熱點區域內能效最優的單中繼部署策略

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引言

無線通信網絡的迅速發展給人類生活帶來巨大改變，人們在不斷體驗豐富多彩的通信方式所帶來的便利和樂趣。尤其是各種無線異構網絡[1](如GSM、CDMA2000、WiMAX、藍牙、802.16m、LTE、無線傳感器網絡等)的出現和發展，使得通信方式變得異常豐富。不同的異構網絡面向的目標用戶和適用的場景是多種多樣的。舉例而言，藍牙用于近距離通信，適用于設備進行短距離信息交換；而LTE適用于在宏蜂窩網絡下進行高速數據傳輸。在蜂窩網絡或者WiMAX網絡中引入固定中繼后形成了異構網絡，使得特定區域的通信質量得到提高，形成兩層網絡覆蓋的特殊結構[2]。

除無線網絡下的直接通信，熱點區域(如大型社區、高校等)的覆蓋也是一個重要的研究課題，保證熱點區域的通信質量是重中之重。固定中繼的低能耗、高容量以及低成本等優點[3]使其成為加強熱點區域覆蓋的首選。考慮到綠色通信的勢在必行[4]，在熱點區域部署固定中繼不僅要保證其網絡容量，而且需盡可能降低能耗，因此，通過在熱點區域中合理部署固定中繼以提高網絡能效變得尤為重要。上行傳輸時，熱點區域內的用戶不直接傳輸數據到基站，而是先傳輸數據到固定中繼，然后由固定中繼將用戶數據轉發到基站。這樣使得用戶到目標節點的距離大大減小，路徑損耗也因此大大降低[5]。這其中，固定中繼的位置對網絡性能有著至關重要的影響，本文以最大化能效為目標確定中繼的位置。

首先，了解上行傳輸能效(Uplink Energy Eff i ciency，UEE)的定義，即熱點區域內用戶總上行容量與網絡總能耗的比值。其中，網絡總能耗包括用戶和中繼的發射功率。然后，運用放大轉發(Amplify-and-Forward，AF)模式，推導出用戶隨機分布下無中繼網絡和中繼網絡的UEE解析表達式。通過仿真評估不同網絡參數(用戶發射功率、熱點區域半徑、用戶數量、中繼發射功率)對最優中繼位置和UEE的影響。結果表明，中繼位置對熱點區域上行傳輸能效有很大影響。在給定其他網絡參數，比如小區半徑、用戶發射功率等的條件下，能夠通過優化中繼位置獲得最大能效。并且，通過與無中繼熱點區域的對比，表明本文提出的方法能夠有效提高上行傳輸能效。

1 網絡模型及參數定義

網絡模型如圖1所示，熱點區域的半徑為R，距離基站為BR，其中，B＞1。建立直角坐標系以熱點區域中心為坐標原點，熱點中心和基站的連線所在直線為x軸。設中繼的位置坐標為(aR,0)，其中，。熱點區域內用戶(總數為UT，用集合UT表示)隨機分布。本文考慮上行傳輸，運用放大轉發中繼模式。以下具體介紹AF中繼模式的思想和原理。

圖1 熱點區域單中繼網絡模型

固定型中繼[6]是協作分集中一個比較基礎的方式，其中主要包括放大轉發和解碼轉發(Decode-and-Forward，DF)兩種模式。AF模式處理信號分為兩個時隙。

在第一個時隙，源節點S廣播發送信號到中繼節點R和目的節點D，兩者接收到的信號分別為

其中，PS表示源節點的發射功率，S代表源節點發射的符號，分別表示S到R鏈路和S到D鏈路的信號系數，分別表示R和D端的加性高斯白噪聲

在第二個時隙，中繼節點進行功率放大，然后將放大后的信號轉發到目的節點D。此時，目的節點接收到的信號為

其中表示R到D鏈路的信號系數[8]，K代表中繼節點R發射的符號，令K為表示D端的加性高斯白噪聲。

目的節點D在接收到后，將兩路信號合并得到最終信號 ，

運用AF中繼模式，鏈路容量表示為

其中，W為鏈路帶寬，分別表示源節點到目的節點、源節點到中繼節點和中繼節點到目的節點的鏈路的信噪比，

其中，PR表示中繼節點R的發射功率，分別表示源節點到目的節點、源節點到中繼節點和中繼節點到目的節點的距離，表示路徑損耗指數，表示噪聲功率，這里假設三條鏈路的均相等。

具體到本文中，源節點S是指用戶，中繼節點R是指固定中繼，目的節點D是指基站。表格1列出了一些參數定義。所有用戶通過中繼服務，不同站點之間不存在干擾，網絡總帶寬平均分為N個子載波，個用戶共享這N個子載波。中繼總發射功率為

表1 參數定義

2 熱點區域內上行傳輸能效分析

本文的研究目標是確定固定中繼的位置，使得熱點區域的上行傳輸能效(熱點區域內用戶總上行容量與網絡總能耗的比值)最大。熱點區域內用戶隨機分布，均通過固定中繼服務。

2.1 用戶總上行容量

設u為熱點區域內任一用戶，在中繼網絡中，運用AF模式，由(5)、(6)、(7)和(8)，得到其獲得的上行容量如(9)所示，

因此，個用戶的總上行容量C的表達式如(10)所示，

在無中繼網絡中，熱點區域中所有用戶直接由基站服務，用戶總上行容量為

2.2 網絡總能耗

網絡總能耗P包括兩部分：固定中繼的發射功率與所有用戶的發射功率總和。

2.3 上行傳輸能效

根據(10)和(12)，中繼網絡中的上行傳輸能效(UEE)的表達式如(13)所示。

無中繼網絡中，用戶上行傳輸能效UEE0的表達式如下。

由(13)可以得知，在其他所有參數給定時，對上行傳輸能效的影響非常大，后文將通過仿真的方法確定最優值使得上行傳輸能效最大化。

3 性能評估

仿真中，熱點區域內的用戶隨機分布，所有仿真結果為100個隨機拓撲的平均值。數值結果由式(13)通過Matlab獲得。常量參數有

3.1 上行傳輸能效vs.

1) 參數圖2描述了 與UEE的關系，表格2給出了相對應的GE。從圖2可以看出，的不同取值對上行傳輸能效UEE的影響非常大。存在一個最優值(在給定參數條件下，)使得熱點區域網絡獲得最大UEE。當取最優 值時，協作方式通信的網絡性能遠遠高于直傳通信網絡。

2) 參數圖3描述了與UEE的關系。表格3給出了相對應的GE。相比于1)，當時，網絡取得最大上行傳輸能效UEE，且最優能效增益GE高于1)。這是因為當用戶發射功率降低時，直傳通信的鏈路性能更低，通過中繼協作，網絡能夠獲得更優的性能。

3) 參數圖4描述了a與UEE的關系。表格4給出了相對應的GE。相比于2)，網絡還是在時取得最大上行傳輸能效UEE。可以看出，當中繼發射功率降低時，最優能效增益GE低于2)。這是因為協作能力隨著中繼發射功率的降低而降低，導致網絡性能變差。

圖2 UEE vs

表2 GE vs

表2 GE vs

0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 GE0.68 0.77 0.92 1.16 1.48 2.01 2.45 2.67 2.12 1.68 1.36

圖3 UEE vs

表3

表3

0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 GE 0.86 1.04 1.33 1.76 2.39 3.02 3.06 2.25 1.66 1.33 1.10

圖4 UEE vs

表4 GE

表4 GE

0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 GE 0.71 0.83 1.00 1.28 1.67 2.13 2.27 1.94 1.61 1.43 1.26

3.2 小區半徑vs.網絡性能

給定網絡參數表格5給出了不同熱點區域半徑R對應的不同最優和相對應的最優能效增益GE。圖5描述了不同熱點區域半徑R對應的最大上行傳輸能效UEE。從表格5中可以看出，隨著熱點區域半徑R的增大，最優a值變小，即最優中繼位置靠近熱點區域中心。存在一個最優熱點區域半徑R和最優 值(在給定參數條件下，使得能效增益GE最大。圖5表明，在熱點區域半徑足夠小時，使用中繼協作反而會降低網絡能效，說明中繼協作適用于較大半徑的熱點區域。同時，從圖5中可以看出，協作方式下的通信和直傳通信的上行傳輸能效UEE均隨著小區半徑的增大而降低。這是因為當熱點區域半徑增大時，用戶到基站或到中繼的距離增大，路徑損耗大大增大，導致網絡性能降低。

表5 最優，GE vs.R

表5 最優，GE vs.R

R 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.3 1.2 1.2 GE 0.81 1.44 2.27 2.78 2.67 2.18 1.74 1.50

圖5 UEE vs.熱點區域半徑

3.3 用戶數量vs.網絡性能

給定網絡參數此時，子載波中繼發射功率相等，總發射功率隨著用戶數量的改變而改變。表格6給出了不同用戶數量對應的不同最優 和相對應的最優能效增益GE。圖6描述了不同用戶數量對應的最大上行傳輸能效UEE。從表格6中可以看出，由于用戶隨機分布，用戶數量不影響最優 值。從圖6中可以看出，協作方式下通信和直傳通信的上行傳輸能效UEE隨著用戶數量增大而降低。這是因為網絡總帶寬一定，每個用戶分得的帶寬隨著用戶數量的增大而減小，而用戶總容量保持在一定水平上。

圖6 UEE vs.用戶數量

4 結語

本文以能效最大化為目標，研究了熱點區域內的最優中繼部署策略。結果表明在給定最優中繼位置時，協作通信的網絡性能遠遠高于無中繼網絡。在未來的研究工作中，應不局限于現有網絡拓撲，考慮中繼更加靈活的部署方案，如可以研究熱點區域內部署多個中繼的方案。此外，可以考慮固定中繼和移動中繼相結合部署的方案，以達到更優的網絡能效性能。

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