切換。因此下一步工作將在本文基礎(chǔ)上，研究簇間中繼協(xié)作。

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