基于功率分配最优中继选择的研究

摘 要：文中研究了一种低干扰、高通信质量的中继选择方案，用拉格朗日极值法分配源节点和中继节点的功率，其目的在于使系统的中断率最小。文中的方案由各链路的平均信噪比、发射功率的倒数与约束条件组成拉格朗日函数；再对拉格朗日函数求极值，求出能使联合函数最大的功率分配值，然后把功率和信道参数代入被发送信息的系数中，对系数和排序选择出系数最大的中继节点；结合放大转发策略完成通信。理论分析与仿真结果表明，在相同条件下，所提出的方案在中断率方面明显优于随机选择方案、最大和准则方案，此外，中继节点数和数据传输速率也是影响中断率的一个因素。

关键词：中继选择；信息系数；发射功率；中断率

中图分类号：TN911.25+4；TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）02-00-03

0 引 言

在实际通信系统中，由于地理环境、建筑物、气候等复杂多变，数据传输过程中存在快、慢以及多径衰落现象，采用中继转发可以降低无线传输链路中断率，从而保证整个通信系统的有效性和可靠性。在文献[1]中，C. C. Chu等人提出了最小错误比特率的功率分配算法，作者假设源节点使用相同的发射功率、中继节点也使用相同的发射功率将信息传送到目的地，没有根据不同的环境和不同的信道增益合理控制发射功率的大小。在文献[2，3]中作者研究了两跳中继方案的功率分配和中继选择算法，并假设源节点知道所有信道状态信息（CSI），没有考虑信噪比的影响。文献[4]仅考虑信噪比的协同中继选择，虽然能选择出信道较好的中继节点，但好的信道意味着发射功率较大，而较大的功率会导致设备寿命降低、网络资源分配不均，并给其他设备带来干扰。

本文研究的功率分配既考虑信噪比的影响，又对源节点和中继节点分配不同的功率值。首先采用联合函数求出最优功率分配值，然后结合每条链路的信道参数，计算出被发送信息的系数，对系数和的大小进行排序，从而选出系数最大的中继节点。本方案可以在选择好通信链路的同时实现节约能源，降低干扰的目的。

1 系统模型

本文基于无线网络的中继协作通信模型进行研究。假设该系统中存在一个源节点S，一个目的节点D和N个中继节点（R1，R2，...，Rn-1，Rn），如图1所示。为了方便研究，假设网络中的每个节点都只有一根天线，均处于半双工状态进行收发信息。由于深度衰落，在源节点S和目的节点D之间没有直通链路，所有的数据传输都要经过中继转发。在系统中，S到R和R到D的信道均为平坦瑞利衰落信道，而hsi为源节点S到第i个中继节点的信道参数，hid为第i个中继节点到目的节点D的信道参数，且hsi、hid是相互独立的复高斯随机变量。

在中继选择中，假设每个中继节点知道自己的信道状态信息，目的节点知道全部信道状态信息。整个信息传输过程分为两个时隙，第1个时隙为源节点广播需要发送的信息X；第2个时隙为中继节点将接收到的数据放大后并转发给目的节点。

3 仿真结果与性能分析

本节采用Matlab工具对提出的算法进行性能评估，仿真环境为加性高斯白噪声、瑞利衰落信道，并采用放大转发策略进行信息转发。考虑了以下2种对比方案：

（1）不采用任何算法的随机选择方案；

（2）最大和准则方案，[10]。

I=2 b/s，n=50，N0=1时，系统中断率随SNR增加的变化曲线图如图2所示。I=2或2.5 b/s，n=30，N0=1时，系统中断率随SNR增加的变化曲线图如图3所示。

从图2可以看出，随着信噪比的增大，3种方案的中断率都在逐渐下降，在信噪比相同的情况下，本文所提方案比其他两种方案中断率更低。这是因为随机选择方案没有考虑发射功率和信道参数，最大和准则方案只考虑了信道参数，没有考虑发射功率的影响。而本文提出的基于发射功率和信道参数的方案能选择出所有中继节点中最优的中继节点从而降低中断率。从图2还可以看出，本文所提方案的信噪比门限是15 dB，而随机选择方案、最大和准则方案的信噪比门限是20dB。当传输速率为2 b/s，信噪比小于15 dB时极易中断，与理论分析值一致。图3表示是在不同传输速率 （I=2 b/s或者2.5 b/s）的条件下，系统的中断率随信噪比的变化情况，从图中的曲线可以看出，传输速率越高，要求的信噪比门限值越大，系统越容易中断，信息速率和信噪比呈正比例关系。

从图2和图3中可以看出，当信噪比增大到50 dB时，中断率趋于某个值不再降低，且中继节点数不同，中断率也有所不同。图2中有50个中继节点其信噪比门限为15 dB，图3中有30个中继节点其信噪比门限为20 dB，但考虑到计算的复杂度，中继节点数不宜过多。

4 结 语

本文以三节点两跳的协作通信模型榛础，在AF策略下，提出了一种功率分配的最优中继选择算法。适宜的中继节点数能降低终端设备的计算复杂度，高信噪比可以保证好的信道链路以及通信系统的有效性和可靠性，低发射功率能降低设备的能源消耗，延长其使用寿命，减小对其他用户的干扰。相比随机选择方案、最大和准则方案，文中所提出的方案能得到较低的中断率，同时数据的传输速率也影响系统的中断率，传输速率越大系统的性能越差。本文所提的方案是基于单网络的，下一步的研究计划是基于复杂网络的功率分配算法的中继选择方案。

参考文献

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