缓存辅助中继在协同通信中的应用

缓存辅助式中继在协同通信中的应用中继协同通信借助中继进行协同通信，能够提高系统容量，增加网络吞吐量，拓展其覆盖范围，增加分集增益和SNR增益……中继根据中继对信号的处理方式[1]放大转发AF解码转发DF压缩转发CF放大转发Amplify-and-Forward[2]中继将从源节点接收到的信号直接进行放大并转发给目的节点。注意到中继接收到的信号通常伴随着干扰，如同道干扰和噪声等，因而AF中继方式要求中继处具有较好的信干噪比，否则其转发的信号主要是所受到的干扰。解码转发Decode-and-Forward[3]指中继根据接收到的信号进行解码，得到源节点发送的数据，然后重新编码并转发给目的节点。解码转发去除了前一跳的噪声，误码性能比放大转发要好。解码转发可看做放大转发的性能上界。解码转发要求中继必须解出正确的码字，否则会造成错误的传播。压缩转发Compress-and-Forward[3]中继将接收到的信号压缩并转发给目的节点。目前大多数研究集中于放大转发和解码转发。根据中继的双工方式全双工中继 Full-DuplexRelay半双工中继 Half-DuplexRelay全双工中继中继的收、发操作在同一时刻、同一频带进行，数据发送效率很高。全双工由于强大的自干扰导致物理难以实现。（interferencecancellation）中继中继时隙1时隙2半双工中继节点收、发数据是由一个预先编制的时刻表决定的。两个时隙(dual-hop)时隙1，源节点向中继发送数据时隙2，中继向目的端发送数据前后两个时隙循环交替半双工中继方式能获得较好的协同效果，物理实现相对容易，是系统系能和复杂度的良好折衷。现有研究大多集中于半双工中继。已有文献证明，在一个多中继系统中，通过选择最佳中继而不是所有中继进行传输，同样能达到大幅提高网络性能的目的。eg.源节点只选择一个中继进行协同传输

[4]能够获得满的分集增益，这与所有中继同时协同传输的分集增益相同。所得到的分集复用折衷与分布式空时编码系统完全相同。催生了中继选择的概念。根据系统对信道状态信息的获知和利用程度，传统中继选择方案一般分为“部分中继选择”和“机会中继选择”[5]。部分中继选择

Partialrelayselection根据“源—中继”或“中继—目的”的信道状态信息，从所有候选中继中选择一个最佳中继。机会中继选择

Opportunisticrelayselection根据“源—中继—目的”的全局信道状态信息，从所有候选中继中选择一个最佳中继。部分中继选择的“部分”体现在系统进行选择时只获取和利用了其中一跳的信道状态信息，因此该方案的性能不是全局最优的其对信道状态信息的依赖程度降低，减少了系统复杂度机会中继选择则利用了全局信道状态信息，其选择出的中继的性能是全局最优的，因此又被称为“最佳中继选择”（BRS）[5]。然而传统的中继方式，不论是部分中继选择还是机会中继选择，其中继的收、发操作都必须遵循预先编制的时刻表。信道的一个典型特点是时变性。固定时刻表与信道条件相独立，容易导致中继无法利用最佳信道进行数据的发送与接收。“缓存辅助式中继”这一概念的产生有效解决了这一困扰。所谓缓存辅助式中继即在传统中继基础之上，增加了一个缓存器件，使中继节点具有了数据缓存能力，从而突破了固定时刻表的限制，赋予了中继灵活利用最佳信道的能力。事实上，在一个通信系统内，由于网络层和传输层通常需要进行数据缓存，使得无线通信中的设备节点大多配备了缓存器[6]。例如，应用于时延容忍网络

（DTN）

的存储携带转发（store-carry-forward）协议，中间节点可能经历暂时的断链，等到连接恢复之后，中间节点继续将数据发送到下一个中间节点或者目的节点，在这种情况下就需要用到数据缓存器[7]。然而，现有文献对缓存器的研究大多集中于网络层和传输层。充分挖掘并利用缓存器在物理层和数据链路层的潜在价值，尚未引起广泛关注。下面将缓存辅助式中继协同网络中的中继选择方案，与传统的机会中继选择方案进行对比。假设中继个数为N，且所有信道为i.i.d瑞利衰落信道。机会中继选择方案回顾

主要思想从所有中继中选择一个最佳中继，使得由该中继确定的前后两跳链路中SINR/SIR/SNR最小者最大化。一旦中继选定，则整个传输链路随之确定。数据传输严格遵循预先编制的时刻表。中断概率

为接收机门限。

其中，根据分集增益和编码增益的定义式[8][9]小结传统中继方式中，上一时隙收到的数据，在下一时隙必须进行转发，因此，系统总的传输性能由两跳中较差者决定。ORS的最终结果是，在每一跳的传输中，对应的信道条件很可能都不是最佳的。很显然ORS不能达到最佳的传输性能。

假设缓存器可存储的数据包长度为

对应的是时延可无限的情况，在实际中不可能实现，是性能的下界。

则退化为传统中继模式，是实际可达的性能上界。缓存辅助式中继方式为中继配备一个数据缓存器，使得中继不必急于转发。好处使得中继在前一时隙接收到的数据，不一定要在下一时隙立即发送，而是可以等到某一个信道条件较好的时隙再发送。为系统性能的进一步提升提供了可能。代价数据需要存储并等待，因而在中继处增加了额外的时延；需要对系统的存储状态进行检测与管理，增加了系统的复杂度。

缓存辅助式中继选择方案Max-Maxrelayselection（MMRS）[5]Hybridrelayselection（HRS）[5]

SpacefullduplexMax-Maxrelayselection（SFD-MMRS）[10]Max-linkSelection[11]

a.Max-Maxrelayselection（MMRS）[5]

MMRS对ORS的改进之处在于，将第一跳和第二跳独立地进行考虑在奇时隙从第一跳的所有N条链路中选择最佳链路

进行传输

在偶时隙从第二跳的所有N条链路中选择最佳链路

进行传输

由于信道的时变性，与通常不是同一个。中断概率

分集增益和编码增益相比ORS的SNR增益b.Hybridrelayselection（HRS）[5]

MMRS中缓存器无限长的理想化假设实际中无法实现，因而其提出者对其进行了改进，使其适用于缓存器有限长的情况。中断概率

分集增益和编码增益相比ORS的SNR增益c.SpacefullduplexMax-Maxrelayselection（SFD-MMRS）[10]

思想利用缓存辅助式半双工中继来实现全双工功能，改进MMRS和HRS的不足。在每一个时隙内，不是选择一个中继，而是选择最优中继对

。同一个时隙内，最优中继对同时工作。c.SpacefullduplexMax-Maxrelayselection（SFD-MMRS）[10]

中断概率

分集增益和编码增益注意我们假设系统平均传输速率为

。在ORS、MMRS和HRS等半双工系统中，由于传输每一个数据包需要两个时隙，则有

。而在SFD-MMRS系统中，由于传输每一个数据包只需要一个时隙，则有

。这是为了比较性能的公平性，应引起注意。

d.Max-linkSelection[11]

相比传统的ORS，尽管MMRS和SFD-MMRS取得了较大的SNR增益或接入能力的提升，然而系统的分集增益无法突破N。Max-linkSelection方案打破了这一限制。思想在每一个时隙，均从所有可用的

共

条链路中选择最佳链路传输，而不必遵循时刻表的限制。中断概率

注意到该方案也是半双工的，故有

。上式中，

分别为i状态时第一跳和第二跳可用链路数，它们是随着数据传输过程而动态变化的。

时有，其分集增益为

时有，其分集增益

为

ORSMMRSSFD-MMRSMAX-LINK性能相对较差系统复杂度较低传输时延较小小结缓存辅助式中继方式能大幅提高时变信道的传输性能，可以应用于Vehicular,Cellular,SensorNeteorks等，非常适用于时延不敏感业务。性能提升非常明显系统复杂度相对较高传输时延较大传统中继方式缓存辅助式中继方式缓存辅助式中继在其他场景的应用

单中继网络认知网络物理层安全MIMO系统……

单中继网络BICM-OFDMTWC2013条件DF缓存有限长前后跳i.ni.d。成果成对差错概率上界分集度端到端平均延时

单中继网络Trans.InfTheory2013条件DF；AdaptiveLinkSelection；缓存有限长；前后跳i.i.d和i.ni.d源和中继均没有CSIT，固定速率（fixed）源无CSIT，中继有CSIT，混合速率（mixed）

单中继网络成果系统吞吐量中断概率分集复用折衷端到端平均延时

认知网络TVT2014条件DF；MAXLINK方案；缓存有限长；主、次网络相互干扰次网络传输链路、次对主的干扰链路、主对次的干扰链路内部分别i.i.d，但相互之间不是i.i.d。

认知网络成果次网络中断概率、分集度中继处平均延时

物理层安全TIF2014条件DF；MAXLINK方案；缓存有限长；传输链路中，第一跳与第二跳分别i.i.d，但相互之间不是i.i.d。分别考虑主动窃听（已知窃听链路瞬时CSI）和被动窃听（已知窃听链路平均CSI）成果安全中断概率

物理层安全TWC2015条件DF；缓存有限长；Alice知道中继的CSI，中继知或不知Bob的CSI，Alice和中继都不知Eve的CSI。Alice可变速率，中继固定速率。成果安全吞吐量安全中断概率

WSA2015会议条件单源，多中继，多目的节点，多窃听（均多天线）AFbuffer-aided中继MIMO成果最大似然准则设计中继选择方案最大化安全速率缓存辅助式中继研究现状与前景

所需理论背景建模缓存器存储状态时，用到随机过程中马尔科夫过程的相关知识。分析时延性能时，用到排队论中Little定理。各个具体场景下的理论知识。缓存辅助式中继研究现状与前景

大部分集中于DF，研究AF的很少。14年TWC有一篇AF的，最简单的单源多中继单目的网络，研究的是中断和时延性能。15年WSA，模型复杂，但分析没有深入。缓存辅助式中继研究现状与前景

多中继网络里面，大部分集中于i.i.d。i.i.d模型时，转移概率矩阵容易求解（已有现成结论）。所有链路i.ni.d情况下，目前未见。难点在于转移概率矩阵难求中继选择策略待优化，否则选择不均衡，在某些信道条件好的链路容易出现溢出。可能的解决思路是，仿照单中继的adaptive链路选择策略，引入优化因子。缓存辅助式中继研究现状与前景

物理层安全场景，引入缓存辅助后的研究还不充分。其他使用中继协同的场景，潜力有待挖掘。参考文献[1]M.Torabi,D.Haccoun,andJ.F.Frigon,“RelayselectioninAFcooperativesystems,”IEEEVehicularTechnologyMagazine,vol.24,no.3,pp.659-672(待查),Dec.2012.[2]J.Laneman,D.Tse,andG.Wornell,“Cooperativediversityinwirelessnetworks:Efficientprotocolsandoutagebehavior,”IEEETrans.Inf.Theory,vol.50,no.12,pp.3062-3080,Dec.2004.[3]G.kramer,M.Gastpar,andP.Gupta,“Cppoerativestrategiesandcapacitytheoremsforrelaynetworks,”IEEETrans.Inf.Theory,vol.51,no.9,pp.3037-3063,Sept.2005.[4]A.Bletsas,A.Khisti,D.Reed,andA.Lippman,“Asimplecooperativediversitymethodbasedonnetworkpathselection,”IEEEJ.Sel.AreasCommun.,vol.24,no.3,pp.659-672,Mar.2006.[5]A.Ikhlef,D.S.Michalopoulos,andR.Schober,“Max-maxrelayselectionforrelayswithbuffers,”IEEETrans.WirelessCommun.,vol.11,no.3,Mar.2012,pp.1124–35.[6]N.Zlatanov,A.Ikhlef,T.Islam,andR.Schober,``Buffer-aidedcooperativecommunications:opportunitiesandchallenges,''IEEECommun.,Mag.,vol.52,no.4,pp.146-153,Apr.2014.[7]M.Khabbaz,C.Assi,andW.Fawaz,“Disruption-TolerantNetworking:AComprehensiveSurveyonRecentDevelopmentsandPersistingChallenges,”IEEECommun.SurveysandTutorials,vol.14,May2012,pp.607–40.[8]V.Tarokh,N.Seshadri,andA.R.Calderbank,“Space-timecodesforhighdataratewirelesscommunication:performancecriterionandcodeconstruction,”IEEETrans.Inform.Theory,vol.44,pp.744–765,Mar.1