基于协作通信系统的中继选择方案的研究

摘要：本文研究基于两跳的协作通信系统中的中继选择问题。为了降低中断概率，传统中继选择方案往往需要引入更多的中继节点参与协作传输，导致系统平均吞吐量下降。为解决上述问题，本文提出了一种新的自适应中继选择方案(ARSS)，此方案可以结合两跳的链路信道状况，自适应地选择中继节点及其转发协议。仿真结果表明，与其他中继选择方案相比，本文提出的方案有效地降低了系统中断概率，最小化中继节点选择的数目，同时提高了系统平均吞吐量。
关键词：协作通信；自适应中继选择；中断概率

0 引言
在无线通信网络中，由于用户终端受体积、功率等各种条件的约束，给多天线技术的实施带来了困难。协作分集技术作为一种虚拟多天线技术，可以通过中继节点的协作，对传输的信息进行转发处理，以使网络用户的能耗显著降低，保证终端的数据接收，优化网络性能。协作分集技术已经成为当前无线通信领域的一个新的研究热点。
对于协作传输系统中的中继选择问题，Laneman和Wornell首先提出了在两跳多分支(Two-Hop Multiple Channels)的协作网络中，利用所有可获得的中继节点进行数据转发，即“全中继协作”(APR)方案。由于APR方案需要利用所有可获得的信道，因而在多中继场景下，APR方案的频谱效率较低。中继选择(RS)方案克服了低频谱效率的问题，大致可分为单中继选择(SRS)方案和多中继选择(MRS)方案。在SRS中，文献选择端到端SNR最大的中继节点，从而带来全分集增益(Full diversity gain)。文献提出了最优最差信道的中继选择(Best Worse Channel)方案，也实现了全分集。在MRS中，文献提出在功率限制下，基于最大接收SNR(SNR)的RS方案。文献提出在总能量受限的情况下选择中继节点，从而差错概率最小。
SRS相比APR有更高的频谱效率，但没有充分利用空间分集的自由度。MRS具有更优的差错与中断概率性能，但最优MRS方案的复杂度随中继数量呈指数增加，有时由于合并的SNR超出系统的要求，MRS方案会选择一些不必要的中继。基于RS中出现的以上问题，本文提出一种自适应中继选择方案。在保证目的节点成功解码的基础上，减少中继节点选择的数目，从而在差错性能和频谱效率之间取得更好的折衷。

1 系统模型
设协作传输系统的系统模型如图1所示，它是一个两跳网络，其中S表示源节点，D表示目的节点，Ri表示第i个中继节点，hsi表示S到Ri的信道增益，服从均值为0、方差为σsi2的复高斯分布；hid表示Ri到D的信道增益，服从均值为0、方差为σid2的复高斯分布。

假设信道状态在完成一次S到D信息传输的过程中保持不变，S发送的总功率为1，发送的信号为xs，则Ri收到的信号yri为：

其中nsi是Ri处的噪声，服从均值为0，方差为N0的复高斯分布。如果中继节点采用放大转发(AF)模式，则Ri转发的信号xi示为XiAF：

如果中继节点采用解码转发(DF)模式，则Ri成功解码转发的信号xi表示为XiDF：

D接收到的Ri发送的信号为：

其中nid是D处的噪声，服从均值为0，方差为N0的复高斯分布。