蜂窝网络中最佳中继站的选择

关 世 杰

(沈阳理工大学信息科学与工程学院 辽宁 沈阳 110159)

蜂窝网络中最佳中继站的选择

关 世 杰

(沈阳理工大学信息科学与工程学院 辽宁 沈阳 110159)

对蜂窝网络中提高移动台与基站数据传输速度问题进行了研究。通过选取最佳中继节点，应用流机制传输方案保证传输数据正确，提出了最佳中继节点选择方案。通过案例证明了所提出的最佳中继选择算法具有一定的有效性。结果表明，相比于不使用中继，该方案使端到端吞吐量的期望值得到了提高。

蜂窝网络 吞吐量 多跳中继 车辆通信

0 引 言

在为大规模城市提供无处不在的Internet接入服务中，蜂窝网络[1]的远距离和高数据传输率的特点使其成为了一项具有很大应用前景的技术。为了使车载用户在高速路段中能够方便接入Internet，需要在路段附近设置移动基站BS(Base Station)，车载用户将自身数据通过蜂窝网络连接技术，与BS交互数据。研究发现，若车载用户自身的数据直接传送给BS，则BS-SS之间端到端吞吐速度较低，为此可以在上述环境中应用多跳中继技术来提高数据通信速度，如何选择最佳中继站是我们面临的亟待解决的问题。

本文对链路质量[2]、通信距离[3]、端到端吞吐量[4]三个参数的关系进行研究，面向端到端吞吐量进行优化，得出最佳中继站选择算法BRSS(Best Relay station Selection)。首先将车载用户、中继站及BS构建成一个几何模型，并针对模型的吞吐量进行了分析；在衡量方案的有效性上，若仅考虑单点吞吐量的大小，并无实际意义，本文利用吞吐量的期望值进行评估，为获得整个BS的覆盖域内的吞吐量的期望值，本文就节点位置的概率分布问题进行了研究。为保证节点之间的链路通信质量，本文分别采用流重传机制对链路数据进行重传操作，并在此基础上，推导出了BRSS算法。最后，通过NS-2仿真实验，仿真结果表明，BRSS算法与随意选取中继或不使用中继的方案相比较，该方案的端到端吞吐量有明显优势。

1 高速公路中车联网的容量分布

1.1 模型的建立

本文为高速公路中车辆设计了一个基于蜂窝网络通信的车联网络，如图1所示。图中SS代表网络中车辆用户；BS代表Internet基站，提供Internet接入服务，BS覆盖区域是有限的；RS代表中继站，RS沿路部署，其功能是负责BS与SS之间数据传输[5]。蜂窝网络中的SS获取自身位置信息，通过路由算法决定是否与BS直接进行连接。

图1 车联网

在蜂窝网络系统中，RS作为中继器负责BS与SS之间进行数据包传输，由于SS的位置移动，必然发生超出现有RS的传输范围的情况，需要重新选择新的RS进行通信，为获取较高端到端的吞吐量，如何在多个RS中选择合适的RS进行数据传输是目前需要解决的问题。

1.2 路径损耗模型的吞吐量分析

信噪比在蜂窝网络中的值会随着通信两点间的距离改变而发生变化，在忽略边缘效应引起的各种路径损耗的条件下对路径损耗进行研究[6]。首先，设X、Y为两个通信节点，设X、Y两节点间的吞吐量为T，如果X、Y两节点之间成功传输N个字符数据所用时间为t，则两个节点的吞吐量的值是N/t(bit/s)。

图2描述的是高速公路移动台与基站通信的自适应流动传输模型[7]。其中，设基站BS在公路上的投影为H，中继节点BS与H的直线距离为h，O为参考点，移动台SS初始位置与O点的距离为a。l1～lN为对应吞吐量为T1～TN时的最大通信距离，可知T1

图2 高速公路的自适应流动性传输的通用模型

1.3 节点位置的分布概率

移动节点SS在BS的覆盖区域上运动时，其运行路径及方向是固定的，但其行进速率则不定。本文通用模型的节点在运动过程中速度不要求恒定，根据车辆速度的不同把整个公路分成n个区间，要求同一区间的车辆速度是相同的。若公路不是直线，同理可将其划分为多个直线段域来处理。

假定在一个长度为a的直线公路段域上，节点的运行速率为V，用随机变量X∈[0,a]来表示节点在此段域上的位置，则SS的速率V也是一个随机变量，其大小可随时改变(但在同一直线段域上则认为其值是恒定的)。当节点恒速运行时，定义一个运动周期来描述节点的运行轨迹，则一个直线段域将对应一个运动周期。

移动节点在一个运动周期内的运动特征如图3所示，随机变量B、E分别表示一个运动周期的起点和终点，b表示的是B点距参考点O点的距离，e表示E点与O点间距离。由于节点是由B向E运动，因此，对任意运动周期均有b>e，且B、E可随机选择，在一具体公路直线段域上，两者遵循均匀分布。

图3 移动节点的运动周期

定义分布函数FX(x)=P(X≤x)为任意时刻节点落于[0,x]区域的概率。对于运动周期i，ti表示节点在该周期上持续的时间，tx,i表示在i周期上，节点运行在[0,x]段上的时间，可知，当[0,x]与i周期的直线段没有重叠部分，则有tx,i=0。观察K个运动周期，可得：

(1)

对于某一固定周期而言，定义D为节点在该周期上运行的距离，V为运行速率，T是在该周期上持续的时间，相应的Dx表示D与[0,x]的重叠部分的长度，Tx表示节点运行Dx所用时间。上述各变量均为随机变量，且V与D、Dx都是相互独立的，故由式(1)可得：

(2)

结合概率论知识，及上述各变量的物理意义，可求得D、Dx的数学期望值分别为式(3)、式(4)所示。

(3)

(4)

结合式(2)-式(4)可得到节点在长度为a的直线段域上的位置分布函数如式(5)所示。

(5)

由式(5)可求得节点在长度为a的直线段域上运动时，其与BS的数据传输速率为Ti的概率为：

(6)

(7)

其中，ai、ai+1、a2N-i、a2N-i+1是以Ti为链路吞吐量时的变更点。

2 数据重传机制

本文使用流机制下的最佳中继算法对有效性进行了验证，下面介绍流机制基本算法。流机制是由CaoQ等人提出的，其具体原理如图4所示。

图4 流机制的工作原理

源端节点A按顺序发送数据包，中继节点B按顺序接收数据，然后直接将数据包按原顺序不变转发给终端节点C，如果中继节点B收到数据的序号不连续，说明传输数据包出现丢失情况，B立刻停止向C转发数据，而是向节点A发送重传请求，发送的内容是出错数据的序号，当A成功收到正确请求序号并返回确认时停止发送。节点A接收重发请求后，提取出丢包序号，便以得到出错序号之前的所有数据包都已经成功被对方接收，释放发送成功的数据包缓存区。除了以上方法，流机制还采用了串音技术来释放缓存空间，如节点A“获取”到节点B将某一特定数据包转发到下一节点C，则可“确认”B已经成功接收了该数据包，并将相应的数据包从其存放的缓存区内释放。

流机制针对无线通信信道的特点，综合运用了隐含确认和懒惰丢包检测两种方法：

(1) 隐含确认。隐含确认可以通过串音与序列号识别两种技术加以实现。串音是指当源节点A向中继节点B发送数据包时，B节点收到数据包后，如果接收到正确的数据包，则一直保持接收状态，并将接收到的数据包实时发送给C，源节点A监听到C节点获得数据包，则可以断定节点A发送给节点B的数据包被成功接收。如果节点B接收到不正确的数据包，则向A发送错误数据包的编号，要求重新传送，A收到数据包后，提取编号，便可以分析出该编号之前的数据包被成功传送。

(2) 懒惰丢包检测。懒惰丢包检测是指源节点并不启用超时定时器，而是依靠接收节点接收到的包序号来判断在发送过程中是否出现丢包状况。如图4所示，节点A在发送过程中packet3号包丢失，但是并不能检测到它的丢失，当中继节点B接收到packet4号数据包后，B节点通过序列号可以判断出packet3号包丢失，然后将重传packet3号包的重发请求发送给节点A。至此，A才发现packet3号包丢失了，然后重传packet3。

3 最佳中继站选择算法BRSS

若BS与SS之间直接进行通信不通过中继，在BS的覆盖区域内，数据吞吐量T的期望值的公式为：

(8)

依据约瑟和马顿斯研究出的针对不同地形的衰减模型，当传输距离增加时，其速率衰减度比线性衰减更快。对长链路，中继传输相比于直接传输更具有效性，借助中继可实现用多重高信噪比链路来替代单一的低信噪比链路，从而支持更高的传输速率，使SS获得更高的端到端吞吐量。针对特定的SS，选取不同的RS将使SS的吞吐量不同，因此，选择最佳RS可使SS的吞吐量最大限度的增加。

图5描述的是通用公路流动模型中最佳中继位置的确定问题。其中BS在公路上投影点为H，SS在某一时刻与H点间的距离为x0。可供选择的中继节点RS位于SS与H点之内，设RS～H为x1，RS～SS为x2，RS～BS为d1、SS～BS为d2。由以上条件可以把确定最佳中继节点的位置问题转换成数学问题，即在给定两点H、SS，选择距H点为x1的RS作为最佳中继节点。

图5 最佳中继的寻找

设双跳传输下SS～BS之间的吞吐量为Te2e，单跳传输下SS～BS、RS～BS、RS～SS之间吞吐量分别为T、T1、T2。设(p，q)、(p1，q1)、(p2，q2)分别为BS～SS、BS～RS以及RS～SS之间通信链路上的正、反向包接收率；并设定BS～SS间成功传输的字符数为n。

假定所有节点间的传输前半双工模式，假定经过中继节点RS只有一个链路进行数据传输，且不考虑链路之间的噪声干扰。则由BS向SS传输的数据时，双跳传输方式可描述为：BS向RS传输n位字符，RS接收并传输给SS。依据Kim与Liu的分析结果[8]，可得双跳传输时的吞吐量公式如下所示：

(9)

(10)

(11)

(12)

结合式(9)、式(11)及式(12)，可知，当采用流机制对数据进行重传时，其所对应的双跳传输吞吐量如下所示：

(13)

4 案例分析

针对链的路吞吐量进行研究，其中假定h=28米，公路线路长a=200米，媒体访问控制的开支为10%。结合上述参数值及第4部分得到的Te2e、式(11)-式(13)。给定一个任意位置的SS，都会存在一个最佳中继节点与之对应。若给定x0=80米，依据所对应的优化问题可得流机制下的x1=35.816 8米的吞吐量最大值为31.955 8 bit/s。

然而，在实际系统中，x1在两变更点(Ti发生变化的点)间时往往会变小。即对一些传输模式的区域i(该区域上，BS-RS链路间的特定吞吐量在i与i+1间是持续不变的)有gi+1

5 性能研究

在BRSS方案中默认选择最佳中继双跳传输的方式传输，当双跳传输的方式比单跳传输方式的吞吐量小时，则采用单跳传输方式。在图6描述的特定情节中，公路段域的长度a为200米，h为28米。方案的数值评估值由Matlab计算得来。

图6 SS处于不同位置时的端到端吞吐量值

图6描述了在BRSS方案中，流机制下选用最佳中继方案的吞吐量与单跳传输方案的吞吐量间的关系，其中横坐标表示SS的位置，即SS与参考点O间的距离。由图6可知，对应于流机制所设计的选用最佳中继方案中，当SS的位置落在[57.18 792，142.81 208]区域时，将采用单跳传输方式，而当SS落在[57.18 792，142.81 208]区域外时，则将使用双跳传输方式；此外，当SS进一步远离BS时，双跳传输方式较单跳方式而言，具有更高的端到端吞吐量。

两方案的端到端吞吐量的概率分布如图7所示，其中吞吐量的单位为bit/s(各柱条上方的值为对应吞吐量的概率值)。图7(a)与(b)对应的是流机制下的单跳传输方案与选用最佳中继方案所对应的端到端吞吐量的概率分布图；对长度为a的整个链路而言，由图7(a)、(b)两图的数值结果计算可以得到，端到端的吞吐量在单跳传输方案下的期望值为41.765 9，而选用最佳中继的方案端到端吞吐量的期望值比单跳传输方案提高了31.28%，达到54.832 1，而且BS的网络覆盖的面积也由71.72%扩大到100%。

图7 端到端吞吐量的概率分布图

6 结 语

本文研究了蜂窝网络中的车辆与路边基站通信的最佳方案，通过选取最佳中继BS节点的来提高RS-BS节点间的数据吞吐量。对采用流机制下的最佳中继节点方案的选择及结果进行了研究，并通过案例证明对特定位置的节点SS，其选择的最佳中继RS位置可以在系统断网的状态下计算求得，从而可以减少选择最佳中继节点过程中的延时，证明了本文提出的最佳中继选择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。辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2015380)；辽宁省教育科学“十二五”规划立项课题(JG15 DB303)；辽宁省社科联2016年度辽宁经济社会发展立项课题(2016lslktziglx-20)。关世杰，副教授，主研领域：网络科学，负载网络，嵌入式。

TP393

A

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