陳慧林 王呈貴 楊文東解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院 江蘇南京 210007
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超短波通信下緩存協(xié)作中繼系統(tǒng)剩余能量中繼選擇方案
陳慧林 王呈貴 楊文東
解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院 江蘇南京 210007
【摘要】在本文中,我們?cè)诔滩ㄍㄐ畔箩槍?duì)有限長(zhǎng)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
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(zhǎng)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。
圖1 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(zhǎng),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(zhǎng)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。
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。算法步驟如下:
步驟1:首先網(wǎng)絡(luò)初始化,每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)得到其信道狀態(tài)信息。信道狀態(tài)信息定義如下:
其中hSR:與hR:D分別為源節(jié)點(diǎn)到第j個(gè)中繼的信道增益和第j個(gè)中繼到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信道增益。而本文綜合考慮緩存大小信息,我們定義信道狀態(tài)信息如下:
a)當(dāng)L0=0時(shí),即緩存達(dá)到滿狀態(tài),此時(shí)該中繼不能接受信號(hào),接收鏈路不可用,此時(shí)URK=0,也就相當(dāng)于此時(shí)的S-RK鏈路中斷,與本文所提機(jī)制保持一致。
b)當(dāng)L0=L時(shí),即中繼緩存為空,此時(shí)UTK=0,表明此時(shí)的RK-D鏈路中斷,保證了當(dāng)緩存為空時(shí),中繼不能發(fā)送數(shù)據(jù)。
此時(shí),可以得到各個(gè)信道狀態(tài)信息與最大信道信息的比值:
步驟2:計(jì)算每一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)剩余能量與當(dāng)前狀態(tài)下最大中繼剩余能量的比值,獲得能量信息度。
其中Eek為當(dāng)前緩存狀態(tài)下中繼Rk的剩余能量,Er為所有中繼剩余能量之和。
步驟3:運(yùn)用模糊評(píng)判準(zhǔn)則,選擇最佳中繼。此時(shí)我們引入一個(gè)模糊關(guān)系矩陣,rij表示第i種因素對(duì)第j個(gè)中繼的影響因子。R(1,:)表示信道狀態(tài)信息對(duì)中繼的影響因子,R(2,:)為剩余能量對(duì)中繼的影響因子。通過評(píng)判矩陣W,我們得到模糊評(píng)價(jià)矩陣B:
最后選擇B中的最大值作為中繼節(jié)點(diǎn),即:
(一)舉例分析
假定中繼數(shù)K=6,通過(3),(4)的計(jì)算,得到模糊關(guān)系矩陣:
假定評(píng)判矩陣:
通過(5),我們得到:
通過模糊評(píng)判準(zhǔn)則,此時(shí)的最優(yōu)中繼為第5個(gè)中繼,但是若只考慮信道狀態(tài)信息,則最優(yōu)中繼為第3個(gè)中繼。
對(duì)于放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)中繼系統(tǒng),節(jié)點(diǎn)的中斷概率定義為在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)端到端的瞬時(shí)SNR值小于給定個(gè)門限值γth時(shí)系統(tǒng)中斷,表達(dá)為:
我們用馬爾科夫鏈模型來描述緩存中繼中各狀態(tài)的轉(zhuǎn)移情況,中繼的狀態(tài)數(shù)為,描述了每一個(gè)中繼包含的數(shù)據(jù)包數(shù)量,其中第l個(gè)狀態(tài)可表達(dá)為:
其中Qi表示第i個(gè)中繼緩存,表示該中繼的緩存大小。假定在t時(shí)刻,系統(tǒng)的狀態(tài)為si,假如一個(gè)S-R鏈路被選擇,則相應(yīng)中繼的緩存大小增加1。另一方面,假如一個(gè)R-D鏈路被選擇,則相應(yīng)中繼的緩存大小減小1。因此,在t時(shí)刻,系統(tǒng)選擇哪一條鏈路,決定了中繼的下一個(gè)狀態(tài)。我們用A來表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣,其中表示從t時(shí)刻的狀態(tài)Si轉(zhuǎn)移到t+1時(shí)刻的狀態(tài)Si的轉(zhuǎn)移概率。
由于我們假定,數(shù)據(jù)s(t)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸總是通過我們所選定的最優(yōu)中繼RK,所以當(dāng)中繼狀態(tài)為Si,Si時(shí),系統(tǒng)總是分別選定最好的 鏈路和S-D鏈路。由AF中繼系統(tǒng),我們得到目的節(jié)點(diǎn)收到s(t)時(shí)的瞬時(shí)端到端SNR為:
因?yàn)樗行诺蓝枷嗷オ?dú)立,所以有:
因此:
其中:
B.P(si)的分析
在本系統(tǒng)的馬爾科夫鏈模型中,狀態(tài)sl有兩種轉(zhuǎn)移方式:一種是選擇接收時(shí)的轉(zhuǎn)移,并記為選擇接收時(shí)的所有可行S-R鏈路,為選擇接收的概率;另一種是選擇發(fā)送時(shí)的轉(zhuǎn)移,記為選擇發(fā)送時(shí)的所有可行R-D鏈路,為選擇發(fā)送的概率。由于閉環(huán)馬爾科夫鏈的性質(zhì),得到。由于每一條鏈路獨(dú)立同分布,且服從本文所提的剩余能量中繼選擇,則每一條可行鏈路被選擇的概率可表述如下:
其中W為能量比重權(quán)度,w=1?w,通過以上分析,我們得到狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣:
根據(jù)[15],可得到穩(wěn)態(tài)分布向量:
假如,狀態(tài)Si沒有數(shù)據(jù)可發(fā)時(shí),;當(dāng)狀態(tài)Si為滿狀態(tài)時(shí),。在其他情況下,表示為:
x,y分別為所有可行S-R鏈路和可行R-D鏈路中,具有最大信道狀態(tài)信息的鏈路,由于x與y相互獨(dú)立,則根據(jù):
fx(x),fy(y)分別為x和y的概率密度函數(shù)。綜合(26),(27),得到的表達(dá)式:
結(jié)合(13),得到中斷概率為:
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2 中斷概率性能
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(zhǎng),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3 網(wǎng)絡(luò)壽命隨中繼數(shù)的變化曲線
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(zhǎng),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(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)壽命。
圖4 網(wǎng)絡(luò)壽命隨系統(tǒng)初始能量變化的曲線
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。
圖5 不同權(quán)重向量下系統(tǒng)壽命曲線
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(jiǎn)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。