4G宽带无线网络中继站高效规划设计

陈 昕

(兴天通讯技术有限公司，天津 301700)



4G宽带无线网络中继站高效规划设计

陈 昕

(兴天通讯技术有限公司，天津 301700)

提出了一种针对扩展基站(BS)覆盖范围而引入的中继站(RS)的规划设计方法。对于给定的移动站(MS)分布，WiMAX网络中存在的问题是找出部署RS的位置。文中在考虑频率复用和由其引起的小区间干扰的情况下，提出了RS规划的优化算法，并对RS的位置进行模拟。所得模拟结果显示，与没有RS的情况相比，具有RS的网络容量增益和小区吞吐量得到提高。

中继布置；小区间干扰；容量增益；吞吐量

WiMAX网络的频谱范围高于10～20 MHz，由这些网络传输的带宽可高至75 Mbit·s-1。虽然WiMAX给出了带宽效率，但是在提高网络吞吐量方面存在如下挑战：一是覆盖盲区的消除或降低；其次是WiMAX网络中范围的扩展。为了解决信道衰落和范围扩展的问题，一种简单的解决方案是增加更多的基站(BS)。然而，部署更多的BS会大幅增加成本。在该种情况下，中继站(RS)是一种节省成本的替代解决方案。通过对RS进行优化布置可增强网络系统的容量[1]。

早前已经广泛研究了多级中继网络中BS和RS的布置优化问题[2-3]。在本文中，通过考虑系统特性和数据的网络带宽传输配置来进行混合整数线性规划(MILP)。Kramer等人[4]研究了中继网络的合作策略和容量原理。文献[5]中讨论了提高中继布置的近似算法，通过引入RS来提高覆盖、吞吐量和系统容量[6]。与BS不同，RS仅覆盖较小的区域，因此在小区的一部分中使用RS时，可重复使用频带，本文通过考虑频率复用和小区间干扰来处理RS的位置规划问题。小区间干扰的出现使得一个小区中的MS可接收来自相邻小区的RS或BS的信号[7]。因此，通过找出小区间干扰并将其去除来提高网络的性能。关于RS的早先工作主要涉及覆盖范围的扩展和吞吐量的增强[8-15]，几乎没有工作涉及容量增大。因此，文中还讨论了增大网络容量的RS布置。

1 中继站规划设计

本文提出了如下模型：在布置固定中继站的条件下扩展网络的覆盖范围并增强吞吐量。BS通常位于小区的中心处，其覆盖区域由α来表示。通常在BS覆盖区域的边界处布置RS，RS的覆盖区域由β来表示，其扩展了BS的覆盖区域。MS可位于BS的传输范围(α)之外。因此，MS必须通过中间RS来与BS通信。BS小区(包括α和β)被划分成了一系列小区域，如图1中所示。用R表示小区中用于布置RS的所有候选坐标的集合，则RS的最优位置选自这些R坐标位置。

C中继为在BS与MS之间使用RS时获得的容量，C直接表示BS～MS直接传输而没有中间RS时的容量，则容量增益使用式(1)计算。

容量增益=(C中继-C直接)/C直接

(1)

图1 BS和RS的覆盖

中继站规划算法的输入为BS、RS和MS的数目。小区中的每个位置均是RS布置的可能候选位置。与BS～MS的直接传输相比，所布置的RS必须提高容量增益。

输出 Rsmax

Begin

Max=Grs[1]；

RS列表中的增益计算，

for k=1 to n do

Grsi=(C中继-C直接)/C直接

Sort Grs;

n=sizeof(rs[0])

loop:

for i=0 to n do

for j=i+1 to rscount do

n1=size of(rs[i])

for k=0 to n1 do

if(rs[0][i]=rs[j][k])then

移除(rs[j][k])

end

end

end

end

移除rs[0]；

if(资源>阈值)then

goto end;

else goto loop;

end

图2 小区间干扰图示

在BS覆盖区域中给出RS的初始候选位置，将其记录在RS列表中，记录每个RS所服务的MS列表，并计算由所有RS提供的总增益。在计算结果中，选出提供最高增益的RS，然后从其他RS的服务MS列表中移除与所选择的RS相对应的MS，这有助于避免由多个RS所引起的MS干扰，当资源超过特定阈值时算法停止。

使用上述算法来选择提供了高容量增益的RS位置，频率复用因子与小区间干扰作为约束条件。若频率资源被复用，则网络的吞吐量将增大。在中继辅助蜂窝传输的情况下，频率复用因子较高。若频率复用因子增大，则小区尺寸自动增大。网络中的频率复用会导致小区间干扰，小区中心处的频率复用因子应保持小于小区边缘处的频率复用因子。必须评估且矫正小区间干扰以便提高网络的性能。在图3中，一个小区中的移动站接收来自两个小区RS的信号，小区间干扰在MS中出现。小区边缘处的用户将经受较低的信号强度和吞吐量，若使用频率复用，则使小区中心处的用户频谱效率最大化，这将提高小区边缘处用户的信号强度和吞吐量。

2 计算结果

通过使用网络模拟器-3(一种离散事件模拟器)进行模拟，模拟时间从一个事件离散地移至另一事件。模拟程序为C++可执行程序或python脚本，本文中使用C++程序来实现。

计算了数据包的传输与接收之间的时间延迟，用户口令用于识别源节点和目的地节点，且序列号用于验证所传输的数据包的顺序，然后通过获取传输时间与接收时间差来计算延迟。生成两种类型的追踪文件即pcap文件和xml文件。在程序执行期间生成的pcap文件作为抓包工具的输入来捕获被传输的数据包，给出关于源、目的地、传输时间及传输协议的信息，并通过抓包工具生成追踪细节。表1中列出了模拟参数。

表1 模拟参数

当执行cc文件时，生成xml文件。将xml文件输入NetAnim以使节点位置与数据包传输可视化，NetAnim基于无线链接来对模拟进行动画绘制。本文中可获得数据包的统计值、具有节点轨迹的节点位置及节点移动的路径。因此，识别了WiMAX网络中节点的功能。

图3 WiMAX小区中容量增益分析

在文中RS位于不同位置处，对于不同的MS和BS分布，分析了容量增益和吞吐量。对于BS与MS之间的直接传输以及通过使用介于其间的RS两种情况分别计算了容量增益。当网络中使用RS时，容量增益较高，如图3所示。对于BS与MS之间的不同距离，分别在具有或没有RS的情况下计算了网络的吞吐量，该吞吐量由于RS而增大，如图4所示。

图4 WiMAX网络中的小区吞吐量的比较分析

3 结束语

本文研究了提高网络性能的WiMAX网络中的RS规划设计。通过对WiMAX网络添加中继，提高了每个用户可获得的数据速率。在给定的MS分布下，提出了高效启发式算法来确定中继站布置的位置。中继站显著扩展了网络的覆盖区域，计算了传输延迟和网络的容量增益，并基于所计算的容量增益来选择最佳RS位置。在考虑频率复用因子和小区间干扰的情况下，获得了与RS位置有关的吞吐量。

[1] Lin B, Ho P H, Xie L,et al. Optimal relay stationplacement in IEEE 802.16j networks[C].Lanzhou:Proceedings in ACMInternational Conference on Wireless Communication and MobileComputing (IWCMC ’07),2007.

[2] Engels A, Reyer M, Mathar R. Profit-oriented combination of multiple objectives for planning and configuration of 4G multi-hop relay networks[C].France:Wireless Communication Systems(ISWCS), Seventh International Symposium,2010.

[3] Yu Y, Murphy S, Murphy L. Planning base station and relaystation locations in IEEE 802.16j multi-hop relay networks[C].CA,USA:IEEE Consumer Communications and Networking Conference,2008.

[4] Kramer G, Gastpar M,Gupta P. Cooperative strategies andcapacity theorems for relay networks[J]. IEEE Transactions onInformation Theory, 2005(51):3037-3063.

[5] Efrat A, Fekete S P, Gaddehosur P R, et al. Improved approximation algorithms for relay placement[J].ACM Transactions on Algorithms(TALG)2015,12(2):20.

[6] So A, Liang B. Effect of relaying on capacity improvement inwireless local area networks[C].LA,USA:Proceedings in Wireless Communicationsand Networking Conference (WCNC),2005.

[7] Song Y, Yang H, Liu J,et al. Relay stationshared by multiple base stations for inter-cell interference mitigation[C].Xi’an:IEEE Std. 802.16 Broadband Wireless Access Working Group, IEEE802.16m,2008.

[8] Balakrishnan R, Yang X, Venkatachalam M, et al. Mobile relay and group mobility for 4G WiMAX networks[C].CA,USA:Wireless Communication and Networking Conference (WCNC),2011.

[9] Lin B, Ho P H, Xie L L, et al. Optimal relay station placement in broadband wireless access networks[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2010, 9(2): 259-269.

[10] Lin B, Ho P H, Xie L L, et al. Relay station placement in IEEE 802.16j dual-relay MMR networks[C].Beijing:IEEE International Conference on Communications,2008.

[11] Yang Yu,Sea N Murphy, Liam Murphy.Planning base station and relay station locations for IEEE 802.16j network with capacity constraints[C].Shanghai:Consumer Communications and Networking Conference(CCNC),2010.

[12] Abichar Z, Kamal A E, Chang J M. Planning of relay station locations in IEEE 802.16 (WiMAX) networks[C].Guangzhou:Wireless Communication and Networking Conference(WCNC),2010.

[14] Joshi G, Karandikar A.Optimal relay placement for cellular coverage extension[C]. UT,USA:Communications (NCC), National Conference on IEEE,2011.

[15] Yu Y, Murphy S, Murphy L. A clustering approach to planningbase station and relay station locations in IEEE 802.16j multi-hop relaynetworks[C].Tianjin:IEEE International Conference on Communications,2008.

Efficient Relay Station Planning Design for 4G Broadband Wireless Networks

CHEN Xin

(Xingtian Communication Technology Co. Ltd., Tianjin 301700, China)

This paper proposes a planning design method for extending the coverage area of base station (BS) by introducing the relay station (RS). For the given mobile station (MS) distribution, the problem present in WiMAX networks is to find location to place the RS. This paper simulates the location planning of RS based on the proposed algorithm by considering the frequency reuse and the inter-cell interference resulting from it. The simulation results show that the capacity gain of the network with RS and the throughput of the cell with RS are improved compared with that without RS.

relay placement; inter-cell interference; frequency reuse; throughput

2016- 10- 20

陈昕(1977-)，男，本科。研究方向：智能互动终端，互联网运营平台方向。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.06.024

TN925

A

1007-7820(2017)06-089-03