（信号与信息处理专业论文）中继增强型蜂窝网络的资源分配与调度.pdf

摘要 摘要 中继增强型蜂窝网络的资源分配与调度 下一代移动通信系统对网络吞吐量、小区边缘覆盖及传输速率等方面的严 格要求，使传统的蜂窝网络面临了巨大挑战。中继是一项有广阔发展前景的技 术。在传统蜂窝网络中引入中继，可以有效解决传统蜂窝网络的局限性。因此， 中继增强型蜂窝网络成为当今无线通信研究的热点之一。 无线通信中最宝贵的是频谱资源。资源分配和调度是提高频谱利用率的有 效手段。本文研究了中继增强型蜂窝网络的资源分配和调度。主要工作如下： 本文研究了复用相邻小区资源的策略，研究了使用该策略时，不同复用因 子系统的性能差异。研究了基于复用分割的资源分配框架，以及联合路由和资 源分配( j i 沁) 算法，在此基础上，提出了一种改进的联合路由和资源分配算 法。仿真结果表明，与j r r p 算法相比，改进算法显著改善了系统的中断概率， 而吞吐量损失很小。 本文研究了o f d m a 中继增强型网络的调度算法，对各种调度算法的性能 进行了仿真和分析，并与传统网络的性能进行了对比，验证了中继增强型网络 对于传统网络的优越性。在部分比例公平算法的基础上，提出了一种部分贪婪 的调度算法，并通过仿真，验证了该算法能够充分利用多用户分集，增加系统 吞吐量。 关键词：中继增强型蜂窝网络、资源分配、o f d m a 、调度 a b s t r a c t a b s t r a c t r e s o u r c ea l l o c a t i o na n ds c h e d u l i n gf o rr e l a ye n h a n c e d c e l l u l a rn e t w o r k s a st h es t r i c td e m a n d so nc e l lt h r o u g h p u t ，c o v e r a g ea n dt r a n s m i s s i o nr a t e ，t h e t r a d i t i o n a lc e l l u l a rn e t w o r k sf a c eg r e a tc h a l l e n g e t h ec o n c e p to fr e l a y i n gi sa p r o m i s i n gt e c h n o l o g yf o rt h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i n t e g r a t i n gt h er e l a y i n gt e c h n o l o g yi n t ot r a d i t i o n a lc e l l u l a rn e t w o r k sc a np r o b a b l y e x p l o i tt h es i g n i f i c a n tb e n e f i t si np e r f o r m a n c e t h e r e f o r e 。t h er e l a ye n h a n c e d c e l l u l a rn e t w o r k sh a v ed r a w nm u c ha t t e n t i o ni nr e c e n tr e s e a r c hw o r k s p e c t r u mi st h em o s tp r e c i o u sr e s o u r c ei nw i r e l e s ss y s t e m r e s o u r c ea l l o c a t i o n a n ds c h e d u l i n ga r ee f f e c t i v em e a n sw h i c hc a nb eu s e dt oi m p r o v et h es p e c t r u m e f f i c i e n c y i nt h i st h e s i s ，w es t u d yt h er e s o u r c ea l l o c a t i o na n ds c h e d u l i n gs c h e m e si n r e l a ye n h a n c e dc e l l u l a rn e t w o r k s t h em a i nw o r k so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： as c h e m e 、杭mt h er e s o u r c er e u s ef r o mn e i g h b o r i n gc e i l si ss t u d i e d b a s e do n t h i ss c h e m e ，t h ep e r f o r m a n c e su n d e rd i f f e r e n tr e u s ef a c t o r sa r ea l s os t u d i e d c o n s i d e r i n gar e u s ep a r t i t i o n i n gb a s e df r a m e w o r k ，aj o i n tr o u t i n ga n dr e s o u r c e p a r t i t i o n i n g ( j r r p ) s c h e m ei si n v e s t i g a t e d t h e nam o d i f i e dj o i n tr o u t i n ga n d r e s o u r c ep a r t i t i o n i n gs c h e m ei s p r o p o s e d t h es i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t ea s i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n to ft h eo u t a g ep r o b a b i l i t yw i t hal i t t l el o s ti nt h r o u g h p u t r e s o u r c es c h e d u l i n ga l g o r i t h m sf o r0 f d m a r e l a ye n h a n c e dc e l l u l a rn e t w o r k s a r es t u d i e d t h ep e r f o r m a n c e so fd i f f e r e n ta l g o r i t h m sa r ea n a l y z e d m e a n w h i l e ， s i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f i e dt h a tr e l a ye n h a n c e dc e l l u l a rn e t w o r k so u t p e r f o r mt h e t r a d i t i o n a ln e t w o r k ss i g n i f i c a n t l y a f t e r w a r d s ，ap a r t i a lg r e e d ya l g o r i t h mi sp r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a to u ra l g o r i t h mc a nf u l l ye x p l o i tt h em u l t i u s e rd i v e r s i t y a n dl c a dt os i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n t si ns y s t e mt h r o u g h p u t k e yw o r d s ：r e l a ye n h a n c e dc e l l u l a rn e t w o r k s ，r e s o u r c ea l l o c a t i o n ，o f d m a ， s c h e d u l i n g i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：煞丝题魄之竺里巴兰：墨乡 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：幽导师签名：日期：! 望兰：， | 第l 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 移动通信系统的发展历程 2 0 世纪7 0 年代，美国贝尔实验室提出了著名的蜂窝概念【1 1 。这一革命性的创新技术 解决了2 0 世纪早期无线通信系统频谱资源紧缺、容量小、服务质量差的问题，推动了移动 通信产业在全球的迅速发展。短短的几十年间，移动通信系统经历了从模拟到数字、从窄 带到宽带的三段式飞越。 上世纪8 0 年代初，第一代移动通信系统( 1 g ) 即模拟移动通信系统开始商用。它的 特点是采用频分多址( f d m a ) 的接入方式，以模拟电路单元为基本模块实现话音通信。 主要代表有美国的先进移动电话系统( a m p s ) 、英国的全接入蜂窝系统( t a c s ) 等。第 一代系统仅能提供9 6 k b i t s 的传输速率，频谱利用率很低。 随着数字信号处理技术和大规模集成电路的发展，2 0 世纪9 0 年代第二代数字移动通 信系统( 2 g ) 逐步取代了第一代模拟移动通信系统。目前在全世界范围广泛使用的第二代 系统主要有两种，一种是欧洲提出的基于时分多址( t d m a ) 的全球移动通信系统( g s m ) ， 另一种是高通公司提出的基于码分多址( c d m a ) 的i s 9 5 系统。第二代系统可以提供 9 6 2 8 8 k b i t s 的传输速率，与第一代系统相比，改善了频谱利用率。需要指出的是，前两 代系统主要是为话音通信设计的，缺乏对数据业务的支持。 近些年来，随着因特网( i n t e m e t ) 的广泛普及，以多媒体业务为代表的各种高速数据 业务不断增长。为了满足用户对高速数据业务的需求，第三代移动通信系统( 3 g ) 的研究 在全球蓬勃开展。2 0 0 1 年4 月，i t u 正式确立欧洲w c d m a 、美国c d m a 2 0 0 0 和中国 t d s c d m a 为世界三大3 g 标准。第三代移动通信系统采用码分多址( c d m a ) 技术，具 有宽带化、高速率、多业务、多码率以及变码率的特点。 1 1 2 传统蜂窝网络面临的挑战 尽管3 g 系统在高速数据业务上已经比2 g 系统有了很大的提升，但是仍然无法满足用 东南大学硕士学位论文 户日益增长的业务需求1 2 l 【3 1 。2 0 0 3 年，i t u r 制定了下一代移动通信系统的框架性建议书 m 1 6 4 5 。建议中指出，下一代移动通信系统支持低速移动环境下1 g b i t s 的峰值传输速率， 高速移动环境下1 0 0 m b i t s 的峰值传输速率【4 】。如此高的速率，使传统蜂窝网络面临巨大的 挑战。传统蜂窝网络在容量、边缘覆盖、可用频段和成本方面面临一系列的局限性： ( 1 ) 系统容量问题。在传统蜂窝网络中，频谱资源有限，为了支持尽可能多的用户和业务， 只能通过小区分裂来增加系统容量。但是，小区半径的缩小会导致小区之间的干扰加 大，小区分裂不可能无限制地进行。用小区分裂的方法提高容量有一定的限制。 ( 2 ) 小区边缘用户的服务质量问题。由于无线信号的路径损耗，处于小区边缘的用户接收 到的信号能量衰减很大，所以用户能够享受到的传输速率变得很小。 ( 3 ) 能够分配给4 g 的频段将会高于目前3 g 使用的2g h z 频段 5 1 。这些高频频段对非视 距( n l o s ，n o nl i n eo f s i g h t ) 的传播环境尤其敏感( 信号能量衰减的非常快) 。而城 市的典型传播环境通常是非视距的【卯。因此，高频段将严重影响小区的覆盖范围。 ( 4 ) 高密度的基站将显著增加网络的建设和运营成本【5 j 。 1 1 3 中继增强型网络的研究现状 为了解决传统蜂窝网络的局限性，将中继多跳技术融入到传统网络是一种有效的解决 方案7 1 。研究表明，在传统蜂窝网络中引入中继，可以提高系统的容量，扩大小区的覆 盖范围，改善小区边缘用户的服务质量引。因此中继增强型网络受到各国各个科研机构的 广泛重视，成为当今无线通信研究的热点之一【9 1 。 2 0 0 4 年欧盟启动了研究下一代移动通信系统的w i n n e r 项目，其目标是实现“随时 随地的最优化接入”【i o 】。w i n n e r 项目从一开始就把中继作为下一代系统网络架构的关键 技术进行研究【1 1 1 。 i e e e8 0 2 1 6 标准组织也于2 0 0 5 年9 月成立了m o b i l em u l t i h o pr e l a y ( m m r ) 研究小 组，研究中继技术的可行性；并于2 0 0 6 年3 月正式成立i e e e8 0 2 1 6 jr e l a y 工作小组，用 于制定支持中继的多跳传输技术规范i e e e8 0 2 1 6 j 。目前，8 0 2 1 6 j 标准正在讨论之中【1 2 】。 1 2 本文的主要工作和内容安排 无线通信中最宝贵的是频谱资源。资源分配和调度是提高频谱利用率的有效手段。本 文研究了中继增强型蜂窝网络的资源分配和调度。 2 第l 章绪论 本文研究了复用相邻小区资源的策略，研究了使用该策略时，不同复用因子系统的性 能差异。研究了基于复用分割的资源分配框架，以及联合路由和资源分配( 爪r p ) 算法， 在此基础上，提出了一种改进的联合路由和资源分配算法。仿真结果表明，与j r r p 算法 相比，改进算法显著改善了系统的中断概率，而吞吐量损失很小。 本文研究了o f d m a 中继增强型网络的调度算法，对各种调度算法的性能进行了仿真 和分析，并与传统网络的性能进行了对比，验证了中继增强型网络对于传统网络的优越性。 在部分比例公平算法的基础上，提出了一种部分贪婪的调度算法，并通过仿真，验证了该 算法能够充分利用多用户分集，增加系统吞吐量。 本文的结构如下： 第一章介绍了蜂窝移动通信系统的发展历程，以及蜂窝网络面临的现实挑战，并介绍 了中继增强型蜂窝网络的研究现状。 第二章详细介绍了中继增强型蜂窝网络，包括中继增强型网络的结构、中继节点的分 类、中继增强型网络的应用场景。 第三章研究了中继增强型网络的资源分配策略。首先，研究了复用相邻小区资源的策 略，研究了使用该策略时，不同复用因子系统的性能差异。其次，研究了基于复用分割的 资源分配框架，以及联合路由和资源分配算法，在此基础上，提出了一种改进的联合路由 和资源分配算法，并对该算法进行仿真和分析。 第四章研究了o f d m a 中继增强型网络的调度算法。首先介绍了无线网络资源调度面 临的问题，介绍了传统网络的调度算法。然后研究了中继增强型网络的调度算法，对各种 调度算法的性能进行了仿真和分析，比较了中继增强型网络和传统网络的性能。最后，在 部分比例公平算法的基础上，提出了一种部分贪婪的调度算法，并通过仿真验证性能。 第五章对本论文进行了总结，提出了论文的后续工作。 3 东南人学硕士学位论文 第2 章中继增强型蜂窝网络 2 1中继增强型蜂窝网络的结构 中继增强型蜂窝网络的结构如图2 1 所示，其主要构成节点包括基站( b a s es t a t i o n b s ) 、中继( r e l a ys t a t i o n ，r s ) 和移动用户( m o b i l es t a t i o n , m s ) 。用户可以通过传统的单 跳链路和基站通信，也可以通过中继辅助与基站建立多跳链路的通信。 m s 图2 1 中继增强型网络的结构 2 2 中继节点的分类 中继是网络中引入的新节点，根据不同的特点可以将中继节点分为不同的种类。 2 2 1按照中继节点对接收信号的处理方式划分 按照中继节点对接收信号的处理方式不同，可以分为放大转发( a f ，a m p l i f ya n d f o r w a r d ) 中继【1 3 1 和译码转发( d f ，d e c o d ea n df o r w a r d ) 中继【1 4 1 。 放大转发中继，其特点是中继节点对接收到的信号只进行简单的直接放大处理，因此 放大转发中继又称为非再生( n o n r e g e n e r a t i v e ) 中继。放大转发中继的优点是功能简单， 制造成本低。但它的缺点也很明显，中继端的噪声和干扰随着信号被一起放大，这些噪声 和干扰将对目的节点的信号接收造成影响。 译码转发中继，其特点是中继节点对接收到的信号先进行译码，再重新编码后进行转 发，因此译码转发中继又称为再生( r e g e n e r a t i v e ) 中继。译码转发的过程可以最大可能的 滤除掉噪声和干扰，使得中继通信过程更可靠。目前，欧盟w i n n e r 项目和i e e e8 0 2 1 6 j 4 第2 章中继增强型蜂窝网络 r e l a y 工作小组都把译码转发中继作为主要的研究对象【l l j 【1 2 1 。 2 2 2 按照承担中继功能的节点划分 按照承担中继功能的节点不同，可以分为点对点中继( p e e r - t o - p e e rr e l a y ) 【1 5 1 和固定中 继( f i x e dr e l a y ) 【l l 】f 1 6 1 【1 7 】。 点对点中继是由用户终端承担中继功能，如3 g p p 的o d m a ( o p p o r t u n i t yd r i v e n m u l t i p l ea c c c s s ) 方案1 1 8 l 。在点对点中继中，与基站有良好通信链路的用户，可以为其他 链路状况不理想的用户提供中继服务。虽然网络中没有增加额外的基础设施，但是点对点 中继面临一系列的问题【1 7 】： ( 1 ) 用户终端需要增加额外的硬件和软件来支持中继功能，导致用户终端的成本升高【1 6 】。 ( 2 ) 当小区中用户密度过低时，需要中继服务的用户可能找不到合适的中继，因此网络性 能的改善受到用户数的影响【16 1 。 ( 3 ) 由于用户本身存在的移动性，引起中继路由的变化，并导致对中继节点的频繁切换， 增加了网络的负担。 ( 4 ) 承担中继功能的用户终端，将消耗额外的能源，而终端能源受到电池容量的限制，相 应缩短了该用户终端的使用时间。 ( 5 ) 计费和安全问题。 固定中继，是在蜂窝网络中引入承担中继功能的一种新节点。通过在小区中添加若干 的固定中继，能在很大程度上解决点对点中继面临的问题【1 7 1 ： ( 1 ) 只有固定中继承担基站和用户之间的中继功能，因此不会增加用户终端的复杂度。 ( 2 ) 固定中继均匀分布在整个小区中，保证用户能够找到合适的中继。 ( 3 ) 通过合理安排固定中继的位置，保证中继和基站之间存在良好的链路，从而保证了网 络的性能。 ( 4 ) 由于用户不需要承担中继功能，因此用户终端没有额外的能源损耗。 ( 5 ) 固定中继是网络的基础设施，相应计费和安全问题能够得到有效处理。 另外，固定中继不需要通过有线( 比如光纤) 和骨干网连接，减少了部署和运营成本， 同时中继的部署位置也有更大的灵活性【1 7 】。和基站相比，固定中继构造简单，制造成本低， 易于维护。正是由于固定中继的这些优点，欧盟w i n n e r 计划和i e e e8 0 2 1 6 jr e l a y 工作 小组都把固定中继作为主要的研究对象【1 1 】【1 9 】。 5 东南太学硕士学位论文 当然，固定中继并不能涵盖所有的应用场景。作为补充，i e e e8 0 2 1 q a y 工作小组 还提出了游牧中继( n o m a d i cr e l a y ) 和移动中继( m o b i l er e l a y ) 的概念1 m 。 2 3 中继增强型蜂窝网络的应用场景 中继增强型蜂窝网络引入新的中继节点改变了传统蜂窝网络单跳传输的模式增加 了网络的灵活性。通过合理开发中继技术，中继蜂窝网络能够满足多种应用场景的需要。 ( 】) 扩展基站的服务区域1 8 1 如图1 所示在基站覆盖范围之外设置周定中继。这样，原先小区覆盖范围之外的用 户可毗通过中继和基站建立通信关系相应扩展了基站的服务区域。 典型应用场景是郊区。郊区的特点是用户密度比较低，建设大量基站来覆盖整个区域 将会使得成本很高。使用中继可以达到低成本全面覆盖的目的。 图1 扩展基站的服务区域 ( 2 ) 优化小区容量【8 】 在小区内靠近，卜围的区域设置固定中继，如图2 所示。传统小区中，由于信号的路径 损耗，处于小区边缘的用户得到的服务速率很低。引入中继后，小区边缘用户可以通过中 继和基站建立两眺通信，服务速率得到改善，优化了小区的容量， b a s ps t h t l o n ( a s ) f i x e d r e l a ，s t a f i o l l f i r s ) ， 、 、 ， 口 图2 优化小区容量 番 一豢一 第2 章中继增强型蜂窝网络 ( 3 ) 覆盖阴影区域 8 1 在城市的典型环境中，由于高棱等障碍物的阻挡，基站的覆盖范围内存在阴影区域 ( s h a d o w e da 蝴s ) 或者覆盖盲区( c o v e m g eh o l e s ) 。使用固定中继，可咀为阴影区域 的用户提供通信服务，实现小区内的无缝覆盖。 图4 临时性覆盖 ( 5 ) 对交通工具的覆盖 对于某些公众交通工具( 如公变车、火车、轮船) 上的用户由于他们是群体移动的， 在经过不同的小区时可能产生大量的切换请求大量用户分别进行链路调整也会加重沿途 7 东南大学硕士学位论文 基站的负担。在这些交通工具上安置移动中继，则需要切换和调整的仅为中继和基站之间 的链路。这就避免了数量庞大的用户同时独立进行切换操作带来的大量突发信令提高了 切换成功宰，改善了服务质量，也大大减轻了网络的负担。 2 4 本章小结 矿娥 圈5 对交通工具的覆盖 本章全面介绍了中继增强型蜂窝网络包括中继增强型阿络的结构、中继节点的分类 以及中继增强型网络的应用场景。 第3 章中继增强型网络的资源分配策略 第3 章中继增强型网络的资源分配策略 无线通信中，最宝贵的是频谱资源。而有限的频谱资源导致的容量受限以及移动通信 环境造成的不可靠传输是现有无线网络所面临的突出问题。2 0 世纪7 0 年代贝尔实验室提 出了蜂窝概念，在资源不足和容量的问题上有了一个重大突破。通过使用小区覆盖【l 和频 率复用【l 】的方法，蜂窝网络能够利用有限的频谱资源为更多用户提供服务，使得移动通信 系统的容量问题在一定程度上得到了解决。 在传统蜂窝网络中引入中继节点，使得用户可以通过中继多跳传输和基站建立通信， 改善了用户的信号传输质量，提高了系统容量【8 l 。然而，中继的转发需要占用额外的频谱 资源1 2 0 1 。因此，在有限频谱资源的中继增强型网络中，需要更谨慎地分配无线资源。 3 1系统模型 中继增强型网络的小区结构如图3 1 所示。与传统蜂窝网络相同，基站( b s ) 位于 六边形小区的中心。六个固定中继( f r s ) 作为新的网络元素被安置在每个小区中。每个 中继位于基站和六边形小区顶点的连线上，且每个中继和基站的距离相等，设为r 。小区 的半径定义为基站和小区顶点的距离，设为尺。 图3 1中继增强型网络的小区结构 由于引入了中继，小区中的用户可以和基站直接通信，也可以通过中继和基站建立两 跳通信，称相应的用户为直连用户、两跳用户。小区中存在三种通信链路，分别是基站和 直连用户之间的传输链路( b s m sl i n k s ) ，基站和中继之间的传输链路( b s f r sl i n k s ) ， 以及中继和两跳用户之间的传输链路( f r s m sl i n k s ) 。 o 东南大学硕士学位论文 设在同一个小区中，基站和六个固定中继之间的链路是视距( l i n e - o f - s i g h t , l o s ) 传 输。该条件可以通过合理安置中继的位置来实现，比如把中继安置在屋顶上来确保基站和 中继之间的链路质量【17 1 。设基站和用户、中继和用户之间的链路是非视距( n o n - o f - s i g h t , n l o s ) 传输。视距和非视距传输的路径损耗模型如下【2 2 】： 儿栅= 4 2 5 + 2 3 5 木l 0 9 1 0 ( d ) + 2 0 母l 0 9 1 0 ( f 5 ) ( 3 - 1 ) = 3 1 5 + 3 5 7 幸l o g l o ( d ) + 2 0 牛l o g l o ( f 5 ) ( 3 2 ) 式中，d 是发送和接收节点之间的距离；厂是载频，设为3 9 5 g h z1 2 2 j 。视距和非视距传 输的阴影衰落分别满足标准差为o l o $ = 3 4 d b 和c r n o s = 8 d b 的对数正态分布2 2 1 。 网络中所有节点都使用全向天线。设在每个子信道上，中继的发射功率为基站发射功 率的一半【2 3 1 。本章中系统带宽b 为2 5 6m h z ，小区半径r 取1 0 0 0 m ，小区内的用户数n 为9 0 ，目用户服从均匀分布。 3 2 资源分配策略 在传统蜂窝网络中，使用频率复用的方法对系统资源进行分配【1 1 。频率复用的主要思 想是把相邻的n 个小区组成一个簇( c l u s t e r ) ，每一个簇使用全部的系统资源；在簇中，系 统资源被进一步等分为n 部分，分配给不同的小区。通过这样的分配，避免了同一簇中的 小区之间产生同信道干扰( c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 。这里，n 的倒数称为系统的频率复用 因子【2 4 l 。簇的大小n 满足如下公式【2 4 】： 玎=f2+)+歹2(3-3) 其中，f 和j 是非零整数。 由公式( 3 - 3 ) 可知，簇的大小n 只能取离散的值，如1 、3 、4 、7 等。n 取值越小，则频 率复用因子越大，每个小区可使用的资源越多。当n 取1 时，频率复用因子达到最大值l ， 相应分配给每个小区的资源也达到最大值，等于系统的整个带宽。 中继增强型网络中，需要一部分频谱资源用于中继和用户之间的链路( 简称为中继链 路) 。 文献【2 5 】提出使用非注册频段资源给中继链路的策略。此时，基站和中继之间的链路使 用系统现有的资源，而中继和用户之间的链路使用非注册频段资源。该策略虽然可以避免 l o 第3 章中继增强型网络的资源分配策略 中继链路消耗系统自身的资源，但是增加了中继和用户设备的复杂度，因为中继和用户需 要在两种频段( 原有频段和非注册频段) 之间切换。 为了避免增加中继和用户设备的复杂度，复用系统现有的资源是支持中继传输比较理 想的策略。因此传统蜂窝网络的频率复用的思想显得很重要。针对不同复用因子的系统， 不同的资源分配策略被提了出来。对于复用因子小于l 的系统，文献提出了中继链路复 用相邻小区资源的策略；对于复用因子为l 的系统，文献1 2 6 1 提出了基于复用分割的资源分 配框架。 3 2 1复用相邻小区资源的策略2 1 i 当系统的复用因子小于1 时，同一簇中有多个小区，每个小区的频谱资源互不相同。 文献口提出了把相邻小区使用的频谱资源复用于本小区中继链路的策略。该策略有以下假 设：( 1 ) 每个小区的资源被分为等带宽的信道，且信道数等于小区用户的数量。( 2 ) 系统 是满负荷的，小区内没有空闲的信道可以用于中继链路的传输。因此中继链路需要复用其 它小区的信道。 本小节我们研究复用因子分别为1 4 和l 3 的系统的性能。 3 2 1 1复用因子为1 4 的系统 复用因子为1 4 的系统，相邻的4 个小区组成一个簇，资源分配方案如图3 2 所示。 其分配原则如下：第一，为了避免同小区内干扰，中继链路不能复用本小区的信道，例如， 图3 2 中小区a 的中继链路只能复用小区b 、c 、d 所用的信道。第二，因为离中继最远 的小区与中继的同信道干扰最小，所以中继应该复用离它最远的小区的信道。例如图3 2 中，小区c 中标记为d 3 的中继，表示该中继复用其所在簇中小区d 的信道，因为小区d 距离该中继最远。第三，在每个簇中，每一个小区的信道资源被六个中继复用。为了避免 这六个中继从同一个小区复用相同的信道，每个小区的信道被等分为不相交的六组，每组 包含相同的信道个数，六个中继只复用其中的某一组信道。如图3 2 所示，小区c 中标记 为a 2 的中继表示该中继复用小区a 的第二组信道。 东南大学硕士学位论文 图3 - 2 复用因子为i 4 的系统的资源分配方案 干扰分布 为了考察系统性能，仿真时考虑1 9 小区的模型，中心小区为研究对象，计算中心小区 外围两层小区的同信道干扰2 3 1 。计算干扰时，考虑的是最坏的干扰情况，即假设所有中继 将分配到的信道全部用于信号的转发，没有空闲的信道。 直连用户、两跳用户所受来自其他小区的同信道干扰如图3 3 和图3 4 所示。图中星 形表示用户，实线表示用户所受基站的同信道干扰，虚线表示用户所受中继的同信道干扰。 从图3 3 可以看出，直连用户受到的下行干扰来自6 个同类小区的基站干扰，以及4 个不 同类小区中复用相同信道的中继干扰，共计l o 个干扰源。基站向中继传输时，中继的地位 和直连用户一样，因此中继受到的下行干扰和直连用户相同。故这里没有给出中继所受干 扰的图。从图3 - 4 可以看出，两跳用户受到的下行干扰来自6 个同类小区中继的同信道干 扰，以及4 个被复用信道的不同类小区的基站干扰，共计l o 个干扰源。 设直连用户、中继接收到基站的信号功率为p s 一嚣，两跳用户接收到中继的信号功率 为b 一魁，来自其他小区基站、中继的同信道干扰功率分别为b 一嬲、e 一髂，则直连用户 的接收信干比为 舢：了卜一 弓一殿( f ) + e 一咫( _ ，) i = i = l 中继的接收信干比为 删：i 上等卜- 毋一嬲( f ) + 毋一船( _ ，) i = i t l 1 2 ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) 第3 章中继增强型网络的资源分配策略 两跳用户的接收信干比为 删：t 一 弓一嬲( f ) + 一飚( 歹) s = l = l l i i 国 图3 3 直连用户所受其他小区的同信道干扰 图3 4 两跳用户所受其他小区的同信道干扰 1 3 ( 3 6 ) 东南大学硕士学位论文 3 2 1 2 复用因子为1 1 3 的系统 根据文献【2 1 】提出的方法，我们得出了复用因子为l 3 的系统的资源分配方案，如图 3 5 所示。与复用因子为1 4 的系统相比，由于只能从相邻的两个小区复用资源，所以资源 的复用距离变小，干扰源增多，同信道干扰变大。 图3 5 复用因子为1 3 的系统的资源分配方案 干扰分布 考察系统性能的方法同上一小节，即采用1 9 小区的模型，中心小区为研究对象，计算 中心小区外围两层小区的同信道干扰。计算干扰时，考虑的是最坏的干扰情况。 直连用户、两跳用户所受来自其他小区的同信道干扰如图3 - 6 和图3 7 所示。图中星 形表示用户，实线表示用户所受基站的同信道干扰，虚线表示用户所受中继的同信道干扰。 从图3 - 6 可以看出，直连用户受到的下行干扰来自6 个同类小区的基站干扰，以及6 个不 同类小区中复用相同信道的中继干扰，共计1 2 个干扰源。基站向中继传输时，中继的地位 和直连用户一样，因此中继受到的下行干扰和直连用户相同。故这里没有给出中继所受干 扰的图。从图3 7 可以看出，两跳用户受到的下行干扰来自6 个同类小区中继的同信道干 扰，以及6 个被复用信道的不同类小区的基站干扰，共计1 2 个干扰源。 直连用户的接收信干比为 舢k ：t 卜一 一嬲( f ) + e 一魑( ) i = i j = l 中继的接收信干比为 1 4 ( 3 - 7 ) 第3 章中继增强型网络的资源分配策略 删：了 一 弓一殿o ) + e 一憨( ) t ；l j = l 两跳用户的接收信干比为 删：百 一 e 一粥( f ) + 弓一船( ) l = l j = l 图3 - 6 直连用户所受其他小区的同信道干扰 1 5 ( 3 8 ) ( 3 9 ) 东南大学硕士学位论文 3 2 1 3 路由选择 引入中继后，每个用户对接收信号的路径有了选择：接收来自基站的信号，或者接收 来自某个中继的信号。本小节采用基于信干比的路由算浏2 1 1 。该算法的步骤如下： 步骤l ：在六个中继中选择距离用户最近的两个中继。 步骤2 ：计算基站和这两个中继之间的信干比，计算这两个中继和用户之间的信干比。两 跳链路的信干比由两跳链路中最小的信干比决定。 s i r 2 - j = r a i n 龇印姗肼一1 ) ，f = 1 ，2 ( 3 - 1 0 ) 步骤3 ：计算基站和用户之间的信干比刷。 步骤4 ：比较这三条路径的信干比，选取具有最大信干比的路径。 r o u t e = a r g m a x 删，姗2 卸1 ，观却一2 ) ( 3 - 1 1 ) 3 2 1 4 仿真与分析 系统带宽b 为2 5 6 m h z ，则在复用因子为1 4 的系统中，每个小区的带宽b c e n 为 6 4 m h z ；在复用因子为l 3 的系统中，每个小区的带宽b 。n 为8 5 3 3 m h z 。 1 6 第3 章中继增强型网络的资源分配策略 每个小区的带宽被等分为n 个信道，这里n 为小区内的用户数。用户i 的信息传输速 率可用香农公式表示为： 即) = 鲁1 0 9 2 ( 1 + s i r ( f ) ) ( 3 1 2 ) 式中的信干比s i r 是经过路由选择之后，用户最终选择路径的s i r 。 在无线通信系统中，当信干比小于某一阈值时，按照某种调制编码方式发送数据时会 导致误比特率过大而使接受端无法正确解调。这时称为中断( o u t a g e ) 。本章采用文献【2 6 】 中值，设正确接收信号所需要的最小信干比s i r i n 为l d b 。当某一用户s i r 低于l d b 时， 则无法正确通信，即出现了中断。 采用蒙特卡洛( m o n t ec a r l o ) 方法进行系统性能仿真。考虑1 9 小区的系统，用户随 机均匀分布在中。t m , 区，通过计算接收信号功率和干扰功率，获得各个用户在不同路径上 的信干比，然后使用基于信干比的路由算法，确定用户的路由和最终的信干比。根据用户 的信干比，统计出现中断的用户数量，由公式( 3 1 2 ) 计算正常用户的速率，并求和得到 系统的吞吐量。重复上述仿真过程1 0 0 0 0 次，取平均值。 图3 8 和图3 - 9 分别给出了两种复用因子系统的吞吐量曲线和中断概率曲线。从图中 可以看出，与复用因子为1 4 的系统相比，复用因子为1 3 的系统，吞吐量大，中断概率 也大。这是因为复用因子为1 3 的系统，每个小区能获得的带宽多，所以吞吐量大。由3 2 1 2 小节的分析可知，复用因子为l 3 的系统，资源的复用距离变小了，干扰源增多，同信道 干扰变大，所以中断概率也大。 两张图中的横坐标是中继和基站的距离。从图中可以看出，中继位置会对系统的性能 产生影响。当中继和基站距离0 6 r ( r 是小区半径) 时，系统的吞吐量达到最大值。当中 继和基站距离0 7 r 时，系统的中断概率出现最小值。当中继和基站的距离在0 6 r 和0 7 r 之间变化时，系统的吞吐量和中断概率变化很小。因此，0 6 r 至0 7 r 的区间是中继位置 比较合理的选择。 1 7 东南大学硕士学位论文 墓 吕 詈 o 、 i ：引 。 气 l ， _ ，一 、 图3 - 8 吞吐量的比较 ：n 闻= 4j j 叫争_i ? ? 1 翟 f j ， 、 、r 一，一 k 、 、 二“ v 图3 - 9 中断概率的比较 3 2 2 基于复用分割的资源分配框架1 2 6 1 为了尽可能的利用稀缺的频谱资源，人们希望频谱可以在每个小区复用，即达到复用 因子为l 。然而这无疑会造成严重的小区间同信道干扰，从而使小区边缘的用户服务质量 得不到满足。在中继增强型网络中，由于增加了许多中继作为接入点，通过合理的分配资 源，可以改善小区边缘用户的服务质量，并且使系统的复用因子达到l 。基于该目标，文 献【2 6 】提出了基于复用分割的资源分配框架，并提出了一种联合路由和资源分配( j r r p ) 1 8 (s号苫ln呈dn0j声 第3 章中继增强型网络的资源分配策略 的算法。 本小节，我们研究基于复用分割的资源分配框架，研究爪r p 算法，并在j i r p 算法 的基础上，提出一种改进的联合路由和资源分配算法，并通过仿真验证性能。 3 2 2 1 资源分配框架【2 q 复用分割是蜂窝网络中一种有效提高频谱利用效率的技术。该技术的主要思想是把蜂 窝小区划分为不同区域，根据不同的干扰程度赋予它们不同的频率复用距离。 基于复用分割的思想，把相邻的三个小区组成一个簇，在每个小区中复用总的可用带 宽b 。每个小区将整个带宽分为均匀的三个部分：一部分用于中继一用户链路，另两部分 由基站一中继链路、基站一用户链路共享。该频谱分配框架的一个直观的例子如图3 1 0 所 示。我们可以看到，在小区a ( b 、c ) 中，e ( 最、e ) 频段用于中继一用户链路，只 和巧( 互和e ，互和e ) 频段用于基站一中继链路以及基站一用户链路。 f r e q u e n c y 尻 局 忍 c e a a c e l l b 图3 1 0 基于复用分割的资源分配框架 当用户处于小区边缘的时候，为了改善用户的链路质量，通常给用户分配两跳链路， 即基站一中继和中继一用户链路。由于每个小区复用了所有系统带宽，系统的同信道干扰 很大，而处于小区边缘的用户，受到相邻小区的干扰更严重。因此，为了减少相邻小区的 干扰，分别用于小区a 、b 、c 中继向用户两跳传输的e 、e 、e 频段，应该两两相互正 交。这种正交性要求产生如下的限制： i 巧j + i e i + i e i b ( 3 - 1 3 ) 其中j | 代表相应频段的带宽。 1 9 东南大学硕士学位论文 小区内的资源分割 在每个小区中，系统可用带宽被进一步分为等带宽的子信道。与基站进行通信的直连 用户分配一个子信道；通过中继通信的两跳用户分配两个子信道，一个用于基站一中继链 路，另一个用于中继一用户链路。 记小区中直连用户的数量为l ，两跳用户的数量为2 ，则每个子信道带宽为 = 币b 瓦= 矗 由上式可知，当给定小区中总用户的数量( n = l + 2 ) 时，子信道带宽由两跳用户 数2 决定。 设直连用户i 的接收信千比为s i r s m ( i ) ，则用户i 的信息传输速率可用香农公式表示 为： r l ( i ) = l 0 9 2 ( 1 + 瓯( 劝 ( 3 - 1 5 ) 为方便起见，定义用户i 的单跳频谱利用率为 叩l ( f ) 垒l 0 9 2 ( 1 + - s ! l 坎脚( f ) ) ( 3 1 6 ) 设两跳用户j 在基站一中继链路、中继一用户链路的接收信干比分别为& r 艘( j ) 和 ( ) ，则用户的传输速率为： r ( 歹) = b c r t 2 ( 歹) ( 3 - 1 7 ) 式中用户j 的两跳频谱利用率为 叩2 ( ) 叁l 0 9 2 ( 1 + m i n ( s i r 艄( j ) ，龇( ) ) ( 3 - 1 8 ) 于是，给定用户数n ，小区的吞吐量可以表示为2 的函数 c ( 2 ) = l 艺叩。( 卅叩：( 圳 ：志k , i = i 隆j = 卅n z + 1 童以_ 。1 ” 约束条件 由式( 3 1 9 ) 可知，小区的吞吐量和两跳用户的数量2 有关，而路由策略决定了哪些 第3 章中继增强型网络的资源分配策略 用户通过两跳进行传输，即决定了两跳用户的数量，。因此，路由策略最终影响小区的 吞吐量。通过优化路由策略，可以使小区吞吐量达到最大化【2 6 1 。 另外，上- - , j , 节提出的基于复用分割的资源分配框架对路由的选择起约束作用。在这 个资源分配框架下，簇中每个小区用于中继向两跳用户传输的带宽必须满足式( 3 1 3 ) 的 约束，而相邻小区之间需要频繁交换信息才能满足该约束。为了避免小区之间交换信