蜂窩網絡中最佳中繼站的選擇

關 世 杰

(沈陽理工大學信息科學與工程學院 遼寧 沈陽 110159)

蜂窩網絡中最佳中繼站的選擇

關 世 杰

(沈陽理工大學信息科學與工程學院 遼寧 沈陽 110159)

對蜂窩網絡中提高移動臺與基站數據傳輸速度問題進行了研究。通過選取最佳中繼節點，應用流機制傳輸方案保證傳輸數據正確，提出了最佳中繼節點選擇方案。通過案例證明了所提出的最佳中繼選擇算法具有一定的有效性。結果表明，相比于不使用中繼，該方案使端到端吞吐量的期望值得到了提高。

蜂窩網絡 吞吐量 多跳中繼 車輛通信

0 引 言

在為大規模城市提供無處不在的Internet接入服務中，蜂窩網絡[1]的遠距離和高數據傳輸率的特點使其成為了一項具有很大應用前景的技術。為了使車載用戶在高速路段中能夠方便接入Internet，需要在路段附近設置移動基站BS(Base Station)，車載用戶將自身數據通過蜂窩網絡連接技術，與BS交互數據。研究發現，若車載用戶自身的數據直接傳送給BS，則BS-SS之間端到端吞吐速度較低，為此可以在上述環境中應用多跳中繼技術來提高數據通信速度，如何選擇最佳中繼站是我們面臨的亟待解決的問題。

本文對鏈路質量[2]、通信距離[3]、端到端吞吐量[4]三個參數的關系進行研究，面向端到端吞吐量進行優化，得出最佳中繼站選擇算法BRSS(Best Relay station Selection)。首先將車載用戶、中繼站及BS構建成一個幾何模型，并針對模型的吞吐量進行了分析；在衡量方案的有效性上，若僅考慮單點吞吐量的大小，并無實際意義，本文利用吞吐量的期望值進行評估，為獲得整個BS的覆蓋域內的吞吐量的期望值，本文就節點位置的概率分布問題進行了研究。為保證節點之間的鏈路通信質量，本文分別采用流重傳機制對鏈路數據進行重傳操作，并在此基礎上，推導出了BRSS算法。最后，通過NS-2仿真實驗，仿真結果表明，BRSS算法與隨意選取中繼或不使用中繼的方案相比較，該方案的端到端吞吐量有明顯優勢。

1 高速公路中車聯網的容量分布

1.1 模型的建立

本文為高速公路中車輛設計了一個基于蜂窩網絡通信的車聯網絡，如圖1所示。圖中SS代表網絡中車輛用戶；BS代表Internet基站，提供Internet接入服務，BS覆蓋區域是有限的；RS代表中繼站，RS沿路部署，其功能是負責BS與SS之間數據傳輸[5]。蜂窩網絡中的SS獲取自身位置信息，通過路由算法決定是否與BS直接進行連接。

圖1 車聯網

在蜂窩網絡系統中，RS作為中繼器負責BS與SS之間進行數據包傳輸，由于SS的位置移動，必然發生超出現有RS的傳輸范圍的情況，需要重新選擇新的RS進行通信，為獲取較高端到端的吞吐量，如何在多個RS中選擇合適的RS進行數據傳輸是目前需要解決的問題。

1.2 路徑損耗模型的吞吐量分析

信噪比在蜂窩網絡中的值會隨著通信兩點間的距離改變而發生變化，在忽略邊緣效應引起的各種路徑損耗的條件下對路徑損耗進行研究[6]。首先，設X、Y為兩個通信節點，設X、Y兩節點間的吞吐量為T，如果X、Y兩節點之間成功傳輸N個字符數據所用時間為t，則兩個節點的吞吐量的值是N/t(bit/s)。

圖2描述的是高速公路移動臺與基站通信的自適應流動傳輸模型[7]。其中，設基站BS在公路上的投影為H，中繼節點BS與H的直線距離為h，O為參考點，移動臺SS初始位置與O點的距離為a。l1～lN為對應吞吐量為T1～TN時的最大通信距離，可知T1

圖2 高速公路的自適應流動性傳輸的通用模型

1.3 節點位置的分布概率

移動節點SS在BS的覆蓋區域上運動時，其運行路徑及方向是固定的，但其行進速率則不定。本文通用模型的節點在運動過程中速度不要求恒定，根據車輛速度的不同把整個公路分成n個區間，要求同一區間的車輛速度是相同的。若公路不是直線，同理可將其劃分為多個直線段域來處理。

假定在一個長度為a的直線公路段域上，節點的運行速率為V，用隨機變量X∈[0,a]來表示節點在此段域上的位置，則SS的速率V也是一個隨機變量，其大小可隨時改變(但在同一直線段域上則認為其值是恒定的)。當節點恒速運行時，定義一個運動周期來描述節點的運行軌跡，則一個直線段域將對應一個運動周期。

移動節點在一個運動周期內的運動特征如圖3所示，隨機變量B、E分別表示一個運動周期的起點和終點，b表示的是B點距參考點O點的距離，e表示E點與O點間距離。由于節點是由B向E運動，因此，對任意運動周期均有b>e，且B、E可隨機選擇，在一具體公路直線段域上，兩者遵循均勻分布。

圖3 移動節點的運動周期

定義分布函數FX(x)=P(X≤x)為任意時刻節點落于[0,x]區域的概率。對于運動周期i，ti表示節點在該周期上持續的時間，tx,i表示在i周期上，節點運行在[0,x]段上的時間，可知，當[0,x]與i周期的直線段沒有重疊部分，則有tx,i=0。觀察K個運動周期，可得：

(1)

對于某一固定周期而言，定義D為節點在該周期上運行的距離，V為運行速率，T是在該周期上持續的時間，相應的Dx表示D與[0,x]的重疊部分的長度，Tx表示節點運行Dx所用時間。上述各變量均為隨機變量，且V與D、Dx都是相互獨立的，故由式(1)可得：

(2)

結合概率論知識，及上述各變量的物理意義，可求得D、Dx的數學期望值分別為式(3)、式(4)所示。

(3)

(4)

結合式(2)-式(4)可得到節點在長度為a的直線段域上的位置分布函數如式(5)所示。

(5)

由式(5)可求得節點在長度為a的直線段域上運動時，其與BS的數據傳輸速率為Ti的概率為：

(6)

(7)

其中，ai、ai+1、a2N-i、a2N-i+1是以Ti為鏈路吞吐量時的變更點。

2 數據重傳機制

本文使用流機制下的最佳中繼算法對有效性進行了驗證，下面介紹流機制基本算法。流機制是由CaoQ等人提出的，其具體原理如圖4所示。

圖4 流機制的工作原理

源端節點A按順序發送數據包，中繼節點B按順序接收數據，然后直接將數據包按原順序不變轉發給終端節點C，如果中繼節點B收到數據的序號不連續，說明傳輸數據包出現丟失情況，B立刻停止向C轉發數據，而是向節點A發送重傳請求，發送的內容是出錯數據的序號，當A成功收到正確請求序號并返回確認時停止發送。節點A接收重發請求后，提取出丟包序號，便以得到出錯序號之前的所有數據包都已經成功被對方接收，釋放發送成功的數據包緩存區。除了以上方法，流機制還采用了串音技術來釋放緩存空間，如節點A“獲取”到節點B將某一特定數據包轉發到下一節點C，則可“確認”B已經成功接收了該數據包，并將相應的數據包從其存放的緩存區內釋放。

流機制針對無線通信信道的特點，綜合運用了隱含確認和懶惰丟包檢測兩種方法：

(1) 隱含確認。隱含確認可以通過串音與序列號識別兩種技術加以實現。串音是指當源節點A向中繼節點B發送數據包時，B節點收到數據包后，如果接收到正確的數據包，則一直保持接收狀態，并將接收到的數據包實時發送給C，源節點A監聽到C節點獲得數據包，則可以斷定節點A發送給節點B的數據包被成功接收。如果節點B接收到不正確的數據包，則向A發送錯誤數據包的編號，要求重新傳送，A收到數據包后，提取編號，便可以分析出該編號之前的數據包被成功傳送。

(2) 懶惰丟包檢測。懶惰丟包檢測是指源節點并不啟用超時定時器，而是依靠接收節點接收到的包序號來判斷在發送過程中是否出現丟包狀況。如圖4所示，節點A在發送過程中packet3號包丟失，但是并不能檢測到它的丟失，當中繼節點B接收到packet4號數據包后，B節點通過序列號可以判斷出packet3號包丟失，然后將重傳packet3號包的重發請求發送給節點A。至此，A才發現packet3號包丟失了，然后重傳packet3。

3 最佳中繼站選擇算法BRSS

若BS與SS之間直接進行通信不通過中繼，在BS的覆蓋區域內，數據吞吐量T的期望值的公式為：

(8)

依據約瑟和馬頓斯研究出的針對不同地形的衰減模型，當傳輸距離增加時，其速率衰減度比線性衰減更快。對長鏈路，中繼傳輸相比于直接傳輸更具有效性，借助中繼可實現用多重高信噪比鏈路來替代單一的低信噪比鏈路，從而支持更高的傳輸速率，使SS獲得更高的端到端吞吐量。針對特定的SS，選取不同的RS將使SS的吞吐量不同，因此，選擇最佳RS可使SS的吞吐量最大限度的增加。

圖5描述的是通用公路流動模型中最佳中繼位置的確定問題。其中BS在公路上投影點為H，SS在某一時刻與H點間的距離為x0。可供選擇的中繼節點RS位于SS與H點之內，設RS～H為x1，RS～SS為x2，RS～BS為d1、SS～BS為d2。由以上條件可以把確定最佳中繼節點的位置問題轉換成數學問題，即在給定兩點H、SS，選擇距H點為x1的RS作為最佳中繼節點。

圖5 最佳中繼的尋找

設雙跳傳輸下SS～BS之間的吞吐量為Te2e，單跳傳輸下SS～BS、RS～BS、RS～SS之間吞吐量分別為T、T1、T2。設(p，q)、(p1，q1)、(p2，q2)分別為BS～SS、BS～RS以及RS～SS之間通信鏈路上的正、反向包接收率；并設定BS～SS間成功傳輸的字符數為n。

假定所有節點間的傳輸前半雙工模式，假定經過中繼節點RS只有一個鏈路進行數據傳輸，且不考慮鏈路之間的噪聲干擾。則由BS向SS傳輸的數據時，雙跳傳輸方式可描述為：BS向RS傳輸n位字符，RS接收并傳輸給SS。依據Kim與Liu的分析結果[8]，可得雙跳傳輸時的吞吐量公式如下所示：

(9)

(10)

(11)

(12)

結合式(9)、式(11)及式(12)，可知，當采用流機制對數據進行重傳時，其所對應的雙跳傳輸吞吐量如下所示：

(13)

4 案例分析

針對鏈的路吞吐量進行研究，其中假定h=28米，公路線路長a=200米，媒體訪問控制的開支為10%。結合上述參數值及第4部分得到的Te2e、式(11)-式(13)。給定一個任意位置的SS，都會存在一個最佳中繼節點與之對應。若給定x0=80米，依據所對應的優化問題可得流機制下的x1=35.816 8米的吞吐量最大值為31.955 8 bit/s。

然而，在實際系統中，x1在兩變更點(Ti發生變化的點)間時往往會變小。即對一些傳輸模式的區域i(該區域上，BS-RS鏈路間的特定吞吐量在i與i+1間是持續不變的)有gi+1

5 性能研究

在BRSS方案中默認選擇最佳中繼雙跳傳輸的方式傳輸，當雙跳傳輸的方式比單跳傳輸方式的吞吐量小時，則采用單跳傳輸方式。在圖6描述的特定情節中，公路段域的長度a為200米，h為28米。方案的數值評估值由Matlab計算得來。

圖6 SS處于不同位置時的端到端吞吐量值

圖6描述了在BRSS方案中，流機制下選用最佳中繼方案的吞吐量與單跳傳輸方案的吞吐量間的關系，其中橫坐標表示SS的位置，即SS與參考點O間的距離。由圖6可知，對應于流機制所設計的選用最佳中繼方案中，當SS的位置落在[57.18 792，142.81 208]區域時，將采用單跳傳輸方式，而當SS落在[57.18 792，142.81 208]區域外時，則將使用雙跳傳輸方式；此外，當SS進一步遠離BS時，雙跳傳輸方式較單跳方式而言，具有更高的端到端吞吐量。

兩方案的端到端吞吐量的概率分布如圖7所示，其中吞吐量的單位為bit/s(各柱條上方的值為對應吞吐量的概率值)。圖7(a)與(b)對應的是流機制下的單跳傳輸方案與選用最佳中繼方案所對應的端到端吞吐量的概率分布圖；對長度為a的整個鏈路而言，由圖7(a)、(b)兩圖的數值結果計算可以得到，端到端的吞吐量在單跳傳輸方案下的期望值為41.765 9，而選用最佳中繼的方案端到端吞吐量的期望值比單跳傳輸方案提高了31.28%，達到54.832 1，而且BS的網絡覆蓋的面積也由71.72%擴大到100%。

圖7 端到端吞吐量的概率分布圖

6 結 語

本文研究了蜂窩網絡中的車輛與路邊基站通信的最佳方案，通過選取最佳中繼BS節點的來提高RS-BS節點間的數據吞吐量。對采用流機制下的最佳中繼節點方案的選擇及結果進行了研究，并通過案例證明對特定位置的節點SS，其選擇的最佳中繼RS位置可以在系統斷網的狀態下計算求得，從而可以減少選擇最佳中繼節點過程中的延時，證明了本文提出的最佳中繼選擇算法具有一定的有效性。

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SELECTION OF OPTIMAL RELAY STATION IN CELLULAR NETWORK

Guan Shijie

(SchoolofInformationScienceandControl,ShenyangInstituteofTechnology,Shenyang110159,Liaoning,China)

The data transmission speed of mobile station and base station in cellular network is studied in this paper. By selecting the best relay node, the flow mechanism transmission scheme is applied to ensure the transmission data is correct, and the optimal relay node selection scheme is proposed. A case study shows that the proposed optimal relay selection algorithm has validity. The results show that the proposed scheme improves the end-to-end throughput expectations compared to the unused a relay.

Cellular Network Throughput Multi-hop relay Vehicle communication

2016-07-19。遼寧省教育廳科學研究一般項目(L2015380)；遼寧省教育科學“十二五”規劃立項課題(JG15 DB303)；遼寧省社科聯2016年度遼寧經濟社會發展立項課題(2016lslktziglx-20)。關世杰，副教授，主研領域：網絡科學，負載網絡，嵌入式。

TP393

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.06.049