文摘
增量选择混合decode-amplify向前两跳单中继系统(ISHDAF)方案和一个基于混合decode-amplify-and-forward中继选择策略(HDAF)计划提出multirelay系统以及一个优化功率分配网络的事(物联网)。给定的总功率约束和中断概率作为目标函数,该方案具有良好的功率效率比等于功率分配。ISHDAF方案和HDAF中继选择策略,优化功率分配的源和中继节点,以及一个有效的降低中断概率。此外,获得最大化的最优中继位置的算法也是研究和设计。仿真结果表明,在单中继和multirelay选择系统,一些故障概率可以获得收益的建议方案。优化功率分配方案的比较与平等的权力分配,近0.1695收益得到ISHDAF单中继网络的总功率2 dB,和大约0.083收益中获得HDAF继电器选择系统2的总功率继电器2 dB。
1。介绍
最近,多输入多输出(MIMO)无线通信发展的一个里程碑,使一个有效的传输速度和可靠性。付诸实践,合作交流计划然后提出时间1),它被广泛应用并迅速发展。在合作交流中,获得分集增益,当继电器节点转发消息和目标节点接收到的信号从源和中继节点。根据不同的策略来处理信号的中继节点,主要有三种合作方案,如amplify-and-forward (AF) [1),再生(DF) (2),编码的合作(CC) [3]。解决缺乏AF中继放大噪声和信号,导致错误的DF继电器解码错误传播现象,增量中继协议(4),伴随着混合decode-amplify-and-forward (HDAF),提出了(5]。短缺的增量中继协议,增量选择amplify-and-forward (ISAF) (6研究,选择适当的机会重新发送消息源根据信道估计,在源和目标之间的直接传输失败。但是仍然噪声放大。然后,增量选择混合decode-amplify向前(ISHDAF)方案提出了7),HDAF计划结合增量选择策略。与上述国际安全援助部队计划相比,ISHDAF方案有明显改善比特误码率(BER)和中断概率,因为合作传输系统的误码率和中断概率的DF策略在房颤低于策略。根据增量继电器的原理,ISHDAF方案的平均频谱效率也高于HDAF方案。然而,所有收益是在平等获得源节点和中继节点的功率分配的低系统的复杂性,导致只有少数性能改进的不足。为了提高系统的频谱效率,也有基于信噪比(信噪比)的增量混合decode-amplify向前(IHDAF)协议提出了(8]。此外,信噪比阈值功率分配方案,中继位置进行优化的中断概率和误码率性能。
同时,功率分配合作通信一直是研究热点之一。在无线上行传输,连续干扰消除(原文如此)结合功率分配方法获得高效的资源配置最优功率分配率(9]。对于中继转发系统,两种功率分配方法,通过拉格朗日乘子法和微分算法,分别提出了下界的符号错误率(SER) HDAF继电器合作网络(10]。肖和欧阳(11)开发了一种two-source-destination-pair HDAF协议合作网络。和中断概率的闭合表达式,从而得到最小总功率的约束下中断概率。同样,对于two-source-destination-pair系统,还有一个平行转移水填充算法的功率分配(12]。在传统的的优势降低复杂性,只是消除了迭代搜索过程。然而,成本有点性能降低。在[13),multirelay选择与联合提出了功率分配方案,具有显著降低了计算的复杂性。为了实现这种效果,它使用一个简单的multirelay选择过程中权力重新分配。还联合中继选择和功率分配方案合作提出了无线传感器网络(14]。它自适应地选择合适的继电器和传动功率最大化信噪比(信噪比)在目的地的信道状态信息(CSI)。然后IHDAF合作多样性SNR-based中继选择协议还提出了(15),封闭表达式导出了平均信道容量和中断概率的同时。也是一种基于群智能的电力分配和中继选择算法可以用于无线合作网络(16]。它不仅可以有效地降低计算复杂度,而且选择最优的中继节点来解决非线性优化问题,与低成本快速全局搜索。在[17),房颤协议多个能量采集两跳中继网络为基础,研究了一种改进的功率分配来提高整个故障性能。创新方案撒谎的事实共同最大化传输能量有限的约束下个人传递能量。功率分配和中继选择策略dual-hop和多次反射场景在认知中继网络研究(18]。他们取得的良好特性最小总传输功率和最大整个网络容量。继电器的选择优化,有动态策略选择最佳中继节点和路径约束条件下的总功率和功率分配每个继电器18]。此外,一种改进的中继选择策略HDAF方案提出了改善误码率和中断概率(19]。它能自适应地选择房颤或DF向前所有继电器根据信道质量的策略。然后最好的中继选择信号。然而,它仍然使用平等权力分配来减少复杂性。在[20.),最低平均误比特功率分配算法的提出为这些infrastructure-less网络使用不平衡的通信链接。调查的影响系统性能上的链接,中继节点的位置对源和目的节点也进行了研究。不幸的是,只有某些节点位置的影响,而不是最优中继位置,确定。随后,更详细的研究提出了最优中继位置(21),但在简单的固定比率节点功率。
本文通过分析一个两跳中继合作网络与一个ISHDAF计划multirelay HDAF方案选择策略,提出了一种优化的功率分配。总结了主要贡献如下:(1)功率分配优化在ISHDAF单个继电器和HDAF multirelay系统。在链接状态更改的情况下,首选的链接和更多的电量分配传输根据著名的冲水原理在信息理论中,从而降低整个能耗在同样的系统性能。该方案还提供了一个新的混合自动重发请求(ARQ)重传和中继转发机制,在源节点可以重新发送消息到目标节点时,首次直接传输失败。它与源节点向目的节点发送新消息直接增量传送协议。所以它可以更适合所有类型的多个中继通道状态,明显改善了系统的中断概率没有任何复杂性增加。(2)系统的中断概率的近似闭合表达式节点功率和信道系数的关系推导出的等价无穷小替换在高信噪比的概率分布函数。它可以作为优化的目标函数。然后,固定总功率下实现最小化拉格朗日乘子法,目标函数是相关的源节点和中继节点。的源和中继节点之间的功率分配系数然后获得实现优化功率分配。此外,权力分配的变化的位置选择中继节点,可以计算间接从上面的闭合表达式。它能自适应地满足连接条件来优化整个系统的性能。(3)通过引入路径损耗因子,源和中继节点的权力被建模为目标函数相关的所有节点之间的距离。根据目标函数的性质和相关的数值分析,各种力量的关系,得到了节点的距离。然后,优化节点位置得到了提高功率效率,最小化系统的中断概率。所有中继节点的功率分配对源和目的节点的相对位置可以清楚地和定量地分析了这个模型。因此,相关的链接状态提出了继电器的位置明显影响合作方案的选择,在实践中可以采用。
本文组织如下。节2,单个继电器合作系统ISHDAF方案介绍。部分3提出了一种基于HDAF multirelay选择策略方案。随后,中断概率的解析表达式ISHDAF和HDAF中继系统中派生部分4。在本节中,一个优化功率分配使用拉格朗日方法也提出了最小化的故障概率。同时,近似值的解析表达式,给出了该算法的最优中继位置体现继电器位置和中断概率之间的关系。在那之后,在部分5,并给出了仿真结果和分析来验证带来的良好的中断概率和最优功率分配算法。最优中继位置的方法给出和测试是有效的。最后,部分6总结了整个论文。
2。单个继电器模型和ISHDAF互信息的评估
对于一个典型的三节点继电器模型如图1,它由一个源节点,中继节点R,和一个目的节点d .配备一个全向天线,所有节点相互通信。理想的信道状态信息(CSI)可以通过渠道培训。独立的链接源,因此,r d,频道收益,也就是说, , ,和 ,使用通道参数服从指数分布是吗 , , ,分别。在平坦瑞利衰落信道,噪音是一种加性高斯白噪声(AWGN),与零均值和方差 。
在一个ISHDAF合作网络,整个传播分为两个时段。在第一个位置,节点发送一个信号节点R和D节点,而在第二个位置,要么节点或节点R D,将信号发送给节点依赖于状态的联系。假设源节点发射功率的年代 ,信息传输速率位/ s。主要有两种情况下根据目标节点的解码结果。
第一的情况下,如果目标节点成功地收到发送的信号来源在第一位置,传输从节点到节点D不中断。在这种情况下,互信息定义在[22] 需要比根据信息理论。通过简化(1)和条件 的关系, 是获得。给定的阈值, , ,源节点年代直接传输到目的节点D在第二个槽,和中继节点R仍不活跃。
另一种情况,如果直接传输失败在第一位置,或目的地不接受正确的信息从源,源将重新发送消息到目标在第二槽。在这种情况下,推导出互信息和介绍6]
为了确保成功传输,(2)也应大于它可以获得 。当 重新传输消息来源和继电器仍不活跃的第二槽。
中继节点协作传输时开始 。然后,如果继电器可以正确解码的信息从源,采用DF方案在第二槽。它需要满足的关系 ,或 继电器,这是必需的条件在DF协议提出正确的信号。否则,当 ,使用AF协议。
如果采用DF方案合作传播,获得了互信息最大比合并(MRC)的目的地
如果房颤的中继节点传输协议,表达的互信息是(6] 在哪里 。
总之,ISHDAF合作网络的互信息总结如下。当 成功,源直接传送到目的地,和互信息 。当 ,链接源的直接传输失败了。但在第二个槽重新传输成功,和互信息 。当 和 向前,DF协议是用来和互信息给出的消息 。当 和 ,AF协议是用来转发消息,和互信息表示为 。
3所示。多个中继系统模型和中继选择策略
有一个典型的两跳multirelay合作网络如图2源节点组成的年代,目的节点D中继节点( )。配备单独的全向天线,上面所有的节点在半双工模式下运行。因此整个传输过程也分为两个时段,在独立同分布(先验知识)。AWGN信道噪声。此外,所有渠道也应该平坦瑞利衰落信道,与固定收益频道和独立在每个传输通道状态。目的地节点可以选择合适的中继节点和源信息,通知他们向前的信道状态信息(CSI)所有节点之间可以通过训练序列的反馈。
系统模型的基础上,有一个中继选择策略HDAF方案,选择房颤或DF方案转发信号自适应地根据信道状态。因此如果信道状态的链接我是足够好的继电器解码源信息,选择DF协议转发信号继电器。否则,房颤协议是用来防止错误传播。根据上述战略,继电器可以分为两组进行比较。然后选择在最优中继继电器在最大信噪比的前提下目的地。最后,列出的中继选择的具体过程如下。
3.1。确定合作继电器方案
首先,有一些符号定义的传动功率源和中继,分别,和 ,以及信息传输速率位/ s。通道噪声是零均值和方差的情况下 。三个通道参数,如 , ,和 ,重瓣的渠道获得链接,因此我R我分别- d。他们服从指数分布的参数 , , 。如果继电器解码信号从源成功,没有任何中断源节点和中继节点之间的传输我。对于这种情况,推导出互信息的传输
方程(5)应大于确保传输不受打扰。它可以转换 。因此,可以设置为阈值 。当 成功,继电器可以解码的信号。所以选择DF协议转发信号,以避免噪声放大。当 ,继电器的解码失败了。和房颤协议被用来防止错误传播。
因此,候选人继电器分为两组根据是否成功解码发生继电器,继电器的设置选择DF方案提出了信号在第二槽和其他设置使用AF方案。他们表示为
3.2。最优中继选择
因为最优中继意味着最大化信噪比的目的,有两个步骤来获得它。首先,最好的继电器和从集选择吗和 ,分别。然后,最优中继继电器之间可以选择和继电器 。
对于房颤的合作系统方案,结合信号从源和目的地继电器在一起的最大比率(MRC)机制,结合和瞬时信噪比目的地是表示为 瞬时信噪比是表示为在哪里 在第一个位置 在第二个槽。因此,对于继电器选择集 ,瞬时信噪比是最大化得到最好的继电器,所以候选人继电器用最大信噪比是获得和表达吗
与DF协议合作系统,信号从源和MRC继电器相结合的方案,以及在目的地得到瞬时信噪比 从第一个槽瞬时信噪比在哪里吗 和第二个槽 。如果所有继电器在集合可以成功解码信号,瞬时信噪比的目的是什么 。然后最优中继被表示为
最后,最优中继可以选择之间较大的瞬时信噪比和 。然后将信号从源转发相应的模式。表示为
同时,合作的互信息的传播HDAF计划提出的中继选择策略的 在哪里因此信道增益的关系吗b。
4所示。优化功率分配的中继选择
权力分配优化获得高功率效率,在整个权力作为约束条件和故障概率作为目标函数。然后,推导出整个合作系统的中断概率分析。和拉格朗日乘子法用于求解最优功率分配方程。
4.1。扣除的中断概率
中断概率的定义是传输失败的可能性,这是一个最常用的措施来评估整个无线通信。传输中断时发生的联系能力不能达到所需的用户。换句话说,互信息的传输通道小于实际的传输速度。ISHDAF单中继网络的计划,直接源目的地传播或重新传输是基于成功的接收到的信号的解码的目的地。因此,中断只存在于合作传播。基于分析部分3的中断概率,可以推导出ISHDAF方案
的概率密度函数(PDF) , ,和表示为 在哪里 , , 。给出了指数分布和与参数和 ,分别的PDF( )是由积分方程推导 ,是表达(23]
此外,概率分布函数近似表示为 在高信噪比的情况下,当 (23]。
基于上述讨论,在高信噪比,ISHDAF计划的中断概率可以计算如下: 并得到了相似的结果 。
根据(16),以作为和作为 ;有以下推论:
(18)和上述描述,有
因此,停机的概率表示为一个继电器ISHDAF合作网络
同样,HDAF继电器的故障概率选择策略来标示
很明显,只是缺少的一部分” ”相比, 。最后,根据上述分析,推导出故障概率
4.2。优化功率分配
使用拉格朗日乘子法,优化源和中继节点之间的功率分配最小化中断概率产生如下。ISHDAF方案,整个权力的约束,只要固定力量与 优化问题可以表示为
让 ,在那里 。建立了拉格朗日函数
部分推导(24)对和 ,分别,然后使其等于零;我们可以得到
通过结合(25)和(26一起),设置 ,一个二次方程对变量获得的是
根据的根(27), 的优化解决方案和令人满意的(23),分别为
从(28)和(29日),权力和ISHDAF中继网络的优化功率分配的信道系数主要取决于链接因此和链接r d,但不是在链接源。
同样,HDAF的功率分配的优化方案可以被定义为
最后,优化权力和在上面的权力分配是解决
4.3。最优中继位置
功率分配取决于信道系数,与之间的距离继电器和源或目标。获取最大提出中断概率增益的功率分配,推导出最优的中继位置如下。
简化分析权力的分配,我们只是限制情况下链接源和链接S-R-D之间的距离大约是平等的,特别是当相当大的距离。否则,在相同信道噪声方差在假定的条件下,传输链接S-R-D比这更糟的链接重瓣,失去了中继选择的感觉。它采用类似的(21]。然后,给出归一化距离链接源(或近似链接S-R-D) ,距离的链接,因此,有 和 ,在那里 。当路径损耗因子被认为是 ,得到了信道系数 , 。然后,ISHDAF方案,给出了传输功率源和继电器
的派生变量在(33),获得
方程(35)总是大于零的间隔 。(33)很容易被认为是单调递增函数推导以来,(35),大于零。然后,保持在0.5吗P,当小于0.5,它往往是吗 ,当大于0.9。的传输能量源总是比继电器ISHDAF该算法的方案。
从(36),系统的中断概率相对较小的情况下的距离因此链接r d比链接。换句话说,中继节点相对靠近目的节点D R是为了更好的故障概率。然而,当继电器节点大约是位于源和目的地之间的中间节点,整个中断概率最小。同时,理论分析的故障概率HDAF系统只是类似于ISHDAF系统。但当靠近目标节点,中继节点宕机性能减少,和最优中继位置密切方法比ISHDAF系统的源节点。自的顺序(36)太高,获得解析解,数值结果是可用的和他们将连续的模拟相关的部分5。
4.4。分集增益
鉴于该ISHDAF分集增益方案,应该是分成三种情况如下。
首先,当 成功,源直接传送到目的地第一次槽,和在(1)显示,只在一条路径传输信号。因此,提取直接传输分集增益。
第二,直接传播是失败了,但在第二次重传成功槽,当 。目的节点收到的信噪比是简单的两倍,而传输仍然经历只有一个路径。因此,分集增益仍然是一个。
第三,中继节点开始向前信号在DF AF协议或协议。在这两种情况下,两个链接的目标节点接收信号。所以系统实现两个多样性增加合作传输的中继节点。此外,对于HDAF下multirelay选择策略计划,它使用DF或房颤模式提出信号自适应地根据信道状态。因为转发模式所需r d传播,然后获得的分集增益2。
总之,该ISHDAF方案获得更多的中断概率性能的直接联系重传而不是中继转发,当IHDAF一相比8]。换句话说,分集增益的ISHDAF方案优于IHDAF,因为整个通道传输效应(重传,然后协作中继通信)在前者优于后者(只是协作中继通信)。
5。仿真结果和分析
来验证提出的功率分配优化算法ISHDAF和HDAF中继选择策略,两种典型的合作网络进行了模拟和分析。单中继网络,故障表现提出HDAF和ISHDAF策略进行了比较。此外,优化功率分配(OPA)和等功率分配(EPA)算法用于两种策略,分别进行比较。此外,对于一个HDAF multirelay选择网络,整个系统的中断性能不同的继电器数字模拟和比较。和模拟验证的最优中继位置也表现在HDAF和ISHDAF单中继网络。
仿真参数设置如下。传输速度设置为 位/ s。节点的距离是固定的 ,在那里归一化节点之间的距离吗和节点 。所有通道都是瑞利平衰落信道 代表路径损耗的因素。信道噪声是零均值和方差的情况下 。的二进制相移键控(BPSK)调制,模拟结果列示如下。
图3显示了OPA之间的中断概率的比较和EPA方案。他们在ISHDAF和HDAF单中继网络,分别与距离参数 和 。从图3ISHDAF策略,OPA方案达到一个更好的中断性能在环保署计划。在HDAF也是正确的策略。此外,ISHDAF策略更大增益HDAF策略,当他们在同样的权力分配。有近0.1695收益OPA计划与美国环保署计划ISHDAF策略和大约0.045上涨ISHDAF战略与HDAF受雇于OPA计划,总功率的2 dB。总功率的增加,故障概率降低,收益逐渐小。原因在于,当继电器节点远从源,因此联系的中断性能很差。因此阈值降低了OPA方案,保证直接传输或重新传输链接源与ISHDAF策略。而且,从(14)(18),有一个条件 ISHDAF计算的故障概率。所以停机ISHDAF方案的性能优于HDAF在环保署的计划。
不同方案的故障表现的距离参数 和 比较图4。ISHDAF和继电器HDAF合作网络,OPA,环保署计划几乎相同的性能。自中继传输机会增加中继节点方法源节点时,整个传播HDAF ISHDAF方案类似的一个。从(25)(29日基于OPA),节点电源方案也类似于美国环保署计划。同时,OPA算法ISHDAF策略达到更好的获得,当链接的距离因此比r d的链接。
还有一个比较OPA之间的中断性能和环保署计划,在HDAF multirelay选择网络。他们与不同数量的继电器模拟,根据距离参数 和 结果如图所示5。从图5中断概率与继电器的增加减少。这是因为更多数量的继电器导致更好的信道质量最好的选择的继电器。它也会导致增加的互信息传输;因此,系统的中断概率也相应减少。此外,图5表明,相同的继电器数量HDAF合作制,OPA方案有重大的中断性能比美国环保署计划。例如,在总功率的2 dB,大约有0.083上涨OPA方案相比与环保署计划2继电器。自从拒绝阈值导致更多的机会雇佣的DF协议中继节点,在这种继电器的位置,在这种情况下,DF协议优于AF协议类似于(24]。
验证理论分析该算法的最优中继位置,合作的一些模拟执行单中继网络。对于不同的继电器位置,故障概率ISHDAF和HDAF策略如图6,固定10 dB的总功率。从结果,中断概率很低时,中继节点R是相对靠近目的节点d(即它是最低的。,best) one for the relay node R at the middle position between the source node S and the destination node D, which is consistent with the theoretical analysis indicated by (32)。最可能的原因主要依赖于以下原因。当继电器是一个小远离源,继电器性能更好的合作方案下节点功率分配,这是相关链接性能。此外,当它们之间的中继节点只是在中间,因此链接和链接r d的性能很好。整个系统可以获得最大利益的适当的功率分配比源和中继算法。此外,仿真表明ISHDAF计划的中断概率性能总是优于HDAF计划算法。
6。结论
本文优化功率分配算法,主要采用两跳单中继网络与HDAF ISHDAF方案和multirelay选择策略方案。算法的优化是降低系统的中断概率约束下的总功率源和中继节点。此外,该方案只会占用少量的时间复杂度得到功率分配优化协同通信系统中。仿真,该算法应用于ISHDAF HDAF方案和著名的三节点模型,分别。仿真结果表明,该算法可以实现更大的增益由ISHDAF方案比其他的人。同时,不同数量的中继节点的合作网络,仿真比较表明,该算法由HDAF中继选择策略有很大的功率分配的有效性。同时,建议最优中继位置的算法也建立了一个更好的获得了当前的计划。因此,提出优化功率分配和继电器位置选择算法可以有效地合作物联网继电器系统在实践中采用高功率效率和良好的中断概率性能。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是支持的中国浙江省自然科学基金(没有。LZ14F010003,不。LY17F010019),中国国家自然科学基金(没有。61471152),开放国家移动通信研究实验室的研究基金,东南大学(没有。2014 d02),浙江省科技计划项目(没有。2015 c31103,没有。LGG18F010011)。