中繼增強的 LTE-A 蜂窩網(wǎng)絡(luò)中路由方案的【推薦論文】 .doc

精品論文中繼增強的 lte-a 蜂窩網(wǎng)絡(luò)中路由方案的優(yōu)化韓欣彤，劉濤5（上海交通大學(xué)電子工程系） 摘要：中繼技術(shù)可以在提高無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的小區(qū)容量與小區(qū)用戶之間的公平性，但是需要 對頻譜分配方案及路由算法等進(jìn)行更深入的研究。本文針對引入固定中繼的 lte-a 蜂窩網(wǎng) 絡(luò)，首先對兩種不同的基于復(fù)用分割思想的無線頻率資源分配方案，進(jìn)行分析和性能仿真比10較。接著在較優(yōu)的分配方案基礎(chǔ)上對路由策略進(jìn)行優(yōu)化，提出啟發(fā)式調(diào)整路由算法，根據(jù)三 種不同的比較標(biāo)準(zhǔn)來調(diào)整接入基站和中繼的用戶數(shù)。仿真結(jié)果顯示，通過采用這種低復(fù)雜度 的啟發(fā)式路由算法，小區(qū)總?cè)萘揩@得較大增加，同時保證了小區(qū)邊緣用戶的通話質(zhì)量。 關(guān)鍵詞：通信與信息系統(tǒng),中繼增強蜂窩網(wǎng)絡(luò)，小區(qū)容量，路由算法中圖分類號：tn911.2215routing algorithms in relay enhanced lte-a cellular networkshan xintong, liu tao(department of electronic engineering,shanghai jiaotong university)20abstract: relay can improve the cell capacity and user fairness of a wireless cellular network to a great extent, but more comprehensive study should be done on the spectrum allocation schemesand routing algorithms. this paper firstly analyzes and compares two reuse partitioning-based resource allocation schemes in relay-enhanced lte-a networks. then optimization of routing strategy based on the prefer scheme is accomplished by proposing heuristic routing algorithm, in25which three different compare criterions are adopted to adjust the number of user who accesses the base station or relay node. the simulation results show that the cell capacity can be improved as well as the quality of service of edge users can be guaranteed by using the proposed routing algorithm.key words: telecommunication and information system, relay-enhanced cellular network, cell30capacity, routing algorithm0引言中繼技術(shù)作為 lte-advanced 系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，已經(jīng)被證明能有效擴大系統(tǒng)的覆 蓋范圍,提高通信小區(qū)的總?cè)萘亢屯掏铝?，提高小區(qū)邊界用戶的通話質(zhì)量和解決覆蓋死角問35題等1。但是中繼技術(shù)的應(yīng)用仍然面臨著兩個亟待解決的問題。首先，由于總的頻譜資源受 限，因此如何有效分配基站和中繼所占用的頻率資源成為了一個非常值得研究的問題。很多文獻(xiàn)都對此進(jìn)行了一些討論，并提出了不少頻譜資源的分配以及復(fù)用的方案234。其次， 中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)中,每個用戶選擇中繼還是基站接入網(wǎng)絡(luò),即小區(qū)內(nèi)的路由方案,在提高小區(qū)吞 吐量和保證用戶服務(wù)質(zhì)量中起著非常重要的作用。先前的許多研究已經(jīng)提出了一些基本的路40由策略56，例如基于距離相關(guān)的路由方案，基于接收功率的路由方案，基于用戶接受信噪 比最大的路由方案等等。但如何將資源分配和路由問題結(jié)合起來最優(yōu)化中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)性能還基金項目：高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目(新教師類,項目編號 20090073120029) 作者簡介：韓欣彤（1990-），男，上海交通大學(xué)電子系本科生，研究方向：無線通信 通信聯(lián)系人：劉濤（1971-），男，上海交通大學(xué)電子系助理研究員，研究方向：無線通信. e-mail:- 9 -需要進(jìn)行更深入的研究。本文針對兩種頻譜資源分配方案進(jìn)行詳細(xì)分析，并對兩種方案在系統(tǒng)總?cè)萘亢陀脩敉掏?量公平性上進(jìn)行了比較。然后著重針對其中較好的頻譜方案下的路由方案進(jìn)行優(yōu)化，提出了45基于不同準(zhǔn)則的路由調(diào)整算法，同時對這三種算法進(jìn)行仿真和性能比較。1系統(tǒng)模型建立lte-a 系統(tǒng)中，為了改善小區(qū)邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量、覆蓋盲區(qū)、增加系統(tǒng)吞吐量、平衡 小區(qū)間負(fù)載等，把中繼技術(shù)引入傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中。在中繼增強的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，將會部署一 些中繼節(jié)點。用戶可以直接和基站通信，也可以通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)后和基站通信，如圖 1 所示。50我們把直接連接基站的用戶稱為一跳用戶，而把通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)的用戶稱為兩跳用戶。對于兩 跳用戶，由于其離中繼接入點距離較近，因此可以保證接收信號水平。但需要看到中繼鏈路（中繼到基站之間的鏈路）也需要消耗無線資源，同時中繼接入點的引入會導(dǎo)致同頻干擾源 的增加。因此如何做好分配給中繼和基站的頻率規(guī)劃，優(yōu)化干擾控制，并合理分配給中繼鏈 路的頻譜資源并選擇不同用戶作為兩跳用戶（即路由選擇）是需要研究的主要問題。接入鏈路用戶中繼基站55圖 1 中繼增強蜂窩系統(tǒng)模型對于直接連接到基站的一跳用戶，這里我們假設(shè)用戶連接的第 i 個基站發(fā)射功率為 pti ， 小區(qū)中的用戶 j 接收到 i 的信號強度為prj = gij pti（1）60其中 gij 為從接入點 i 到用戶 j 的信號衰減。與此同時，用戶 j 還受到其他中繼或者基站發(fā)出 的同頻信號的干擾，用戶 j 的信干比可以按下式獲得：g j =gij pti gkj ptk（2）k i 其中 g kj ptk 為用戶 j 收到使用同頻的干擾節(jié)點的信號強度。 根據(jù)香農(nóng)公式，用戶 j 的吞吐量為：65r j = b j h j = b j log2 (1 + g j )其中 b j 為用戶 j 所分配到的帶寬，h j 為用戶 j 對應(yīng)的頻譜效率。(3)對于兩跳用戶 m,設(shè)其分配的連接到中繼的鏈路帶寬為 ba ,m 。而每個兩跳用戶所連接的 中繼還需要和基站進(jìn)行通信，這段鏈路所占用的帶寬設(shè)為 bb , m 。研究表明，當(dāng)式(4)成立時， 多跳用戶的端對端吞吐量可以達(dá)到最大78。70ba ,m hl ,m = bb ,m hbr(4)其中hl , m 表示用戶 m 到中繼 l 的頻譜效率，而hbr 表示基站到中繼的頻譜效率，這兩個值可 以通過計算用戶 m 和中繼 l 的信干比后由式（3）類似獲得。而每個兩跳用戶所占用的帶寬 資源為 ba ,m + bb ,m 。假設(shè)整個小區(qū)內(nèi)用戶總數(shù)為 n，其中單跳用戶數(shù)為 n1，兩跳用戶數(shù)為 n2 ，可用的帶寬75為 b。則系統(tǒng)吞吐量 c 可以表示為：n1 n2 n1 n2c = rj + rm = bj h j + ba,m hl ,m（5）同時有j =1m=1n1j =1n2m=1 bj + (ba,m + bb,m ) = b（6）j =1m=1系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)是最大化 c 值，同時保證每個用戶的吞吐量 ri 要盡可能的平均，即保證 95%80的用戶的吞吐量大于某個設(shè)定的閾值。2基于頻譜復(fù)用的資源分配方案考慮到上節(jié)所提出的優(yōu)化問題及其復(fù)雜，本文采用分步優(yōu)化的方法將問題簡化。在本節(jié) 中首先考慮兩種基于頻譜復(fù)用的資源分配方案，通過仿真比較其系統(tǒng)性能，再對較優(yōu)者進(jìn)行 路由算法的優(yōu)化。本節(jié)所比較的兩種資源分配方案中，以三個蜂窩小區(qū)組成一簇，每簇可使85用的總頻率資源之和為 f。每個小區(qū)有一個基站和六個固定基站組成，基站位于六邊形小區(qū) 的中心，而六個中繼對稱的分布在基站和小區(qū)六個頂點的連線上，小區(qū)內(nèi)所有通信均使用全 向天線。這兩種具體的資源分配方案分別描述如下。2.1 擴展復(fù)用分割方案（extent reuse partitioning, erp）該頻譜分配方案如圖 2 所示，基本思想是復(fù)用分割（reuse partitioning）加上本小區(qū)內(nèi)90相隔最遠(yuǎn)的兩個中繼頻譜復(fù)用。具體描述如下：每個小區(qū)基站所用頻率帶寬均為 f1 ，在同 一小區(qū)中位于對角線方向上的兩個中繼復(fù)用頻率 fi (i =2,3,4），為了避免處于各個小區(qū)交界 處的用戶受到嚴(yán)重的同頻干擾，三個小區(qū)交界處的三個中繼使用的頻段不相同，如圖 2?；?站和中繼使用的帶寬大小是一個重要的優(yōu)化參數(shù)，而如果設(shè)置成動態(tài)變化的值可以使頻譜資源的利用率進(jìn)一步提高。這里我們?yōu)楹唵纹鹨?，?f= f = f= f1 = f 。2 3 4 7 1095圖 2 擴展復(fù)用分割方案頻譜分配示意圖1001051101152.2 軟復(fù)用分割方案（soft reuse partitioning, srp）軟復(fù)用分割分配方案9如圖 3 所示。該方案中同樣三個小區(qū)為一簇，三個小區(qū)基站所占 用頻率范分別為 f1+f2，f2+f3，f3+f1，每個小區(qū)中繼與兩跳用戶之間占用的頻率資源分別 為 f3、f2、f1。為了簡單起見我們?nèi)?f1 = f2 = f3 = f/3。圖 3 軟復(fù)用分割方案頻譜分配示意圖2.3 兩種頻譜分配方案的比較這里使用蒙特卡洛仿真方法來比較采用上述兩種資源分配方案的系統(tǒng)性能。仿真場景為 十九個小區(qū)，在每個小區(qū)內(nèi)均勻分布隨機取 100 個點來模擬 100 個用戶。每個用戶按照簡單 路由策略，即選擇接受信號功率水平最大的基站或者中繼接入系統(tǒng)。對一跳用戶和兩跳用戶 我們采用等比例分配帶寬的方法，即：每個接入相同中繼的兩跳用戶平分分配給該中繼的帶 寬資源，而接入到基站的一跳用戶則平分基站分給中繼鏈路之后剩余的帶寬資源。我們考察 中心小區(qū)每個用戶的信干比，其中干擾來自于其余 18 個小區(qū)的中繼或基站（具體干擾源根 據(jù)頻譜分配方案不同有所差別，由于篇幅原因這里不作具體分析，可參見相關(guān)文獻(xiàn)）。根據(jù) 每個用戶的信干比及分配的帶寬，再計算出中心小區(qū)的總?cè)萘?。同時比較不同中繼放置位置 下的性能，即在不同 r1/r 值下進(jìn)行仿真，這里 r 為小區(qū)半徑，r1 為中繼到基站的距離。仿 真所得到的兩種頻譜分配方案下的小區(qū)總?cè)萘?，如圖 4 所示。圖 4 不同 r1/r 下兩種分配方案獲得的小區(qū)總?cè)萘勘容^120從圖 4 中，我們看出 erp 方案獲得的小區(qū)容量總是大于 srp 方案下獲得的小區(qū)容量。同時，可以看出兩種方案基本都在 r1/r=0.54 左右獲得最大小區(qū)容量，即將中繼位置放置在 距離基站 0.54r 處可以獲得性能最優(yōu)。接著，仿真兩種方案在吞吐量取得最大值時小區(qū)每個用戶吞吐量的累積分布函數(shù)（cdf）， 結(jié)果如圖 5 所示。empirical cdferp srp0.6cdf0.20.1000.511.522.533.544.5ms throughput /mbps圖 5 兩種分配方案下用戶吞吐量 cdf 比較125130從圖 5 可以看出，erp 方案下每個用戶的吞吐量比 crp 方案下要平均的多，而且對于用戶吞吐量位于后 5%的用戶，erp 方案下這些用戶的吞吐量要大于 crp 方案下的吞吐量。 從以上的仿真結(jié)果分析可以看出，erp 方案無論在小區(qū)總?cè)萘炕蛘呤怯脩舻墓叫苑矫?，都?yōu)于 crp 方案。因此，在下面一節(jié)針對 erp 方案中的路由算法進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。3路由算法的優(yōu)化3.1 路由模型建立為了將問題簡化，如上節(jié)所述，這里假設(shè)每個用戶接入基站或者中繼后分得的帶寬相等， 即 ba,m 大小和用戶 m 無關(guān)，記為 ba，此時由式(4)不難得到：bb,m b h=a l ,mhbr(7)根據(jù) 2.1 節(jié)中對 erp 方案中頻譜分配的定義，若基站的頻譜資源為 f1，則每個中繼分得f - f的頻譜資源為1 。同時，基站的帶寬需要分成兩部分，一部分分給所有一跳用戶，另3一個部分分給每個中繼，而第二個部分就是所有 ba,m 的和。因此我們可以得到:n11 an2 b, m a 1n2 b hn2 ha 1 135f = bi =1+ bm=1= b n+i =ma l ,m = b (nhbr+ l ,m )m=1 hbr(8)這樣，每個用戶分得的帶寬b =f1(9)a n2n1 +整個小區(qū)的吞吐量可以表示為hl ,m m=1 hbrnnnn1 2 f 1 2 c = bahi , j+ bahl ,m =1n2 h hi , j+ hl ,m i =1m=1n1 + =l ,m i =1m=1m=1 hbr（10）140而hi , j 和hl , m 的值是由該用戶被分配成一跳用戶還是兩跳用戶即路由策略決定的，同時f - f還需要注意的是，必須保證每個中繼分配給接入自己的二跳用戶的帶寬之和小于1 。33.2 啟發(fā)式路由算法描述145對于上述的路由優(yōu)化模型，本文采用一種啟發(fā)式調(diào)整路由算法。對于每個用戶 i 均按照某個調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)量 si , j 進(jìn)行調(diào)整算法，si , j 表示用戶 i 接入中繼 j 時該標(biāo)準(zhǔn)量的值。對于調(diào)整算 法的具體描述如下：step 1：對于每個用戶 i (i = 1,2,n)，計算 dhi , j = hi , j -hi ,0 ( j = 1,2,6)，將使得 dhi , j 達(dá)到最大值的 j 記為 jmax 。如果 dhi , jmax 0 ，則將用戶 i 連入中繼 jmax ，此時用戶 i 即為兩150跳用戶。否則，將該用戶連至基站，用戶 i 即為一跳用戶。當(dāng)所有用戶都遍歷后，可以得到 接入基站的用戶數(shù) n1，與接入中繼 j 的用戶個數(shù) nj (j = 1, 2, ,6),并根據(jù)公式（9）計算得 出相應(yīng)的 ba。經(jīng)過 step1 后，每個用戶都分配了初始路由，但是此時會出現(xiàn)過多或過少的用戶連入某 些中繼的現(xiàn)象。如果太少用戶連入某個中繼，則這個中繼將有一些頻譜資源的浪費。相反，如果有太多用戶連入一個中繼，那么該中繼的頻譜資源則無法滿足這些用戶的需求，因此需要對這兩種情況進(jìn)行調(diào)整。155f - fstep 2：對于中繼 j (首次執(zhí)行 step 2 時，j=1)，如果1 b n ，則將連入該中繼3 aj的所有用戶 i 按判斷標(biāo)準(zhǔn) si , j 排序，將 si , j 最小值對應(yīng)的用戶接入基站， n j = n j - 1。f - fstep 3：如果仍然有1 b (n-1) ，則將連入基1603 a j站的所有用戶 i 按判斷標(biāo)準(zhǔn) si , j 排序，將 si , j 最大值對應(yīng)的用戶接入中繼 j，此時易知n j = n j + 1 。f - fstep 5：如果有1 b (n-1) ，重復(fù) step 4。若 f - f1 b (n-1) ，令3 ajj = j +1 ，如果 j = 7 則退出算法，否則繼續(xù)并重復(fù) step 4。3 aj165在上述啟發(fā)式調(diào)整算法中，比較標(biāo)準(zhǔn) si , j 的選取是關(guān)鍵。本文中提出三種不同的比較方法：方法 a：中繼的目的是為了讓每個兩跳用戶獲得更大的吞吐量，同時考慮到本文中設(shè)置 的每個用戶的帶寬相同，因此比較標(biāo)準(zhǔn) a 的核心思想是使兩跳用戶獲得的頻譜效率盡量大于 其直接和基站相連而獲得的頻譜效率，因此這里選取用戶接入中繼獲得的頻譜效率增益作為 判斷標(biāo)準(zhǔn)，即：170si , j = dhi , j = hi , j -hi ,0這里 j =1,6, 而hi ,0 表示用戶 i 連接到基站獲得的頻譜效率。（11）方法 b：該比較標(biāo)準(zhǔn)用頻譜增益的相對大小來進(jìn)行路由的調(diào)整，也就是選取頻譜增益與 用戶到基站的頻譜效率之比作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，即：dhs=i , jh= i , j -1i , j h hi ,0i ,0175方法 c：該比較標(biāo)準(zhǔn)的核心是最大化小區(qū)的容量同時考慮到一跳和兩跳的頻譜增益，因此選取用戶接入中繼實現(xiàn)的單位帶寬吞吐量增益為判斷標(biāo)準(zhǔn)，即：s= ba hi , jb h- a i ,0 =hi , jhi , j -hi , j i ,03.3 仿真結(jié)果及分析ba + bb,iba hi , j +hbr180本節(jié)同樣采用蒙特卡洛仿真方法比較三種不同標(biāo)準(zhǔn)下的啟發(fā)式路由調(diào)整算法，這里簡記 作算法 a，算法 b，算法 c。同時，為了將這些調(diào)整算法與簡單路由算法進(jìn)行比較，對基于 最大信干比的路由算法也進(jìn)行仿真并將結(jié)果一并列出，比較其系統(tǒng)性能。仿真的具體參數(shù)如表 1 所示。表 1 仿真參數(shù)設(shè)置小區(qū)半徑1000m總帶寬10mhz基站工作功率40db中繼工作功率30db小區(qū)用戶數(shù)100 個仿真次數(shù)每個 r1/r 值下仿真 1000 次小區(qū)數(shù)19 個載波頻率 f2ghz視距道路衰減模型42.5+23.5.*log10(d)+20*log10(f/5)非視距道路衰減模型31.5+35.7*log10(d)+20*log10(f/5)185圖 6、圖 7 分別顯示了這四種路由算法得到的小區(qū)總?cè)萘亢兔總€用戶吞吐量的累積分布函數(shù)?？梢钥闯?，相比采用最大信干比的基本路由算法，本文所提出的啟發(fā)式路由調(diào)整算法 可以較大程度地提高小區(qū)總?cè)萘?，同時保證用戶的公平性，保證較高的邊緣用戶服務(wù)質(zhì)量。 而在三種不同比較標(biāo)準(zhǔn)的算法中，采用算法 c 得到的系統(tǒng)性能，無論是小區(qū)總?cè)萘窟€是邊緣 用戶質(zhì)量，都是最好的。190195圖 6 采用四種路由方案得到的小區(qū)總?cè)萘勘容^圖 7 采用四種路由方案得到的用戶吞吐量 cdf 比較同時，為了更加直觀的看出各個算法中基站和每個中繼的服務(wù)范圍，我們在小區(qū)內(nèi)隨機 均勻分布仿真 10000 個用戶，按照采用不同比較標(biāo)準(zhǔn)的路由方案，將這些用戶連接到基站或 某個中繼。其中連接基站的一跳用戶以黑色表示，連接中繼的兩跳用戶以彩色表示。所得到的結(jié)果如圖 8，9，10 所示。200圖 8 算法 a 的服務(wù)區(qū)域示意圖圖 9 算法 b 服務(wù)區(qū)域示意圖圖圖 10 算法 c 服務(wù)區(qū)域示意圖從圖 8，9，10 中，可以看出，算法 c 的中繼覆蓋了更多的小區(qū)邊緣用戶，這也比較符 合中繼覆蓋邊緣用戶并提高他們通話質(zhì)量的初衷。2052102152202252304結(jié)論本文針對引入中繼后的 lte-a 蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的無線資源分配和路由優(yōu)化問題進(jìn)行了 研究。針對兩種不同的基于復(fù)用分割思想的資源分配方案，進(jìn)行了分析和性能仿真，并在其 中較優(yōu)的方案基礎(chǔ)上進(jìn)行路由策略的優(yōu)化。提出一種啟發(fā)式調(diào)整路由算法，根據(jù)三種不同的 比較標(biāo)準(zhǔn)來調(diào)整接入基站或某個中繼的用戶數(shù)目。仿真結(jié)果表明，采用這種簡單且算法復(fù)雜 度低的啟發(fā)式路由算法，不僅可以保證較高的小區(qū)容量，而且保證了邊緣用戶通話質(zhì)量及每 個中繼的覆蓋面積。同時，在本文的分析中，每個用戶分配到的帶寬采用了簡單的均分策略，而如果對該分 配算法進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化必然會帶來系統(tǒng)性能的增益，這是下一步工作的重點。參考文獻(xiàn) (references)1 x. shen, z. ma, w. wang, et al, multihop cellular networks toward lte-advancedj. ieee 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