一種交互式中繼選擇策略

摘 要： 提出了一種協作中繼網絡的交互式中繼節點選擇（IRS）策略。用戶首先分布式構造基于信道狀況及中繼節點負載情況的中繼選擇函數，選擇最優的中繼節點；中繼節點再根據資源分配情況、業務優先級以及加權信道調度算法進行反向用戶選擇。仿真結果表明，相比于已研究的算法，所提出的IRS算法結合了信道狀況、MAC層資源與用戶業務狀況等因素，利用用戶和中繼之間的兩步式交互中繼選擇來調節小區內的用戶負載分布，獲得了小區吞吐量與用戶公平性之間的折衷。

關鍵詞： 中繼選擇； 協作中繼網絡； 負載均衡； 調度

中圖分類號： TN929.5?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）03?0001?05

Scheme of interactive relay selection

WANG Ben?chao1， JIANG Fan2

（1. Shaanxi Radio Monitoring Station， State Radio Regulatory Center of China， Xi’an 710200， China；

2. School of Communication and Information Engendering， Xi’an University of Posts and Telecommunications， Xi’an 710121， China）

Abstract： An interactive relay selection （IRS） scheme is presented for cooperative relay network. Each user chooses the optimal relay node according to the relay selection function， channel status and relay node load condition. The reverse user selection is performed through relay node according to the resource allocation situation， service priority stage and weigh channel scheduling algorithm. Simulation results indicate that， compared with available algorithms， IRS algorithm can achieve a compromise between handling capacity in small domain and fairness for users by adjusting uses’ load distribution within the small domain by two?step interactive relay selection between relay nodes and users. The factors of channel condition， MAC layer resource and users’ service condition are considered in IRS scheme.

Keywords： relay selection； cooperative relay network； load balance； dispatch

0 引 言

未來無線通信系統中的中繼節點選擇主要解決“與誰協作”的問題[1]。盡管目前業界認同中繼節點的部署將由運營商完成，但是由于多變性的無線鏈路狀況，多樣化的用戶服務質量QoS（Quality of Service）需求以及不平衡的用戶接入請求，需要結合網絡的具體狀況參照一定準則來選擇中繼節點，從而進行用戶接入以及數據傳輸。目前研究的中繼選擇策略主要將物理層參數作為中繼選擇的依據。在相關的研究中，Song探討了在雙向多個中繼節點的中繼網絡中[2]，基于放大轉發（Amplify and Forward，AF）模式下的中繼選擇問題。Cho研究了隨機中繼網絡中[3]，保障用戶QoS的中繼選擇方式及用戶掉線概率。Li 探討了協作中繼網絡中解碼轉發模式下[4]，過期的信道狀況信息對于中繼選擇的性能影響。Etezadi研究了節點非均勻分布的無線傳感器網絡中[5]，基于最優信道狀況、最優地理位置以及隨機選擇準則的中繼選擇算法，并對這三種中繼選擇的性能進行了比較。

上述研究的中繼選擇算法一般都基于單一的中繼選擇準則來選擇中繼節點。而事實上，協作中繼蜂窩網絡中的每個用戶的速率不僅取決于當前的信道狀況，還與高層所采用的具體參數及算法（如MAC（Media Access Control）層資源分配方式、所采用的調度算法等）密切相關。在文獻[6]中，已經提出了一種基于用戶選擇準則的節點選擇算法，但是該算法僅僅考慮了用戶單方面的中繼選擇，未考慮小區的整體負載分布狀況。

為了解決上述問題，本文首先提出了一種交互式負載均衡的中繼節點選擇算法（Interactive Relay Selection，IRS）。該算法通過兩步式交互中繼選擇來實現負載均衡：

第一步，用戶根據信道狀況以及中繼節點負載情況，依據中繼選擇函數，找到使得其可達速率最大的中繼節點；

第二步，中繼節點根據所采用的信道調度準則，再反向選擇合適的用戶進行調度。

利用用戶和中繼的兩步的交互式選擇，不僅有效地調整了各中繼節點的負載情況，還通過中繼調度調節了不合適的節點選擇，使得小區之內的負載合理的分布，進而提高了網絡的整體性能。

1 算法描述

1.1 系統模型

假設網絡中有[L]個小區，如圖1所示，6個中繼節點（Relay station，RS）均勻地布設在每個小區中。整個系統中分布著[K]個用戶設備（User Equipment，UE）。物理層接入技術采用基于OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）接入技術，每個UE使用正交子信道接入。每個UE根據某種準則確定通過基站（Base Station，BS）一跳傳輸數據或者選擇一個中繼節點m（m=1～6）兩跳傳輸數據。假設UE和RS都可獲得實時信道狀態信息。系統是全網時間同步的，且傳輸格式為時隙格式，即如果UE直接通過BS傳輸，則UE在每時隙直接向BS發送數據；若UE采用協作傳輸模式，則UE在第一個時隙向RS發送數據，在第二個時隙RS向BS轉發從UE收到的數據。RS以解碼轉發（Decode and Forward，DF）的工作方式實現協作傳輸。

圖1 系統模型

1.2 IRS算法描述

本文所提出的IRS的工作步驟如下：

（1） 小區內的BS和RS周期性的廣播導頻信號，其中RS發送的導頻信號中還包含其當前時隙內其服務的用戶數。

（2） 根據從BS以及RS接收到的導頻信號強度，選擇兩跳傳輸的UE首先根據導頻信號強度計算接收信干噪比（Signal to Interference and Noise Ratio，SINR），并且獲知每個RS的服務用戶數；

（3） UE在相鄰的小區中再選擇一個具有最大SINR的RS，并記錄其服務的用戶數；將本小區中6個的RS與鄰小區的一個RS作為候選的中繼節點集合。

（4） 在時刻[t，]UE在候選的RS集合中，計算選擇不同RS的兩跳傳輸速率[rck，m，i（t），]建立中繼節點選擇函數，獲取候選中繼節點預測吞吐量；依據預測吞吐量值從大到小的順序對所有候選中繼節點進行排序，建立候選中繼節點排序列表，選擇使得預測吞吐量最大的中繼節點作為服務中繼節點。

[β*（t）=argmaxi，mErck，m，i（t）EKm（t）+1] （1）

式中：[β*（t）]代表t時刻的最大預測數據速率；[Erck，m，i（t）]表示用戶[k（k∈K），]選擇小區[i]中的RSm作為其服務中繼所能達到的吞吐量；[EKm（t）]表示時刻[t，]UE所獲得的中繼[m]服務用戶數，[EKm（t）+1]表示[t]時刻中繼[m]的預期服務用戶數，[E?]表示期望，上標[c]則代表協作傳輸方式。

（5） 根據候選節點吞吐量排序，利用加權信道相關調度算法，候選中繼節點RS分別在時刻t構造下述的用戶調度函數，調度使得用戶調度函數值最大的UE：

[γ*（t）=argmaxkωkErck，m，i（t）Erck，m，i（t-1）αm] （2）

式中：[γ*（t）]代表調度函數的最大值；[Erck，m，i（t）]代表了時刻[t]用戶[k]通過中繼選擇所能達到的數據速率；[Erck，m，i（t-1）]代表了[t-1]時刻，用戶[k]通過中繼選擇所能達到的數據速率；[ωk]代表用戶[k]的權重，根據每個UE的業務類型可以調節其取值；[αm]代表中繼節點m所采用的與信道狀況相關的資源調度因子。

（6） 對比步驟（4）用戶的中繼選擇結果以及步驟（5）中繼節點的用戶調度結果，如果二者相匹配，則將步驟（4）所選擇的中繼節點[m]將作為用戶[k]的兩跳傳輸的中繼節點，中繼節點[m]為用戶分配子載波，用戶在分配的子載波上根據調度準則實現兩跳協作傳輸，完成基于負載均衡的中繼選擇。如果二者不匹配，則根據候選中繼節點排序列表，取出列表中選擇的下一個中繼節點與步驟（5）中的用戶調度結果進行比較，持續上述比較步驟直至二者匹配或已遍歷全部候選中繼節點。

（7） 如果已遍歷全部候選中繼節點，且二者無匹配，則結束中繼選擇，用戶選擇直接傳輸。

1.3 IRS算法分析

根據1.2節的步驟（2），選擇采用兩跳接入基站的UE首先根據從BS和RS接收到的導頻信號強度計算出接收到基站的信號得SINR值以及接收到中繼信號的SINR值。在時刻t，用戶k到小區中[BSi，]小區中任意一個RSm以及RSm到BSi的三條鏈路的SINR可以表示為：

[Sk，i（t）=hk，i（t）2pklk，i（t）j=1，j≠kKhj，i（t）2pjlj，i（t）+σ（n）2] （3）

[Sk，m（t）=hk，m（t）2pklk，m（t）j=1，j≠kKhj，m（t）2pjlj，m（t）+σ（n）2]（4） [Sm，i（t）=hm，i（t）2pmlm，i（t）j=1，j≠mNhm，j（t）2pjlm，j（t）+σ（n）2] （5）

式中：[pk]和[pm]分別表示UE和RS的發射信號功率；參數[li，k（t）]，[lk，m（t）]和[lm，i（t）]分別表示UE到BS，UE到RS以及RS到BS在t時刻的路徑損耗大小；參數[hk，i，][hk，m]和[hm，i]分別代表了UE到BS，UE到RS以及RS到BS的多徑及陰影衰落，表達式[j=1，j≠kKhj，i（t）2pjlj，i（t）+σ（n）2，][j=1，j≠kKhj，m（t）2?][pjlj，m（t）+σ（n）2，][j=1，j≠mNhm，j（t）2pjlm，j（t）+σ（n）2]分別代表來自于本小區及其他小區的干擾以及接收端白噪聲之和。

根據香農定理，若[t]時刻[UEk]通過BS直接傳輸，則[UEk]在帶寬B內最大數據速率為：

[rdk，i（t）=Blog（1+Sk，i（t））] （6）

如果UE通過[RSm]以協作傳輸的方式兩跳傳輸，則[UEk]在t時刻在帶寬B上可達數據速率的上限[rck，m，i（t）]為：

[rck，m，i（t）=B2minlog（1+Sk，m（t）），log（1+Sk，i（t）+Sm，i（t）） ] （7）

如果直接傳輸能獲得更大的增益，即有[rdk，i（t）>rck，m，i（t），]則移動用戶[k]直接通過基站傳輸數據；否則用戶[k]通過中繼節點兩跳協作傳輸。因此，如果能夠選擇出合適的中繼節點，協作傳輸比直接傳輸的增益更大。

對于步驟（4）中的式（1），在[t]時刻，由于用戶k需要與已經接入中繼的用戶競爭資源，因此，式[Erck，m，i（t）EKm（t）+1]代表了采用協作傳輸的用戶k在時刻[t]預測最大數據速率。因此中繼節點選擇的準則不僅是最大化用戶k的預測數據速率β*（t），在構造中繼選擇函數的同時考慮了中繼節點的負載情況。

在步驟（5）中，式（2）中的[Erck，m，i（t）]與[Erck，m，i（t-1）]之間的關系為[7]：

[Erck，m，i（t）=1-11 000Erck，m，i（t-1）+11 000maxrdk，i（t），rck，m，i（t）] （8）

根據用戶需要發送的具體業務，權重因子[ωk]的取值可以不同，如語音業務如VOIP、視頻點播等對時延敏感的業務，就需要優先安排資源發送，因此權值取值較大；反之，對于如短信、FTP下載等對時延不敏感的數據業務，則可以采取較小的權值。[αm]的取值反映了用戶公平性與用戶吞吐量之間的折衷：當所有用戶的權重[ωk]取值時，[αm]的取值越趨近于0，則中繼節點越趨向于調度信道狀況較好的用戶，因此調度準則趨近于MAX C/I準則[8]，反之，當[αm]的取值越趨近于1，則中繼節點越趨向于在用戶之間均勻的分配資源，調度準則逐漸趨近于比例公平準則[9]。從而根據用戶的具體信道狀況在兩種調度準則之間做出優選。

通過分析可以看出，在所提出的交互式中繼節點選擇算法中，用戶首先根據中繼選擇函數選擇使得其數據速率最大的中繼節點。然后，中繼節點再根據網絡的具體情況選擇合適的調度準則，反向調度合適的用戶，不僅有效地均衡了各中繼節點之間的負載，且結合調度算法調整了不合適的中繼節點選擇結果，利用用戶和中繼節點之間的兩步交互式選擇使得每個小區之間的負載分布趨于合理，保證了整個網絡系統中負載的均衡和高效傳輸。

2 仿真結果及性能分析

2.1 仿真參數設定

場景如圖2所示，考慮一個由27個蜂窩小區構成蜂窩通信系統，系統工作在2 GHz頻段，采用OFDMA物理層接入技術。每個小區中均勻布設6個位置固定的RS，小區半徑設置為1 km，中繼節點部署于距離基站2/3的位置。

圖2 仿真場景

仿真采用的參數參照LTE（Long Term Evolution）規范中所規定的參數[10]：每個時隙長度為1 ms，每調度時隙中包含14個OFDM符號；所包含的子信道數為24，每個子信道又劃分為12個子載波，每個子載波的帶寬設置為15 kHz。收發信機之間保持時間同步。每個UE的信號功率為50 mW，RS的發射功率為1 W，接收機熱噪聲[σ2=10-10]W，仿真所采用的BS，RS及UE之間的傳播模型為[11]：

[PL=38.4+35lg（d）+20lg（fc/5）+Xσ，MS→BS，σ=8PL=36.5+23.5lg（d）+20lg（fc/2.5）+Xσ，RN→BS，σ=3.4PL=41+22.7lg（d）+20lg（fc/5）+Xσ，MS→RN，σ=2.3] （9）

其中，隨機變量[Xσ]用來模擬傳播信道的多徑及陰影衰落，服從對數正態分布.

2.2 仿真結果

在仿真中，為了做一對比，分別考慮了4種基于不同準則的算法的性能：無中繼傳輸；最小距離準則（Shortest Distance Based Relay Selection，SRS）；最大信干噪比準則（Maximum SINR Based Relay Selection， MRS）算法和所提出的IRS。假設在每個資源調度時隙，每個RS最多能夠同時服務8個UE。仿真中每個BS及RS采用基于輪詢調度（Round Robin，RR）的資源調度的準則[12]。通過小區吞吐量、用戶公平因子、中繼服務的用戶數這三個指標來評估其性能。

圖3給出了小區用戶吞吐量隨著小區中用戶數目的增加的變化情況。從圖中可以看出，隨著小區中用戶數的增長，越來越多的用戶由于信道狀況較差會選擇協作傳輸，從而導致小區局部區域某些RS的負載過重。然而，無論SRS或MRS，都無法避免某些中繼節點服務的用戶數過多。而對于提出的IRS中繼選擇算法，由于每個用戶是通過中繼選擇函數選擇最優的中繼節點，所構造的中繼選擇函數不僅僅考慮了當前時隙的具體信道狀況，還考慮了當前中繼節點的負載情況，因此有效地增加了系統的吞吐量。此外，當采用較小的中繼資源調度因子[αm，]如[αm=0，]則意味著信道狀況較好的移動用戶則會被所選擇的中繼節點優先分配資源來實現兩跳協作傳輸，從而使得系統的吞吐量變大；反之，當采用較大的中繼資源調度因子[αm，]如[αm=1，]則意味著中繼節點會綜合地考慮用戶之間的公平性，機會均等地調度所有需要協作傳輸的用戶，從而導致了系統吞吐量的減少。

綜上所述，采用了所提出的中繼選擇算法之后，通過用戶和中繼節點之間的兩步中繼選擇來實現中繼節點的負載均衡，從而充分利用那些負載較輕的中繼節點來實現協作傳輸，提高了整個小區的用戶傳輸性能。

圖3 小區用戶吞吐量

圖4給出了小區中用戶的公平因子隨著用戶數目的增加的變化情況。對于公平性因子F，定義式為[13]：[F=k=1Krk2Kk=1Kr2k，]參數[rk]表示用戶k的數據速率。從仿真圖中可以看出，所提出的IRS并沒有隨著用戶數的增加而降低用戶的公平性。而對于基于信道狀態的MRS以及SRS策略，用戶的公平性卻顯著的降低了。這是由于通過中繼選擇參數及加權信道調度算法，所提出的IRS算法避免了某些用戶一直無法傳輸情況的發生。此外，可以觀察到當中繼資源調度因子[αm]采用不同值時，用戶之間的公平性情況略有不同。當[αm]取值較大時，由于中繼節點在資源分配時考慮到了用戶之間的公平性，因此用戶公平因子較大；而當[αm]取值較小時，由于中繼節點優先考慮了信道狀況較好的用戶，因此用戶的公平性有所下降。

圖4 小區用戶的公平因子變化情況

圖5 給出了中繼節點服務的平均用戶數的情況。可以看出，由于IRS（[αm=1]）算法利用兩步式的交互中繼選擇實現了中繼節點之間的負載均衡分配，從而使得采用協作傳輸的用戶數目逐漸逼近中繼能夠服務用戶數的上限。而對于SRS及MR，由于用戶僅僅從單方面的某一準則進行中繼選擇，無法適應網絡中負載的動態變化，從而無法調節某些用戶不合適的中繼選擇結果，導致小區中的某些中繼節點由于負載較輕而造成資源浪費，某些中繼節點卻負載過重，使得系統的資源利用率大大降低。

圖5 中繼節點服務用戶數

3 結 語

本文提出的交互式中繼選擇算法是一種能夠兼顧系統性能和用戶公平性的算法。每個用戶通過分布式構造的中繼選擇函數選擇中繼節點；中繼選擇函數的構造充分考慮到了用戶具體的信道狀況和中繼節點的負載情況；中繼節點再根據結合了資源分配和用戶業務的優先級的參數加權信道調度算法進行用戶選擇。與已有的中繼選擇算法相比，所提出的算法充分利用了用戶和中繼之間的兩步式交互選擇實現了資源與負載之間的均衡，從而充分考慮到了不同用戶的接入性能，合理地調整小區內不同優先級用戶不同業務的負載分布，進而獲得了小區整體吞吐量性能與每個用戶的公平性之間的折衷。

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