一种新型多协作中继选择协议研究

摘要：机会中继选择协议是一种基于即时信道状态的单协作中继选择方法。文章将机会中继的思想推广到多中继选择场景，提出一种新的中继选择协议。协议通过采用目的节点确认协作中继及加入延时等机制，有效地降低了中继选择的冲突概率，并能控制中继选择的数目，保证中继选择的公平性。协议还修正了原协议中继定时器参数选择问题。
仿真表明该协议能够极大地提升系统误码率性能。
关键词：机会中继；即时信道状态；多中继；冲突概率；误码率

协作分集技术作为近年来出现的一种新技术，已引起国内外学者的关注，并成为当前无线通信领域一新的研究热点。其基本思想是各单天线用户彼此为对方转发信息，这样，每个终端在传输信息的过程中，既利用了自己又利用了其合作伙伴的空间信道，从而获取一定的空间分集增益。其主要协作方式有放大转发(Amplify and Forward，AF)，解码转发(Decode and Forward，DF)和编码协作(Coded Cooperation，CC)。
机会中继选择协议是由A．Bletsas等人在文献中提出的一种基于即时信道状态(Channel State Information，CSI)的协作中继选择方法，系统根据某种选择算法从所有备选中继中选择一个最佳中继节点与源节点协作发射信号到目的节点。该方法不需要知道网络的拓扑信息，从而大大简化了物理层的设计。Salama在文献中证明了该算法相比于常规分集方案在节省信道资源方面有更多的优势，同时实现了系统的全分集阶数。
现有的改进都是集中在选择单个最佳中继上，文献在机会中继协议基础上提出了一种半分布式中继选择方案，每个中继测量测量其后向信道和前向信道的瞬时信道增益，若该两个信道增益均大于一个门限，则该中继可用，最终基站从所有可用中继中选择最佳中继。但单个节点的处理和传输能力有限，通过多个节点的协作不仅仅可以得到空间分集增益还可以获得空间复用增益，同时还可以均衡业务负载。笔者将机会中继选择的思想推广到多中继选择场景，提出一种新的多中继选择方法。

1 机会选择中继协议分析
文献已给出详细的协议选择方法，具体的说，源节点S发送RTS(Request To Send)分组给所有中继和目的节点D，D在接收到RTS分组后，产生CTS(Clear to Send)分组发给源节点S和中继节点，中继根据RTS和CTS分组测量链路的瞬时信道状态信息hs,i和hi,d每个中继节点都将根据信道状态信息触发一个定时器(Timer)。最佳中继所对应的定时器将最先超时，紧接着，该最佳中继则会发送一个标志包(flagpacket)，表明其最佳中继的身份，其他尚未超时的中继在接收到该标志包后将放弃对本次最佳节点的竞争。对于存在隐藏中继(即不能侦听中继彼此之间的信息，但能侦听源节点和目的节点信息的中继)的情况，最佳中继则向目的节点发送该标志包，然后由目的节点发送很短的广播包(broadca stpacket)通知所有中继节点。
定时器的取值如下：

由式(2)和(3)可知，信道状况最好的中继，即最佳中继具有最小的起始时间。
从上述中继选择过程来看，当两个或多个中继定时器过于接近时，有可能发生中继选择冲突。如图1所示，节点b和j分别代表最佳中继和另外一个中继。其中，Tb代表节点b定时器的初始值，ni为中继i和目的节点间的传播时延，ds为每部无线收发机的收发转换时间，r为两中继之间的传播时延，dur1和dur2分别为标志包和广播包的持续时间。