蜂窩中繼網絡中協作切換策略研究*

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

現代移動通信系統中，需要支持用戶在高速運動環境下的無縫切換。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構架。中繼作為一種輔助技術［1］應用于下一代通信系統中。它具有低開銷，靈活性好的特點。然而中繼站應用于蜂窩網絡中也帶來了一些技術性的問題。切換面臨著巨大的挑戰，由于在蜂窩網絡中部署了中繼站，必然會增加切換的場景。在傳統的蜂窩網絡中，切換只是在兩個基站之間。然而，在蜂窩中繼網絡中，切換不僅發生于兩個基站之間，還發生于基站與中繼，中繼與中繼之間。

當前，一些文獻已經研究了中繼網絡中的切換問題。文獻［2］研究了網絡中繼之間的切換，以及對多跳中繼蜂窩網絡性能的影響。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絡中的不同切換場景以及中繼站在蜂窩網絡中擺放的位置對整個系統切換性能的影響。文獻［4］對多跳蜂窩網絡的切換算法進行分析，并發現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級的方法來對分布式多跳中繼網絡的切換場景進行分類。文獻［6－7］講述了協作分集是一種新穎的空間分集技術，通過協作可以改善系統的性能。

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

2 系統模型

2.1 蜂窩中繼網絡構架

中繼技術應用于中繼與基站以及移動用戶之間。在中繼蜂窩網絡中有兩種路徑發送信號，其中傳統的路徑就是在兩基站之間進行直接傳輸數據，另一種方法是通過借助中繼進行數據傳輸。如圖1所示。它描述了兩跳蜂窩中繼網絡的構架。在每個小區當中有一個基站和六個中繼站，且基站置于小區的中心，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 蜂窩中繼網絡

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

圖2 用戶狀態分析

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)為發射功率，μ為路徑損耗指數，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。

3 切換模型

3.1 傳統切換算法

傳統的蜂窩網絡中切換的觸發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。傳統的切換算法參數如下:(d)代表兩個不同的接入站點的信號強度差值:

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V為所有的服務基站BS1...BS7。

Th作為切換門限值，h為遲滯參數值。

切換算法步驟如下:

(1)當前服務站點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 滿足與當前服務站點i的信號強度差值大于遲滯參數值時:

就進行相關的切換操作直至完成。

3.2 協作切換策略

由于切換場景包括小區內切換和小區間的切換，故協作切換策略［8］也分為兩部分來處理。

3.2.1 小區內切換

對于用戶在小區內的切換可以看作為基站選擇中繼用于協作。其切換的流程圖如圖3(a)所示。以BS1 所在的小區為例，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定的協作門限值T1，最大信號強度的RS 開始為移動臺轉播數據;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 停止為移動臺轉播數據，切換到能夠為移動臺轉播數據的最大信號強度的RS。小區內的切換只是用戶在小區內選擇不同的RS 作為協作伙伴。

圖3 協作切換流程圖

3.2.2 小區間切換

對于用戶在小區間的切換首先可以看作是源服務小區選擇基站進行協作，其切換流程如圖3(b)所示。BS1為源服務基站，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)從源服務基站BS1 與BS1.RSi的平均接收信號強度之和小于預先設定的絕對門限值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上的遲滯參數時:

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定的協作門限值T1，最大信號強度的RS 開始為移動臺轉播數據，進行RS 協作。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，就會出現切換阻塞以及掉話的可能性。

4 仿真結果與分析

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

仿真環境選擇7個小區來評估基于中繼協作切換的系統性能。其仿真主要參數如表1 所示。

表1 系統仿真主要參數

圖4－5 分別反映了系統中的切換阻塞率隨著用戶個數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的增加其阻塞的概率也隨之增加，協作切換的阻塞率要明顯小于傳統切換。

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

圖4 切換阻塞率隨用戶個數變化的曲線

圖5 切換阻塞率隨用戶速度變化的曲線

圖6 中根據預設的中繼開始協作門限和結束協作門限分別為－100 和－115，以及小區系統中隨機分布的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作切換過程中基站間的切換次數要小于傳統切換過程中基站間的切換次數。

圖6 切換次數隨絕對門限值變化的曲線

5 結束語

下一代無線通信系統對小區邊緣用戶的性能提出了更高的要求。但傳統蜂窩網絡架構存在著固有缺陷，小區邊緣用戶的服務質量遠差于靠近基站的中心用戶。在基于傳統的切換算法中，通過加入中繼的蜂窩網絡，對于區內以及區間的切換采取不同的協作策略，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的變化以及隨用戶速度的變化，協作切換都優于傳統切換。同時基站間切換次數也得到減少，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，得到較好的系統性能。

［1］趙睿，俞菲，楊綠溪.中繼輔助協同通信網［J］.中興通訊技術，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.