基于节点剩余功率的多中继选择算法_覃琴

基于节点剩余功率的多中继选择算法

覃 琴1,2，曾志民2，张天魁2，张从青2

(1. 三峡大学计算机与信息学院，湖北 宜昌 443002；2. 北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876)

摘 要：提出一种基于节点剩余功率的多中继放大转发协同节点选择算法，根据节点信道状态信息(CSI)和剩余能量信息对网络生存时间进行优化，使用加权函数和信道容量增益门限进行多协同节点选择。仿真结果表明，对于动态和固定功率分配，该算法选择三四个中继可使协同通信系统性能达到最优；相对基于CSI 的单中继选择算法，当中继数为4时，其在动态功率分配时的网络生存时间最高可延长82%。关键词：协作分集；剩余功率；放大转发；多中继选择；网络生存时间

Multi-relay Selection Algorithm Based on Node Residual Power

QIN Qin 1,2, ZENG Zhi-min 2, ZHANG Tian-kui 2, ZHANG Cong-qing 2

(1. College of Computer & Information Technology, China Three Gorges University, Yichang 443002, China;

2. School of Information and Communication Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China) 【Abstract 】This paper presents a multi-relay Amplification Forwarding(AF) cooperative node selection algorithm based on Residual Power(RP), which jointly considers the Channel State Information(CSI) and the residual energy information of nodes to optimize the network lifetime, uses the weighting function and the channel capacity gain threshold to select the relay set. Simulation results show that both dynamic relay power distribution and fixed relay power distribution, performance reached the best while selecting the 3~4 relays. Relative to only considering the CSI node selection algorithm, this algorithm is able to extend network lifetime up to 82% under dynamic relay power distribution and 4 relay numbers. 【Key words 】cooperative diversity; Residual Power(RP); Amplification Forwarding(AF); multi-relay selection; network lifetime DOI: 10.3969/j.issn.1000-3428.2011.10.025

计 算 机 工 程 Computer Engineering 第37卷 第10期

V ol.37 No.10 2011年5月

May 2011

·网络与通信· 文章编号：1000—3428(2011)10—0076—03文献标识码：A

中图分类号：TP301.6

1 概述

协同中继使特定区域内的用户可以共享彼此的天线，形

成虚拟天线阵列，从而达到空间分集的效果，显著提高用户服务质量和系统吞吐量[1]。但由于中继节点的加入，用户可以选择不同的中继集合进行数据的转发。因此，在多协同中继环境中，如何进行中继节点选择是首先需要解决的问题。

协作转发主要有放大转发(Amplification Forwarding, AF)、译码转发(Decode Forwarding, DF)和编码协作(Coding Cooperation, CC)3种方式。文献[2]提出机会中继(Opportunistic Relaying, OR)选择方法，分别讨论译码转发和放大转发中协同通信的性能，主要是基于信道状态信息(Channel State

Information, CSI)和网络拓扑进行中继选择。

文献[3]分析了在网络总发射功率约束下的中继选择，但多数是单中继选择。

基于单中继的最佳中继选择能够提高系统性能，但无法获得多个中继节点协同通信带来的增益最大化。部分文献讨论了通过穷举搜索法得到中继集合，选取集合中全部中继节点参与信息的转发，其缺点是当中继数增多时，会产生严重的资源分散问题。

协作分集用于Ad Hoc 网络时，采用分布式且低功耗的中继选择算法，使网络生存时间最大化成为设计的关键[4]。文献[5]提出了PARS 的分布式中继选择协议，其中，准则2和准则3考虑了节点剩余功率确定最佳中继，但仍局限为单中继选择。本文将单中继选择推广到多中继选择，综合考虑节点的CSI 和剩余功率，选择可以最大限度延长网络生存时间的中继集合，从而提高网络节点生存时间。

2 协同通信系统模型和问题描述

协同通信系统模型如图1所示。系统有一个源节点S ，

一个目的节点D ，N 个中继节点。假设每个中继仅有一个天线，S 和D 之间无直连链路。

图1 协同通信系统模型

假设第i 个中继节点仅知道自身2跳信道系数h is 、h id ，目的节点知道全部中继2跳信道系数。所有信道系数是独立同分布的归一化瑞利随机变量。采用2个阶段AF 中继协议：

(1)源节点S 以功率P S 广播发射，发射范围内所有节点收到携带噪声的信号，中继i 接收功率为h si P S 。

基金项目：国家自然科学基金资助项目“基于时域频谱利用概率分布曲线拟合的频谱检测研究”(60772110)

作者简介：覃 琴(1970－)，女，副教授、硕士，主研方向：宽带无线通信网络；曾志民，教授、博士、博士生导师；张天魁，讲师、博士；张从青，硕士研究生

收稿日期：2010-11-25 E-mail ：q_qin2000@