蜂窩中繼網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作切換策略研究*

龍 輝，康桂華，陳 偉

(河海大學計算機與信息學院，常州 213022)

1 引言

現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)中，需要支持用戶在高速運動環(huán)境下的無縫切換。為了滿足較好的切換要求，就有必要研究較好的接入方案以及更好的系統(tǒng)構(gòu)架。中繼作為一種輔助技術(shù)［1］應(yīng)用于下一代通信系統(tǒng)中。它具有低開銷，靈活性好的特點。然而中繼站應(yīng)用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)中也帶來了一些技術(shù)性的問題。切換面臨著巨大的挑戰(zhàn)，由于在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中部署了中繼站，必然會增加切換的場景。在傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，切換只是在兩個基站之間。然而，在蜂窩中繼網(wǎng)絡(luò)中，切換不僅發(fā)生于兩個基站之間，還發(fā)生于基站與中繼，中繼與中繼之間。

當前，一些文獻已經(jīng)研究了中繼網(wǎng)絡(luò)中的切換問題。文獻［2］研究了網(wǎng)絡(luò)中繼之間的切換，以及對多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)性能的影響。并提出用戶在中繼之間的切換算法。文獻［3］主要介紹多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的不同切換場景以及中繼站在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中擺放的位置對整個系統(tǒng)切換性能的影響。文獻［4］對多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)的切換算法進行分析，并發(fā)現(xiàn)不同的切換門限對切換算法的影響。文獻［5］對使用高性能的中繼以系統(tǒng)級的方法來對分布式多跳中繼網(wǎng)絡(luò)的切換場景進行分類。文獻［6－7］講述了協(xié)作分集是一種新穎的空間分集技術(shù)，通過協(xié)作可以改善系統(tǒng)的性能。

基于上述研究，研究了固定中繼，基于中繼的協(xié)作切換策略。通過中繼協(xié)助用戶進行有效切換，可以減小用戶切換的阻塞率，不至于出現(xiàn)掉話，以及避免不必要的切換，減少了基站間切換的次數(shù)，減輕了基站負擔，使系統(tǒng)性能得到了提升。

2 系統(tǒng)模型

2.1 蜂窩中繼網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

中繼技術(shù)應(yīng)用于中繼與基站以及移動用戶之間。在中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)中有兩種路徑發(fā)送信號，其中傳統(tǒng)的路徑就是在兩基站之間進行直接傳輸數(shù)據(jù)，另一種方法是通過借助中繼進行數(shù)據(jù)傳輸。如圖1所示。它描述了兩跳蜂窩中繼網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架。在每個小區(qū)當中有一個基站和六個中繼站，且基站置于小區(qū)的中心，中繼分布在基站半徑的一定程度的圓周上，并進行均勻分布。

圖1 蜂窩中繼網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)的硬切換是在兩相鄰基站進行的，而在加入中繼站之后，中繼蜂窩系統(tǒng)中有兩條路徑的發(fā)射信號:傳統(tǒng)的直傳鏈路以及通過中繼協(xié)作的信號。選取BS1 與BS2 所在的蜂窩中繼系統(tǒng)為例，四個移動用戶狀態(tài)如圖2 所示:UE1 僅由BS1 提供服務(wù)，UE2 由BS1 及選擇協(xié)作中繼RS1 共同服務(wù)，UE3 由BS2 及選擇協(xié)作中繼RS2 共同服務(wù)，UE4 處于切換區(qū)域可以看作為選擇BS2 進行協(xié)作。四個移動用戶的具體狀態(tài)過程分析在協(xié)作切換策略中進行拓展。

圖2 用戶狀態(tài)分析

2.2 傳播模型

一般情況下，傳播模型有兩個方面，路徑損耗以及陰影衰落。定義rk為從接入站點k的接收信號強度，其k為圖1 中的所有接入站點，接收信號強度表達式如下:

其中dk(km)表示用戶與接入站點k 之間的距離，rk(dBm)為發(fā)射功率，μ為路徑損耗指數(shù)，ξ為陰影衰落，服從均值為零，標準差為σ。

對接收信號強度進行加窗處理獲取平均信號強度:

其中fav(d)為窗函數(shù)。

3 切換模型

3.1 傳統(tǒng)切換算法

傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中切換的觸發(fā)是以信號強度作為切換標準。當所有的條件滿足時，用戶將進行切換，從當前接入站點切換到另一個接入站點。傳統(tǒng)的切換算法參數(shù)如下:(d)代表兩個不同的接入站點的信號強度差值:

本文通過港珠澳大橋橋墩警示標志的能源系統(tǒng)設(shè)計，給讀者介紹了一種能源配置的方法。能源系統(tǒng)設(shè)計是航標能否正常運行的基礎(chǔ)工作，了解并掌握航標能源系統(tǒng)設(shè)計方法，對提升航標技能，開展航標業(yè)務(wù)具有重要意義

V為所有的服務(wù)基站BS1...BS7。

Th作為切換門限值，h為遲滯參數(shù)值。

切換算法步驟如下:

(1)當前服務(wù)站點i的平均接收信號強度小于Th:

(2)初始化候選集后，最大的平均接收信號強度的接入站點j:

(3)最大的平均接收信號強度的接入站點j 滿足與當前服務(wù)站點i的信號強度差值大于遲滯參數(shù)值時:

就進行相關(guān)的切換操作直至完成。

3.2 協(xié)作切換策略

由于切換場景包括小區(qū)內(nèi)切換和小區(qū)間的切換，故協(xié)作切換策略［8］也分為兩部分來處理。

3.2.1 小區(qū)內(nèi)切換

對于用戶在小區(qū)內(nèi)的切換可以看作為基站選擇中繼用于協(xié)作。其切換的流程圖如圖3(a)所示。以BS1 所在的小區(qū)為例，每個RS 周期性的測量其周圍移動臺的接收信號強度，當移動臺的平均接收信號強度大于預先設(shè)定的協(xié)作門限值T1，最大信號強度的RS 開始為移動臺轉(zhuǎn)播數(shù)據(jù);當移動臺的平均接收信號強度比丟失門限值T2還小，當前RS 停止為移動臺轉(zhuǎn)播數(shù)據(jù)，切換到能夠為移動臺轉(zhuǎn)播數(shù)據(jù)的最大信號強度的RS。小區(qū)內(nèi)的切換只是用戶在小區(qū)內(nèi)選擇不同的RS 作為協(xié)作伙伴。

圖3 協(xié)作切換流程圖

3.2.2 小區(qū)間切換

對于用戶在小區(qū)間的切換首先可以看作是源服務(wù)小區(qū)選擇基站進行協(xié)作，其切換流程如圖3(b)所示。BS1為源服務(wù)基站，BSi為切換目標基站。移動臺周期性的測量從其周圍基站接收到的信號強度。以上圖2 所示的環(huán)境模型為例，當所有的條件滿足時，移動臺從BS1 切換到BS2。條件如下:

(1)從源服務(wù)基站BS1 與BS1.RSi的平均接收信號強度之和小于預先設(shè)定的絕對門限值Th:

(2)從候選集基站中接收平均信號強度最強的目標基站為BSi，

(3)當從目標基站中接收的平均信號強度大于源基站基礎(chǔ)上的遲滯參數(shù)時:

當滿足以上的條件同時，目標基站中的RS 也進行周期性的測量其周圍移動臺的接收信號強度，當移動臺的平均接收信號強度大于預先設(shè)定的協(xié)作門限值T1，最大信號強度的RS 開始為移動臺轉(zhuǎn)播數(shù)據(jù)，進行RS 協(xié)作。否則直接切換到目標基站。當切換目標地沒有足夠的信道時，就會出現(xiàn)切換阻塞以及掉話的可能性。

4 仿真結(jié)果與分析

通過從切換阻塞率及切換次數(shù)分析基于中繼協(xié)作的切換算法的性能與傳統(tǒng)切換比較。與切換相關(guān)的統(tǒng)計量記為:切換次數(shù)，切換總次數(shù)，切換失敗總數(shù)，切換阻塞率。其中切換次數(shù)指基站之間的切換。定義切換阻塞率為切換失敗總數(shù)與切換總次數(shù)的比值。

仿真環(huán)境選擇7個小區(qū)來評估基于中繼協(xié)作切換的系統(tǒng)性能。其仿真主要參數(shù)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)仿真主要參數(shù)

圖4－5 分別反映了系統(tǒng)中的切換阻塞率隨著用戶個數(shù)和用戶運動速度變化的曲線:

圖4 中切換阻塞率隨著用戶個數(shù)的增加其阻塞的概率也隨之增加，協(xié)作切換的阻塞率要明顯小于傳統(tǒng)切換。

圖5為切換阻塞率隨著用戶移動速度變化的曲線。小區(qū)系統(tǒng)中隨機分布著300個用戶。雖然傳統(tǒng)切換隨著移動速度的增加，其切換阻塞率有所下降，協(xié)作切換隨著移動速度的增加，其切換阻塞率有所增大，但總體表現(xiàn)協(xié)作切換的阻塞率仍然小于傳統(tǒng)切換。

圖4 切換阻塞率隨用戶個數(shù)變化的曲線

圖5 切換阻塞率隨用戶速度變化的曲線

圖6 中根據(jù)預設(shè)的中繼開始協(xié)作門限和結(jié)束協(xié)作門限分別為－100 和－115，以及小區(qū)系統(tǒng)中隨機分布的300個用戶，絕對門限值為相鄰基站的接入門限值。隨著絕對門限值的變化，可以較明顯的得出協(xié)作切換過程中基站間的切換次數(shù)要小于傳統(tǒng)切換過程中基站間的切換次數(shù)。

圖6 切換次數(shù)隨絕對門限值變化的曲線

5 結(jié)束語

下一代無線通信系統(tǒng)對小區(qū)邊緣用戶的性能提出了更高的要求。但傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在著固有缺陷，小區(qū)邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量遠差于靠近基站的中心用戶。在基于傳統(tǒng)的切換算法中，通過加入中繼的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，對于區(qū)內(nèi)以及區(qū)間的切換采取不同的協(xié)作策略，用戶可以較靈活的選擇不同的接入站點。通過仿真比較了切換阻塞率隨用戶數(shù)的變化以及隨用戶速度的變化，協(xié)作切換都優(yōu)于傳統(tǒng)切換。同時基站間切換次數(shù)也得到減少，雖然這些都是以增加大量的中繼作為代價，但可以減輕基站的負載，得到較好的系統(tǒng)性能。

［1］趙睿，俞菲，楊綠溪.中繼輔助協(xié)同通信網(wǎng)［J］.中興通訊技術(shù)，2008(3):22－26.

［2］H.Nourizadeh，S.Nourizadeh，R.Tafazolli.Impact of the Inter－ relay handoff on the relaying system performance［C］.IEEE Vehicular Technology Conference，2006(64):1－5.

［3］Sunghyun Cho，Edward W.Jang，John M.Cioffi.Handover in Multi－ hop Cellular Networks［M］.IEEE Communications Magazine，2009(47):64－73.

［4］Dongkyu Kim，Hano Wang，Jemin Lee，Daesik Hong.Analysis of Handoff Algorithm for Multihop Cellular Networks［C］.IEEE Advanced Communication Technology，2008，10(1):29－32.

［5］Hyeonchae Yang，Hyunjeong Lee，Meejeong Lee.A Mobility Management Protocol for Multi－ hop Relay Networks［C］.IEEE Advanced Communication Technology，2008，10(1):37－42.

［6］Sendonaris A，Erkip E，Aazhang B.User cooperation diversity－partⅠ:system description［J］.IEEE Trans on Comm，2003，51(11):1927－1938.

［7］Sendonaris A，Erkip E，Aazhang B.User cooperation diversity－ part Ⅱ:implementation aspects and performance analysis［J］.IEEE Trans on Comm ，2003，51(11):1939－1948.

［8］Yueyun Chen，Yanyan Liu.A Handoff strategy based on cooperative diversity for celluluar relaying network［C］.Wireless Networks and Information Systems，2009:326－329.