4G寬帶無線網絡中繼站高效規(guī)劃設計

陳 昕

(興天通訊技術有限公司，天津 301700)

?

4G寬帶無線網絡中繼站高效規(guī)劃設計

陳 昕

(興天通訊技術有限公司，天津 301700)

提出了一種針對擴展基站(BS)覆蓋范圍而引入的中繼站(RS)的規(guī)劃設計方法。對于給定的移動站(MS)分布，WiMAX網絡中存在的問題是找出部署RS的位置。文中在考慮頻率復用和由其引起的小區(qū)間干擾的情況下，提出了RS規(guī)劃的優(yōu)化算法，并對RS的位置進行模擬。所得模擬結果顯示，與沒有RS的情況相比，具有RS的網絡容量增益和小區(qū)吞吐量得到提高。

中繼布置；小區(qū)間干擾；容量增益；吞吐量

WiMAX網絡的頻譜范圍高于10～20 MHz，由這些網絡傳輸的帶寬可高至75 Mbit·s-1。雖然WiMAX給出了帶寬效率，但是在提高網絡吞吐量方面存在如下挑戰(zhàn)：一是覆蓋盲區(qū)的消除或降低；其次是WiMAX網絡中范圍的擴展。為了解決信道衰落和范圍擴展的問題，一種簡單的解決方案是增加更多的基站(BS)。然而，部署更多的BS會大幅增加成本。在該種情況下，中繼站(RS)是一種節(jié)省成本的替代解決方案。通過對RS進行優(yōu)化布置可增強網絡系統(tǒng)的容量[1]。

早前已經廣泛研究了多級中繼網絡中BS和RS的布置優(yōu)化問題[2-3]。在本文中，通過考慮系統(tǒng)特性和數據的網絡帶寬傳輸配置來進行混合整數線性規(guī)劃(MILP)。Kramer等人[4]研究了中繼網絡的合作策略和容量原理。文獻[5]中討論了提高中繼布置的近似算法，通過引入RS來提高覆蓋、吞吐量和系統(tǒng)容量[6]。與BS不同，RS僅覆蓋較小的區(qū)域，因此在小區(qū)的一部分中使用RS時，可重復使用頻帶，本文通過考慮頻率復用和小區(qū)間干擾來處理RS的位置規(guī)劃問題。小區(qū)間干擾的出現使得一個小區(qū)中的MS可接收來自相鄰小區(qū)的RS或BS的信號[7]。因此，通過找出小區(qū)間干擾并將其去除來提高網絡的性能。關于RS的早先工作主要涉及覆蓋范圍的擴展和吞吐量的增強[8-15]，幾乎沒有工作涉及容量增大。因此，文中還討論了增大網絡容量的RS布置。

1 中繼站規(guī)劃設計

本文提出了如下模型：在布置固定中繼站的條件下擴展網絡的覆蓋范圍并增強吞吐量。BS通常位于小區(qū)的中心處，其覆蓋區(qū)域由α來表示。通常在BS覆蓋區(qū)域的邊界處布置RS，RS的覆蓋區(qū)域由β來表示，其擴展了BS的覆蓋區(qū)域。MS可位于BS的傳輸范圍(α)之外。因此，MS必須通過中間RS來與BS通信。BS小區(qū)(包括α和β)被劃分成了一系列小區(qū)域，如圖1中所示。用R表示小區(qū)中用于布置RS的所有候選坐標的集合，則RS的最優(yōu)位置選自這些R坐標位置。

C中繼為在BS與MS之間使用RS時獲得的容量，C直接表示BS～MS直接傳輸而沒有中間RS時的容量，則容量增益使用式(1)計算。

容量增益=(C中繼-C直接)/C直接

(1)

圖1 BS和RS的覆蓋

中繼站規(guī)劃算法的輸入為BS、RS和MS的數目。小區(qū)中的每個位置均是RS布置的可能候選位置。與BS～MS的直接傳輸相比，所布置的RS必須提高容量增益。

輸出 Rsmax

Begin

Max=Grs[1]；

RS列表中的增益計算，

for k=1 to n do

Grsi=(C中繼-C直接)/C直接

Sort Grs;

n=sizeof(rs[0])

loop:

for i=0 to n do

for j=i+1 to rscount do

n1=size of(rs[i])

for k=0 to n1 do

if(rs[0][i]=rs[j][k])then

移除(rs[j][k])

end

end

end

end

移除rs[0]；

if(資源>閾值)then

goto end;

else goto loop;

end

圖2 小區(qū)間干擾圖示

在BS覆蓋區(qū)域中給出RS的初始候選位置，將其記錄在RS列表中，記錄每個RS所服務的MS列表，并計算由所有RS提供的總增益。在計算結果中，選出提供最高增益的RS，然后從其他RS的服務MS列表中移除與所選擇的RS相對應的MS，這有助于避免由多個RS所引起的MS干擾，當資源超過特定閾值時算法停止。

使用上述算法來選擇提供了高容量增益的RS位置，頻率復用因子與小區(qū)間干擾作為約束條件。若頻率資源被復用，則網絡的吞吐量將增大。在中繼輔助蜂窩傳輸的情況下，頻率復用因子較高。若頻率復用因子增大，則小區(qū)尺寸自動增大。網絡中的頻率復用會導致小區(qū)間干擾，小區(qū)中心處的頻率復用因子應保持小于小區(qū)邊緣處的頻率復用因子。必須評估且矯正小區(qū)間干擾以便提高網絡的性能。在圖3中，一個小區(qū)中的移動站接收來自兩個小區(qū)RS的信號，小區(qū)間干擾在MS中出現。小區(qū)邊緣處的用戶將經受較低的信號強度和吞吐量，若使用頻率復用，則使小區(qū)中心處的用戶頻譜效率最大化，這將提高小區(qū)邊緣處用戶的信號強度和吞吐量。

2 計算結果

通過使用網絡模擬器-3(一種離散事件模擬器)進行模擬，模擬時間從一個事件離散地移至另一事件。模擬程序為C++可執(zhí)行程序或python腳本，本文中使用C++程序來實現。

計算了數據包的傳輸與接收之間的時間延遲，用戶口令用于識別源節(jié)點和目的地節(jié)點，且序列號用于驗證所傳輸的數據包的順序，然后通過獲取傳輸時間與接收時間差來計算延遲。生成兩種類型的追蹤文件即pcap文件和xml文件。在程序執(zhí)行期間生成的pcap文件作為抓包工具的輸入來捕獲被傳輸的數據包，給出關于源、目的地、傳輸時間及傳輸協(xié)議的信息，并通過抓包工具生成追蹤細節(jié)。表1中列出了模擬參數。

表1 模擬參數

當執(zhí)行cc文件時，生成xml文件。將xml文件輸入NetAnim以使節(jié)點位置與數據包傳輸可視化，NetAnim基于無線鏈接來對模擬進行動畫繪制。本文中可獲得數據包的統(tǒng)計值、具有節(jié)點軌跡的節(jié)點位置及節(jié)點移動的路徑。因此，識別了WiMAX網絡中節(jié)點的功能。

圖3 WiMAX小區(qū)中容量增益分析

在文中RS位于不同位置處，對于不同的MS和BS分布，分析了容量增益和吞吐量。對于BS與MS之間的直接傳輸以及通過使用介于其間的RS兩種情況分別計算了容量增益。當網絡中使用RS時，容量增益較高，如圖3所示。對于BS與MS之間的不同距離，分別在具有或沒有RS的情況下計算了網絡的吞吐量，該吞吐量由于RS而增大，如圖4所示。

圖4 WiMAX網絡中的小區(qū)吞吐量的比較分析

3 結束語

本文研究了提高網絡性能的WiMAX網絡中的RS規(guī)劃設計。通過對WiMAX網絡添加中繼，提高了每個用戶可獲得的數據速率。在給定的MS分布下，提出了高效啟發(fā)式算法來確定中繼站布置的位置。中繼站顯著擴展了網絡的覆蓋區(qū)域，計算了傳輸延遲和網絡的容量增益，并基于所計算的容量增益來選擇最佳RS位置。在考慮頻率復用因子和小區(qū)間干擾的情況下，獲得了與RS位置有關的吞吐量。

[1] Lin B, Ho P H, Xie L,et al. Optimal relay stationplacement in IEEE 802.16j networks[C].Lanzhou:Proceedings in ACMInternational Conference on Wireless Communication and MobileComputing (IWCMC ’07),2007.

[2] Engels A, Reyer M, Mathar R. Profit-oriented combination of multiple objectives for planning and configuration of 4G multi-hop relay networks[C].France:Wireless Communication Systems(ISWCS), Seventh International Symposium,2010.

[3] Yu Y, Murphy S, Murphy L. Planning base station and relaystation locations in IEEE 802.16j multi-hop relay networks[C].CA,USA:IEEE Consumer Communications and Networking Conference,2008.

[4] Kramer G, Gastpar M,Gupta P. Cooperative strategies andcapacity theorems for relay networks[J]. IEEE Transactions onInformation Theory, 2005(51):3037-3063.

[5] Efrat A, Fekete S P, Gaddehosur P R, et al. Improved approximation algorithms for relay placement[J].ACM Transactions on Algorithms(TALG)2015,12(2):20.

[6] So A, Liang B. Effect of relaying on capacity improvement inwireless local area networks[C].LA,USA:Proceedings in Wireless Communicationsand Networking Conference (WCNC),2005.

[7] Song Y, Yang H, Liu J,et al. Relay stationshared by multiple base stations for inter-cell interference mitigation[C].Xi’an:IEEE Std. 802.16 Broadband Wireless Access Working Group, IEEE802.16m,2008.

[8] Balakrishnan R, Yang X, Venkatachalam M, et al. Mobile relay and group mobility for 4G WiMAX networks[C].CA,USA:Wireless Communication and Networking Conference (WCNC),2011.

[9] Lin B, Ho P H, Xie L L, et al. Optimal relay station placement in broadband wireless access networks[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2010, 9(2): 259-269.

[10] Lin B, Ho P H, Xie L L, et al. Relay station placement in IEEE 802.16j dual-relay MMR networks[C].Beijing:IEEE International Conference on Communications,2008.

[11] Yang Yu,Sea N Murphy, Liam Murphy.Planning base station and relay station locations for IEEE 802.16j network with capacity constraints[C].Shanghai:Consumer Communications and Networking Conference(CCNC),2010.

[12] Abichar Z, Kamal A E, Chang J M. Planning of relay station locations in IEEE 802.16 (WiMAX) networks[C].Guangzhou:Wireless Communication and Networking Conference(WCNC),2010.

[14] Joshi G, Karandikar A.Optimal relay placement for cellular coverage extension[C]. UT,USA:Communications (NCC), National Conference on IEEE,2011.

[15] Yu Y, Murphy S, Murphy L. A clustering approach to planningbase station and relay station locations in IEEE 802.16j multi-hop relaynetworks[C].Tianjin:IEEE International Conference on Communications,2008.

Efficient Relay Station Planning Design for 4G Broadband Wireless Networks

CHEN Xin

(Xingtian Communication Technology Co. Ltd., Tianjin 301700, China)

This paper proposes a planning design method for extending the coverage area of base station (BS) by introducing the relay station (RS). For the given mobile station (MS) distribution, the problem present in WiMAX networks is to find location to place the RS. This paper simulates the location planning of RS based on the proposed algorithm by considering the frequency reuse and the inter-cell interference resulting from it. The simulation results show that the capacity gain of the network with RS and the throughput of the cell with RS are improved compared with that without RS.

relay placement; inter-cell interference; frequency reuse; throughput

2016- 10- 20

陳昕(1977-)，男，本科。研究方向：智能互動終端，互聯網運營平臺方向。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.06.024

TN925

A

1007-7820(2017)06-089-03