热点区域内能效最优的单中继部署策略

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引言

无线通信网络的迅速发展给人类生活带来巨大改变，人们在不断体验丰富多彩的通信方式所带来的便利和乐趣。尤其是各种无线异构网络[1](如GSM、CDMA2000、WiMAX、蓝牙、802.16m、LTE、无线传感器网络等)的出现和发展，使得通信方式变得异常丰富。不同的异构网络面向的目标用户和适用的场景是多种多样的。举例而言，蓝牙用于近距离通信，适用于设备进行短距离信息交换；而LTE适用于在宏蜂窝网络下进行高速数据传输。在蜂窝网络或者WiMAX网络中引入固定中继后形成了异构网络，使得特定区域的通信质量得到提高，形成两层网络覆盖的特殊结构[2]。

除无线网络下的直接通信，热点区域(如大型社区、高校等)的覆盖也是一个重要的研究课题，保证热点区域的通信质量是重中之重。固定中继的低能耗、高容量以及低成本等优点[3]使其成为加强热点区域覆盖的首选。考虑到绿色通信的势在必行[4]，在热点区域部署固定中继不仅要保证其网络容量，而且需尽可能降低能耗，因此，通过在热点区域中合理部署固定中继以提高网络能效变得尤为重要。上行传输时，热点区域内的用户不直接传输数据到基站，而是先传输数据到固定中继，然后由固定中继将用户数据转发到基站。这样使得用户到目标节点的距离大大减小，路径损耗也因此大大降低[5]。这其中，固定中继的位置对网络性能有着至关重要的影响，本文以最大化能效为目标确定中继的位置。

首先，了解上行传输能效(Uplink Energy Eff i ciency，UEE)的定义，即热点区域内用户总上行容量与网络总能耗的比值。其中，网络总能耗包括用户和中继的发射功率。然后，运用放大转发(Amplify-and-Forward，AF)模式，推导出用户随机分布下无中继网络和中继网络的UEE解析表达式。通过仿真评估不同网络参数(用户发射功率、热点区域半径、用户数量、中继发射功率)对最优中继位置和UEE的影响。结果表明，中继位置对热点区域上行传输能效有很大影响。在给定其他网络参数，比如小区半径、用户发射功率等的条件下，能够通过优化中继位置获得最大能效。并且，通过与无中继热点区域的对比，表明本文提出的方法能够有效提高上行传输能效。

1 网络模型及参数定义

网络模型如图1所示，热点区域的半径为R，距离基站为BR，其中，B＞1。建立直角坐标系以热点区域中心为坐标原点，热点中心和基站的连线所在直线为x轴。设中继的位置坐标为(aR,0)，其中，。热点区域内用户(总数为UT，用集合UT表示)随机分布。本文考虑上行传输，运用放大转发中继模式。以下具体介绍AF中继模式的思想和原理。

图1 热点区域单中继网络模型

固定型中继[6]是协作分集中一个比较基础的方式，其中主要包括放大转发和解码转发(Decode-and-Forward，DF)两种模式。AF模式处理信号分为两个时隙。

在第一个时隙，源节点S广播发送信号到中继节点R和目的节点D，两者接收到的信号分别为

其中，PS表示源节点的发射功率，S代表源节点发射的符号，分别表示S到R链路和S到D链路的信号系数，分别表示R和D端的加性高斯白噪声

在第二个时隙，中继节点进行功率放大，然后将放大后的信号转发到目的节点D。此时，目的节点接收到的信号为

其中表示R到D链路的信号系数[8]，K代表中继节点R发射的符号，令K为表示D端的加性高斯白噪声。

目的节点D在接收到后，将两路信号合并得到最终信号 ，

运用AF中继模式，链路容量表示为

其中，W为链路带宽，分别表示源节点到目的节点、源节点到中继节点和中继节点到目的节点的链路的信噪比，

其中，PR表示中继节点R的发射功率，分别表示源节点到目的节点、源节点到中继节点和中继节点到目的节点的距离，表示路径损耗指数，表示噪声功率，这里假设三条链路的均相等。

具体到本文中，源节点S是指用户，中继节点R是指固定中继，目的节点D是指基站。表格1列出了一些参数定义。所有用户通过中继服务，不同站点之间不存在干扰，网络总带宽平均分为N个子载波，个用户共享这N个子载波。中继总发射功率为

表1 参数定义

2 热点区域内上行传输能效分析

本文的研究目标是确定固定中继的位置，使得热点区域的上行传输能效(热点区域内用户总上行容量与网络总能耗的比值)最大。热点区域内用户随机分布，均通过固定中继服务。

2.1 用户总上行容量

设u为热点区域内任一用户，在中继网络中，运用AF模式，由(5)、(6)、(7)和(8)，得到其获得的上行容量如(9)所示，

因此，个用户的总上行容量C的表达式如(10)所示，

在无中继网络中，热点区域中所有用户直接由基站服务，用户总上行容量为

2.2 网络总能耗

网络总能耗P包括两部分：固定中继的发射功率与所有用户的发射功率总和。

2.3 上行传输能效

根据(10)和(12)，中继网络中的上行传输能效(UEE)的表达式如(13)所示。

无中继网络中，用户上行传输能效UEE0的表达式如下。

由(13)可以得知，在其他所有参数给定时，对上行传输能效的影响非常大，后文将通过仿真的方法确定最优值使得上行传输能效最大化。

3 性能评估

仿真中，热点区域内的用户随机分布，所有仿真结果为100个随机拓扑的平均值。数值结果由式(13)通过Matlab获得。常量参数有

3.1 上行传输能效vs.

1) 参数图2描述了 与UEE的关系，表格2给出了相对应的GE。从图2可以看出，的不同取值对上行传输能效UEE的影响非常大。存在一个最优值(在给定参数条件下，)使得热点区域网络获得最大UEE。当取最优 值时，协作方式通信的网络性能远远高于直传通信网络。

2) 参数图3描述了与UEE的关系。表格3给出了相对应的GE。相比于1)，当时，网络取得最大上行传输能效UEE，且最优能效增益GE高于1)。这是因为当用户发射功率降低时，直传通信的链路性能更低，通过中继协作，网络能够获得更优的性能。

3) 参数图4描述了a与UEE的关系。表格4给出了相对应的GE。相比于2)，网络还是在时取得最大上行传输能效UEE。可以看出，当中继发射功率降低时，最优能效增益GE低于2)。这是因为协作能力随着中继发射功率的降低而降低，导致网络性能变差。

图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

图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

图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 小区半径vs.网络性能

给定网络参数表格5给出了不同热点区域半径R对应的不同最优和相对应的最优能效增益GE。图5描述了不同热点区域半径R对应的最大上行传输能效UEE。从表格5中可以看出，随着热点区域半径R的增大，最优a值变小，即最优中继位置靠近热点区域中心。存在一个最优热点区域半径R和最优 值(在给定参数条件下，使得能效增益GE最大。图5表明，在热点区域半径足够小时，使用中继协作反而会降低网络能效，说明中继协作适用于较大半径的热点区域。同时，从图5中可以看出，协作方式下的通信和直传通信的上行传输能效UEE均随着小区半径的增大而降低。这是因为当热点区域半径增大时，用户到基站或到中继的距离增大，路径损耗大大增大，导致网络性能降低。

表5 最优，GE vs.R

表5 最优，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

图5 UEE vs.热点区域半径

3.3 用户数量vs.网络性能

给定网络参数此时，子载波中继发射功率相等，总发射功率随着用户数量的改变而改变。表格6给出了不同用户数量对应的不同最优 和相对应的最优能效增益GE。图6描述了不同用户数量对应的最大上行传输能效UEE。从表格6中可以看出，由于用户随机分布，用户数量不影响最优 值。从图6中可以看出，协作方式下通信和直传通信的上行传输能效UEE随着用户数量增大而降低。这是因为网络总带宽一定，每个用户分得的带宽随着用户数量的增大而减小，而用户总容量保持在一定水平上。

图6 UEE vs.用户数量

4 结语

本文以能效最大化为目标，研究了热点区域内的最优中继部署策略。结果表明在给定最优中继位置时，协作通信的网络性能远远高于无中继网络。在未来的研究工作中，应不局限于现有网络拓扑，考虑中继更加灵活的部署方案，如可以研究热点区域内部署多个中继的方案。此外，可以考虑固定中继和移动中继相结合部署的方案，以达到更优的网络能效性能。

参考文献

[1] Hou Y,Laurenson D I.Energy efficiency of high QoS heterogeneous wireless communication network[C]//Vehicular Technology Conference Fall (VTC 2010-Fall),2010 IEEE 72nd.IEEE,2010: 1-5

[2] Jada M,Hossain M M A,Hamalainen J,et al.Impact of Femtocells to the WCDMA network energy efficiency[C]//Broadband Network and Multimedia Technology(IC-BNMT),2010 3rd IEEE International Conference on.IEEE,2010:305-310

[3] Nosratinia A,Hunter T E,Hedayat A.Cooperative communication in wireless networks[J]. Communications Magazine,IEEE,2004,42(10):74-80

[4] Hasan Z,Boostanimehr H,Bhargava V K.Green cellular networks:A survey,some research issues and challenges[J].Communications Surveys & Tutorials,IEEE,2011,13(4):524-540

[5] Pabst R,Walke B H,Schultz D C,et al.Relay-based deployment concepts for wireless and mobile broadband radio[J].Communications Magazine,IEEE,2004,42(9):80-89

[6] Sadek A K,Su W,Liu K J R.Multinode cooperative communications in wireless networks[J].Signal Processing,IEEE Transactions on,2007,55(1):341-355

[7] Lee D,Lee J H.Adaptive amplify-and-forward cooperative diversity using phase feedback[C]//Vehicular Technology Conference,2007.VTC2007-Spring.IEEE 65th.IEEE,2007:1633-1637

[8] Borade S,Zheng L,Gallager R.Amplify-and-forward in wireless relay networks:Rate,diversity,and network size[J].Information Theory,IEEE Transactions on,2007,53(10):3302-3318