基于干擾感知的雙路徑譯碼轉發中繼選擇算法

張玉，丁玲

(1.中國科學院 信息工程研究所，北京 100093;2.滄州醫學高等?？茖W校 人文與社科部，河北 滄州 061001)

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基于干擾感知的雙路徑譯碼轉發中繼選擇算法

張玉1，丁玲2

(1.中國科學院 信息工程研究所，北京 100093;2.滄州醫學高等?？茖W校 人文與社科部，河北 滄州 061001)

雙路徑中繼協議(two-path relaying，TPR)可以很大程度改善由于中繼半雙工產生的頻譜效率損失,然而雙路徑中繼協議的中繼節點間干擾會嚴重影響系統傳輸速率,為此本文針對譯碼轉發雙路徑中繼協議，提出了一種啟發性中繼選擇算法以最大化系統的傳輸速率性能.不同于現有的中繼選擇算法，該算法考慮了中繼間干擾，其設計原則不僅基于當前時隙信道狀態，還取決于被選中中繼節點的上一時隙的信道狀態.仿真結果證明啟發式中繼選擇(heuristil relay selection,HRS)算法能夠克服中繼間干擾問題，以較低復雜度改善系統平均傳輸速率.

中繼間干擾；最優化；中繼選擇；頻譜效率；雙路徑中繼

[6-7]中，研究者分析了使用中繼協作通信可得速率性能的理論，并為中繼通信技術實施提供了有價值的指導.然而，大量相關文獻也表明由于中繼工作在半雙工狀態產生log函數前的因子將導致頻譜效率巨大損失.一種直接解決的辦法就是使用全雙工中繼，它可以同時間同頻率發射并接收信號[8].但現階段該技術很難實施，且存在較大的復雜度.發射和接收功率之間很大的功率差異使得中繼的模擬放大器進入飽和區，因此無法處理發射和接收信號的自干擾.

針對全雙工中繼的實施困難問題，Rankov[9]提出雙路徑中繼協議以及雙向中繼協議2種有效的方案用于減緩由于中繼節點工作在半雙工造成的頻譜效率損失，其中雙向中繼涉及大量信號處理問題，需要節點具備較大的計算功能，因此本文研究雙路徑中繼協議.近年來已有學者開始致力雙路徑中繼協議的研究.Choi等學者研究了雙路徑中繼網絡的訓練序列和信道估計問題[10]，文獻[11]提出放大轉發雙路徑中繼的資源分配算法，文獻[12]考慮多天線雙路徑中繼在Nakagami-m信道中的問題.

文獻[6]研究表明，選擇合適的中繼傳輸路徑可以有效改善傳輸性能.選擇錯誤的中繼反而適得其反，導致系統傳輸速率性能降低，有可能還不如直接傳輸的效果.文獻[13]提出了3種基于信噪比的中繼選擇算法以改善放大轉發中繼系統，文獻[14]研究干擾如何影響中繼選擇問題，并給出了具備減輕干擾效果的中繼選擇算法.雙路徑中繼協議的中繼選擇問題尤為突出，直接影響到整個系統的性能.然而，如何在雙路徑中繼協議中進行中繼選擇不僅與當前時刻中繼的信道狀態相關，還與上一時刻中繼的信道狀態也有密切聯系.同時，中繼間的干擾問題也值得考慮，當某一被選中的中繼節點的信道狀態很好，因此該鏈路上會獲得較好的傳輸速率，但是與之靠近的其余中繼鏈路將會受到該鏈路嚴重的干擾而只能維持較低的通信速率，因此系統整體的傳輸速率會受到限制.

本文將雙路徑中繼協議中的中繼選擇問題建模為一個以最大化平均系統傳輸速率為目標的優化問題.由于該優化問題的復雜度，直接求解該問題存在較大的難度，并且復雜的計算也將導致選擇過程產生較大的時延，從而失去中繼鏈路當前最佳信道狀態的優勢.因此本文提出一種低復雜度的中繼選擇算法，它在考慮中繼間干擾的同時，還結合當前時刻與上一時刻中繼鏈路的信道狀態信息，有效改善系統傳輸速率性能.

1 系統模型與問題建模

為方便研究，本文僅考慮網絡中存在1個信源節點和1個信宿節點，以及多個可供選擇的中繼節點.其余信源與信宿之間通信可使用不同的頻率或者不同的時隙傳輸，相互不影響，因此本文研究的系統模型可直接擴展到多信源信宿對的場景.系統示意如圖1所示，信源節點使用符號S表示，信宿節點使用符號D表示，多個中繼節點使用符號R表示.中繼節點在網絡中均勻隨機分布.本文假設信源和信宿之間由于存在較大障礙物或者距離較遠而無法直接傳輸信號的情況，因此需要中繼輔助傳輸.此外，本文還假設鏈路信道狀態在一個時隙內是保持恒定的.

不失一般性，本文假設所有的節點僅配備一根天線，且均工作在半雙工狀態，即它們不能在同一時刻發射并接收信號.為節省能耗和成本，每個中繼節點不具備復雜的功能，中繼間無用信號將視為干擾.因為譯碼轉發型中繼僅發送有用數據，而不轉發干擾以及噪聲，因此本文使用譯碼轉發型中繼.為了防止信源節點和中繼節點之間的相互干擾，信道占用時隙被劃分為2個相等的時隙，分別用于不同節點的發送.對于譯碼轉發型中繼，信源節點使用第1時隙發送信號給中繼節點；中繼節點使用第2時隙將從信源節點收到的信號處理后轉發給信宿節點.

圖1 系統框架Fig.1 System framework

與傳統的譯碼轉發型中繼傳輸模式不同，雙路徑中繼(TPR)協議中的信源節點使用2個中繼節點輪流轉發信息.如圖1所示，信源節點在中繼節點R1和R4的幫助下，不停地發送信息給信宿節點.其工作流程如下：中繼節點R1和R4在第1時隙同時監聽信源節點發來的信息.然后中繼節點R1(或R4)在第2時隙轉發信息給信宿節點，而中繼節點R4(或R1)繼續監聽信源節點傳來的信息.上述過程一直循環執行直至信源節點停止給信宿節點發送信息.雙路徑中繼協議的流程示意為圖2所示，其中Tx表示節點在該時隙發送信息，Rx表示節點在該時隙接收信息.很明顯，該協議可以防止中繼節點半雙工導致的頻譜效率損失，因為信源節點在中繼節點參與的2個時隙均傳輸不重復的有用信息.此外，因為選擇多個中繼對于傳輸速率的改善較單中繼選擇差別不明顯，因此本文僅考慮選擇1個中繼輔助傳輸而不是多個中繼.圖2僅是一個示意圖，每個時隙選擇的中繼節點可能不一樣，取決于雙路徑中繼協議中繼選擇算法.

信源TxTxTxTx…中繼1TxRxTx…中繼4RxTxRx…

圖2 雙路徑中繼協議傳輸示意

Fig.2 Transmission sketch for TPR protocol

因為在無線網絡中研究信道效率無需考慮復雜的編碼、檢測以及解碼過程，是一個很好的評價指標，本文的目標是最大化系統傳輸速率.雙路徑中繼協議[9]的傳輸速率可以表示為

CTPR=E{min[Csr,Crd]},

(1)

maxr∈∏CTRR=maxr∈∏(E{min[Csr,Crd]}),

(2)

其中,∏為網絡中所有可用中繼的集合.該優化問題以最大化系統平均傳輸速率為目標，由于本文主要研究雙路徑中繼協議的中繼選擇問題，因此不考慮功率分配問題，即令信源節點和中繼節點的發射功率固定.

2 啟發式中繼選擇算法

傳統的中繼選擇算法大多基于信噪比，在每個時隙選擇1個具有最優信道狀態的中繼節點可以得到最優的傳輸速率.然而這類算法不適用于雙路徑中繼協議的中繼選擇，首先因為存在中繼間干擾.基于公式(1)，除了中繼選擇算法執行的第1時隙以外，系統傳輸速率性均都受上一時隙所選中繼影響.上一時隙所選的中繼節點位置也影響到當前時隙的中繼選擇策略.此外，信道狀態的時變特性以及用戶終端(信宿節點)的移動性均對系統傳輸速率性能有較大的影響.從優化問題(2)可以看出，當前中繼節點的選擇取決于當前2跳的中繼鏈路信道狀態以及上一時隙備選中繼節點的信道狀態.因此雙路徑中繼協議的中繼選擇問題尤為困難.求解該優化問題的最優解需要搜索所有可能的中繼節點，并找到一系列的中繼節點以保障系統的傳輸速率最大化，這就是窮舉法.但是該方法在實際中并不可行，因為嘗試所有可能的中繼節點的計算復雜度為O(|∏|(|∏|)-1)T-1，其中T為考慮時間范圍內的時隙數.即使計算復雜度是可接受的，執行該算法還需要得到T時間范圍內所有中繼鏈路的信道狀態.研究表明，信道相關性隨時間消耗相關性越來越小[15].換句

話說，即使執行窮舉算法收集到T時間內所有中繼鏈路的信道狀態找到最優中繼系列后，按照中繼信道狀態得到的一系列中繼節點早已失效.因此，在實際網絡中不可能采用耗時復雜的窮舉算法.

本文針對雙路徑中繼協議，提出一種便于實際執行的啟發式中繼選擇(heuristic relay selection，HRS)算法.其主要思想是設計一種可以在每個時隙實時執行的低復雜度的算法來改善系統傳輸速率性能.在第1時隙，首先選擇出1個具有最好信道狀態的中繼節點，因為第1時隙不存在中繼間干擾.其次，除了第1時隙選擇出的中繼節點，其余節點均計算各自存在中繼間干擾的第1跳和第2跳傳輸速率.再次，該算法依據計算結果選擇出具有最好傳輸速率的中繼節點作為當前時隙的中繼輔助節點.接下來就一直重復上述過程直到信源節點停止發送信息給信宿節點.該算法具體流程如圖3所示.

Algorithm1雙路徑中繼協議HRS算法1:forr=1to|∏|do2: C18r←log(1+Psgsrσ2)3: C1rd←log(1+Prgrdσ2)4:endfor5:r*←argmaxr∈Rmin(C1sr,C1rd)6:C1←min(C1sr*,C1r*d)7:fort=2toTdo8: forr=1to|∏|do9: Ctsr←log(1+Psgsrσ2+Pr*grr*)10: Ctrd←log(1+Prgrdσ2)11: endfor12: r*←argmaxr∈∏min(Ctsr,Ctrd)13: Ct←min(Ctsr*,Ctr*d)14:endfor

圖3 HRS算法流程

Fig.3 Flow chart for HRS algorithm

(3)

但這里要注意，在執行該算法的第1時隙是不存在公式(3)中的Pr′grr′中繼間干擾項.為了最大化優化問題的目標函數，信源節點到信宿節點之間最佳中繼節點則是具備最好中繼鏈路指標hr的中繼節點.每個中繼節點當接收到中繼鏈路指標hr后，開始各自初始值為Tr的計時器.Tr與中繼鏈路指標hr成反比，可以表示為

(4)

其中λ為一個常數，單位取決于hr的單位.因此，帶有最佳中繼鏈路指標的中繼節點的計時器因為它的值最小將最先減小到零.然后該中繼節點就發送消息給信源節點請求參與當前時隙的傳輸，其余中繼節點在監聽到該中繼節點的請求信息后均保持監聽狀態.每個時隙均采用上述過程即可完成中繼選擇算法.從上述對比可以看出，集中式方法容易執行調度，但是需要大量信令開銷維持，而使用分布式方法雖然不需要太多信令開銷，但存在隱藏終端等問題.因此使用集中式或分布式方法可根據實際系統需求而定.

綜上所述，HRS算法考慮了2跳傳輸信道狀態和中繼間干擾，具有較低的復雜度，能夠很大程度上改善系統傳輸速率.此外，該算法可以實時執行，而不需要收集給定時間段內所有中繼鏈路的信道狀態信息，因此可以在實際網絡中實時執行.

3 仿真實驗

本文通過仿真來證明提出的HRS算法的性能.為了保證信源節點和信宿節點之間無法直接傳輸信息，信源節點通常在網絡的正中，部署信宿節點在距離信源節點0.9*R左右的位置，其中R為信源節點的傳輸范圍.信源節點和信宿節點之間將隨機均勻分布一定數量的中繼節點.主要仿真參數在表1中描述.整個仿真過程使用蒙特卡洛方法，執行足夠多次數可以得到系統的平均性能.

為了驗證提出HRS算法的優勢，同時比較3種中繼選擇算法.第1種是本文提出的HRS算法.第2種算法為隨機中繼選擇算法，該算法在每個時隙隨機地從可選中繼節點中以1/|∏|的概率選擇中繼節點，該算法記為“Random RS”算法.最后1種對比的算法是依賴于信噪比的中繼選擇，記為“SNR-based RS”算法，該算法不考慮干擾的影響.

圖4顯示了不同時隙數對應的平均傳輸速率性能.不論考慮的時隙數為多少，提出的HRS算法優于其他2種中繼選擇算法.從圖中可以發現，在少量的時隙數時，各種中繼選擇算法得到的平均傳輸速率相對較大，這是因為在初始第1時隙時，不存在中繼間干擾，因此可以得到較大的傳輸速率.然而隨著時隙數越來越多，第1時隙的傳輸速率增益逐漸被平均化.此外，從圖4還可以發現平均傳輸速率越來越趨于穩定，這意味著只要考慮一定數目的時隙數就可以得到較大的平均傳輸速率性能.鑒于考慮多時隙的計算復雜度，考慮100個時隙作為后續的仿真參數.

表1 仿真主要參數

圖4 不同時隙數時平均傳輸速率Fig.4 Average transmission rate versus slots

圖5顯示了不同中繼節點數目對平均傳輸速率的影響.如圖5所示，當大量中繼節點存在于網絡中，HRS算法能獲得更好的平均傳輸速率性能.這是由于更多的中繼節點將提供更多選擇的機會.提出的HRS算法比“SNR-based RS”算法的傳輸速率更高，這是因為“SNR-based RS”算法忽略了中繼間干擾，有可能選擇到信噪比高但是信干燥比低的中繼鏈路，這樣受到干擾的影響所得到的傳輸速率反而更低.因此，隨著中繼節點數目的增加，“SNR-based RS”算法將更加惡化傳輸速率性能.從圖中也能看出，更多的中繼節點并未給“Random RS”算法帶來太多增益.

接下來評估不同信源節點和信宿節點間距離對平均傳輸速率的影響.部署50個中繼節點均勻地分布在信源節點和信宿節點之間.圖6顯示提出的HRS算法在平均傳輸速率性能上遠勝于其他2種中繼選擇算法.隨著中繼節點覆蓋范圍的增加，系統平均傳輸速率性能逐漸變小.這是因為在同樣數目的中繼數目前提下，增加中繼節點覆蓋范圍其密度將相應變小，導致單位面積內的可選中繼數目變少，對于信源節點和信宿節點的通信輔助選擇機會也就越小.此外，平均傳輸速率性能并沒有隨著信源節點和信宿節點間距離而發生巨大改變.這主要是由于雖然信源節點和信宿節點間距離變小單位面積內中繼數目增多，但是也帶來了更多的干擾，因此并未帶來太大增益.

圖5 不同中繼數時平均傳輸速率Fig.5 Average transmission rate versus number of relay nodes

圖6 不同信源信宿距離時平均傳輸速率Fig.6 Average transmission rate versus distance between source and sink nodes

最后，考察不同的發射功率對系統性能的影響.同樣有50個中繼節點均勻地分布在信源節點和信宿節點之間，發射功率為5～15 W.如圖7所示，提出的HRS算法在不同的發射功率下也能得到最好的傳輸速率性能.當然，各種中繼選擇的算法在傳輸速率性能上并沒有太大變化，這是由于更低的發射功率雖然會導致傳輸速率的降低，但是也減緩了干擾，對傳輸速率有促進作用.

圖7 不同發射功率時平均傳輸速率Fig.7 Average transmission rate versus transmit power

4 總結

本文針對雙路徑中繼協議研究了中繼輔助網絡的中繼選擇算法.該HRS算法兼顧信道狀態和中繼間干擾，為雙路徑中繼協議提高平均傳輸速率性能提供了正確指導.同時，該HRS算法易于實施，可以在實際網絡中以集中式或分布式運行.大量的仿真也驗證了HRS算法可以以較低復雜度改善系統平均傳輸速率.本文僅考慮了雙路徑中繼協議的中繼選擇問題,為了更深層次了解雙路徑中繼協議的傳輸速率性能理論極限，應研究更多無線資源分配算法，例如聯合功率分配和中繼選擇算法等.

參 考 文 獻：

[1] ZHANG Q，FENG Z，YANG T，et al.Optimal power allocation and relay selection in multi-hop cognitive relay networks[J].Wireless Personal Communications，2016，258(10):1641-1645.DOI:10.1007/s11277-015-3013-y.

[2] 江雪，鄭寶玉.雙向中繼信道中用戶和中繼協作干擾管理算法[J].華中科技大學學報(自然科學版)，2016，44(4):18-22. JIANG X,ZHENG B Y,User and relay cooperative interference management in two-way relay chanels[J].J Huazhong Univ of Scie Tech(Natural Science Edition),2016,44(4):18-22.DOI:10.13245/j.hust.160404.

[3] 陳凱.無線網絡中協作中繼通信關鍵技術的研究[D].北京：北京郵電大學，2010.

[4] ZHAO Y，ADVE R，LIM T J.Improving amplify-and-forward relay networks: optimal power allocation versus Selection[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2007，6(8):3114-3123.

[5] SADEK A K，HAN Z，LIU K J R.Distributed relay-assignment protocols for coverage expansion in cooperative wireless networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing，2009，9(4):505-515.

[6] LANEMAN J N，TSE D N C，WORNELL G W.Cooperative diversity in wireless networks : Efficient protocols and outage behavior[J].IEEE Trans Inf Theory，2004，50(12):3062-3080.

[7] KRAMER G，GASTPAR M，GUPTA P.Cooperative strategies and capacity theorems for relay networks[J].IEEE Transactions on Information Theory，2005，51(9):3037-3063.

[8] COVER T，GAMAL A E.Capacity theorems for the relay channel[J].IEEE Transactions on Information Theory，1979，25(5):572-584.

[9] RANKOV B，WITTNEBEN A.Spectral efficient protocols for half-duplex fading relay channels[J].Selected Areas in Communications IEEE Journal on，2007，25(2):379-389.

[10] CHOI J M，HAN J S，JEON S，et al.Design of training sequences and channel estimation for amplify-and-forward two-path relaying networks[J].Eurasip Journal on Wireless Communications & Networking，2014(1):1-10.

[11] ZHANG Y，PANG L，LI J.Power allocation and relay selection for AF two-path successive relaying networks[J].Wireless Communications & Mobile Computing，2013，14(4):487-496.

[12] SOLEIMANI-NASAB E，ARDEBILIPOUR M.Multi-antenna AF two-way relaying over nakagami-m fading channels[J].Wireless Personal Communications，2013，73(3):717-729.

[13] KRIKIDIS I，THOMPSON J，MCLAUGHLIN S.Relay selection issues for amplify-and-forward cooperative systems with interference[C]. Wireless Communications and Networking Conference，2009.IEEE.2009:1-6.

[14] ZHANG P，XU Z，WANG F，et al.A relay assignment algorithm with interference mitigation for cooperative communication[C]. Proceedings of the 2009 IEEE conference on Wireless Communications & Networking Conference.IEEE Press，2009:1286-1291.

[15] RAPPORT B T S.Wireless communications-principles and practice[M].Wireless Communications: Principles and Practice.Prentice Hall PTR，2010:70-88.

[16] BLETSAS A，KHISTI A，REED D P，et al.A simple cooperative diversity method based on network path selection[J].IEEE J on selected Area in Commun ications，2006，24(3):659-672.

(責任編輯：王蘭英)

Interference-aware-based decode-and-forward relay selection algorithm for two-path relaying protocol

ZHANG Yu1，DING Ling2

(1.Institute of Information Engineering,CAS，Beijing 100093，China;2.Humanity and Social Science Department,Cangzhou Medical College,Cangzhou 061001,China)

Spectral efficiency loss due to the half-duplex operated in relay nodes can be potentially improved by the two-path relaying (TPR) protocol.However，the mutual interference between the relay nodes can negatively affect the performance.Therefore，relay selection can be crucial to the system performance.In this paper，we propose a heuristic relay selection method for the decode-and-forward TPR strategy in order to maximize the transmission rate.Different from the existing relay selection methods，the inter-relay interference is considered.Meanwhile，the design principle of this method is based on not only the link conditions in current time slot，but also those of the relay node selected in previous time slot.Simulation results are conducted to verify the effectiveness of the proposed heuristic relay selection scheme.

inter-relay interference；optimization；relay selection；spectral efficiency；two-path relaying.

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.05.017

2016-05-26

北京市自然科學基金資助項目(4154072);國家自然科學基金資助項目(61303251)

張玉(1984—)，女，河北滄州人，中國科學院博士后，主要從事無線通信、移動安全研究. E-mail:yuzhang1984@iie.ac.cn

丁玲(1968—)，女，河北滄州人，滄州醫學高等?？茖W校副教授，主要從事計算機應用、通信研究. E-mail:DL6805@sina.com

TN912

A

1000-1565(2016)05-0554-07

近幾年，中繼技術得到了工業界以及學術界廣泛關注[1-3].使用中繼技術能有效利用無線網絡的廣播特性，并能很好地開發潛在的空間分集及多用戶分集能力.在中繼節點的幫助下，可以在通信系統中改善傳輸速率、增加系統覆蓋以及增強服務質量等優勢[4-5].