中繼協(xié)作傳輸?shù)耐掏铝糠治?/h1>
2014-07-29 02:08:07胡勇王建新
中國新通信 2014年7期
胡勇 王建新
【摘要】 在無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，通過中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)作傳輸，可在接收端形成分集增益，使得在信道條件較差時(shí)也能進(jìn)行高速、可靠地?zé)o線通信。本文提出了一個(gè)新的協(xié)議，圍繞以下三個(gè)問題作了分析：何時(shí)進(jìn)行協(xié)作，如何選擇協(xié)作節(jié)點(diǎn)，協(xié)作節(jié)點(diǎn)怎樣轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。本文最大的不同是，根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)正確解調(diào)需要的信噪比，來調(diào)節(jié)中繼節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)的發(fā)送功率，從而減小協(xié)作傳輸?shù)哪芎?，并在一定程度減小了協(xié)作傳輸干擾范圍，增加了網(wǎng)絡(luò)中可激活的的鏈路條數(shù)，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。
【關(guān)鍵詞】 協(xié)作傳輸 功率可調(diào) 能量受限網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)壽命
一、引言
協(xié)作分集作為一種虛擬多天線分集技術(shù)，可以為單天線網(wǎng)絡(luò)終端提供分集增益，是解決無線信道多徑衰落的一種有效技術(shù)，這對于能量受限網(wǎng)絡(luò)具有重要的價(jià)值。
關(guān)于協(xié)作分集技術(shù)，Laneman等深入研究了分集的實(shí)現(xiàn)策略，提出了固定中繼、選擇中繼和增量中繼三種策略對于協(xié)作中繼的選擇。Bletsas[3]首先將MAC層的機(jī)會性中繼選擇與物理層的協(xié)作分集相結(jié)合，在文獻(xiàn)[2]提出的方案中，候選中繼利用MAC層的RTS/CTS獲得源與中繼以及中繼與目的之間的信道狀態(tài)信息，并根據(jù)不同準(zhǔn)則將這兩個(gè)信道的信息進(jìn)行綜合，從而獲得了一個(gè)信道的綜合量度。
本文提出的協(xié)議是基于機(jī)會協(xié)作的，根據(jù)相關(guān)的信道條件來選擇中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)以目的節(jié)點(diǎn)解調(diào)所要求的最小信噪比來調(diào)節(jié)發(fā)送功率，從而達(dá)到減小能耗和干擾范圍的目的。
二、系統(tǒng)模型
網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)相對靜止，且所有節(jié)點(diǎn)可以通過與另一節(jié)點(diǎn)交互信息獲得當(dāng)前信道的衰落信息。交換信息主要有RTS，CTS，RTH等。
與之前的協(xié)作協(xié)議最大不同是，本協(xié)議中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率是可調(diào)節(jié)的，發(fā)送功率大小可通過下式?jīng)Q定：
最大的節(jié)點(diǎn)，假設(shè)為節(jié)點(diǎn)rk。在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，源節(jié)點(diǎn)S以固定地功率P0同時(shí)給中繼節(jié)點(diǎn)rk和目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)，中繼節(jié)點(diǎn)rk計(jì)算出滿足目的節(jié)點(diǎn)要求信噪比下的最小發(fā)送功率Pr，并以Pr的功率轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給目的節(jié)點(diǎn)D。
四、性能分析
為了分析網(wǎng)絡(luò)的總吞吐量，必須分析單次傳輸?shù)钠骄掏铝恳约熬W(wǎng)絡(luò)中可激活的鏈路條數(shù)。首先，從干擾范圍的角度分析網(wǎng)絡(luò)的總鏈路條數(shù)。
現(xiàn)在，分析下單次直接傳輸和協(xié)作傳輸下的干擾面積，假設(shè)單個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)的干擾面積用S=βP2表示：P為發(fā)送功率，β為固定常數(shù)。協(xié)作傳輸鏈路的干擾范圍CLIR可以用一個(gè)橢圓等效表示[4]，橢圓大小約等于源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和目地節(jié)點(diǎn)三個(gè)節(jié)點(diǎn)干擾范圍的并集。可以根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算出直接傳輸和協(xié)作傳輸下的平均干擾面積Sd和Sc，與已激活單條鏈路不發(fā)生干擾的概率為Q=1-S/St；
我們假設(shè)在瑞利衰落信道下，每個(gè)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)長度L=900 Bytes，接收端要求的誤碼率閾值為pM=10-5，并分析計(jì)算三種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，就會發(fā)現(xiàn)，在發(fā)送節(jié)點(diǎn)提供的信噪比比較低時(shí)，協(xié)作傳輸?shù)耐掏铝勘戎苯觽魉偷囊?，這是因?yàn)橹苯觽鬏斦`碼率較高，大量丟包，而采用協(xié)作傳輸，可以提高接收端的信噪比，減小誤碼率，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。隨著發(fā)送節(jié)點(diǎn)提供的信噪比逐漸變大，三種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量都是先變大后變小，這是因?yàn)?，發(fā)送信噪比提高，有利于減小單條鏈路的誤碼率，提高單條鏈路的吞吐量，但信噪比變大，鏈路干擾范圍也會隨之變大，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可激活的鏈路條數(shù)變少，因此總的網(wǎng)絡(luò)吞吐量才會呈現(xiàn)出先變大后變小的趨勢。此外，中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率可調(diào)比固定中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率的協(xié)作協(xié)議有更高的吞吐量，這是因?yàn)橹欣^節(jié)點(diǎn)根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)接收靈敏度要求適當(dāng)降低發(fā)送功率，可以減小協(xié)作傳輸?shù)母蓴_范圍，使得網(wǎng)絡(luò)中鏈路間的相互干擾減小，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] Laneman J N， Tse D N， Wornell G W. “Cooperative diversity in wireless networks- efficient protocols and outage behavior，” IEEE Trans. Inf. Theory， vol.50（12）， pp. 3062-3079， 2004.
[2] A.Bletsas， A.Khisti， D.P Reed， A.Lippman， “A simple cooperative diversity method based on network path selection，” Journal on selected areas in communication， vol.24（3）， pp. 659-672， March 2006.
[3] A Bletsas， D P Reed， A Lippman， “A simple distributed methodfor relay selection in cooperative diversity wireless networks based on reciprocity and channel measurements，” Proceeding of 61st IEEE semiannu Vech Technol Conf [C]， Stockholm， Swede， pp. 1484-1488， May 2005.
[4] Yong Zhou， Weihua Zhuang， “Beneficial Cooperation Ratio in Multi-hop Wireless Ad Hoc Networks，” Department of Electrical and Computer Engineering， University of Waterloo， Waterloo.
[5] Sanghoon Kim， “Energy and Rate Tradoff for Wireless Sensor Network.
胡勇 王建新
【摘要】 在無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，通過中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)作傳輸，可在接收端形成分集增益，使得在信道條件較差時(shí)也能進(jìn)行高速、可靠地?zé)o線通信。本文提出了一個(gè)新的協(xié)議，圍繞以下三個(gè)問題作了分析：何時(shí)進(jìn)行協(xié)作，如何選擇協(xié)作節(jié)點(diǎn)，協(xié)作節(jié)點(diǎn)怎樣轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。本文最大的不同是，根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)正確解調(diào)需要的信噪比，來調(diào)節(jié)中繼節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)的發(fā)送功率，從而減小協(xié)作傳輸?shù)哪芎?，并在一定程度減小了協(xié)作傳輸干擾范圍，增加了網(wǎng)絡(luò)中可激活的的鏈路條數(shù)，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。
【關(guān)鍵詞】 協(xié)作傳輸 功率可調(diào) 能量受限網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)壽命
一、引言
協(xié)作分集作為一種虛擬多天線分集技術(shù)，可以為單天線網(wǎng)絡(luò)終端提供分集增益，是解決無線信道多徑衰落的一種有效技術(shù)，這對于能量受限網(wǎng)絡(luò)具有重要的價(jià)值。
關(guān)于協(xié)作分集技術(shù)，Laneman等深入研究了分集的實(shí)現(xiàn)策略，提出了固定中繼、選擇中繼和增量中繼三種策略對于協(xié)作中繼的選擇。Bletsas[3]首先將MAC層的機(jī)會性中繼選擇與物理層的協(xié)作分集相結(jié)合，在文獻(xiàn)[2]提出的方案中，候選中繼利用MAC層的RTS/CTS獲得源與中繼以及中繼與目的之間的信道狀態(tài)信息，并根據(jù)不同準(zhǔn)則將這兩個(gè)信道的信息進(jìn)行綜合，從而獲得了一個(gè)信道的綜合量度。
本文提出的協(xié)議是基于機(jī)會協(xié)作的，根據(jù)相關(guān)的信道條件來選擇中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)以目的節(jié)點(diǎn)解調(diào)所要求的最小信噪比來調(diào)節(jié)發(fā)送功率，從而達(dá)到減小能耗和干擾范圍的目的。
二、系統(tǒng)模型
網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)相對靜止，且所有節(jié)點(diǎn)可以通過與另一節(jié)點(diǎn)交互信息獲得當(dāng)前信道的衰落信息。交換信息主要有RTS，CTS，RTH等。
與之前的協(xié)作協(xié)議最大不同是，本協(xié)議中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率是可調(diào)節(jié)的，發(fā)送功率大小可通過下式?jīng)Q定：
最大的節(jié)點(diǎn)，假設(shè)為節(jié)點(diǎn)rk。在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，源節(jié)點(diǎn)S以固定地功率P0同時(shí)給中繼節(jié)點(diǎn)rk和目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)，中繼節(jié)點(diǎn)rk計(jì)算出滿足目的節(jié)點(diǎn)要求信噪比下的最小發(fā)送功率Pr，并以Pr的功率轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給目的節(jié)點(diǎn)D。
四、性能分析
為了分析網(wǎng)絡(luò)的總吞吐量，必須分析單次傳輸?shù)钠骄掏铝恳约熬W(wǎng)絡(luò)中可激活的鏈路條數(shù)。首先，從干擾范圍的角度分析網(wǎng)絡(luò)的總鏈路條數(shù)。
現(xiàn)在，分析下單次直接傳輸和協(xié)作傳輸下的干擾面積，假設(shè)單個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)的干擾面積用S=βP2表示：P為發(fā)送功率，β為固定常數(shù)。協(xié)作傳輸鏈路的干擾范圍CLIR可以用一個(gè)橢圓等效表示[4]，橢圓大小約等于源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和目地節(jié)點(diǎn)三個(gè)節(jié)點(diǎn)干擾范圍的并集。可以根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算出直接傳輸和協(xié)作傳輸下的平均干擾面積Sd和Sc，與已激活單條鏈路不發(fā)生干擾的概率為Q=1-S/St；
我們假設(shè)在瑞利衰落信道下，每個(gè)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)長度L=900 Bytes，接收端要求的誤碼率閾值為pM=10-5，并分析計(jì)算三種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，就會發(fā)現(xiàn)，在發(fā)送節(jié)點(diǎn)提供的信噪比比較低時(shí)，協(xié)作傳輸?shù)耐掏铝勘戎苯觽魉偷囊?，這是因?yàn)橹苯觽鬏斦`碼率較高，大量丟包，而采用協(xié)作傳輸，可以提高接收端的信噪比，減小誤碼率，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。隨著發(fā)送節(jié)點(diǎn)提供的信噪比逐漸變大，三種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量都是先變大后變小，這是因?yàn)?，發(fā)送信噪比提高，有利于減小單條鏈路的誤碼率，提高單條鏈路的吞吐量，但信噪比變大，鏈路干擾范圍也會隨之變大，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可激活的鏈路條數(shù)變少，因此總的網(wǎng)絡(luò)吞吐量才會呈現(xiàn)出先變大后變小的趨勢。此外，中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率可調(diào)比固定中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率的協(xié)作協(xié)議有更高的吞吐量，這是因?yàn)橹欣^節(jié)點(diǎn)根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)接收靈敏度要求適當(dāng)降低發(fā)送功率，可以減小協(xié)作傳輸?shù)母蓴_范圍，使得網(wǎng)絡(luò)中鏈路間的相互干擾減小，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] Laneman J N， Tse D N， Wornell G W. “Cooperative diversity in wireless networks- efficient protocols and outage behavior，” IEEE Trans. Inf. Theory， vol.50（12）， pp. 3062-3079， 2004.
[2] A.Bletsas， A.Khisti， D.P Reed， A.Lippman， “A simple cooperative diversity method based on network path selection，” Journal on selected areas in communication， vol.24（3）， pp. 659-672， March 2006.
[3] A Bletsas， D P Reed， A Lippman， “A simple distributed methodfor relay selection in cooperative diversity wireless networks based on reciprocity and channel measurements，” Proceeding of 61st IEEE semiannu Vech Technol Conf [C]， Stockholm， Swede， pp. 1484-1488， May 2005.
[4] Yong Zhou， Weihua Zhuang， “Beneficial Cooperation Ratio in Multi-hop Wireless Ad Hoc Networks，” Department of Electrical and Computer Engineering， University of Waterloo， Waterloo.
[5] Sanghoon Kim， “Energy and Rate Tradoff for Wireless Sensor Network.
