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高频谱效率、高可靠性以及低功耗是无线通信发展的趋势。协作通信技术利用地理位置上分散的中继节点构成的虚拟天线阵列来实现空间分集,不仅克服了终端由于尺寸的限制而无法安装多根天线的困难,同时能够有效地抵抗无线信道衰落的影响,是提高无线通信系统稳定性的一种有效方法。在协作网络中,中继节点选择是协作通信领域中一个研究热点。
本文针对无线协作系统中的节点选择问题在现有研究中的不足之处,基于有限的信道状态信息,围绕着系统能量效率、中断性能以及反馈开销等方面,开展了中继节点选择算法的研究。
在能量受限网络中,节点的能量消耗对于网络生命期具有至关重要的影响。本文提出了放大转发协作系统中能量有效的分布式中继选择算法,利用统计信道信息以避免瞬时信道信息带来的反馈开销,在保证系统目标中断概率的前提下,使得系统有较高的能量效率。采用阈值汇报机制,通过对系统的能量消耗和中断概率进行折中,以最小化源节点和中继节点的平均消耗总功率为目标确定中继汇报阈值,各中继节点仅根据与自己相关的链路信息独立地决定是否向源节点汇报。这是一种分布式的实现方式,无需中继节点间的信息交互,由源节点从汇报中继集合中按照一定准则选择一个合适的中继节点进行数据转发。理论和实验证明了提出的算法能有效地提高系统的能量效率。
瞬时信道信息的实时反馈开销会占用较多系统资源,导致系统性能下降,基于此,本文研究了基于有限信道信息的全反馈式中继选择算法,并分析了算法的中断性能。我们提出了两种节点选择策略:在最大化统计平均信噪比的算法中,选择第一跳链路的瞬时信噪比与第二跳链路的平均信噪比乘积最大的中继节点;而在最小化后验中断概率的算法中,直接从系统中断概率的角度考虑,选择具有最小后验中断概率的中继节点。分别考虑己知中继节点到目的节点链路的统计信道信息和量化信道信息两种情况,应用以上两种节点选择策略,得到具体的中继选择算法,理论分析了各算法的中断概率。仿真结果指出利用越多的信道信息,算法获得的中断性能越好,基于后验中断概率的算法比基于统计平均信噪比的算法能够给系统带来更大的性能提升。
为了有效地降低系统中的反馈开销,在基于后验中断概率算法的基础上,研究了结合部分反馈机制的分布式中继选择算法,作为一种反馈开销与系统性能之间折中的有效方案。中继节点处设置一个反馈阈值,在已知到目的节点链路的统计信道信息或量化信道信息的情况下,满足反馈条件的中继节点分别反馈信道均值或量化区间索引。进一步推导了算法的近似中断概率表达式,仿真结果表明,在高信噪比下,部分反馈算法的性能接近于全反馈式算法的性能。另外,基于量化信道信息的算法比基于统计信道信息的算法获得更低的系统中断概率,而只需要每个汇报中继节点增加额外的Nbit量化信息开销。