中继策略方案（精选八篇）
中继策略方案 篇1
近几年,物理层网络编码(Physical Layer Network Coding,PNC)是无线通信领域的热点话题之一,吸引了大量的学者进行相关研究[1,2]。在有线网络中,网络编码的基本思想是中间节点转发其接收数据包的某一组合方程,而不是多个单独的数据包[3],进而可以提高网络的吞吐量。随后有3组不同研究团队几乎同时将其思想引入到了无线网络中,提出了物理层网络编码[4]、模拟网络编码[5]的概念,以及相关理论上的研究[6]。其核心都是通过电磁波天然的叠加性质实现对多个无线信号的组合,即在物理层实现网络编码运算。研究表明,在由两个源节点和一个中继节点组成的双向中继信道(Two-way Relay Channel,TWRC)模型中,可允许两个源节点同时发射信号,中继节点对两个源信号的模2和(即异或值)进行译码和转发,此方法可以大大提高该模型下的吞吐量。自此,物理层网络编码由于具有能够显著提高无线网络吞吐量的潜力,吸引了诸多学者的兴趣。研究的目标是如何利用物理层网络编码进一步提高无线中继网络的传输速率或容量。
2011年,Nazer和Gastpar为无线中继网络提出了一个新的中继策略:计算-转发策略[7]。其基本思想是通过采用格码(lattice codes),对多址干扰加以利用而不是抑制,进而可以提高网络吞吐量。在这一中继策略中,多个源节点同时发射信息,但中继节点不单独恢复出这些信息,而是希望对这些信息的某一整数线性组合(即方程)进行译码并将其传递给目的节点。目的节点从多个中继处接收到足够数量的方程后,便可以通过解这些线性方程而得到原始的多个信息。
双向中继信道模型来源于双向中继通信,即两个源节点通过一个中继节点互换信息,且二者之间没有直达链路。若采用传统存储转发方式,受半双工工作方式限制,需要4次信道占用(即时分多址接入方式中的4个时隙)完成两个数据包互换;而采用物理层网络编码只需2次信道占用即可完成。典型的物理层网络编码过程包含两个阶段:多址阶段和广播阶段[8]。在多址阶段,两个源节点同时发送信息给中继节点,中继对其某一组合形式进行译码;在广播阶段,中继节点将这一原始信息组合广播给两个源节点。
1 计算-转发中继策略
在计算-转发中继策略中,由于要求码字的整数线性组合仍然是码本中的一个码字,所以目前仍都采用线性码。格码不仅能满足上述要求,还具有诸多其他良好性质,因此在计算-转发策略中得到广泛应用。
计算-转发策略是为一般化的无线中继网络而提出的,网络模型中通常存在多个源节点和多个中继节点,如图1所示。
1.1 编码过程
在编码过程中,L个信源节点的发射消息记为w1,w2,…,wL∈Fqk,通过编码器得到L个n维的复数值码字。编码码字发送到信道中,第l个源节点到第m个中继节点之间的信道系数记为hml,取值也为复数值。每个中继节点接收到的是全部源节点发送信号的某一线性组合,同时叠加加性噪声z。则第m个中继节点的接收信号可记为:
式中,n维的码字需要满足平均功率限制,即(1/n)E‖xl‖2≤P。信道为加性高斯白噪声信道,则z为循环对称复高斯随机向量,即z~CN(0,σ2In),式中,In为n×n的单位矩阵。
1.2 译码过程
假设中继节点能够获得所有源节点到该中继节点之间的信道系数。每个中继的任务是译码恢复出所有源节点发射码字的一个整数型线性组合:
式中,是译码过程中所选取的系数,选取准则为最大化可达速率。
每个中继节点完成译码后,将得到的线性方程转发给目的节点。目的节点接收到足够数量的线性独立方程后,即可恢复出所有源节点所发射的消息。
计算-转发策略中常用的译码方法如图2所示。
译码过程主要包括两步,首先根据最优比例系数对接收信号进行缩放,其次将缩放后的信号量化到最近的格点[9]。在复数信道AWGN网络中,当信道系数向量为
能够使计算速率最大化的α取值为其MMSE系数值,即:
将上述最佳比例系数值带入式(3),即可得到计算速率的最终表达式。
2 双向中继通信在AWGN信道的可达速率
2.1 双向中继信道
首先给出如下假设:
(1)本文采用基于计算-转发策略的物理层网络编码方案,其容量主要由中继节点处的可达速率所决定,为此可只考虑中继处的可达速率;
(2)在不采用预编码时,每个用户的平均发射功率为P,同时两用户的速率为对称速率;
(3)为便于性能比较,当采用信道反转预编码时,总的平均发射功率设为2P;
(4)在衰落信道中,信道系数的取值为复数值;
(5)每个接收机处的接收信号先按MMSE比例系数进行缩放,然后再进行格译码。
2.2 AWGN信道的可达速率
在第1个时隙,即多址传输阶段,两个源节点同时发射信号,中继节点则对这两个用户发射码字的一个整数线性组合进行译码。对于AWGN信道来说,信道系数h1=h2=1均为整数,则译码时整数线性方程的最佳系数等于信道系数即可。式(4)中的MMSE比例系数为αMMSE=2P/(σ2+2P)。等效噪声为:
此时的可达速率为:
图3给出了计算-转发中继方案与传统四时隙的存储转发方案、三时隙的网络编码方案、译码-转发和放大-转发方案的可达速率对比。其中后几种传输方案参见文献[1,8],此处不再赘述。由图3可知,采用计算-转发的中继传输方案,其性能表现良好,且在高SNR区域获得的性能提升更大,更接近理论上界。
2.3 计算-转发在双向中继信道中的优势分析
对双向中继通信来说,与其他中继策略相比,基于计算-转发的物理层网络编码方案具有两个主要优势。首先,在传输过程中,由于每个目的节点只需译码单个消息(即对方消息),因此只需要一个整数线性方程,而中继节点总是能够提供这一方程。其次,在具有多个源节点和多个中继节点的一般化中继网络中,当信道为AWGN信道时,中继节点难以为一个目的节点提供足够多的、相互独立的整数线性方程。但对于双向中继信道来说,由2.2节可知AWGN信道非常适于计算-转发策略。实际上,通过下一节在衰落信道中的应用也可验证以上结论。
3 双向中继通信在衰落信道的可达速率
分别考虑没有预编码和有预编码的情况。
3.1 发射端无预编码
此时的双向中继信道模型即计算-转发策略中用户数为2的情况,可达速率直接由计算速率表达式(3)给出:
式中,aopt=[a1,a2]为最优的整数系数向量,与信道系数向量h=[h1,h2]相互独立。
3.2 发射端执行无约束的预编码
在具有多个源节点和多个中继节点的一般化无线中继网络中,由于每个源节点都具有到多个中继节点之间的多个路径,因此源节点无法进行预编码。但双向中继信道中只有一个中继节点,因此在多址阶段,两个源节点到中继节点之间的信道衰落可通过预编码来完全抵消。但需指出,广播阶段同样无法对中继节点的发射信号进行预编码。
在多址阶段,假设每个源节点的瞬时发射功率可以任意高,则可在发射端执行信道反转预编码,使得中继处的接收信号保持为y=x1+x2+z,此时与AWGN信道的情况完全相同。具体说来,两个用户发射信号时分别用1/h1和1/h2对各自信号进行预编码,此时对应的发射功率则变成P/|h1|2和P/|h2|2。
考虑到由于预编码而引起发射功率的变化,采用计算-转发策略的物理层网络编码方案的可达速率为:
其中,总的瞬时功率变化系数由下式给定:
每个用户每时隙能够获得的可达速率为式(8)中速率的一半。
3.3 发射端执行信道感知的预编码
由于实际发射机工作时的发射功率不能做到任意高,而是存在某一上限,因此前述预编码方案在实际应用中可能存在问题,即当信道增益过小时,信号发射时的预编码系数过大而使得瞬时发射功率超过实际上限。为克服此问题,在这一小节提出一种信道感知的预编码方案。
假设平均发射功率为P,瞬时发射功率的上限为PLIMIT,则信道感知的预编码过程如下:
(1)如果两个源节点到中继节点的信道状态都较好,即P/|h1|2≤PLIMIT,且P/|h2|2≤PLIMIT,则两个用户均执行预编码,且整个传输过程按照计算-转发策略进行。
(2)如果两个源节点到中继节点的信道状态都过差,即P/|h1|2>PLIMIT,且P/|h2|2>PLIMIT,则两个用户均不发射信号,此时可节省发射功率。
(3)如果有一个源节点到中继节点的信道状态较好,即P/|h1|2≤PLIMIT,或P/|h2|2≤PLIMIT,则信道状态较好的用户执行预编码并发射信号,另一个用户则不发射信号。此时发射信号的用户可获得单用户速率的上限。
根据以上预编码方案,每用户每时隙的平均可达速率可表示为:
式中,p1为h1和h2均较好,p2为只有h1较好,p3为只有h2较好的概率。
图4对比了以上3种方案中每用户每时隙的平均可达速率,其中信道增益的方差σ2h1=σ2h2=1。从图中可知,当SNR超过特定值时,有预编码的中继方案其可达速率提升明显。信道感知的预编码方案优于无约束的预编码方案。
3.4 仿真验证
此小节通过仿真验证对比以上3种中继方案的误码率性能。仿真中,两个源节点采用的格码为取自瓕2,且每一维度的点数为2,等效于4-QAM星座。在中继节点处,中继通过格译码得到源节点发射码字的整合线性组合。图5给出了不同方案下的误符号率。
从仿真结果可知,当SNR大于特定值时(以上仿真条件中约4.0 d B),执行信道感知预编码的中继方案其性能优于没有预编码的中继方案。而执行无约束预编码的中继方案只在SNR高于约16.5 d B时的性能好于无预编码的中继方案。
实际上,当信道状态过于恶劣时,能够正确译码的概率将十分小,因此当信道状态较好时再传输便会得到一定增益,信道感知预编码中继方案的性能提升即来源于此。这一思想也类似于常见的注水算法[10]。
4 结束语
对于双向中继通信来说,无论是AWGN信道还是衰落信道,计算-转发策略都是非常合适的中继策略。从可达速率的表达式可知,基于计算-转发策略的传输方案总是能够达到最大自由度,并不需要一般化多源、多中继网络中的限制条件[11]。针对衰落信道,提出了信道感知的预编码方案,能够进一步提升该信道下的可达速率,本文研究为推动物理层网络编码技术的实际应用提供了有意义的参考。
参考文献
[1]Nazer B,Gastpar M.Reliable Physical Layer Network Coding[J].Proceedings of the IEEE,2011,99(3):438-460.
[2]Liew S C,Zhang S,Lu L.Physical-Layer Network Coding:Tutorial,Survey,and Beyond[J].Physical Communication,2013,6:4-42.
[3]Ahlswede R,Cai N,Li S-Y R,et al.Network Information Flow[J].IEEE Transactions on Information Theory,2000,46(4):1204-1216.
[4]Zhang S,Liew S C,Lam P P.Hot Topic:Physical-Layer Network Coding[C]∥Proc.ACM Int.Conf.Mobile Comput.Netw.(Mobi Com),Los Angeles,CA,2006:358-365.
[5]Popovski P,Yomo H.The Anti-Packets Can Increase the Achievable Throughput of a Wireless Multi-Hop Network[C]∥Proc.IEEE Int.Conf.Commun.(ICC),Istanbul,Turkey,2006:3885-3890.
[6]Katti S,Gollakota S,Katabi D.Embracing Wireless Interference:Analog Network Coding[C]∥ACM SIGCOMM Computer Communication Review,2007,37(4):397-408.
[7]Nazer B,Gastpar M.Compute-and-Forward:Harnessing Interference Through Structured Codes[J].IEEE Transactions on Information Theory,2011,57(10):6463-6486.
[8]李博.物理层网络编码及其在非对称双向中继通信中的性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013:14-30.
[9]Feng C,Silva D,Kschischang F R.An Algebraic Approach to Physical-Layer Network Coding[J].IEEE Transactions on Information Theory,2013,59(11):7576-7596.
[10]Tse D,Viswanath P.Fundamentals of Wireless Communication[M].New York:Cambridge University Press,2005.183-185.
“十二五”中继教实施方案 篇2
为推动我县“十二五”期间中小学教师继续教育工程顺利实施，提高我校教师实施素质教育的实际能力和水平,随着我校基础设施的不断改善,我们教师也面临着新的发展机遇和挑战,教师继续教育工程的实施是提高我们教师整体素质的重要途径,根据省、州、县关于“十二五”期间教师继续教育工程实施意见要求，制定我校“十二五”期间教师继续教育工程实施方案。
一、指导思想
深入贯彻落实科学发展观，全面落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020）》以全面实施素质教育，促进教育公平，全面提高教育质量为宗旨，继续以“五以两提升”（以师德铸造为灵魂，以课堂改革为中心，以校本培训为平台，以校本教研为机制，以优化课堂教学为突破口，全面提升教师整体素质，全面提升教育教学水平）为机制，促进教师不继学习和专业发展。
二、目标要求
以提高我校教师整体素质为重点，以渗透“一德四新”（师德教育、新理念、新知识、新技术、新技能）的学科培训为主要内容。以“强化能力、提升素质、决战课堂、提高质量”为的总体目标，以“教师国家级培训计划”“中小学教师省级培训计划”和州级培训为抓手，以师德塑造为核心，以课堂改革为中心，以优化课堂教学为突破口，加强校本培训和校本教研。全面提高我校教师的整体素质和专业化水平。
三、基本原则
认真执行《实施意见》，灵活、创新务实地运用创新性原则，集成性原则，开放性原则，实效性原则，构建我校继续教育机制。
四、培训对象
全体教职员工
五、主要任务
（一）全员培训：以终身教育思想为指导，以教师专业化发展为目标，以“一德四新”为主要内容，以校本培训为主要形式，促进我校教师师德水平，学识水平，业务素质显著提高。每位教师五年参加各级以“一德四新”为主要内容的集中培训累计不少于360学时。每学年不低于72学时。其中
师德教育：加强教师职业理想、职业道德和法制教育，增强广大教师教书育人的责任感和使命感，提高依法执教的能力和水平。通过开展多种形式的师德教育，使广大中小学教师爱岗敬业，做到以生为本、关爱学生、尊重学生、平等公正地对待学生；关注学生全面发展和健康成长；为人师表，做学生健康成长的指导者和引路人。五年参加各级集中培训不少于60学时，（县级培训60学时，校级培训20学时），每年不低于12学时。
新理念：树立先进的教育思想和理念，树立正确的教育观、人才观、质量观和学生观。把育人作为教育工作的根本，面向全体学生，鼓励学生全面发展、主动发展、个性发展。尊重教育教学规律和学生身心发展规律，为学生每个学生提供适合的教育。五年参加各级集中培训不少于50学时。（县级培训50学时，校级培训30学时），每年不低于12学时。
新知识：树立终身学习理念。认真学习、借鉴国内外教育教学实践成果，拓宽知识视野，增强知识储备，深化学科专业知识，更新知识结构。通过培训使我校教师了解学科专业发展动态，提高知识素养和学科知识水平，促进教育教学综合能力的提高。五年参加各级集中培训不少于50学时。（县级培训50学时，校级培训30学时）每学年不低于10学时。
新方法：在新的教学理论下，努力探索、创新课堂教育 教学模式和方法。通过培训，能采 用启发式、探究式、参与式、讨论式、案例式等教学方法，改进课堂教学组织方式，加强团队合作研究，充分调动和激发学生的学习积极性、主动性和创造性。（县级培训40学时，校级培训20学时），每年不低于12学时。
新技能：以新的教育教学理念为指导，强化和创新备课、说课、上课、观课、议课、课后反思、学情分析、考核评价及课题研究等等基本技能；提高教学指导学生有效学习的技能，具备引导学生课堂上倾听、思考、提问、交流等能力；提高教师应用现代教育技术的能力和水平，促进信息技术与学科教学有效整合，提高课堂教学有效性。五年参加各级集中培训不少于50学时。（县级培训40学时，校级培训20学时），每年不低于12学时。
（二）专项培训
1、管理者培训
派校长、主任参加县召开的各种继教会议或派校长、主任外出学习考察，了解当前教育发展趋势，新时期教师队伍建设要求，全县继教工作总体规划，任务及具体的安排部署。加强我校继续教育管理能力，提高业务指导水平和服务水平。
2、培训者培训
努力组建一支数量足够，学科齐全，相对稳定的培训者队伍，由学校管理层人员，教研组长，2 学科骨干教师组成，通过选派，选举的方式参加上级举办的各项培训，自主学习提高培训者的组织能力，业务水平综合素质，使他们能有效地组织和指导校本培训的开展。
3、骨干教师培训
根据瓮安县教师评选办法制定我校骨干教师评选制度，推出骨干教师参加县级以上培训，力争我校老师在县骨干教师队伍中有一席之地，发挥骨干老师的引领示范作用。
4、新任教师岗前培训
新聘任的零工龄老师在试用期必接受县级培训和校本培训各120学时，校本培训由学校指定一名资历较深业务较强的教师作指导，并同时参加全员培训。
5、班主任远程培训
通过远程培训和集中培训相结合的方式，对我校教师不少于30学时的培训，不继提高班主任队伍的专业素养和教书育人的能力。
6.教育技术远程培训
在普及教育技术能力初级培训的基础上，积极推进中级培训，提高教师在教育教学中有效应用教育技术的能力和水平，并使我校的参培率和合格达到100%。
7、教师培训团队培训
通过省、地、县各级开展教师培训团队提升培训，使管理者准确把握省、州继教工程的总体规划、目标任务和工作要求。增强培训组织策划能力和管理能力；使他们掌握基础教育课程改革对教师教学能力的要求，改进教师教学方式和指导校本研修的能力。
8.心理健康培训
“十二 五期间，我校教师开展县级和校级培训不少于10次。培训人次为50人以上。
（三）学历提高培训
鼓励支持我校教师通过成人高考、自学考试形式提升学历层次，坚持在职为主，脱产为辅，学以致用的原则，使我校专职教师本科学历在2015年合格率达98%。
六、措施保障
（一）加强管理，分级负责
成立2011—2015期间教师继续教育领导小组，好人员分工，层层落实，由教务处组织实施校本培训，学校、年级组、教研组落实校本培训的内容和开展培训，建立各项制度确保校本 3 培训的实效，保障教师接受继续教育的权利，规范填写和管理学校及教师资料，确保工作的真实性。
（二）加强制度建设，提供条件支持与保障
建立和完善各种制度，使教师继续教育与教师考核、聘任、教师职称评聘相结合，完善骨干教师选拔、管理、使用制度，更好的发挥骨干教师带头作用，充分调动教师积极性，建立激励与约束机制，奖励成绩突出的，惩罚工作不积极的，对不愿参加培训或擅自中断学习造成考试考核不合者，当年考核为合格。
（三）建立继续教育经费保障机制
每年学校按学校公用经费预算总额的5%安排教师培训经费，设立教师培训专项经费并列入预算。使整个培训经费形成学校、个人共同分担的机制。
七、实施步骤及做法
按县继教工程实施意见，我校将“十二五”期间继教工程划分为宣传启动，全面训练，评估验收三个阶段。
（一）宣传启动阶段（2011年12月—2012年2月）利用各种会议组织学习有关文件，广泛做好宣传工作，让该工程深入人心。
（二）全面训练阶段（2012年—2014年）
按县实施意见，认真组织老师参加上级培训和搞好校本培训，其中校本培训以学校组织，年级组组织，教研组组织等形式开展集中培训，5年期间不少于360学时，每年安排20学时的校级培训，10学时年级组培训，35学时教研组培训，培训内容为师德教育、新理念、新知识、新方法和新技能，其中新技术校本培训安排为信息技术基础知识与操作的复习巩固，选派骨干老师接受上级培训，辐射全校老师或按上级安排执行，此项由学校统一安排。
校级培训主要为师德教育，新理念。利用每周例会（根据实际而定）或学期开学前，期末考试后的时间集中培训，届时聘请部分工作突出师德突出的教师为辅导教师。
年级组级培训主要是涉及师德，特别是新时期班主任工作新理念方面的内容，由年级组长安排辅导教师，自定培训时间。
教研组培训主要是学科新理念和具体落实“决战课堂，新教材大练兵”这一富有特色的培训内容，涉及新理念，新知识学科业务，通过集体培训、集体备课、上公开课、评课、优质课竞赛等等灵活的方式开展培训和学习。
参培教师的学分获得，根据《学习笔记本》上级关于学分折算的文件精神，自己积极主动获取学分，并提供相应佐证材料。学校可根据实际情况提供获取学分的活动平台。
各级培训过程中要注重实效，切忌搞形式主义。各级培训中，组织者做好参培教师的考勤记录。根据需要，督促参培教师做好相关记录。每年三月份上交中继教办公室备查。
（三）自查评估阶段
2015年5月底前完成此项工作自查自纠，对未符合要求的培训及资料进行整改等待上级的验收。
八、补充要求
1、每年认真填写各种应证册，并装订佐证材料，其中学校文档资料及校级集中培训记录由教务处收集整理；年级组、教研组集中培训记录由年级组组长、教研组组长负责整理；老师个人笔记、佐证材料（无原件的可用复印件）由教师个人负责整理。
2、执行州实施意见和县实施意见关于集中培训与累计学分的规定，教师要认真撰写笔记、心得、教学反思、论文、个人专业现状分析和个人专业化成长设想、2011年至2015年师德自评报告、阶段总结等。
本方案自2011年3月1日起实施。
瓮安第三中学中继教办公室
中继选择方案的研究 篇3
关键词：机会中继,碰撞概率,最佳中继,退避
0 引言
近年来,协作分集技术已经成为无线通信领域研究的热点之一。协作分集(cooperative diversity)[1]是一种虚拟多天线分集技术,可以有效地抵抗信道的衰落,它通过分布式实现并结合一定的编码方式,可以获得显著的性能增益。文献[2,3]研究了分集的实现策略,提出了固定中继、选择中继和增量中继三种策略。文献[4,5]中,中继节点利用MAC层的RTS/CTS获得源节点与中继节点以及中继节点与目的节点间的信道信息,并根据不同准则(最小值或调和平均值)获得了信道的综合量度,但是多个节点同时竞争最佳中继很可能出现冲突,从而导致选择失败,而且随着竞争节点数目的增加失败概率也明显提高。本文提出一种改进的方案,在原有算法基础上引入CRC校验技术和源节点进行确认策略来减少冲突的发生,可以大大降低选择失败的概率,同时给出在源节点与目的节点不在通信范围内的通信方法。
1 机会中继描述
考虑一个源节点、一个目的节点及M个备选中继节点所构成的通信系统,如图1所示:ai代表源节点和中继节点i之间的信道信息,aid代表中继节点i和目的节点之间的信道信息,同时假定无线信道是慢衰落的。
根据机会中继理论,中继选择算法将根据瞬时信道条件从M个备选中继中选出一个最好中继节点,用于在信道变化之前的相干时间内参与源节点和目的节点之间的协作通信。具体说,就是在源节点和目的节点间传输RTS/CTS分组时进行信道测量。假定每个备选中继可同时监听到这两个分组,则中继节点i通过监听来自源节点的RTS分组及目的节点的CTS分组,测量从源节点到中继节点i的信道信息及从中继节点i到目的节点的信道信息。基于上述瞬时信道信息,每个中继节点计算相应的信道度量参数hi,将源节点-中继节点-目的节点之间两条信道的质量同时考虑在内。以该参数作为选择中继的判断准则,具有最大hi的中继节点i即被视为最好中继,参于随后的协作分集。hi的计算有如下两种方式:
规则1:
规则2:
每个中继节点i在收到CTS分组之后,都将启动一个定时器。定时器的初始值Ti与对应中继节点的信道度量参数hi成反比,即
其中,λ是一个mm级的时间常数。因此,具有最大hi的定时器将首先届满,对应中继会发出一个很短(1bit)的标志分组,表明其最好中继的身份。其他尚未届满的中继j在收到该标志分组后将放弃竞争。如果各中继节点不能监听到彼此的信息(隐藏中继),最好中继将把标志分组发给目的节点,然后由目的节点发送很短的广播信息通知所有中继节点。
2 可达区域的通信
对于译码重传(Decode and Forward-D&F)而言,数字协作中继节点首先译从源节点接收的信息,然后再编码并将其重传给目的节点。依据以上策略,所有参与的协作中继都应能译所收的信息,于是采用CRC校验技术来获得更好候选中继节点(preferable candidate relay-P.C.R),从而形成更好候选中继节点集(P.C.R)。具体来说,使RTS/CTS分组包含经CRC编码的序列,目的为了减少参与中继选择的中继节点数目。同时为了消除隐藏中继,在数据分组中增加1bit控制位。
主要考虑室内通信,也就是说源节点与目的节点在有效的通信范围内,而源节点与目的节点不在有效的通信范围内的情况将在下一部分讨论。新算法将包含以下步骤。
①所有候选中继节点依据收到的RTS分组估计中继节点i到源节点的信道信息,并从RTS分组中获得序列进行CRC校验。如果校验成功,就参与接收CTS分组状态,否则退出放弃中继选择竞争。
②以上的候选中继节点i根据收到的CTS分组估计中继节点i到目的节点间的信道状态信息,并从CTS分组中获得序列进行CRC校验。如果校验成功,就将该候选中继节点设为更好候选中继节点,并形成更好候选中继节点集P.C.R。否则退出放弃中继选择竞争。
③对P.C.R中的中继节点,采用最小值(规则1)设置定时器并保持在监听模式。当定时器值最小的中继b届满后,将向源节点发送一个包含其自身标识的标志分组,其他中继节点j在收到来自中继b的标志分组后放弃对最好中继节点的竞争。
④若在定时器超时前,源节点收到一个正确的标志分组,将发送数据分组(包含1bit控制位,用于消除隐蔽中继的)。否则,就进行源节点到目的节点间直接数据分组的传送。
从以上描述可以看出,无论有无隐藏中继,本算法都适用。根据算法流程,惟一可能发生冲突的情况是来自两个中继节点的标志分组到达源节点的时间有重叠,导致源节点无法正确识别任何一个标志分组。如图2所示,当其他中继节点的定时器在[tL,tH]区间届满时,所发送的FLAG就会与最好中继节点的FLAG发生碰撞,源节点收不到FLAG分组,此时的碰撞将会使中继选择失败。为了分析最坏情况下的错误概率,对有些参数取最大值。
由上面的分析可知,导致错误的碰撞间隔为:
其中,nj为中继节点j和目的节点间的传输时间;nb为中继节点b(最好中继)和目的节点间的传输时间;mb为中继节点b(最好中继)和源节点间的传输时间,mmax是其中的最大值;ds为无线电设备的收发转换时间,并假设所有终端的收发转换时间相同;dur为FLAG分组传输的持续时间。
由文献[4]可得中断概率为:
且有(h,λ,c都是正数)。从式(3)可得,通过减小参数c,可将碰撞概率减小。经过改进后参数c减小了:小于机会中继[4]选择中的:
由此可见,λ不变时,c的减小将导致碰撞概率的减小。若保持c/λ不变,减小c,就可以减小λ。由文献[4,5]可知,λ|的大小与中继选择速度密切相关,那么改进的方案在保证碰撞概率不变的情况下,加快了中继节点的选择速度,由此可见此算法优于机会中继算法。当然了在随着候选中继节点M的增加,碰撞概率也会增大。
3 不可达区域通信
对于源节点与目的节点不在有效的通信范围内的情况,须要考虑时间同步,本文给出其等效方法,在通信过程中增加了一个通知分组及目的节点反馈给最好中继节点的RACK分组,下面给出与之等效的实现步骤。
①那些成功进行RTS的CRC校验的中继节点在定时器超时前收到CTS分组,中继节点就会启动通知分组的发送,告知目的节点中继节点在等待CTS分组。
②目的节点收到通知分组后,发送CTS分组,只有那些成功进行CTS的CRC校验的中继节点会进行最好中继选择(此处最好中继选择与可达区域的最好中继选择相同),最好中继b被选出后参与数据协作通信。
③目的节点收到数据分组后将发送一个RACK分组给最好中继b,然后b发送ACK分组给源节点,并进入下一周期。
4 结束语
在机会中继的基础提出了一种改进算法,其基本思想是对RTS/CTS分组引入CRC校验来减少候选中继节点数,通过源节点的确认及数据分组中增加1bit控制位来消除隐藏中继。该算法对于有无隐藏中继节点的网络均可使用,并给出了不在通信范围内的源节点与目的节点的通信实现过程。
参考文献
[1]Nosratinia A,Hunter TE.Cooperative communication in wireless networks [J].IEEE communications Magazine,2004,42(10):74 - 80.
[2]Laneman JN.Cooperative diversity in wireless networks:algorithms and architectures[D].M.I.T.,Cambridge,MA,2002.
[3]Laneman JN,Wornell GW,Tse DNC.An efficient protocol for realizing cooperative diversity in wireless network[C]//Proc IEEE Int ISIT.Washington D C,June,2001:24-29.
[4]Bletsas A,Khisti A,Reed P,et al.A simple cooperative diversity method based on network path selection[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communication,2006,24(3):659-672.
中继策略方案 篇4
中继选择[3,4,5,6,7,8]和功率分配[7,8,9,10,11,12,13,14]是提升双向系统性能的重要研究内容。文献[3]中提出一种AF协议下的双向中继选择策略,假设网络有i个候选中继,则将选取两个端点到中继节点的最小信噪比最大化的中继节点为最优中继。文献[4 - 5]在文献[3]的基础上采用信噪比上界代替信噪比进行推导来实现中继选择。文献[6]和文献[7]分别提出将具有最小误符号率( Symbol Error Rate,SER) 和最大传输速率的中继节点选取为最优中继。除了协作中继的选择,资源分配也能有效提高协作系统性能。文献[9]联合考虑中继选择和功率分配,采用了文献[3]中的中继选择策略,在基于两个端点最大化最小接收信噪比的情况下求得一种功率分配最优解。文献[10]研究了瑞利衰落信道下基于信道速率阈值的双向中断概率,推导出中断概率的下界,并联合物理层网络编码提出了优化功率分配方案。文献[11]研究双向中继系统中3 个节点信噪比,提出一种最小化中断概率的功率分配策略,但是所采用的中继选择方法仅仅是按照中继的位置距离来选择,未能考虑到信道带来的影响。文献[7,12 - 13]分别研究了不同条件下满足总功率受限条件下使双向通信中断概率最小化的功率分配问题,并求出最优功率分配解。文献[15]在等功率分配( Equal Power Allocation,EPA) 的条件下,利用两个端点的信噪比门限推导了AF协议下双向机会中继系统中断概率的上下界,但是未能求得最优功率分配( Optimal Power Allocation,OPA) 。文献[8,14]研究了系统的信道容量,提出了不同的使得系统容量最大化的功率分配策略。
上述文献在研究最优中继选择时,多仅考虑距离关系或者信噪比约束,未考虑到信道系数带来的影响,也不能同时保证两跳链路的质量达到最佳。本文提出了一种联合考虑中继节点处的接收信噪比和两个端点到中继节点的信道增益的策略来实现双链路最优中继选择,在最优中继选择的基础上,利用两个端点信噪比约束推导出一种新的不等功率分配下系统中断概率的上界表达式,并以最小化中断概率上界为目标进行优化功率分配。仿真结果验证了本文的中继选择策略和功率分配方案的有效性。
1 信道模型
本文考虑一种多中继双向协作系统: 两个终端S1和S2借助N个中继中的某一个来实现数据传输,并假设由于信道质量较差而不存在直传链路。系统建模如图1所示。
图1中S1和S2是两个终端节点,借助R1,R2,…,RN这N个中继节点交换信息,每个节点都配备单天线,工作在半双工模式下。设S1与Ri和S2与Ri之间的信道为相互独立的瑞利衰落信道,分别标记为hi和gi,且hi和gi被建模成均值为0、方差分别为λ1和λ2的复高斯随机变量。设γ1=|hi|2,γ2=|gi|2,则γ1,γ2符合参数为1/λ1、1/λ2的指数分布。假设所有节点处加性高斯白噪声的均值为0、方差σ2=1。假设每个节点都具有完全的信道状态信息。
用两个阶段来描述S1和S2之间互相交换信息的过程。第一个阶段,S1和S2将它们的信号x1和x2传递给最优中继RK后,RK所接收到的信号为
式中: nK表示中继RK处的噪声; hK和gK分别表示S1和S2到中继RK的信道系数。RK将接收到的信号进行放大,设经放大后的信号为zRK,且zRK= βyRK,其中 为放大系数,P1,P2,P3分别表示S1,S2和RK的功率。
第二个阶段,RK广播经过放大的信息,S1和S2在接收到RK的信号后进行解码,则S1和S2接收到的信号分别为
式中: n1和n2分别为S1和S2处的加性白噪声。自干扰消除后,两个终端S1和S2的瞬时接收信噪比表示为
2 双链路中继选择策略与功率分配优化
2. 1 双链路中继选择策略
为了最大化中继节点接收信噪比,同时最优化两跳链路的信道质量,本文采用了一种双链路中继选择( Double Link Relay Selection,DLRS) 策略,即同时考虑S1→S2链路中继节点R处的接收信噪比和中继节点R到目的节点S1和S2的信道增益两个因素来实现最优中继选择。
图1 所示的系统存在N个中继节点,中继节点的信噪比阈值设为 δth,当中继处的信噪比满足条件
就将该节点加入有效候选中继节点集。其中hi是端点S1到第i个中继节点的信道系数。假设有效候选中继节点集为M( R) ,则有
然后从M( R) 中选择一个具有最大信道增益乘积的中继节点与S2连接,这个选出的节点就作为最佳中继Ropt。选择的节点满足
式中: hjgj表示集合M( R) 的中继节点和目的节点S1、S2之间的信道增益乘积。考虑到文献[8]中单跳链路性能过差时不能保证信息的成功传输,因此提出的DLRS就可以保证链路的平衡性,降低系统中断概率,使得两跳链路达到最优状态。
2. 2 最小化中断概率的优化功率分配
在图1 所示的双向工作模型中,定义系统中两个端点接收信噪比,只要任意一个低于给定的门限值,则系统中断发生。定义该信噪比阈值为 γth,则最佳中继的中断概率为
将式(4)、(5)代入式(9),通过比较γ1,γ2的大小,可以得到
观察式(10),由于γ1,γ2符合参数为1/λ1,1/λ2的指数分布,当满足条件γ1P2P3>(P1+P2+P3)γth,即 时,Pout1部分可以表示为
式(11)中,通过变量代换 ,表达式P11部分可以写成
通过利用文献[16]中的等式 ,得到
式中:K1(z)为第一类修正贝塞尔函数。当高信噪比时,可以近似为:K1(z)≈1/z。因此可以得到U≈1。对于式(12)括号内的第二个部分V,通过利用高信噪比近似e-t≈1-t和不等式 ,得到
注意到在高信噪比时, ,于是 ,于是有
又 ,因此推得
观察到SNR2R1和SNR1R2的对称特性,可以得到
因此,最优中继的中断概率为
进行缩放,可以得到中断概率的上界为
注意到多步推导过程都假设了高信噪比条件,因此该中断概率上界只适用于高信噪比场合。
本文的功率分配问题,就是在总功率Pt受限的前提下,基于最小化系统中断概率的准则,实现两个终端节点S1和S2以及最佳中继节点Ropt三者之间的最优功率分配,可以表示为
最小化中断概率Pout(γth),就等于最大化 ,由于该表达式的二阶导数恒大于0,是一个凸函数,又因为限制条件P1+P2+P3-Pt=0的解集合也是一个凸集。故该问题可用凸优化求解,采用拉格朗日乘子法,构建拉格朗日函数为
式中: 均是与节点功率无关的常数。
求解该函数,令 ,得到
观察前3个等式,能够看出P3=P1+P2。则P3=Pt/2,又当中断概率最小时,两个端点信噪比取得最小值,即SNR2R1=γth,SNR1R2=γth,可以得到P1|hK|2gK。故系统的最优功率分配解为||
从求得的结果可以发现,在对双向中断概率进行最小化的最优解中,与文献[10]和[12]类似,将一半的总功率分配给中继节点,将另一半功率在两个端点之间依据信道状态进行分配。
由式( 23) 可以看出,P1和P2分别和各自的信道系数成反比,即某条链路信道系数越大,则该链路上端点所分配的功率越小,这说明此最优解会根据信道增益的不同而自适应地对信道增益较差的链路分配更多的功率。
3 仿真结果与分析
考虑图1 所示的中继网络,衰落信道模型设置为
式: ,vi~ CN( 0,σv2) ,i = 1,2 ,表示变量服从均值为0、方差为 σv2的复高斯随机分布; α 为路径损耗因子,仿真时设置为3。信号的调制方式为BPSK。不失一般性地将两个端点间距离归一化为1,候选中继数量为10,随机分布在S1和S2连线之间,信噪比门限设置为5。
图2 显示了R和S1,S2之间的距离变化对系统中断概率的影响。从图中可以看出,无论采用EPA还是本文的OPA,中继和S1,S2的距离相等时系统的中断概率总是最低。而采用优化功率分配后,系统的中断概率进一步降低,最大提升幅度可达约50% ,最低中断概率也由0. 055降低到0. 048。这说明中继的最佳位置是在S1和S2的中心位置。
图3 显示了最优功率分配下各节点分配的功率。在此情况下,中继节点一直分配总功率的一半,而两个端点则按照信道系数分配另一半总功率。当中继R靠近端点S1时,S1R的信道增益较大,S2R的信道增益较小,此时S2需要更大的发送功率才能满足中继R和端点S1的接收信噪比要求,反之亦然。因而距离中继较远的端点要多分配一些功率。
图4 展示了采用不同功率分配方案时系统的误比特率和信噪比的关系。本仿真中假设中继节点位于S1和S2连线的中心位置。从图中可以看出,当信噪比很低时,本文的双向OPA算法和传统的EPA、文献[11]的OPA算法相比优势并不明显,但是当信噪比大于10 d B时,本文提出的OPA算法相比其他二者所带来的性能幅度提升越来越大。当信噪比为30 d B时,本文算法的误比特率比无协作低2 个数量级,比文献[11]低约1 个数量级。这是因为本文方案中各节点的发射功率是随着信道参数的瞬时值不断微调,而EPA忽略了信道参数的波动,文献[11]的功率分配随信道参数波动过大。
图5对比了不同功率分配和中继选择策略下中断概率与信噪比的关系。本仿真中假设中继节点随机分布于距离S1端点0.3~0.7位置之间。从图5可以看到,本文提出的DLRS策略相比文献[11]中采用的中继选择(Relay Selection,RS)策略和随机中继选择(Random RS,RRS)策略,在中断概率同为10-2时,分别有约1 dB和3 dB的性能提升。此外,信噪比每提高10 dB,中断概率下降约1个数量级。本文提出的OPA方案和DLRS策略比传统EPA和RRS方案有5 dB的性能提升,也较文献[11]提出的功率分配和中继选择策略取得了1 dB的性能增益。
4结束语
协作通信中的解码转发中继策略优化 篇5
协同通信近年来得到快速发展, 其基本思想是无线网络中的各单天线用户彼此为对方转发信息以此获得空域分集。解码转发 (Decode-and-Forward Relaying, DF) [1]作为协作通信中最主要的方法之一, 受到广泛关注。将其与其他技术结合产生出现代无线通信新技术, 例如将DF协议应用于OFDM系统产生新的DFOFDM系统, DF-OFDM技术将成为现代无线通信的核心技术[2]。传统的固定中继协作通信技术由于各个终端采用半双工模式, 在传输速率上遭受着确定性的损失, 而且固定DF中继的性能受限于源到中继及中继到目的的信道的较弱者, 这就导致它能获得的分集为1。为了克服这些问题, 文献[3 -5]给出了2种自适应协作策略:选择中继 (Selection Relaying) 和增量中继 (Incremental Relaying) , 这2种协议可以获得较低的中断概率, 但是选择中继只要中继节点能够正确接收信息, 就始终进行信息的转发, 而增量中继无论源 -中继链路的质量如何, 只要源—目的链路发生中断, 中继节点始终进行信息的转发;文献[6]提出了一种在Nakagami-m衰落信道下单中继节点模型的选择增量中继, 并利用矩母函数 (Moment Generating Function, MGF) [7]的方法推导了系统中断概率的表达式, 但是Nakagami-m信道参数估计[8]及其功率增益服从的Gamma分布的概率密度[9]比较复杂, 并且用矩母函数研究随机变量的概率密度或某些统计特性的时候, 需要用到Laplace变换及其逆变换, 分析起来比较复杂。
为了提高系统的中断性能并降低分析复杂度, 本文在两跳单中继协作通信系统模型[4]下, 对固定DF协议进行了研究, 并借鉴自适应协作策略的思想, 对其进行了改进优化。
1 系统信道模型
考虑典型的两跳单中继协作系统模型, 如图1所示。模型中s表示源端, r表示中继端, d表示目的端。
本文中假设用户通过2个正交信道发送信息, 所有信道为窄带频率非选择性慢衰落信道, 噪声为加性高斯白噪声, 收发两端均确知信道状态信息。hij (i∈{s, r}, j∈{r, d}) 表征信道衰落系数, 服从均值为0、方差为σ2ij的独立循环对称复高斯随机分布, 包络服从瑞利 (Rayleigh) 分布, 包络平方hij2服从参数为λij=1 /σ2ij的指数分布[10]。即本文中所有的随机变量都是独立的指数随机变量, 这一假设使得中断概率的计算变的比较直接。
2 中继协议的改进及其中断概率表达式
中断事件, 即信道互信息量 (I) 小于给定速率 (即频谱效率) R的事件[11]。互信息量的表达式为:
式中, M∈{0, 1}, 当中继不参与协作时M=0, 当中继参与协作时M=1;lb (·) 表示取以2为底的对数;Γi (i∈{s, r}) , Γs= Ps/σ2N, Γr= Pr/σ2N, σ2N表示噪声功率, Ps表示源端发射功率, Pr表示中继端发射功率。
中断概率pout为:
式中, p (·) 表示取概率。
2.1 改进的解码转发方式 (IDF)
2.1.1 算法描述
该IDF方式算法具体描述为:当且仅当源—目的端瞬时信道传输特性优于中继—目的端, 即事件E ={hsd2≥hrd2}发生时, 系统无需采用协作通信模式, 由源直接发送信息给目的端, 中继不参与通信过程, 此时称为直接传输模式。当源—目的端瞬时信道传输特性差 于中继—目的 端, 即事件EC={hsd2< hrd2}, 发生时, 采用传统DF方式, 此时称为协作通信模式。
2.1.2 中断性能分析
当系统采用协作通信模式时, 中断概率为:
式中, IDF表示解码转发情况下的信道互信息量。
当系统采用直接传输模式时, 中断概率为:
式中, IDT表示直接传输情况下的信道互信息量。
系统的中断概率可以表示为:根据文献[12]中的推理可得:
由此可以推导出, 当 (Γs/Γr) λrd- λsd= 0时, 系统中断概率为:
式中, g1 (Γs) = (22R- 1) /Γs;g2 (Γs) = (2R- 1) /
当 (Γs/Γr) λrd- λsd≠0时, 系统中断概率为:
2. 2 增量选择中继 (ISR)
在研究分析了协同通信中继协议后发现, 选择中继和增量中继各有所长。于是, 将两者的优点结合起来, 产生了一种新的中断协议, 即增量选择中继。其算法描述类似于文献[6], 根据算法描述, ISR的系统中断概率为:
式中, ISR表示选择解码转发情况下的信道互信息量。
当 (Γs/Γr) λrd- λsd= 0时, 系统中断概率为:
当 (Γs/Γr) λrd- λsd≠0时, 系统中断概率为:
式中, g2 (Γr) = (2R- 1) /Γr。
3 仿真结果分析
为验证改进策略的有效性, 下面给出Matlab计算机仿真结果。具体仿真条件设置为:源—目的端的信道方差σ2sd=1, 源—中继端和中继—目的端的信道方差均为0. 5, 噪声方差σ2N= 1。取速率R = 2 bps /Hz, 得到中断概率随信噪比的变化图如图2所示。
从图2可以看出, 中断概率为10- 2时, IDF较DF改进了5 dB。中断概率为10- 0. 1时, IDF较SR改进了2. 5 dB, 且当信噪比低于11 dB的时候, 其中断性能均优于SR, 但是随着信噪比的增加, 其中断性能下降, 说明IDF适用于低信噪比的场景。另外可以看出, 中断概率为10- 2时, ISR较IR改进了4 dB, 较SR改进了10 dB, 较DF改进了23 dB, 并且随着信噪比的增加, 其中断性能优势越来越明显。
取信噪比Γ =40 dB, 得到中断概率随频谱效率R的变化图如图3所示。
从图3可以看出, 中断协议性能随着速率R的增加而变差, 当频谱效率大于6.5 bps/Hz时, IDF的中断性能优于SR和DF, 而ISR始终具有明显的性能优势。在实际应用中, 可以根据不同的侧重点选择中继协议。
4 结束语
研究了在两跳单中继协作系统模型中, 信道服从独立循环复高斯分布, 噪声为加性高斯噪声的条件下, 中继协议DF、SR、IR和直接传输的系统中断概率, 并推导出了其中断概率的表达式。针对固定DF的缺点提出了IDF策略, 将选择DF中继和增量中继的优点结合起来, 提出了ISR策略, 并推导出了它们的中断概率表达式。仿真实验表明, 提出的中继协议, 尤其是ISR大大提高了系统的中断性能。
参考文献
[1]LANEMAN J N, WORNELL G W.Distributed Space-Time Coded Protocols for Exploiting Cooperative Diversity in Wireless Networks[J].IEEE Trans.Info.Theory, 2003, 49 (10) :2 415-2 425.
[2]冯冬雷, 颜彪, 刘松霖, 等.DF-OFDM多中继系统中的子载波匹配[J].无线电通信技术, 2013, 39 (4) :22-24.
[3]SENDONARIS A, ERKIP E, AAZHANG B.User Cooperation Diversity-Part I:System Description[J].IEEE Transactions on Communications, 2003, 51 (11) :1 927-1 938.
[4]SENDONARIS A, ERKIP E, AAZHANG B.User Cooperation Diversity-Part II:Implementation Aspects and Performance Analysis[J].IEEE Transaction on Communications, 2003, 51 (11) :1 939-1 948.
[5]LANEMAN J N, TSE D N C, WORNELL G W.Cooperative Diversity in Wireless Networks:Efficient Protocols and Outage Behavior[J].IEEE Transactions on Information Theory, 2004, 50 (12) :3 062-3 080.
[6]冉杰, 王羽莹.两跳单节点选择增量中继系统及其中断概率研究[J].现代电信科技, 2011, 12 (12) :37-41.
[7]朱松.基于Nakagami-m模型的协同中继性能分析与增强技术研究[D].北京:北京邮电大学, 2010.
[8]张程.基于高阶矩的Nakagami m参数估计方法[J].无线电通信技术, 2012, 38 (2) :13-16.
[9]张正成.Gamma分布密度函数的一种推导[J].兰州交通大学学报 (自然科学版) , 2005, 24 (1) :154-155.
[10]BLETSAS A, SHIN H, WIN M Z.Cooperative Communications with Outage-Optimal Opportunistic Relaying[J].IEEE Trans.Wireless Communication, 2007, 6 (4) :3 450-3 460.
[11]OZAROW L H, SHAMAI S, WYNER A D.Information Theoretic Considerations for Cellular Mobile Radio[J].IEEE Transactions Vehicular Technology, 1994, 43 (2) :359-378.
中继策略方案 篇6
在无线通信网络中, 由于用户终端受体积、功率等各种条件的约束, 给多天线技术的实施带来了困难。协作分集技术作为一种虚拟多天线技术, 可以通过中继节点的协作, 对传输的信息进行转发处理, 以使网络用户的能耗显著降低, 保证终端的数据接收, 优化网络性能。协作分集技术已经成为当前无线通信领域的一个新的研究热点。
对于协作传输系统中的中继选择问题, Laneman和Wornell[1]首先提出了在两跳多分支 (Two-HopMultiple Channels) 的协作网络中, 利用所有可获得的中继节点进行数据转发, 即"全中继协作" (APR) 方案。由于APR方案需要利用所有可获得的信道, 因而在多中继场景下, APR方案的频谱效率较低。中继选择 (RS) 方案[2,3,4,5,6]克服了低频谱效率的问题, 大致可分为单中继选择 (SRS) 方案和多中继选择 (MRS) 方案。在SRS中, 文献[2]选择端到端SNR最大的中继节点, 从而带来全分集增益 (Full diversity gain) 。文献[6]提出了最优最差信道的中继选择 (Best Worse Channel) 方案, 也实现了全分集。在MRS中, 文献[5]提出在功率限制下, 基于最大接收SNR (SNR) 的RS方案。文献[6]提出在总能量受限的情况下选择中继节点, 从而差错概率最小。
SRS相比APR有更高的频谱效率, 但没有充分利用空间分集的自由度。MRS具有更优的差错与中断概率性能, 但最优MRS方案[5]的复杂度随中继数量呈指数增加, 有时由于合并的SNR超出系统的要求, MRS方案会选择一些不必要的中继。基于RS中出现的以上问题, 本文提出一种自适应中继选择方案。在保证目的节点成功解码的基础上, 减少中继节点选择的数目, 从而在差错性能和频谱效率之间取得更好的折衷。
1 系统模型
设协作传输系统的系统模型如图1所示, 它是一个两跳
网络, 其中S表示源节点, D表示目的节点, Ri表示第i个中继节点, hsi表示S到Ri的信道增益, 服从均值为0、方差为σsi2的复高斯分布;hid表示Ri到D的信道增益, 服从均值为0、方差为σid2的复高斯分布。
假设信道状态在完成一次S到D信息传输的过程中保持不变, S发送的总功率为1, 发送的信号为xs, 则Ri收到的信号yri为:
其中nsi是Ri处的噪声, 服从均值为0, 方差为N0的复高斯分布。如果中继节点采用放大转发 (AF) 模式, 则Ri转发的信号xi表示为xi AF:
如果中继节点采用解码转发 (DF) 模式, 则Ri成功解码转发的信号xi表示为xi DF:
D接收到的Ri发送的信号为:
其中nid是D处的噪声, 服从均值为0, 方差为N0的复高斯分布。
2 自适应中继选择方案 (ARSS)
基于图1的系统模型, 我们提出一种自适应中继选择方案 (ARSS) , 具体过程如下:
2.1 确定是否需要中继节点转发
在第一跳中, S同时向所有中继节点和D发送数据, D收到的信号ysd为:
其中nsd是D处的噪声, 服从均值为0, 方差为N0的复高斯分布。则S和D之间的互信息Isd为:
在信息论中, 若给定传输速率R, 则当信道容量小于R时产生中断事件, 可用中断概率来表示。因此S和D之间的中断概率可以表示为:
即中断概率可以等效为信道增益小于某一特定值的一组信道实现的概率, 即:
(1) 当|hsd|2
(2) 当|hsd|2
2.2 确定中继节点转发方式
在系统需要中继转发的情况下, S和Ri的互信息Isi为:
则S和Ri之间中断概率为:
(1) 当|hsi|2
(2) 当|hsi|2≥N0 (22R-1) 时, 即Ri能够解出源S的数据, 此时Ri将以DF的方式转发数据。设si=|hsi2/N0, 则Ri转发的信号如下:
其中th=22R-1是使信道容量等于传输率R的Ri端的接收SNR。
2.3 自适应选择中继节点
在第二跳中, 通过AF转发方式和DF转发方式, D收到Ri转发的信号为:
则SNR id为:
其中。
具体的中继节点选择算法如下:
(1) 初始化中继节点集合Ω。对从大到小排列, 排序完的中继节点集合记为Ω。Ω中的节点数为N, 它随每一次传输状态的不同而变化。
(2) 选择中继节点。当需要中继节点协作时, 从Ω中选择SNR最大的中继节点i*, 即
并从集合Ω中删去i*, 即Ω=Ω-{i*}
(3) 判断中继选择是否结束。目的节点D对收到的多个分集进行最大比合并 (MRC) , 合并后的输出SNR为:
L表示被选的中继节点个数, 比较和门限th_2:
·当≥th2, 中继选择结束。
·当
3 仿真结果
为了说明所提出的ARSS方案的性能, 我们比较了ARSS方案与直接传输模式 (direct) 、解码转发模式 (SDF) 以及所有中继参与放大转发模式 (AAF) 的中断概率、吞吐量, 以及在满足一定中断概率下, 选择的平均中继节点数。其中中断概率Pout为:
吞吐量为:
其中L是每一次选择的中继节点的个数。平均中继节点数为:
中断概率。仿真中设S到D, S到Ri, Ri到D的信道统计特性满足零均值, 方差。"direct"表示的是D和S之间的直接传输模式, 不需要中继节点的协作。"AAF"表示所有的中继节点都参与放大转发过程。"SDF"表示解码转发, 只有解码成功的中继节点转发数据。可以看出ARSS的中断概率明显要比其他中继选择方案的中断概率小。
图3给出了中继节点数目N=3的不同中继选择方案的平均吞吐量, 仿真条件同图2。.直传方式由于不需要中继协作, 所以吞吐量较其他有中继节点的方式高。ARSS随着SNR的增加越来越趋近于直传方案, 吞吐量远远超出了AAF和SDF。
图4给出了中继节点数目N=3的不同中继选择方案选择的平均中继节点个数。仿真条件同图2。直传方式由于不采用中继协作, 所以平均中继个数为0。AAF方式的所有中继节点都参与协作, 当N=3时, 平均中继个数为3。SDF方式下, 在SNR较低时, 中继节点可能不能成功解码源节点S的数据, 所以不参与协作;在SNR较高时, 中继节点成功解码S数据的概率变高, 参与协作的中继节点变多。ARSS与SDF正好相反, 在SNR较低时, 为了保证质量, 需要多节点参与协作;SNR高时, 中继节点参与协作的概率变低。
4 总结
本文提出了一种自适应的中继选择方案。首先目的节点根据直传链路信道状况决定是否需要中继转发;其次中继节点根据第一跳链路的信道状况, 自适应地选择其转发协议;最后目的节点根据第二跳链路的信道状况进行中继节点的选择, 从而在保证目的节点成功解码的基础上, 减少所选的中继节点的个数。仿真结果表明, 与其他中继选择方案相比, 本文提出的方案有效地降低了系统的中断概率, 最小化了中继节点选择的数目, 同时提高了系统平均吞吐量。
摘要：本文研究基于两跳的协作通信系统中的中继选择问题。为了降低中断概率, 传统中继选择方案往往需要引入更多的中继节点参与协作传输, 导致系统平均吞吐量下降。为解决上述问题, 本文提出了一种新的自适应中继选择方案 (ARSS) , 此方案可以结合两跳的链路信道状况, 自适应地选择中继节点及其转发协议。仿真结果表明, 与其他中继选择方案相比, 本文提出的方案有效地降低了系统中断概率, 最小化中继节点选择的数目, 同时提高了系统平均吞吐量。
关键词：协作通信,自适应中继选择,中断概率
参考文献
[1]Laneman J N, Wornell G W.Distributed space-time-codedprotocols for exploiting cooperative diversity in wirelessnetworks[J].IEEE Trans Information Theory, 2003, 49 (10) :2415-2425.
[2]Sadek A K, Han Z, Liu K J R.A distributed relay-assignment Algorithm for cooperative communicationswireless networks[C]//Proc.of IEEE ICC, Jun.2006, 4:1592-1597.
[3]Zhao Y, Adve R, Lim T J.Improving amplify-and-forwardrelay networks:optimal power allocation versusselection[J].IEEE Trans.Wireless Commun., 2007, 6 (8) :3114-3123.
[4]Madan R, Nehta N, Molisch A, et al.Energy-efficientcooperative relaying over fading channels with simplerelay selection[J].IEEE Trans.Wireless Commun., 2008, 7 (8) :3013-3025.
[5]Jing Y, Jafarkhani H.Single and multiple relay selectionschemes and their diversity orders[C]//Proceeding ofIEEE ICC Workshops, May2008:349-353.
变电站中继电保护故障处理方案研究 篇7
1 继电保护故障类型的分类
1) 干扰问题。造成该问题的主要原因是微机保护较弱的抗干扰能力经常会因为保护屏附近的通信设备的干扰作用, 引起逻辑元件的误动作。2) 定值的问题。在定值问题上主要会出现以下的故障:整定计算不准确, 造成了系统误差;装置没有及时更新, 逐渐老化;人工操作时采用了错误的整定方法。3) 高频收发信机问题。不同厂家, 生产的收发信机质量也会存在差异, 经常会因为通信设备问题而引起高频保护收发信机不工作。4) 插件绝缘问题。有一些保护装置的集成度很高, 并且具有十分紧密的布线, 运行较长时间后会由于静电的作用使得静电尘埃聚集在插件接线焊点周围, 容易使电路焊点之间会形成导电通道, 引发装置故障。5) CT饱和的问题。在二次系统中, CT的作用是不可忽视的。系统发生故障会形成快速加剧的短路电流, 造成CT饱和, 使得继电保护装置不能正确动作。
2 继电保护故障处理原则
继电保护的故障处理必须遵循一定的原则。1) 对继电保护进行故障处理要有据可依, 其基本依据有事件记录、光子牌信号、继电保护装置的灯光信号等等。因此, 在故障处理之前要对这些信息数据进行分析, 依据分析结果判断出要处理的故障类型, 更为关键的是根据这些信号, 迅速采取相应的处理措施。2) 在电力系统设备运行过程中, 要根据运行方式的变化进行继电保护装置连接片的投、退处理, 相关处理要同时进行, 同时, 也应该经过严格的分析辨别后才能够处理。针对跳闸回路的连接器, 在投入的时候, 首先要测量两个连接片之间的直流电压, 然后再进行开关在运行过程中投入。对于电气工作人员来, 应该对继电保护装置的数据进行定期检查, 保证数据的有效性, 不能随意修改, 删除记录的相关数据。3) 如果在实际操作过程中, 根据提供的故障信息数据, 分析后没有找到故障发生的信息, 在故障处理时就毫无依据可参考, 这就增加了故障处理的难度。根据已知信息无法判断出故障是人为造成, 还是其它外部环境因素, 或者是继电保护设备装置自身发生故障等。这样, 我们就无法确定具体的检修方案。如果是人为引起的故障, 就要对其处理方式和出现原因做好记录, 避免类似故障的再次发生。
3 故障处理的主要方法介绍
3.1 分析法
1) 在变电站110kv的线路保护中, 会出现这样的故障:进行永久性故障传动的过程中, 加速跳闸后的短时间内又出现第二次自动重合闸。分析微机故障的报告, 显示出两次动作的时间间隔为21s, 刚好是重合闸充电的时间, 结合图1的原理图, 可分析出该故障是由于弹簧中存储电能时间过长引起的。2) 如果在继电保护的重合闸装置中发现有放电闭锁一类的故障, 首先应该分析的对象时各个输入量, 确定出引起放电所满足的闭锁条件, 从而有的放矢的找到故障点。另外, 也可以对故障报告进行分析。
3.2 电位变化法
使用该方法的原理是:实时的监测二次回路中各节点的直流电压以及电位的变化, 确定好故障发生的具体点。该方法较为适用的故障场合是:开关拒分和拒合, 但是相应的指示灯不亮。1) 如图2所示, 线路的开关处于分闸的状态, 但是相应的指示绿灯没有亮。KTP和KB分别表示为跳闸位置和防跳闭锁的继电器, GN表示为开关指示绿灯, HQ表示为合闸线圈, KK表示为万能转换开关, 正负电源分别位于节点1和2处, DL为开关辅助节点。2) 为了正确判断出某开路是否正常, 可以采用保护传动试验。要特别注意在进行主动保护检验的同时旁路开关等设备依然是在运行的。图3中主变保护跳闸继电器的节点为KT, 出口压板为XB, 跳闸出口回路节点为33。运用功能正常的万用表测量1节点的对地电位。启动主变保护后, 在KT相应的动作下压板XB1节点的电位为正, 此时在正常情况下, 电压表的正电位会发生翻转, 如果未发生翻转则表明不正常, 继续测量节点2的电位, 如果结果为正, 可以推断异常原因在下一级电路中。
3.3 凭经验的主观判断法
将过去发生的一些故障进行总体分析, 通过统计学的方法对一些设备的运行情况进行了解, 总结它们发生故障的原因和解决办法, 为以后出现类似故障提供参考。比如:在开关合闸过程中, 如果出现红绿灯都不亮, 并且跳闸的线圈也被烧坏, 经验告诉我们大部分是由于开关机构有操作死点拒分引起的。经验法在实际中是非常受用的方法, 只有在平时多多积累和总结才能在关键时刻迅速作出判断, 将故障造成的损失降到最低。
3.4 分段处理法
1) 首先, 检查高频保护接收机、发送机不能发信, 目的点不能起动本侧发信以及工作管理人员接收不到3d告警的故障。此时, 应该分情况, 分阶段来处理这些检测。先在通道脱开的情况下, 接入75Ω负载, 确定自发自收是否正常, 判断故障是否出现在本机;然后接入通道, 测试通道的接收信号电平差来, 这样可以检测通信电缆是否完好, 从而就可以判断出故障段所在。2) 对有线传输信号通道的检查。将通道口解开之后短接内回路, 确认内回路是否正连通。然后将外侧环短接起来, 通过查看对方是否收到发送的信号, 来判断通道是否连通。
4 结语
中继策略方案 篇8
关键词：协同通信,译码转发,机会中继,中断概率,复杂度
协同通信通过彼此共享网络内不同终端节点的信道资源, 构成虚拟多天线阵而获得空间分集增益, 能够有效抵抗无线信道的衰落效应。在多中继节点网络, 如何选择合适的中继节点参与协同是一个关键问题, 不同的中继选择策略实现复杂度不同, 并对系统性能产生不同的影响。文献[1]分析了“全中继”转发策略的协同系统的性能, 由于系统中存在多个中继, 要求各链路满足正交特性以减小信道间干扰, 导致频谱效率降低, 当中继数过多时, 引起的性能损失会相当明显。为了弥补“全中继”协同的不足, 文献[2,3,4]提出了机会中继选择策略, 通过选择一个最佳中继进行信息转发, 可获得与“全中继”协同或更为复杂的分布式空时编码时相同的分集增益性能, 同时提高了频谱效率, 降低了系统实现的复杂度。本文主要针对DF协同通信网络, 分析两种机会中继选择策略下的系统中断概率和计算复杂度, 并通过数值分析和仿真进行比较。
1 系统模型
在DF协议下, 分布式机会中继和集中式机会中继协同通信网络模型如图1所示。系统中包括1个源节点S, 1个目的节点D和M个中继节点Ri (i=1, 2, L M) 。假设各节点仅有一根天线并工作在半双工模式, 中继的半双工特性使目的节点对接收到的信号能够采用最大比合并技术进行解码。系统中所有信道均相互独立, 且为慢衰落瑞利信道。任意节点i和j之间的信道系数hij服从零均值、方差为σ2ij的复高斯分布。信道噪声服从零均值、方差为N0的复高斯分布。假设各节点的发射功率均为P, 记平均信噪比为SNR, 则有SNR=P/N0。设数据流的目标速率为R。
⑴在分布式机会中继策略中, 网络中所有的潜在中继节点Ri都监听源节点发送的RTS (Ready-To-Send) 分组和目的节点回复的CTS (Clear-To-Send) 分组, 并根据所接收的RTS和CTS分组分别估计其与源节点和目的节点间的信道状态hsi和hid。则中继Ri的信道度量参数为
每个中继节点Ri设置定时器为hi的倒数, 则具有最佳端到端路径的中继节点的定时器会最先超时, 并向整个网络广播一个标志分组以表明其是最佳中继。最佳中继选出后, 源节点发送信息给最佳中继节点, 并由最佳中继向目的节点进行解码转发。
⑵在集中式机会中继策略中, 源节点首先采用广播模式向所有中继节点发送数据, 能够正确解码源节点信息的中继构成候选中继集合Ω, 中继Ri∈Ω向目的节点发送训练序列。目的节点根据接收到的训练序列估计hid, 选取瞬时信噪比最大的节点作为最佳中继。最后被选中的最佳中继向目的节点转发源节点信息。
中继节点Ri能够正确解码源节点信息, 要求源节点S到Ri的瞬时信噪比γsi不小于信噪比门限γth, 则候选中继集合Ω为
最佳中继为
其中, , 是中继节点Ri到目的节点的瞬时信噪比。
2 性能分析
2.1 中断概率
⑴分布式机会中继策略选取的最佳中继是具有最佳端到端瞬时信噪比的节点, 其中端到端瞬时信噪比用源-中继瞬时信噪比和中继-目的节点瞬时信噪比的最小值描述, 则最佳中继的选择准则可描述为
令, 则Wi服从参数为1/2si1/2id的指数分布, 即
系统中断概率为
⑵集中式机会中继策略的最佳中继选择准则如式 (3) 所示。
系统中断概率为
将式 (8) 、式 (9) 和式 (10) 代入式 (7) 中, 则可得到系统中断概率为
2.2 复杂度
分布式机会中继策略的最佳中继选择过程由各个中继节点仅根据本地信道状态信息 (channel state information, CSI) 来完成, 不需要每个中继或目的 (中心) 节点已知全局CSI。当最佳中继选出后, 只有最佳中继接收源节点信息, 其余未选中的中继节点则处于空闲状态。而集中式机会中继策略需要网络中所有中继节点监听接收源节点信息并进行解码, 其最佳中继选择过程由目的 (中心) 节点根据全局CSI计算完成, 并需要将选择结果通过一个低速率的信道反馈给被选中继。
因此, 与集中式机会中继策略相比, 分布式机会中继策略的中继节点解码次数少, 系统实现复杂度更低, 同时能够减少网络中的功率 (能量) 开销和控制开销, 更适用于能量受限的网络, 例如Ad hoc网络或无线传感器网络。
3 仿真结果和分析
本节主要采用蒙特卡洛仿真对分布式和集中式机会中继选择策略的中断概率性能进行比较。仿真中设置信道系数的方差为σ2ij=1, 目标速率为R=1。图2给出了两种策略下的中断概率随信道平均信噪比和潜在中继个数的变化关系, 横轴表示中继到目的节点的平均信噪比值, 纵轴表示系统中断概率。
从图2中可以看出, 两种策略的仿真值均在理论曲线附近, 从而验证了理论分析的正确性。当潜在中继个数一定时, 两种策略在低SNR时的中断概率几乎重合, 但随着SNR的增加, 集中式机会中继策略的中断概率性能略优于分布式机会中继策略。另外, 两种策略的中断概率都随着潜在中继个数的增加而减小。
4 结束语
机会中继通过选择一个最佳中继进行信息转发, 获得与更为复杂的分布式空时码相同的分集增益。本文主要研究了DF协同通信网络中的分布式和集中式机会中继选择策略, 对两种策略的中断概率性能和复杂度进行了分析和比较。与集中式机会中继策略相比, 分布式机会中继策略的实现复杂度较低, 网络中功率开销和控制开销更少, 更适用于能量受限的网络, 但其在高SNR时的中断概率性能略差。
参考文献
[1]Laneman j n, Wornell g w.Distributed space-time-coded protocols for exploiting cooperative diversity in wireless networks[J].IEEE Trans on Information Theory, 2003, 49 (10) :2415-2425.
[2]Bletsas a, Khisti a, Reed d p, et al.A simple cooperative diversity method based on network path selection[J].IEEE J Sel Areas Commun.2006, 24 (3) :659-672.
[3]Bletsas a, Shin h, And Win m.z.Cooperative communications with outage-optimal opportunistic relaying[J].IEEE Trans.Wireless Commun.2007, 6 (9) :3450-3460.