賈海云　樂(lè)永生

摘要：目前，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，以及成為了國(guó)家各大高科技產(chǎn)業(yè)的技術(shù)支柱。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的日益發(fā)展，人們對(duì)于無(wú)線通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能要求越來(lái)越高。該文基于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中繼信道源節(jié)點(diǎn)選擇問(wèn)題，對(duì)基于遺傳算法的多中繼選擇算法進(jìn)行了構(gòu)建與仿真研究。

關(guān)鍵詞：協(xié)作通信；遺傳算法；中繼選擇

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）09-2053-03

1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)作通信概述

由于單一網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不具備完全的功能組合實(shí)現(xiàn)能力，經(jīng)過(guò)協(xié)作技術(shù)的應(yīng)用則可以使單元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不同組成部分的功能集合一體，因此，協(xié)作技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是對(duì)于系統(tǒng)理論涌現(xiàn)效應(yīng)的追求。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)作通信主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：一是將單一無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的終端和技術(shù)進(jìn)行協(xié)作處理，以達(dá)到提高單一無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能的目的；二是將相互異構(gòu)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間加以協(xié)作處理，使這些無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)涌現(xiàn)效應(yīng)。但是，相互異構(gòu)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作處理并不是將其功能和技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單拼湊，協(xié)作處理設(shè)計(jì)了多個(gè)部分，包括網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)作、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議協(xié)作、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)協(xié)作等等。

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)作通信中，將目的與源之間直接連通的信道稱(chēng)作為中繼信道，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)作通信的關(guān)鍵部分就是對(duì)中繼信道包含的源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息處理。由此，如果對(duì)中繼信道源節(jié)點(diǎn)應(yīng)用的處理方案不同，則會(huì)到處出現(xiàn)不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)作通信協(xié)議，通常情況下包括自適應(yīng)中繼信道處理方案和固定中繼信道處理方案。

2 基于遺傳算法的多中繼選擇算法構(gòu)建

2.1系統(tǒng)模型

以圖1中常見(jiàn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)作通信場(chǎng)景為例，[S]作為中繼信道的源節(jié)點(diǎn)，包含[N]個(gè)中繼[R]的集合，以及一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的接收端[D]。如果每個(gè)中繼信道只包含了一個(gè)單天線，而且在保證中繼信道源節(jié)點(diǎn)[S]與目的節(jié)點(diǎn)接收端[D]之間沒(méi)有直接相連的鏈路，源節(jié)點(diǎn)[S]向目的節(jié)點(diǎn)[D]發(fā)送廣播信息，可以使用中繼集合中包含的任意一個(gè)或多個(gè)[R]進(jìn)行協(xié)助處理。當(dāng)?shù)赱i]個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)[Ri]僅僅能夠得到屬于自身的兩跳信道系數(shù)時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)[D]則能掌握全部中繼的信道系數(shù)。

2.2協(xié)議描述

本文將中繼選擇策略作為遺傳算法中包含的個(gè)體數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化，從而得到基于遺傳算法的多中繼無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信選擇算法。

在完成多中繼選擇上時(shí)，需要對(duì)每個(gè)中繼信號(hào)進(jìn)行標(biāo)注，并且根據(jù)當(dāng)時(shí)中繼信道的瞬時(shí)狀態(tài)完成排序，對(duì)中繼信道[R3]的信噪比進(jìn)行計(jì)算，得到[SNR1]，再將中繼信道[R3]和[R5]的信噪比進(jìn)行計(jì)算，得到[SNR2]，最后對(duì)[R3]、[R5]、[Rn]的信噪比進(jìn)行計(jì)算，得到[SNR3]。由于中繼個(gè)數(shù)為[N]，因此，需要對(duì)[N]個(gè)[SNR]進(jìn)行計(jì)算，其對(duì)應(yīng)的中繼就是需要參與協(xié)作處理的中繼集合。

如果要使某一個(gè)功率之處的能量效率處于最大值，需要給出信噪比與總功率之間的比值，作為另外一種自適應(yīng)度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。但是，此時(shí)的中繼集合不再是與最大值數(shù)相對(duì)應(yīng)的中繼集合，而是信噪比與總功率的比值不再繼續(xù)提升時(shí)的中繼集合，從而保證某一個(gè)功率之處的能量效率能夠最大。其次，根據(jù)遺傳算法的累計(jì)概率分布完成輪盤(pán)賭選擇，是否進(jìn)行交叉也是根據(jù)遺傳算法的交叉概率來(lái)判斷的，之后，再根據(jù)遺傳算法的變異概率完成個(gè)體取反變異。當(dāng)完成了一次遺傳算法的交叉選擇、交叉變異之后，需要對(duì)個(gè)體進(jìn)行自適應(yīng)評(píng)價(jià)，中繼算法也是遵循信噪比完成的個(gè)體排序過(guò)程。

當(dāng)完成一次遺傳算法時(shí)，需要將最有個(gè)體進(jìn)行保留，而且要將上一次遺傳算法得到的最優(yōu)個(gè)體加入進(jìn)行優(yōu)化重復(fù)學(xué)習(xí)，達(dá)到不斷更新最優(yōu)個(gè)體的目的?；谶z傳算法的中繼選擇算法需要完成200代的遺傳算法優(yōu)化學(xué)習(xí)，從而得到基于遺傳算法多中繼選擇算法的最有個(gè)體。

2.3算法流程

基于遺傳算法多中繼選擇算法流程如圖2所示：

3 基于遺傳算法多中繼選擇算仿真結(jié)果分析

本文基于MATLAB軟件對(duì)基于遺傳算法多中繼選擇算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)中繼選擇算法的能效進(jìn)行分析研究，驗(yàn)證了基于遺傳算法多中繼選擇算法的性能。將基于遺傳算法多中繼選擇算法與傳統(tǒng)的信噪比選擇標(biāo)準(zhǔn)的多中繼算法、平均與最佳選擇標(biāo)準(zhǔn)的多中繼算法和最佳信道選擇標(biāo)準(zhǔn)的多中繼算法進(jìn)行比較分析，最終得到了基于遺傳算法多中繼選擇算法能夠得到最優(yōu)解的結(jié)論。

如圖3所示，描述了10個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的四種多中繼選擇算法能效的對(duì)比分析，在對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)作通信處理時(shí)必須考慮到系統(tǒng)功率的消耗，由于信噪比是隨著功率的提升呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，而多中繼算法效能的是隨著功率的提升呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)P<5時(shí)，GA算法、SNR算法、harmonic算法和max-min算法的功率提升與算法能效增長(zhǎng)趨勢(shì)相同；當(dāng)P>5時(shí)，遺傳算法的效能依然可以隨著功率的提升而快速增長(zhǎng)，而其他三種傳統(tǒng)的多中繼算法效能的增長(zhǎng)趨勢(shì)基本相同，且不再進(jìn)行增長(zhǎng)。因此，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)作通信中遺傳算法是一種最優(yōu)的中繼選擇算法。

圖4給出了有15個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)的四種多中繼選擇算法的能效（信噪比/發(fā)送端和中繼的總功率）對(duì)比圖。從圖中可以看到能效隨著功率增大成對(duì)數(shù)增長(zhǎng)。當(dāng)P<3時(shí)，四種能效隨著功率的增大增長(zhǎng)趨勢(shì)一致；當(dāng)P>3時(shí)，遺傳算法的能效仍舊隨著功率的增大而較快增長(zhǎng)，但基于傳統(tǒng)中繼選擇準(zhǔn)則的多中繼選擇算法的能效增長(zhǎng)速度減慢，且當(dāng)P>5時(shí)基本保持恒定不再增長(zhǎng)。再一次驗(yàn)證了在考慮能效方面，遺傳算法仍然具有較明顯的優(yōu)勢(shì)，是一種求得最優(yōu)中繼的選擇算法。

如圖4所示，描述了15個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的四種多中繼選擇算法能效的對(duì)比分析，四種多中繼選擇算法的能效隨著功率的提升呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。當(dāng)P<3時(shí)，四種多中繼選擇算法能效與功率提升而增長(zhǎng)的趨勢(shì)基本相同，當(dāng)P>3時(shí)，基于遺傳算法多中繼選擇算法能效仍然能夠隨著功率的提升而大幅度增長(zhǎng)，其他三種多中繼選擇算法的能效增長(zhǎng)速度較為緩慢，當(dāng)P>5時(shí)，基本已經(jīng)保持不再繼續(xù)增長(zhǎng)的穩(wěn)定狀態(tài)。因此，再次證明了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)作通信中遺傳算法是一種最優(yōu)的中繼選擇算法。

對(duì)比圖3與圖4可以看出，當(dāng)中繼數(shù)量不斷增加時(shí)，雖然會(huì)消耗會(huì)增多，但是，中繼選擇算法能效卻有了明顯提升，因此，說(shuō)明了中繼選擇算法能效應(yīng)用于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中具有重要意義。

4 結(jié)論

綜上所述，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)作通信中的不同節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行有效的協(xié)作處理，能夠明顯提高系統(tǒng)的性能，協(xié)作技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了無(wú)線通信領(lǐng)域，并且成為了關(guān)鍵技術(shù)支持手段，得到了無(wú)線通信領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，該文對(duì)于中繼選擇問(wèn)題的研究具有較強(qiáng)的理論指導(dǎo)意義。

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