董 蕾,王勇超

(西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710071)

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DF中繼網(wǎng)絡(luò)中的分布式機(jī)會(huì)信道接入策略

董 蕾,王勇超

(西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710071)

摘要:針對(duì)連續(xù)傳輸速率下分布式機(jī)會(huì)信道接入場(chǎng)景設(shè)定與性能優(yōu)化受限的問題,提出了離散傳輸速率下譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)中的分布式機(jī)會(huì)信道接入策略.該策略在最優(yōu)停止理論的指導(dǎo)下,將最大化系統(tǒng)平均吞吐率作為優(yōu)化目標(biāo),通過對(duì)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)中的第2跳傳輸時(shí)間進(jìn)行完全優(yōu)化,使總體的傳輸時(shí)間大幅度減小,系統(tǒng)性能得到顯著提高.仿真結(jié)果表明,相較現(xiàn)有策略,文中所提策略在系統(tǒng)平均吞吐率上具有明顯優(yōu)勢(shì).

關(guān)鍵詞:中繼網(wǎng)絡(luò);機(jī)會(huì)式接入;最優(yōu)停止理論

近來(lái),聯(lián)合物理層(PHYsical layer,PHY)和媒體接入控制層(Media Access Control,MAC)的分布式機(jī)會(huì)信道接入已成為研究熱點(diǎn).通常來(lái)說,機(jī)會(huì)接入要求用戶只在信道條件足夠好的時(shí)候才被允許接入,而在分布式網(wǎng)絡(luò)中,由于缺少全局信道狀態(tài)信息,最優(yōu)的機(jī)會(huì)信道接入研究面臨著各種挑戰(zhàn).文獻(xiàn)[1]提出了自組網(wǎng)(ad-hoc)中的基于納什均衡的信道接入策略.文獻(xiàn)[2]研究了自組網(wǎng)中基于最優(yōu)停止理論的機(jī)會(huì)信道接入策略.在該策略下,當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)信道成功的用戶所獲得信道增益小于最優(yōu)門限時(shí),用戶放棄傳輸機(jī)會(huì)并且開始新一輪的競(jìng)爭(zhēng),如果用戶所獲得信道增益不小于最優(yōu)門限,用戶則停止競(jìng)爭(zhēng)過程并且傳輸數(shù)據(jù).隨后,文獻(xiàn)[3]研究了在不完全信道信息下的分布式機(jī)會(huì)信道接入.文獻(xiàn)[4]提出了在干擾模型下的機(jī)會(huì)接入策略.文獻(xiàn)[5]給出了平衡更準(zhǔn)確信道估計(jì)和額外探測(cè)時(shí)間的雙層信道接入策略.文獻(xiàn)[6-8]將研究進(jìn)一步擴(kuò)展到了兩跳中繼網(wǎng)絡(luò),文獻(xiàn)[6]提出了放大-轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify-Forward,AF)中繼網(wǎng)絡(luò)中的分布式機(jī)會(huì)信道接入.文獻(xiàn)[7-8]研究了譯碼-轉(zhuǎn)發(fā)(Decode-Forward,DF)中繼網(wǎng)絡(luò)中的分布式機(jī)會(huì)信道接入,其中,文獻(xiàn)[7]考慮了中繼鏈路所提供的增益與所花費(fèi)時(shí)間的折中關(guān)系,文獻(xiàn)[8]提出了在多個(gè)信道相干時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)闹欣^等待策略.文獻(xiàn)[9]則研究了引入隊(duì)列狀態(tài)信息后,隊(duì)列穩(wěn)定約束下的分布式機(jī)會(huì)信道接入策略.

現(xiàn)有的分布式機(jī)會(huì)信道接入大部分采用連續(xù)傳輸速率的假設(shè).然而在某些實(shí)際系統(tǒng)中,需要采用固定的離散速率進(jìn)行傳輸,因此有必要研究離散傳輸速率下的機(jī)會(huì)信道接入策略.在另一方面,由于連續(xù)傳輸速率的限制,導(dǎo)致在某些場(chǎng)景中只能獲得局部最優(yōu)接入策略.例如在文獻(xiàn)[8]的中繼等待策略下,第2跳的傳輸時(shí)長(zhǎng)采用了并非最優(yōu)選擇的信道相干時(shí)間,但是在離散傳輸速率下,上述問題可以得到解決.針對(duì)文獻(xiàn)[8],筆者在最優(yōu)停止理論的指導(dǎo)下,以最大化系統(tǒng)平均吞吐率為目標(biāo),提出了離散傳輸速率下DF中繼網(wǎng)絡(luò)中的分布式機(jī)會(huì)信道接入策略.仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提策略的可靠性.

1 系統(tǒng)模型

考慮一個(gè)有K個(gè)源-目的對(duì)和一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的DF中繼網(wǎng)絡(luò),并假設(shè)這K個(gè)源-目的對(duì)之間不存在直接鏈路.源節(jié)點(diǎn)i與中繼節(jié)點(diǎn)之間的信道增益為fi,中繼節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)i之間的信道增益為gi,fi和gi服從獨(dú)立同分布的瑞利衰落.兩跳的平均接收信噪比分別為ρf和ρg,信道相干時(shí)間均為τd.假設(shè)可用的離散傳輸速率集R={R1,R2,…,Rl,…,RL},其中,L為可用的速率的個(gè)數(shù).在該系統(tǒng)模型下,由源節(jié)點(diǎn)i、中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)i所組成的信道所能提供的最大信道速率為

在每個(gè)傳輸周期開始時(shí),K個(gè)源節(jié)點(diǎn)通過概率p0向中繼發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求發(fā)送(Request-To-Send,RTS)包來(lái)競(jìng)爭(zhēng)傳輸機(jī)會(huì).源節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果可分為以下3類:所有的源節(jié)點(diǎn)都沒有參與競(jìng)爭(zhēng);參與競(jìng)爭(zhēng)的源節(jié)點(diǎn)為2個(gè)或2個(gè)以上,因此多個(gè)源節(jié)點(diǎn)發(fā)生碰撞,導(dǎo)致所有源節(jié)點(diǎn)均無(wú)法獲得傳輸機(jī)會(huì);只有1個(gè)源節(jié)點(diǎn)參與競(jìng)爭(zhēng),該節(jié)點(diǎn)可獲得傳輸機(jī)會(huì).假設(shè)時(shí)間被分割為連續(xù)的時(shí)隙,K個(gè)源節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)隙內(nèi)重復(fù)上述競(jìng)爭(zhēng)過程,直到第種競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果出現(xiàn),中繼再將獲得的第1跳信道信息通過一個(gè)清除發(fā)送(Clear-To-Send,CTS)包反饋給獲勝的源節(jié)點(diǎn).由上述競(jìng)爭(zhēng)過程可知,競(jìng)爭(zhēng)成功所需要的時(shí)隙個(gè)數(shù)可視為一個(gè)服從幾何分布的隨機(jī)變量,該隨機(jī)變量的期望為定義所有源節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道直到成功的過程為一個(gè)觀察,觀察的長(zhǎng)度可視為一個(gè)隨機(jī)變量,其期望為其中,δ表示所有的源節(jié)點(diǎn)都沒有參與競(jìng)爭(zhēng)時(shí)的時(shí)隙長(zhǎng)度.

2 中繼等待信道接入策略

假設(shè)第n個(gè)觀察時(shí)的優(yōu)勝源節(jié)點(diǎn)為s(n),第1跳信道信息rf(n)位于區(qū)間[ri,ri+1)內(nèi),如果s(n)決定在第n個(gè)觀察時(shí)放棄傳輸機(jī)會(huì),則所獲得的增益V0(rf(n),λ*)=V(λ*)-λTn;否則,s(n)采用中繼等待策略傳輸數(shù)據(jù).定義Rf(n)=lb ( 1+rf(n) ),為第n個(gè)觀察時(shí)第1跳所能獲得的最大速率.在中繼等待策略的第1階段,優(yōu)勝源節(jié)點(diǎn)以不高于Rf(n)的速率Rn∈R將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街欣^,傳輸時(shí)間為相干時(shí)間τd.由于數(shù)據(jù)此時(shí)只抵達(dá)至中繼,中繼節(jié)點(diǎn)還需要探測(cè)第2跳信道信息,并且決定轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)或者繼續(xù)探測(cè).而且由于抵達(dá)中繼的數(shù)據(jù)量為Rnτd,中繼到目的節(jié)點(diǎn)的最大傳輸時(shí)間為τd,因此,中繼需要持續(xù)探測(cè)第2跳信道直到可獲得信道速率不小于第1跳的傳輸速率Rn.

當(dāng)Rn=Rl時(shí),中繼等待策略可獲得的增益Yrl為

其中,τd為第1跳的傳輸時(shí)間.由上式可得,由于最優(yōu)的傳輸速率Rn會(huì)影響所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、中繼的等待時(shí)間及第2跳的傳輸時(shí)間,因此,它在中繼等待策略中具有關(guān)鍵作用.

當(dāng)?shù)?跳信道增益rf(n)位于區(qū)間[ri,ri+1),在中繼等待策略下,最優(yōu)的增益為

根據(jù)上述分析,文中提出的中繼等待策略下的最優(yōu)停止法則定理如下.

證明 通過最優(yōu)停止理論,當(dāng)停止所獲得的增益不小于采用中繼等待策略傳輸所獲得的增益時(shí),探測(cè)應(yīng)該停止.因此,最優(yōu)停止理論可表示為

根據(jù)最優(yōu)停止理論,最優(yōu)等式可表示為

由于最優(yōu)等式的左邊為一個(gè)關(guān)于λ的減函數(shù),因此,最優(yōu)的λ*惟一.證畢.

3 仿真結(jié)果

仿真中參數(shù)的設(shè)定為K= 5,τd= 2 ms,τRTS= 50μs,τCTS= 50μs,δ=25μs,p0=0.3.ρf=1,ρg從1變化到10.離散傳輸速率集R= {1 bit/s,2 bit/s,3 bit/s,4 bit/s,5 bit/s},所對(duì)應(yīng)的信噪比比值集合R= {1,3,7,15,31}.圖1比較了文中所提策略與文獻(xiàn)[8]策略的平均吞吐率,從圖1可以看出,文中所提策略的平均吞吐率優(yōu)于文獻(xiàn)[8]策略的,因此,該策略的性能得到了有效驗(yàn)證.

圖1 文中所提策略與文獻(xiàn)[8]策略的性能比較

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者提出了一種DF中繼網(wǎng)絡(luò)下基于最優(yōu)停止理論的分布式機(jī)會(huì)信道接入策略.該策略以最大化系統(tǒng)

的平均吞吐率為目標(biāo),有效利用了系統(tǒng)的多用戶分集和時(shí)間分集,并且提出了實(shí)施復(fù)雜度低的純門限準(zhǔn)則.最后,仿真結(jié)果通過與現(xiàn)有文獻(xiàn)相比,有效驗(yàn)證了文中所提策略的性能.

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(編輯:齊淑娟)

Distributed opportunistic channel access strategy in DF relay networks

DONG Lei,WANG Yongchao
(State Key Lab.of Integrated Service Networks,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

Abstract:Considering the two limitations of scenario assumption and performance optimization in distributed opportunistic channel access under the continuous transmission rate,a distributed opportunistic channel access strategy is proposed in DF relay networks under the discrete transmission rate.The proposed strategy maximizes the system average throughput with the instruction of optimal stopping theory.By optimizing the second-hop transmission time in DF relay networks completely,the total transmission time is reduced,and the system performance is improved.Compared with the current strategy,simulation result demonstrates the validity of the proposed strategy in system average throughput.

Key Words:relay networks;opportunistic access;optimal stopping

作者簡(jiǎn)介:董 蕾(1987-),女,西安電子科技大學(xué)博士研究生,E-mail:donglei.xian@gmail.com.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61372135);高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃資助項(xiàng)目(B08038)

收稿日期:2014-10-21 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2015-05-21

doi:10.3969/j.issn.1001-2400.2016.02.003

中圖分類號(hào):TN92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1001-2400(2016)02-0013-04

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150521.0902.026.html