多跳蜂窝网络中的资源分配与负载均衡研究

杨亚让 (喀什师范学院物理系，新疆 喀什 844006)

赵 越 (西南交通大学信息科学与技术学院, 四川 成都 610031)

多跳蜂窝网络中的资源分配与负载均衡研究

杨亚让 (喀什师范学院物理系，新疆 喀什 844006)

赵 越 (西南交通大学信息科学与技术学院, 四川 成都 610031)

针对多跳蜂窝网络(MCNs)中的资源分配与负载均衡(LB)进行研究。基于时分复用(TDD)的正交频分多路接入(OFDMA)技术,分析了MCNs下行链路的资源分配特点，利用MCNs中的部分频率复用模式来减轻干扰和提高频谱效率，并提出了基站(BS)中负载均衡(LB)方案。研究表明，该方案可以均匀分布负载，能保证用户的服务质量，且满足覆盖要求和容纳更多用户，同时能够提高吞吐率。

多跳蜂窝网络；资源分配；负载均衡

正交频分多路接入(OFDMA)技术是第4代无线网络中主要的物理层技术，可以应用于多跳蜂窝网络(MCNs)。在基于OFDMA技术的MCNs中，固定中继站(RS)与基站(BS)相比，可以克服较差的信道条件，同时保持低的基础设施成本，但在中继链路(BS-RS链路)中需要额外的无线资源[1-2]。因此，为了有效地发挥RS的作用，设计高效的无线资源分配方案显得十分重要。目前有关频率资源分配的研究[3-4]只考虑了用户分配均匀的情况，而实际上用户并不是均匀分布在小区中，当太多用户接入一个BS或RS时将导致MCNs中负载不均衡，这会严重影响热点区域的性能，最终无法满足用户的服务质量要求。针对上述情况，笔者对MCNs中的资源分配和负载均衡进行了研究。

1 系统模型

在MCNs中，首先考虑包含19个互相环绕模式的六角形小区(见图1)。在基于IEEE 802.16J/m规范的场景下，每个小区分为3个扇区，每个扇区部署2个屋顶RS。假定BS到RS的距离是基站到基站距离的3/8，RS位置和BS天线视轴之间的夹角是26°[5]。在第i小区的第j扇区，让NR(i,j,k)表示RS(中继站)k(k=1，2)，NB(i,j)表示BS(i=1，2，…，19；j=1，2，3)。在第1个小区的第1个扇区中，让NM表示MS，NB(1,1)和NB(1,1,1)表示NM分别接入的候选站。

根据IEEE 802.16J/m规范，每个时分复用(TDD)帧包括下行子帧和上行子帧，每个子帧各自被分为中继域(RZ)和接入域(AZ)的2个时间域。RZ被指定为BS向RS和MS的发送，AZ被指定为MS从BS或2个RS的接收。假定每个RS接收当前帧RZ中的数据，它将安排在AZ中发送数据，在下一帧清空它的缓冲区。在每1个子帧中，频率域由子信道组成，时间域由时隙组成。在1个子信道中的1个时隙是最小的频率-时间资源单位。为了方便性能分析，需要进行如下假设：①所有用户都有一个相同类型的数据服务，有相同的服务质量需求。②所有小区/扇区有同样的信道条件、业务负载和用户分布。

2 频率复用模式

图2 MCNs中的频率复用模式

为了增加可用频率资源以容纳更多用户，在1个扇区中，BS-MS链路需要复用与RS-MS链路相同的频率。由于使用相同频率同时增加发送机会，频谱效率将得到提高，但这将引起额外干扰。

针对上述情况，提出MCNs中的部分频率复用(FFR)模式来提高频谱效率，同时减轻干扰。该模式下的帧结构和小区配置如图2所示。图2(a)所示为MCNs中下行链路子帧结构；图2(b)和图2(c)所示分别为不同时域中的不同频率复用模式。图2(b)和图2(c)中以3个小区布局为例，实际上可以采用19小区布局进行性能分析和仿真。系统带宽为W，它被分为相等的3个不同频段：W1、W2和W3。在RZ中，接收模式下RS不能发送数据到MS。在这种情况下，不需要分配频率资源给RS。在每个小区的每个扇区采用1×3×1的频率复用模式，整个频段被分配给BS(见图2(b))。在AZ中，RS转发从BS到MS的数据，频率资源应该被分配给RS，一个BS的AZ域被分为内部域和外部域(见图2(c))。FFR模式中，在内部域中频率复用因子为1，在外部域中频率复用因子为3。

3 BS中的负载均衡

在上述MCNs中的FFR模式基础上,笔者针对BS中负载均衡进行研究，并提出负载均衡方案(简称LB方案)。在当一个BS被超载时，切换与BS连接的用户到相同扇区的一个RS是没有好处的。因为这些类型的用户靠近BS而远离RS，一旦切换发生，这些用户的数据速率将降低。此外，用户只需要好的一跳链路直接接入BS，但通过RS，他们需要低劣的两跳链路来重新连接到BS。

BS的业务负载的切换机制有2个关键的问题需要考虑，一是决定用户从外部域被切换到内部域的标准，另外是必须考虑在每个帧中内部域与外部域的大小。具体步骤如下所述。

2)决策和执行 当新用户到达时，如果BS发现超载，切换机制将执行以防止沉重的业务负载。

3)报告 如果切换条件不满足，新用户将被拒绝，因为允许新用户进入将退化网络性能。否则，BS将执行切换机制并接受新用户。

4 系统仿真

图3 异构用户分布下不同频率复用方案性能比较

假设用户按照速率为λ的泊松过程到达，按均值为100s的指数分布持续一定时间后从小区分离。在持续时间内，假定用户采用全缓冲业务模型且不改变位置，同时1个小区的业务负载随速率λ而改变，且在每个扇区中用户均匀分布，并设置1个小区的总业务负载为150。整个小区区域可被分割成2个不重叠的同心区域，即中心区域和边缘区域。中心区域在BS的450m内，其余区域是边缘区域。设置在1个扇区中的总业务负载为50，通过分别改变中心区域和边缘区域的业务负载来改变用户分布。详细的系统级仿真参数如表1所示[7]。在异构用户分布下，采用相同的系统模型和参数，将LB方案、通用频率复用方案[8](N/A)、新频率复用方案(NFRS)和正交资源分配方案(ORAA)[9]进行比较(见图3)。由图3可知，LB方案优于其他方案，因为该方案允许根据负载状态进行动态资源分配，从而提高扇区吞吐率。当扇区中的业务负载是10/40时，大多数用户集中在边缘区域而归属于RS，利用LB方案可以从RS到BS切换一些用户，从而在网络中容纳更多的用户(如LB方案比ORAA方案的扇区吞吐率提高34.2%)。当扇区的业务负载是40/10时，大多数用户集中在中心区域而归属于BS，利用LB方案可以从BS到RS切换一些用户(如LB方案比ORAA方案的扇区吞吐率提高90%)。

表1 系统级仿真参数

5 结 语

对MCNs中的自适应资源分配方案进行了研究，利用MCNs中的部分频率复用模式来减轻干扰和提高频谱效率，在此基础上针对基站中的负载均衡进行分析并提出了LB方案，结果表明该方案可以均匀分布负载并保证用户的服务质量，同时能够提高吞吐率。因此，上述研究方法能在MCNs网络规划和资源分配方面发挥一定作用。

[1]Zhao L,Fang X, Zhao Z.Interference coordination in compact frequency reuse for multihop cellular networks[J].IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences, 2010,93(11):2312-2319.

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[3] Boudreau G,Panicker J,Guo N,et al. Interference coordination and cancellation for 4G networks[J]. IEEE Communications Magazine,2009,47(4):74-81.

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[5]Wang L,Su W,Huang J,et al.Optimal relay location in multi-hop cellular systems[J].IEEE Wireless Communications and Networking Conference,2008(3):1306-1310.

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[7]Zeng H，Zhu C.System-Level Modeling and Performance Evaluation of Multi-hop 802.16j Systems[J].IEEE Wireless Communications and Mobile Computing Conference,2008(3):354-359.

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[9]Lee W,Nguyen M,Jeong J.System-Level Modeling and Performance Evaluation of Multi-hop 802.16j Systems[J].IEEE 5th Consumer Communications and Networking Conference,2008(3):917-921.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.09.037

TN929.5

A

1673-1409(2012)09-N105-03

2012-06-16

国家科技重大专项(2011zx03001-007-01)。

杨亚让(1972-)，男， 1997年大学毕业，硕士，讲师，现主要从事无线通信与电子技术方面的教学与研究工作。

[编辑] 李启栋