摘要：機(jī)會(huì)中繼選擇協(xié)議是一種基于即時(shí)信道狀態(tài)的單協(xié)作中繼選擇方法。文章將機(jī)會(huì)中繼的思想推廣到多中繼選擇場(chǎng)景，提出一種新的中繼選擇協(xié)議。協(xié)議通過采用目的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)協(xié)作中繼及加入延時(shí)等機(jī)制，有效地降低了中繼選擇的沖突概率，并能控制中繼選擇的數(shù)目，保證中繼選擇的公平性。協(xié)議還修正了原協(xié)議中繼定時(shí)器參數(shù)選擇問題。
仿真表明該協(xié)議能夠極大地提升系統(tǒng)誤碼率性能。
關(guān)鍵詞：機(jī)會(huì)中繼；即時(shí)信道狀態(tài)；多中繼；沖突概率；誤碼率

    協(xié)作分集技術(shù)作為近年來出現(xiàn)的一種新技術(shù)，已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，并成為當(dāng)前無線通信領(lǐng)域一新的研究熱點(diǎn)。其基本思想是各單天線用戶彼此為對(duì)方轉(zhuǎn)發(fā)信息，這樣，每個(gè)終端在傳輸信息的過程中，既利用了自己又利用了其合作伙伴的空間信道，從而獲取一定的空間分集增益。其主要協(xié)作方式有放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify and Forward，AF)，解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode and Forward，DF)和編碼協(xié)作(Coded Cooperation，CC)。
    機(jī)會(huì)中繼選擇協(xié)議是由A．Bletsas等人在文獻(xiàn)中提出的一種基于即時(shí)信道狀態(tài)(Channel State Information，CSI)的協(xié)作中繼選擇方法，系統(tǒng)根據(jù)某種選擇算法從所有備選中繼中選擇一個(gè)最佳中繼節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)協(xié)作發(fā)射信號(hào)到目的節(jié)點(diǎn)。該方法不需要知道網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?，從而大大?jiǎn)化了物理層的設(shè)計(jì)。Salama在文獻(xiàn)中證明了該算法相比于常規(guī)分集方案在節(jié)省信道資源方面有更多的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的全分集階數(shù)。
    現(xiàn)有的改進(jìn)都是集中在選擇單個(gè)最佳中繼上，文獻(xiàn)在機(jī)會(huì)中繼協(xié)議基礎(chǔ)上提出了一種半分布式中繼選擇方案，每個(gè)中繼測(cè)量測(cè)量其后向信道和前向信道的瞬時(shí)信道增益，若該兩個(gè)信道增益均大于一個(gè)門限，則該中繼可用，最終基站從所有可用中繼中選擇最佳中繼。但單個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理和傳輸能力有限，通過多個(gè)節(jié)點(diǎn)的協(xié)作不僅僅可以得到空間分集增益還可以獲得空間復(fù)用增益，同時(shí)還可以均衡業(yè)務(wù)負(fù)載。筆者將機(jī)會(huì)中繼選擇的思想推廣到多中繼選擇場(chǎng)景，提出一種新的多中繼選擇方法。

1 機(jī)會(huì)選擇中繼協(xié)議分析
    文獻(xiàn)已給出詳細(xì)的協(xié)議選擇方法，具體的說，源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送RTS(Request To Send)分組給所有中繼和目的節(jié)點(diǎn)D，D在接收到RTS分組后，產(chǎn)生CTS(Clear to Send)分組發(fā)給源節(jié)點(diǎn)S和中繼節(jié)點(diǎn)，中繼根據(jù)RTS和CTS分組測(cè)量鏈路的瞬時(shí)信道狀態(tài)信息hs,i和hi,d每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)都將根據(jù)信道狀態(tài)信息觸發(fā)一個(gè)定時(shí)器(Timer)。最佳中繼所對(duì)應(yīng)的定時(shí)器將最先超時(shí)，緊接著，該最佳中繼則會(huì)發(fā)送一個(gè)標(biāo)志包(flagpacket)，表明其最佳中繼的身份，其他尚未超時(shí)的中繼在接收到該標(biāo)志包后將放棄對(duì)本次最佳節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)。對(duì)于存在隱藏中繼(即不能偵聽中繼彼此之間的信息，但能偵聽源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)信息的中繼)的情況，最佳中繼則向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送該標(biāo)志包，然后由目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送很短的廣播包(broadca stpacket)通知所有中繼節(jié)點(diǎn)。
    定時(shí)器的取值如下：
   
    由式(2)和(3)可知，信道狀況最好的中繼，即最佳中繼具有最小的起始時(shí)間。
    從上述中繼選擇過程來看，當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)中繼定時(shí)器過于接近時(shí)，有可能發(fā)生中繼選擇沖突。如圖1所示，節(jié)點(diǎn)b和j分別代表最佳中繼和另外一個(gè)中繼。其中，Tb代表節(jié)點(diǎn)b定時(shí)器的初始值，ni為中繼i和目的節(jié)點(diǎn)間的傳播時(shí)延，ds為每部無線收發(fā)機(jī)的收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間，r為兩中繼之間的傳播時(shí)延，dur1和dur2分別為標(biāo)志包和廣播包的持續(xù)時(shí)間。

    很明顯，當(dāng)無隱藏中繼時(shí)，在區(qū)間[tL，tC]會(huì)發(fā)生沖突；當(dāng)存在隱藏中繼時(shí)，在區(qū)間[tL，tH]內(nèi)將會(huì)發(fā)生沖突。則相應(yīng)的沖突時(shí)間c為：
    無隱藏中繼時(shí)：
    c=tC-tL=|nb-nj|+ds+r                  (4)
    隱藏中繼時(shí)：
    c=tH-tL=|nb-nj|+2·ds+dur1+dur2+nb+nj (5)
    對(duì)于普通的低成本無線收發(fā)機(jī)而言，無隱藏中繼時(shí)沖突時(shí)長(zhǎng)c的典型值是幾個(gè)微秒，通常取5μs，而在有隱藏中繼時(shí)則為10μs。
    當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)中繼定時(shí)器在沖突時(shí)間c內(nèi)超時(shí)時(shí)，導(dǎo)致沖突發(fā)生，則其沖突概率可表示為：

    由式(8)可以看出，沖突概率與λ的取值密切相關(guān)，不斷增加λ可以使沖突概率無限趨于0。但是，λ還決定了最佳中繼選擇所需的平均時(shí)間T，即：
    T=nb+E(Tb)+ds+dur1+nb(+ds+dur2+nj，隱藏中繼)≈E(Tb)=E(λ／h1)≥λ／E(h1)      (9)
    由式(9)可以得到，λ取值不能過大，否則中繼選擇速度過慢，無法滿足遠(yuǎn)高于信道變化速度的要求。所以實(shí)際選取λ時(shí)需要在沖突概率和中繼選擇速度之間進(jìn)行折中?？紤]到慢衰落的環(huán)境，在0～3 km／s的移動(dòng)速度，最大多普勒頻移為2．5 Hz，最小信道相干時(shí)間為200 ms量級(jí)條件下，取λ值比相干時(shí)間低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，即1～2 ms是比較合理的。

2 一種改進(jìn)的多機(jī)會(huì)中繼協(xié)議設(shè)計(jì)
    原有協(xié)議存在問題分析：
    1)中繼信道參數(shù)的選擇依據(jù)。原協(xié)議中給出的兩種選擇依據(jù)的前提是源到中繼，中繼到目的信道衰落系數(shù)對(duì)中繼選擇的影響因子是等價(jià)的。文獻(xiàn)中結(jié)論表明，在最優(yōu)功率分配中系統(tǒng)更傾向?qū)⒐β史峙浣o距離源節(jié)點(diǎn)更近的中繼節(jié)點(diǎn)，即源到中繼的信道衰落系數(shù)在其中所占影響因子更大。
    2)中繼選擇的公平性。機(jī)會(huì)中繼選擇協(xié)議僅僅考慮了性能而忽略了備選協(xié)作伙伴的公平性。如果有一個(gè)備選中繼始終作為最佳伙伴，那么結(jié)果是其電池很快被消耗完而其他的備選的伙伴很可能根本就沒有用到。這對(duì)整個(gè)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)是非常不公平的，尤其是這個(gè)最佳中繼。
    3)能否選擇多個(gè)中繼。參與協(xié)作的中繼數(shù)目直接影響到系統(tǒng)信道容量，而且原有協(xié)議中區(qū)分最佳中繼的身份一個(gè)重要影響因素，就是收發(fā)機(jī)轉(zhuǎn)換時(shí)間。收發(fā)機(jī)轉(zhuǎn)換時(shí)間對(duì)某個(gè)節(jié)點(diǎn)是相對(duì)固定的。對(duì)于信道系數(shù)和最佳中繼一樣，而轉(zhuǎn)換時(shí)間稍長(zhǎng)的其他節(jié)點(diǎn)來說，也是一種不公平。
    基于上面的分析，此處提出一種優(yōu)化的多種機(jī)會(huì)中繼選擇協(xié)議，協(xié)議具體過程如下：
    1)每個(gè)中繼i監(jiān)聽RTS，CTS分組，以獲得信道衰落系數(shù)；
    2)計(jì)算信道信息hi，中繼啟動(dòng)定時(shí)器Ti=λ／hi；
    注：取hi=|hs,i|2，根據(jù)最優(yōu)功率分配結(jié)論可知，源到中繼節(jié)點(diǎn)的信道衰落系數(shù)在功率分配中占主導(dǎo)因素，為簡(jiǎn)化協(xié)議設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，此處忽略中繼到目的節(jié)點(diǎn)信道衰落系數(shù)的影響。
    3)中繼定時(shí)器超時(shí)后，向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送協(xié)作請(qǐng)求Req．，此后等待目的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)；
    4)目的節(jié)點(diǎn)收到中繼首個(gè)Req．，立即啟動(dòng)延時(shí)器Tdelay，此過程中繼續(xù)接受其他協(xié)作中繼的請(qǐng)求；
    注：Tdelay的選擇需確保目的節(jié)點(diǎn)收到所有最優(yōu)信道條件的中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的Req．。這樣可以避免傳播時(shí)延，收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間等次要因素對(duì)中繼選擇造成“不公平”，同時(shí)其值變化也可以用于控制參與協(xié)作的中繼數(shù)量。
    5)Tdelay超時(shí)后，向所有中繼廣播參與本次協(xié)作的中繼確認(rèn)信息Ack．，收到確認(rèn)信息的中繼參與協(xié)作通信。
    根據(jù)上述步驟，協(xié)議流程如圖2所示。

    中繼1，中繼2具有相近的信道參數(shù)，在該中繼協(xié)議下都將參加本次協(xié)作，其中目的節(jié)點(diǎn)最先收到中繼2發(fā)送的協(xié)作請(qǐng)求Req．。n1、n2分別為中繼1、中繼2到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)延，dur-req、dur-ack分別為Req．、Ack．傳輸持續(xù)時(shí)間。
    Tdelay的取值：若中繼1是參與協(xié)作節(jié)點(diǎn)中最后向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送Req．，則有：
   
    在有隱藏中繼時(shí)，系統(tǒng)中繼選擇時(shí)間并沒有明顯增加。

3 改進(jìn)協(xié)議沖突分析
    從改進(jìn)協(xié)議的流程來看，唯一可能發(fā)生沖突的情況是在Tdelay階段兩個(gè)或更多中繼的Req．到達(dá)目的站的時(shí)間有重疊，目的端將無法正確解析中繼的Req．，則無論是否存在隱藏中繼，系統(tǒng)沖突時(shí)間變?yōu)閐ur-req。Req．中加入了中繼標(biāo)識(shí)信息，長(zhǎng)度有所增加，在現(xiàn)有系統(tǒng)中仍有可能將其控制在2μs以下，系統(tǒng)沖突概率也隨之下降。
    文獻(xiàn)中給出了原協(xié)議在不同方案下的理論推導(dǎo)結(jié)果，如下：

    圖3比較不同方案下的沖突概率。其中，假定所有信道參數(shù)，圖中N表示所有備選中繼數(shù)。正如理論分析，沖突概率隨著中繼數(shù)量的增多而增大，隨著參數(shù)入的增大而減?。粡膱D中還可以看出改進(jìn)協(xié)議相對(duì)于原協(xié)議，沖突概率明顯下降。

4 改進(jìn)協(xié)議系統(tǒng)性能仿真
    圖4中仿真了新協(xié)議下系統(tǒng)誤碼率性能，仿真中只考慮加性高斯白噪聲，瑞利衰落對(duì)信號(hào)的影響，系統(tǒng)采用QPSK調(diào)制方式，最大比合并方式分集接收，系統(tǒng)功率分配采用等功率分配方式，即源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率相等，中繼采用AF協(xié)議?？梢钥闯?，相對(duì)于傳統(tǒng)固定中繼，即協(xié)作中繼已選定，新協(xié)議的誤碼率顯著下降，特別是協(xié)作中繼數(shù)n=1時(shí)，協(xié)作增益已經(jīng)完全克服了協(xié)作帶來的額外損耗(AF協(xié)議同時(shí)放大了噪聲，消耗部分系統(tǒng)功率)；在20 dB時(shí)，n=2時(shí)系統(tǒng)性能提升了近一個(gè)數(shù)量級(jí)，相比之下，n=1時(shí)提升了約5倍，參與協(xié)作中繼數(shù)目越多，新協(xié)議帶來的性能提升越明顯。

5 結(jié)論
    本文將機(jī)會(huì)中繼選擇協(xié)議推廣到多協(xié)作中繼系統(tǒng)中，提出了一種新的協(xié)議，協(xié)議改用目的點(diǎn)來確認(rèn)中繼的協(xié)作請(qǐng)求Req．，目的通過延時(shí)機(jī)制來控制中繼選擇的個(gè)數(shù)，該機(jī)制同時(shí)保證了中繼選擇的公平性。根據(jù)文獻(xiàn)中最優(yōu)功率分配研究結(jié)論，方案中還修正了原協(xié)議中繼選擇標(biāo)準(zhǔn)(相比于中繼到目的信道，源到中繼的信道參數(shù)影響更大，而非等價(jià))，使中繼選擇更趨合理。改進(jìn)協(xié)議中繼選擇時(shí)間變長(zhǎng)，但在該時(shí)間內(nèi)選擇了多個(gè)中繼，中繼選擇效率相對(duì)提高。分析表明，系統(tǒng)能有效減少中繼選擇造成的沖突，仿真表明協(xié)議能夠有效降低系統(tǒng)誤碼率。