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【摘要】在本文中，我们在超短波通信下针对有限长缓存辅助协作中继系统提出了一种基于缓存中继剩余能量的缓存中继选择方案。所提方案不仅考虑了无线链路的信道状态信息（CSI），而且还考虑了缓存中继的剩余能量和缓存剩余大小，综合考虑这三种因素来选择最优中继节点。我们运用马尔科夫链模型在放大转发协议下（AF）分析了所提方案的中断概率和网络的使用寿命。仿真结果表明，所提方案相比于最大链路选择方案，明显提高了网络的使用寿命。
【关键词】缓存辅助中继；剩余能量；中继选择；网络寿命
一、引言
由于超短波通信工作在甚高频段，具有很宽的频带，利用视距传播方式，传播稳定性高，抗干扰能力强，因此其在军事领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显得尤为重要，但因为超短波的直线传播特性和不能长距离通信特性，使得它又存在一定的通信局限。
鉴于协作中继技术能提高网络的可靠性和增大无线通信系统的覆盖面，多中继的协作中继系统中，中继选择技术被证明能在保持通信系统效率的同时有效的提高分集增益，本文将协作中继选择技术引入超短波通信中，以增强超短波通信的抗干扰能力。
最近，在[7]，[8]中提出的中继缓存辅助系统能够解除信息在预定义的时间周期内进行传递的约束，它所提出的中继选择方案总是在每一个时隙选择在所有可行S-R和R-D链路中最好的一个。在[9]中，对一个具有固定速率的多中继有限缓存系统进行了研究，同时还提出了最大链路中继选择方案。在每一个时隙，使用可用链路中的具有最强信道增益的链路进行接收或者传递消息。但是以往的中继选择算法，主要都只考虑信道状态信息，而对中继本身的约束未加考虑，造成了信道链路利用率低，和单一中继的重复多次使用，增加了中继老化的速度，降低了网络使用寿命。
在本文中，针对超短波通信中的多中继缓存辅助系统，我们提出了一个基于缓存中继剩余能量选择方案。在该方案中，我们同时考虑中继剩余能量和链路信道状态信息（CSI），来选择最优中继。对网络的中断概率和使用寿命进行了具体分析。仿真结果表明，在保证通信系统一点可靠度的前提下，所提算法能有效的增加缓存协作中继网络的使用寿命。
二、缓存中继系统模型
图1为缓存中继的系统模型。在该系统中，有一个源节点，一个目标节点和K个缓存中继，每一个中继缓存大小为L，并且每个中继都是单天线的，在一个时隙内只能收或者发，是一个半双工系统。
在此系统中，我们给定一个中心控制节点，来决定其他中继节点用作接收或是发送。任意能与所有节点通信的节点都能被选作中心控制节点。为了不失去一般性，我们假定R1为中心控制节点。为了方便本文的研究，对本缓存中继系统，做出如下假设：
1）各个链路的信道增益是不相关，相互独立的；
2）源节点能源源不断发送数据，即假设其队列长度无限大；
3）当节点的剩余能量不能支撑一次信号的接收或发送时，认为该节点死亡；
4）根据文献[10]的定义，我们设定一个门限值N，当系统的死亡节点个数超过N时，则认为网络死亡。
三、剩余能量缓存中继选择算法
考虑中继的剩余能量对网络的影响，能减小过度使用某一信道状态良好的中继，以降低器件损耗。
五、仿真结果
在本文的仿真环境中，我们设定超短波信道，其为一个复随机过程。中继数K=3，缓存大小L=3，中继的门限SNR设定为4。所有中继节点的初始能量值 都相同，其接收功率和发送功率同为0.1w。采用蒙特卡罗仿真方法，进行了10000此仿真。仿真对比了本方案与最大链路选择方案系统的中断概率性能和使用寿命。
图2对比了文所提剩余能量方案与最大链路选择方案的中断概率性能，可以看出，在中断概率为10-5时，最大链路选择方案相比与本章所提方案有接近1dB的增益。
图3展示了系统的使用寿命随中继节点的变化情况。在此仿真中，我们定义中继的初始能量E=100，为了不失一般性，定义权重向量W=（0.5 0.5）。从图中可以看出，网络寿命随着中继的增多而增长，同时，当用模糊评判准则考虑剩余能量时，网络寿命的性能比一般的信道状态选择要好。
图4中，我们设定中继节点数K=3，权重向量W=（0.5 0.5）。从图中可以看出，当初始能量增加时，两种方案的网络寿命都增长，但是基于模糊评判的剩余能量选择方案，能实现更长的网络寿命。
图5给出了不同权重向量下，系统寿命的对比。中继的初始能量E=100，缓存中继大小L=3。从图中可以看出，当剩余能量所占权重增大时，系统的寿命会越来越大，最终在比重值达到0.7时，系统寿命达到最大值。而只考虑信道状态方案，其使用寿命恒定不变。不失一般性而言，当权重指数为0.52时，剩余能量中继选择方案的网络寿命接近是最大链路选择方案的两倍。
六、结束语
在本文中，我们研究了超短波通信中的协作中继选择问题，针对多中继缓存协作通信系统提出了剩余能量缓存中继选择方案，采用模糊评判算法将缓存中继的剩余能量与可用链路的信道状态信息相结合，分别考虑了系统的初始能量，中继数目以及剩余能量所占权重的改变，对网络寿命造成的影响。从结果可以看出，本文所提方案能在保证网络一定可考虑的前提下，增加了网络的使用寿命。
参考文献
[1]J. N. Laneman， D. N. C. Tse， and G. W. Wornell. Cooperative diversity in wireless networks： Efficient protocols and outage behavior [J]. IEEE Trans. Inf. Theory， 2004， 50（12）： 3062–3080. [2]Q. Li， K. H. Li， and K. C. The. Diversity-multiplexing tradeoff of wireless communication systems with user cooperation [J]. IEEE Trans. Inf. Theory， 2011， 57（9）： 5794–5819.
[3]A. Bletsas， A. Khisti， D. P. Reed， and A. Lippman. A simple cooperative diversity method based on network path selection [J]. IEEE J. Sel. Areas Commun， 2006， 24（3）： 659–672.
[4]A. Bletsas， H. Shin， and M. Z. Win. Cooperative communications with outage-optimal opportunistic relaying [J]. IEEE Trans. Wireless Commun. 2007， 6（9）： 3450–3460.
[5] W. J. Huang， Y. W. Hong， C. C. J. Kuo. Lifetime maximization for amplify-and-forward cooperative networks [C].Proceedings of Wireless Communications and Networking Conference. Hong Kong： IEEE， 2007：814-818.
[6]A. Ikhlef， D. S. Michalopoulos， and R. Schober. Max-max relay selection for relays with buffers [J]. IEEE Trans. Wireless Commun. 2012， 11（3）： 1124–1135.
[7]T. Liu， L. Song， Y. Li， Q. Huo， and B. Jiao. Performance analysis of hybrid relay selection in cooperative wireless systems [J]. IEEE Trans. Commun.， 2012， 60（3）： 779–788.
[8]Y. Jing and H. Jafarkhani. Single and multiple relay selection schemes and their achievable diversity orders [J]. IEEE Trans. Wireless Commun. 2009， 8（3）： 349–353. （下转309页）
（上接309页）
[9]I. Krikidis， T. Charalambous， and J. S. Thompson. Buffer-aided relay selection for cooperative diversity systems without delay constraints [J]. IEEE Trans. Wireless Commun.， 2012， 11（5）： 1957–1967.
[10 Wei Y F， Yu F R， Song M， Leung V C M. Energy Efficient Distributed Relay Selection in Wireless Cooperative Networks with Finite State Markov Channels [C] . IEEE Global Telecommunications Conference. Honolulu， HI： IEEE， 2011： 1-6.
[11] D. S. Michalopoulos and G. K. Karagiannidis. Performance analysis of single relay selection in Rayleigh fading [J]. IEEE Trans. Wireless Commun.， 2008， 7（10）： 3718–3724.
[12] Q Qin， Zhi-Min Zeng， Tian-Kui Zhang， Cong-Qing Zhang. Dynamic Multi-nodes Relay Selection Algorithm [J].Journal of University of Electronic Science and Technology of China， 2011， 40（4）：505-508.
[13] H. A. David， Order Statistics Second Edition. Hoboken， NJ， USA： Wiley， 1981
[14] M. Abramowitz and I. A. Stegun. Handbook of Mathematical Functions： With Formulas， Graphs， Mathematical Tables [J]. U.S. Govt. Print. Off.， 1965， 56（10）：136-144.
[15]I. Krikidis， T. Charalambous， and J. S. Thompson. Buffer-aided relay selection for cooperative diversity systems without delay constraints[J]. IEEE Trans. Wireless Commun.， 2012， 11（5）： 1957–1967.
作者简介
陈慧林（1991-），男，硕士，主要研究方向：无线移动通信，网络编码。
王呈贵（1970-），男，博士，教授，主要研究方向：无线通信及组网技术。
杨文东（1981-），男，讲师，主要研究方向：无线移动通信。
【关键词】缓存辅助中继；剩余能量；中继选择；网络寿命
一、引言
由于超短波通信工作在甚高频段，具有很宽的频带，利用视距传播方式，传播稳定性高，抗干扰能力强，因此其在军事领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显得尤为重要，但因为超短波的直线传播特性和不能长距离通信特性，使得它又存在一定的通信局限。
鉴于协作中继技术能提高网络的可靠性和增大无线通信系统的覆盖面，多中继的协作中继系统中，中继选择技术被证明能在保持通信系统效率的同时有效的提高分集增益，本文将协作中继选择技术引入超短波通信中，以增强超短波通信的抗干扰能力。
最近，在[7]，[8]中提出的中继缓存辅助系统能够解除信息在预定义的时间周期内进行传递的约束，它所提出的中继选择方案总是在每一个时隙选择在所有可行S-R和R-D链路中最好的一个。在[9]中，对一个具有固定速率的多中继有限缓存系统进行了研究，同时还提出了最大链路中继选择方案。在每一个时隙，使用可用链路中的具有最强信道增益的链路进行接收或者传递消息。但是以往的中继选择算法，主要都只考虑信道状态信息，而对中继本身的约束未加考虑，造成了信道链路利用率低，和单一中继的重复多次使用，增加了中继老化的速度，降低了网络使用寿命。
在本文中，针对超短波通信中的多中继缓存辅助系统，我们提出了一个基于缓存中继剩余能量选择方案。在该方案中，我们同时考虑中继剩余能量和链路信道状态信息（CSI），来选择最优中继。对网络的中断概率和使用寿命进行了具体分析。仿真结果表明，在保证通信系统一点可靠度的前提下，所提算法能有效的增加缓存协作中继网络的使用寿命。
二、缓存中继系统模型
图1为缓存中继的系统模型。在该系统中，有一个源节点，一个目标节点和K个缓存中继，每一个中继缓存大小为L，并且每个中继都是单天线的，在一个时隙内只能收或者发，是一个半双工系统。
在此系统中，我们给定一个中心控制节点，来决定其他中继节点用作接收或是发送。任意能与所有节点通信的节点都能被选作中心控制节点。为了不失去一般性，我们假定R1为中心控制节点。为了方便本文的研究，对本缓存中继系统，做出如下假设：
1）各个链路的信道增益是不相关，相互独立的；
2）源节点能源源不断发送数据，即假设其队列长度无限大；
3）当节点的剩余能量不能支撑一次信号的接收或发送时，认为该节点死亡；
4）根据文献[10]的定义，我们设定一个门限值N，当系统的死亡节点个数超过N时，则认为网络死亡。
三、剩余能量缓存中继选择算法
考虑中继的剩余能量对网络的影响，能减小过度使用某一信道状态良好的中继，以降低器件损耗。
五、仿真结果
在本文的仿真环境中，我们设定超短波信道，其为一个复随机过程。中继数K=3，缓存大小L=3，中继的门限SNR设定为4。所有中继节点的初始能量值 都相同，其接收功率和发送功率同为0.1w。采用蒙特卡罗仿真方法，进行了10000此仿真。仿真对比了本方案与最大链路选择方案系统的中断概率性能和使用寿命。
图2对比了文所提剩余能量方案与最大链路选择方案的中断概率性能，可以看出，在中断概率为10-5时，最大链路选择方案相比与本章所提方案有接近1dB的增益。
图3展示了系统的使用寿命随中继节点的变化情况。在此仿真中，我们定义中继的初始能量E=100，为了不失一般性，定义权重向量W=（0.5 0.5）。从图中可以看出，网络寿命随着中继的增多而增长，同时，当用模糊评判准则考虑剩余能量时，网络寿命的性能比一般的信道状态选择要好。
图4中，我们设定中继节点数K=3，权重向量W=（0.5 0.5）。从图中可以看出，当初始能量增加时，两种方案的网络寿命都增长，但是基于模糊评判的剩余能量选择方案，能实现更长的网络寿命。
图5给出了不同权重向量下，系统寿命的对比。中继的初始能量E=100，缓存中继大小L=3。从图中可以看出，当剩余能量所占权重增大时，系统的寿命会越来越大，最终在比重值达到0.7时，系统寿命达到最大值。而只考虑信道状态方案，其使用寿命恒定不变。不失一般性而言，当权重指数为0.52时，剩余能量中继选择方案的网络寿命接近是最大链路选择方案的两倍。
六、结束语
在本文中，我们研究了超短波通信中的协作中继选择问题，针对多中继缓存协作通信系统提出了剩余能量缓存中继选择方案，采用模糊评判算法将缓存中继的剩余能量与可用链路的信道状态信息相结合，分别考虑了系统的初始能量，中继数目以及剩余能量所占权重的改变，对网络寿命造成的影响。从结果可以看出，本文所提方案能在保证网络一定可考虑的前提下，增加了网络的使用寿命。
参考文献
[1]J. N. Laneman， D. N. C. Tse， and G. W. Wornell. Cooperative diversity in wireless networks： Efficient protocols and outage behavior [J]. IEEE Trans. Inf. Theory， 2004， 50（12）： 3062–3080. [2]Q. Li， K. H. Li， and K. C. The. Diversity-multiplexing tradeoff of wireless communication systems with user cooperation [J]. IEEE Trans. Inf. Theory， 2011， 57（9）： 5794–5819.
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[8]Y. Jing and H. Jafarkhani. Single and multiple relay selection schemes and their achievable diversity orders [J]. IEEE Trans. Wireless Commun. 2009， 8（3）： 349–353. （下转309页）
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[9]I. Krikidis， T. Charalambous， and J. S. Thompson. Buffer-aided relay selection for cooperative diversity systems without delay constraints [J]. IEEE Trans. Wireless Commun.， 2012， 11（5）： 1957–1967.
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[12] Q Qin， Zhi-Min Zeng， Tian-Kui Zhang， Cong-Qing Zhang. Dynamic Multi-nodes Relay Selection Algorithm [J].Journal of University of Electronic Science and Technology of China， 2011， 40（4）：505-508.
[13] H. A. David， Order Statistics Second Edition. Hoboken， NJ， USA： Wiley， 1981
[14] M. Abramowitz and I. A. Stegun. Handbook of Mathematical Functions： With Formulas， Graphs， Mathematical Tables [J]. U.S. Govt. Print. Off.， 1965， 56（10）：136-144.
[15]I. Krikidis， T. Charalambous， and J. S. Thompson. Buffer-aided relay selection for cooperative diversity systems without delay constraints[J]. IEEE Trans. Wireless Commun.， 2012， 11（5）： 1957–1967.
作者简介
陈慧林（1991-），男，硕士，主要研究方向：无线移动通信，网络编码。
王呈贵（1970-），男，博士，教授，主要研究方向：无线通信及组网技术。
杨文东（1981-），男，讲师，主要研究方向：无线移动通信。