中继增强的 LTE-A 蜂窝网络中路由方案的【推荐论文】 .doc

精品论文中继增强的 lte-a 蜂窝网络中路由方案的优化韩欣彤，刘涛5（上海交通大学电子工程系） 摘要：中继技术可以在提高无线蜂窝网络中的小区容量与小区用户之间的公平性，但是需要 对频谱分配方案及路由算法等进行更深入的研究。本文针对引入固定中继的 lte-a 蜂窝网 络，首先对两种不同的基于复用分割思想的无线频率资源分配方案，进行分析和性能仿真比10较。接着在较优的分配方案基础上对路由策略进行优化，提出启发式调整路由算法，根据三 种不同的比较标准来调整接入基站和中继的用户数。仿真结果显示，通过采用这种低复杂度 的启发式路由算法，小区总容量获得较大增加，同时保证了小区边缘用户的通话质量。 关键词：通信与信息系统,中继增强蜂窝网络，小区容量，路由算法中图分类号：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引言中继技术作为 lte-advanced 系统中的关键技术之一，已经被证明能有效扩大系统的覆 盖范围,提高通信小区的总容量和吞吐量，提高小区边界用户的通话质量和解决覆盖死角问35题等1。但是中继技术的应用仍然面临着两个亟待解决的问题。首先，由于总的频谱资源受 限，因此如何有效分配基站和中继所占用的频率资源成为了一个非常值得研究的问题。很多文献都对此进行了一些讨论，并提出了不少频谱资源的分配以及复用的方案234。其次， 中继蜂窝网络中,每个用户选择中继还是基站接入网络,即小区内的路由方案,在提高小区吞 吐量和保证用户服务质量中起着非常重要的作用。先前的许多研究已经提出了一些基本的路40由策略56，例如基于距离相关的路由方案，基于接收功率的路由方案，基于用户接受信噪 比最大的路由方案等等。但如何将资源分配和路由问题结合起来最优化中继蜂窝网络性能还基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(新教师类,项目编号 20090073120029) 作者简介：韩欣彤（1990-），男，上海交通大学电子系本科生，研究方向：无线通信 通信联系人：刘涛（1971-），男，上海交通大学电子系助理研究员，研究方向：无线通信. e-mail:- 9 -需要进行更深入的研究。本文针对两种频谱资源分配方案进行详细分析，并对两种方案在系统总容量和用户吞吐 量公平性上进行了比较。然后着重针对其中较好的频谱方案下的路由方案进行优化，提出了45基于不同准则的路由调整算法，同时对这三种算法进行仿真和性能比较。1系统模型建立lte-a 系统中，为了改善小区边缘用户的服务质量、覆盖盲区、增加系统吞吐量、平衡 小区间负载等，把中继技术引入传统的蜂窝网络中。在中继增强的蜂窝网络中，将会部署一 些中继节点。用户可以直接和基站通信，也可以通过中继转发后和基站通信，如图 1 所示。50我们把直接连接基站的用户称为一跳用户，而把通过中继转发的用户称为两跳用户。对于两 跳用户，由于其离中继接入点距离较近，因此可以保证接收信号水平。但需要看到中继链路（中继到基站之间的链路）也需要消耗无线资源，同时中继接入点的引入会导致同频干扰源 的增加。因此如何做好分配给中继和基站的频率规划，优化干扰控制，并合理分配给中继链 路的频谱资源并选择不同用户作为两跳用户（即路由选择）是需要研究的主要问题。接入链路用户中继基站55图 1 中继增强蜂窝系统模型对于直接连接到基站的一跳用户，这里我们假设用户连接的第 i 个基站发射功率为 pti ， 小区中的用户 j 接收到 i 的信号强度为prj = gij pti（1）60其中 gij 为从接入点 i 到用户 j 的信号衰减。与此同时，用户 j 还受到其他中继或者基站发出 的同频信号的干扰，用户 j 的信干比可以按下式获得：g j =gij pti gkj ptk（2）k i 其中 g kj ptk 为用户 j 收到使用同频的干扰节点的信号强度。 根据香农公式，用户 j 的吞吐量为：65r j = b j h j = b j log2 (1 + g j )其中 b j 为用户 j 所分配到的带宽，h j 为用户 j 对应的频谱效率。(3)对于两跳用户 m,设其分配的连接到中继的链路带宽为 ba ,m 。而每个两跳用户所连接的 中继还需要和基站进行通信，这段链路所占用的带宽设为 bb , m 。研究表明，当式(4)成立时， 多跳用户的端对端吞吐量可以达到最大78。70ba ,m hl ,m = bb ,m hbr(4)其中hl , m 表示用户 m 到中继 l 的频谱效率，而hbr 表示基站到中继的频谱效率，这两个值可 以通过计算用户 m 和中继 l 的信干比后由式（3）类似获得。而每个两跳用户所占用的带宽 资源为 ba ,m + bb ,m 。假设整个小区内用户总数为 n，其中单跳用户数为 n1，两跳用户数为 n2 ，可用的带宽75为 b。则系统吞吐量 c 可以表示为：n1 n2 n1 n2c = rj + rm = bj h j + ba,m hl ,m（5）同时有j =1m=1n1j =1n2m=1 bj + (ba,m + bb,m ) = b（6）j =1m=1系统优化的目标是最大化 c 值，同时保证每个用户的吞吐量 ri 要尽可能的平均，即保证 95%80的用户的吞吐量大于某个设定的阈值。2基于频谱复用的资源分配方案考虑到上节所提出的优化问题及其复杂，本文采用分步优化的方法将问题简化。在本节 中首先考虑两种基于频谱复用的资源分配方案，通过仿真比较其系统性能，再对较优者进行 路由算法的优化。本节所比较的两种资源分配方案中，以三个蜂窝小区组成一簇，每簇可使85用的总频率资源之和为 f。每个小区有一个基站和六个固定基站组成，基站位于六边形小区 的中心，而六个中继对称的分布在基站和小区六个顶点的连线上，小区内所有通信均使用全 向天线。这两种具体的资源分配方案分别描述如下。2.1 扩展复用分割方案（extent reuse partitioning, erp）该频谱分配方案如图 2 所示，基本思想是复用分割（reuse partitioning）加上本小区内90相隔最远的两个中继频谱复用。具体描述如下：每个小区基站所用频率带宽均为 f1 ，在同 一小区中位于对角线方向上的两个中继复用频率 fi (i =2,3,4），为了避免处于各个小区交界 处的用户受到严重的同频干扰，三个小区交界处的三个中继使用的频段不相同，如图 2。基 站和中继使用的带宽大小是一个重要的优化参数，而如果设置成动态变化的值可以使频谱资源的利用率进一步提高。这里我们为简单起见，取 f= f = f= f1 = f 。2 3 4 7 1095图 2 扩展复用分割方案频谱分配示意图1001051101152.2 软复用分割方案（soft reuse partitioning, srp）软复用分割分配方案9如图 3 所示。该方案中同样三个小区为一簇，三个小区基站所占 用频率范分别为 f1+f2，f2+f3，f3+f1，每个小区中继与两跳用户之间占用的频率资源分别 为 f3、f2、f1。为了简单起见我们取 f1 = f2 = f3 = f/3。图 3 软复用分割方案频谱分配示意图2.3 两种频谱分配方案的比较这里使用蒙特卡洛仿真方法来比较采用上述两种资源分配方案的系统性能。仿真场景为 十九个小区，在每个小区内均匀分布随机取 100 个点来模拟 100 个用户。每个用户按照简单 路由策略，即选择接受信号功率水平最大的基站或者中继接入系统。对一跳用户和两跳用户 我们采用等比例分配带宽的方法，即：每个接入相同中继的两跳用户平分分配给该中继的带 宽资源，而接入到基站的一跳用户则平分基站分给中继链路之后剩余的带宽资源。我们考察 中心小区每个用户的信干比，其中干扰来自于其余 18 个小区的中继或基站（具体干扰源根 据频谱分配方案不同有所差别，由于篇幅原因这里不作具体分析，可参见相关文献）。根据 每个用户的信干比及分配的带宽，再计算出中心小区的总容量。同时比较不同中继放置位置 下的性能，即在不同 r1/r 值下进行仿真，这里 r 为小区半径，r1 为中继到基站的距离。仿 真所得到的两种频谱分配方案下的小区总容量，如图 4 所示。图 4 不同 r1/r 下两种分配方案获得的小区总容量比较120从图 4 中，我们看出 erp 方案获得的小区容量总是大于 srp 方案下获得的小区容量。同时，可以看出两种方案基本都在 r1/r=0.54 左右获得最大小区容量，即将中继位置放置在 距离基站 0.54r 处可以获得性能最优。接着，仿真两种方案在吞吐量取得最大值时小区每个用户吞吐量的累积分布函数（cdf）， 结果如图 5 所示。empirical cdferp srp0.6cdf0.20.1000.511.522.533.544.5ms throughput /mbps图 5 两种分配方案下用户吞吐量 cdf 比较125130从图 5 可以看出，erp 方案下每个用户的吞吐量比 crp 方案下要平均的多，而且对于用户吞吐量位于后 5%的用户，erp 方案下这些用户的吞吐量要大于 crp 方案下的吞吐量。 从以上的仿真结果分析可以看出，erp 方案无论在小区总容量或者是用户的公平性方面，都优于 crp 方案。因此，在下面一节针对 erp 方案中的路由算法进行进一步的优化。3路由算法的优化3.1 路由模型建立为了将问题简化，如上节所述，这里假设每个用户接入基站或者中继后分得的带宽相等， 即 ba,m 大小和用户 m 无关，记为 ba，此时由式(4)不难得到：bb,m b h=a l ,mhbr(7)根据 2.1 节中对 erp 方案中频谱分配的定义，若基站的频谱资源为 f1，则每个中继分得f - f的频谱资源为1 。同时，基站的带宽需要分成两部分，一部分分给所有一跳用户，另3一个部分分给每个中继，而第二个部分就是所有 ba,m 的和。因此我们可以得到: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)这样，每个用户分得的带宽b =f1(9)a n2n1 +整个小区的吞吐量可以表示为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 的值是由该用户被分配成一跳用户还是两跳用户即路由策略决定的，同时f - f还需要注意的是，必须保证每个中继分配给接入自己的二跳用户的带宽之和小于1 。33.2 启发式路由算法描述145对于上述的路由优化模型，本文采用一种启发式调整路由算法。对于每个用户 i 均按照某个调整标准量 si , j 进行调整算法，si , j 表示用户 i 接入中继 j 时该标准量的值。对于调整算 法的具体描述如下：step 1：对于每个用户 i (i = 1,2,n)，计算 dhi , j = hi , j -hi ,0 ( j = 1,2,6)，将使得 dhi , j 达到最大值的 j 记为 jmax 。如果 dhi , jmax 0 ，则将用户 i 连入中继 jmax ，此时用户 i 即为两150跳用户。否则，将该用户连至基站，用户 i 即为一跳用户。当所有用户都遍历后，可以得到 接入基站的用户数 n1，与接入中继 j 的用户个数 nj (j = 1, 2, ,6),并根据公式（9）计算得 出相应的 ba。经过 step1 后，每个用户都分配了初始路由，但是此时会出现过多或过少的用户连入某 些中继的现象。如果太少用户连入某个中继，则这个中继将有一些频谱资源的浪费。相反，如果有太多用户连入一个中继，那么该中继的频谱资源则无法满足这些用户的需求，因此需要对这两种情况进行调整。155f - fstep 2：对于中继 j (首次执行 step 2 时，j=1)，如果1 b n ，则将连入该中继3 aj的所有用户 i 按判断标准 si , j 排序，将 si , j 最小值对应的用户接入基站， n j = n j - 1。f - fstep 3：如果仍然有1 b (n-1) ，则将连入基1603 a j站的所有用户 i 按判断标准 si , j 排序，将 si , j 最大值对应的用户接入中继 j，此时易知n j = n j + 1 。f - fstep 5：如果有1 b (n-1) ，重复 step 4。若 f - f1 b (n-1) ，令3 ajj = j +1 ，如果 j = 7 则退出算法，否则继续并重复 step 4。3 aj165在上述启发式调整算法中，比较标准 si , j 的选取是关键。本文中提出三种不同的比较方法：方法 a：中继的目的是为了让每个两跳用户获得更大的吞吐量，同时考虑到本文中设置 的每个用户的带宽相同，因此比较标准 a 的核心思想是使两跳用户获得的频谱效率尽量大于 其直接和基站相连而获得的频谱效率，因此这里选取用户接入中继获得的频谱效率增益作为 判断标准，即：170si , j = dhi , j = hi , j -hi ,0这里 j =1,6, 而hi ,0 表示用户 i 连接到基站获得的频谱效率。（11）方法 b：该比较标准用频谱增益的相对大小来进行路由的调整，也就是选取频谱增益与 用户到基站的频谱效率之比作为判断标准，即：dhs=i , jh= i , j -1i , j h hi ,0i ,0175方法 c：该比较标准的核心是最大化小区的容量同时考虑到一跳和两跳的频谱增益，因此选取用户接入中继实现的单位带宽吞吐量增益为判断标准，即：s= ba hi , jb h- a i ,0 =hi , jhi , j -hi , j i ,03.3 仿真结果及分析ba + bb,iba hi , j +hbr180本节同样采用蒙特卡洛仿真方法比较三种不同标准下的启发式路由调整算法，这里简记 作算法 a，算法 b，算法 c。同时，为了将这些调整算法与简单路由算法进行比较，对基于 最大信干比的路由算法也进行仿真并将结果一并列出，比较其系统性能。仿真的具体参数如表 1 所示。表 1 仿真参数设置小区半径1000m总带宽10mhz基站工作功率40db中继工作功率30db小区用户数100 个仿真次数每个 r1/r 值下仿真 1000 次小区数19 个载波频率 f2ghz视距道路衰减模型42.5+23.5.*log10(d)+20*log10(f/5)非视距道路衰减模型31.5+35.7*log10(d)+20*log10(f/5)185图 6、图 7 分别显示了这四种路由算法得到的小区总容量和每个用户吞吐量的累积分布函数。可以看出，相比采用最大信干比的基本路由算法，本文所提出的启发式路由调整算法 可以较大程度地提高小区总容量，同时保证用户的公平性，保证较高的边缘用户服务质量。 而在三种不同比较标准的算法中，采用算法 c 得到的系统性能，无论是小区总容量还是边缘 用户质量，都是最好的。190195图 6 采用四种路由方案得到的小区总容量比较图 7 采用四种路由方案得到的用户吞吐量 cdf 比较同时，为了更加直观的看出各个算法中基站和每个中继的服务范围，我们在小区内随机 均匀分布仿真 10000 个用户，按照采用不同比较标准的路由方案，将这些用户连接到基站或 某个中继。其中连接基站的一跳用户以黑色表示，连接中继的两跳用户以彩色表示。所得到的结果如图 8，9，10 所示。200图 8 算法 a 的服务区域示意图图 9 算法 b 服务区域示意图图图 10 算法 c 服务区域示意图从图 8，9，10 中，可以看出，算法 c 的中继覆盖了更多的小区边缘用户，这也比较符 合中继覆盖边缘用户并提高他们通话质量的初衷。2052102152202252304结论本文针对引入中继后的 lte-a 蜂窝网络系统中的无线资源分配和路由优化问题进行了 研究。针对两种不同的基于复用分割思想的资源分配方案，进行了分析和性能仿真，并在其 中较优的方案基础上进行路由策略的优化。提出一种启发式调整路由算法，根据三种不同的 比较标准来调整接入基站或某个中继的用户数目。仿真结果表明，采用这种简单且算法复杂 度低的启发式路由算法，不仅可以保证较高的小区容量，而且保证了边缘用户通话质量及每 个中继的覆盖面积。同时，在本文的分析中，每个用户分配到的带宽采用了简单的均分策略，而如果对该分 配算法进行进一步的优化必然会带来系统性能的增益，这是下一步工作的重点。参考文献 (references)1 x. shen, z. ma, w. wang, et al, multihop cellular networks toward lte-advancedj. ieee vehiculartechnology magazine, 2009, 4(3): 40-47.2 h. hu, h. yanikomeroglu, d. d. falconer, et al, range extension without capacity penalty in cellularnetworks with digital fixed relaysa. ieee globecom04, 29 november - 3 december 2004, pp.3053-30573 s. mengesha, h. karl, and a. wolisz, capacity increase of multi-hop cellular wlans exploiting data rataadaptation and frequency recyclingr. technical university berlin telecommunication networks group, tkn technical report tkn-03-015. berlin, sep