陳慧林　王呈貴　楊文東

【摘要】在本文中，我們?cè)诔滩ㄍㄐ畔箩槍?duì)有限長緩存輔助協(xié)作中繼系統(tǒng)提出了一種基于緩存中繼剩余能量的緩存中繼選擇方案。所提方案不僅考慮了無線鏈路的信道狀態(tài)信息（CSI），而且還考慮了緩存中繼的剩余能量和緩存剩余大小，綜合考慮這三種因素來選擇最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)。我們運(yùn)用馬爾科夫鏈模型在放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議下（AF）分析了所提方案的中斷概率和網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。仿真結(jié)果表明，所提方案相比于最大鏈路選擇方案，明顯提高了網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

【關(guān)鍵詞】緩存輔助中繼；剩余能量；中繼選擇；網(wǎng)絡(luò)壽命

一、引言

由于超短波通信工作在甚高頻段，具有很寬的頻帶，利用視距傳播方式，傳播穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)，因此其在軍事領(lǐng)域和民用救急中占重要的地位。因此如何提高超短波通信的性能顯得尤為重要，但因?yàn)槌滩ǖ闹本€傳播特性和不能長距離通信特性，使得它又存在一定的通信局限。

鑒于協(xié)作中繼技術(shù)能提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和增大無線通信系統(tǒng)的覆蓋面，多中繼的協(xié)作中繼系統(tǒng)中，中繼選擇技術(shù)被證明能在保持通信系統(tǒng)效率的同時(shí)有效的提高分集增益，本文將協(xié)作中繼選擇技術(shù)引入超短波通信中，以增強(qiáng)超短波通信的抗干擾能力。

最近，在[7]，[8]中提出的中繼緩存輔助系統(tǒng)能夠解除信息在預(yù)定義的時(shí)間周期內(nèi)進(jìn)行傳遞的約束，它所提出的中繼選擇方案總是在每一個(gè)時(shí)隙選擇在所有可行S-R和R-D鏈路中最好的一個(gè)。在[9]中，對(duì)一個(gè)具有固定速率的多中繼有限緩存系統(tǒng)進(jìn)行了研究，同時(shí)還提出了最大鏈路中繼選擇方案。在每一個(gè)時(shí)隙，使用可用鏈路中的具有最強(qiáng)信道增益的鏈路進(jìn)行接收或者傳遞消息。但是以往的中繼選擇算法，主要都只考慮信道狀態(tài)信息，而對(duì)中繼本身的約束未加考慮，造成了信道鏈路利用率低，和單一中繼的重復(fù)多次使用，增加了中繼老化的速度，降低了網(wǎng)絡(luò)使用壽命。

在本文中，針對(duì)超短波通信中的多中繼緩存輔助系統(tǒng)，我們提出了一個(gè)基于緩存中繼剩余能量選擇方案。在該方案中，我們同時(shí)考慮中繼剩余能量和鏈路信道狀態(tài)信息（CSI），來選擇最優(yōu)中繼。對(duì)網(wǎng)絡(luò)的中斷概率和使用壽命進(jìn)行了具體分析。仿真結(jié)果表明，在保證通信系統(tǒng)一點(diǎn)可靠度的前提下，所提算法能有效的增加緩存協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

二、緩存中繼系統(tǒng)模型

圖1為緩存中繼的系統(tǒng)模型。在該系統(tǒng)中，有一個(gè)源節(jié)點(diǎn)，一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和K個(gè)緩存中繼，每一個(gè)中繼緩存大小為L，并且每個(gè)中繼都是單天線的，在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)只能收或者發(fā)，是一個(gè)半雙工系統(tǒng)。

在此系統(tǒng)中，我們給定一個(gè)中心控制節(jié)點(diǎn)，來決定其他中繼節(jié)點(diǎn)用作接收或是發(fā)送。任意能與所有節(jié)點(diǎn)通信的節(jié)點(diǎn)都能被選作中心控制節(jié)點(diǎn)。為了不失去一般性，我們假定R1為中心控制節(jié)點(diǎn)。為了方便本文的研究，對(duì)本緩存中繼系統(tǒng)，做出如下假設(shè)：

1）各個(gè)鏈路的信道增益是不相關(guān)，相互獨(dú)立的；

2）源節(jié)點(diǎn)能源源不斷發(fā)送數(shù)據(jù)，即假設(shè)其隊(duì)列長度無限大；

3）當(dāng)節(jié)點(diǎn)的剩余能量不能支撐一次信號(hào)的接收或發(fā)送時(shí)，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)死亡；

4）根據(jù)文獻(xiàn)[10]的定義，我們?cè)O(shè)定一個(gè)門限值N，當(dāng)系統(tǒng)的死亡節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)超過N時(shí)，則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)死亡。

三、剩余能量緩存中繼選擇算法

考慮中繼的剩余能量對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，能減小過度使用某一信道狀態(tài)良好的中繼，以降低器件損耗。

五、仿真結(jié)果

在本文的仿真環(huán)境中，我們?cè)O(shè)定超短波信道，其為一個(gè)復(fù)隨機(jī)過程。中繼數(shù)K=3，緩存大小L=3，中繼的門限SNR設(shè)定為4。所有中繼節(jié)點(diǎn)的初始能量值 都相同，其接收功率和發(fā)送功率同為0.1w。采用蒙特卡羅仿真方法，進(jìn)行了10000此仿真。仿真對(duì)比了本方案與最大鏈路選擇方案系統(tǒng)的中斷概率性能和使用壽命。

圖2對(duì)比了文所提剩余能量方案與最大鏈路選擇方案的中斷概率性能，可以看出，在中斷概率為10-5時(shí)，最大鏈路選擇方案相比與本章所提方案有接近1dB的增益。

圖3展示了系統(tǒng)的使用壽命隨中繼節(jié)點(diǎn)的變化情況。在此仿真中，我們定義中繼的初始能量E=100，為了不失一般性，定義權(quán)重向量W=（0.5 0.5）。從圖中可以看出，網(wǎng)絡(luò)壽命隨著中繼的增多而增長，同時(shí)，當(dāng)用模糊評(píng)判準(zhǔn)則考慮剩余能量時(shí)，網(wǎng)絡(luò)壽命的性能比一般的信道狀態(tài)選擇要好。

圖4中，我們?cè)O(shè)定中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)K=3，權(quán)重向量W=（0.5 0.5）。從圖中可以看出，當(dāng)初始能量增加時(shí)，兩種方案的網(wǎng)絡(luò)壽命都增長，但是基于模糊評(píng)判的剩余能量選擇方案，能實(shí)現(xiàn)更長的網(wǎng)絡(luò)壽命。

圖5給出了不同權(quán)重向量下，系統(tǒng)壽命的對(duì)比。中繼的初始能量E=100，緩存中繼大小L=3。從圖中可以看出，當(dāng)剩余能量所占權(quán)重增大時(shí)，系統(tǒng)的壽命會(huì)越來越大，最終在比重值達(dá)到0.7時(shí)，系統(tǒng)壽命達(dá)到最大值。而只考慮信道狀態(tài)方案，其使用壽命恒定不變。不失一般性而言，當(dāng)權(quán)重指數(shù)為0.52時(shí)，剩余能量中繼選擇方案的網(wǎng)絡(luò)壽命接近是最大鏈路選擇方案的兩倍。

六、結(jié)束語

在本文中，我們研究了超短波通信中的協(xié)作中繼選擇問題，針對(duì)多中繼緩存協(xié)作通信系統(tǒng)提出了剩余能量緩存中繼選擇方案，采用模糊評(píng)判算法將緩存中繼的剩余能量與可用鏈路的信道狀態(tài)信息相結(jié)合，分別考慮了系統(tǒng)的初始能量，中繼數(shù)目以及剩余能量所占權(quán)重的改變，對(duì)網(wǎng)絡(luò)壽命造成的影響。從結(jié)果可以看出，本文所提方案能在保證網(wǎng)絡(luò)一定可考慮的前提下，增加了網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

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作者簡介

陳慧林（1991-），男，碩士，主要研究方向：無線移動(dòng)通信，網(wǎng)絡(luò)編碼。

王呈貴（1970-），男，博士，教授，主要研究方向：無線通信及組網(wǎng)技術(shù)。

楊文東（1981-），男，講師，主要研究方向：無線移動(dòng)通信。