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针对负载失衡或热点覆盖无线中继网络,提出一种基于负载均衡的自适应中继选择和频谱转移联合优化策略。定义了一种衡量一个站点对周围同频站点干扰程度的干扰容量,为某站点对其他站点的干扰提供了量化分析指标。当用户申请接入时,首先根据各条链路的信道状况选择首选接入站点和备选接入站点,当首选接入站点负载过重而无足够资源使其接入时,对接入备选站点和从与首选站点同扇区的其他站点向首选站点进行频谱转移的性能进行比较,选择一种维持系统性能较好的方式接入。仿真结果表明,所提算法在中心小区的频谱效率和阻塞率都优于单一的基于负载均衡的中继选择策略和单一的基于负载均衡的频谱转移策略,并且平均干扰容量也最低,对周围小区的系统性能影响较小。
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2014 年 6 月 Journal on Communications June 2014
第 35 卷第 6 期
通 信 学 报
Vol.35
No. 6
基于负载均衡的中继选择和频谱转移联合优化策略
黄博,方旭明,陈煜,黄高勇
(西南交通大学 信息编码与传输四川省重点实验室,四川 成都 610031)
摘 要:针对负载失衡或热点覆盖无线中继网络,提出一种基于负载均衡的自适应中继选择和频谱转移联合优化
策略。定义了一种衡量一个站点对周围同频站点干扰程度的干扰容量,为某站点对其他站点的干扰提供了量化分
析指标。当用户申请接入时,首先根据各条链路的信道状况选择首选接入站点和备选接入站点,当首选接入站点
负载过重而无足够资源使其接入时,对接入备选站点和从与首选站点同扇区的其他站点向首选站点进行频谱转移
的性能进行比较,选择一种维持系统性能较好的方式接入。仿真结果表明,所提算法在中心小区的频谱效率和阻
塞率都优于单一的基于负载均衡的中继选择策略和单一的基于负载均衡的频谱转移策略,并且平均干扰容量也最
低,对周围小区的系统性能影响较小。
关键词:多跳中继;负载均衡;中继选择;频谱转移
中图分类号:TN929.5 文献标识码:A 文章编号:1000-436X(2014)06-0132-07
Load balance based relay selection and
spectrum transition joint scheme
HUANG Bo, FANG Xu-ming, CHEN Yu, HUANG Gao-yong
(Key Lab of Information Coding and Transmission, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)
Abstract: For load imbalance or hotspot coverage wireless relay network, an adaptive load balance relay selection and spec-
trum transition joint scheme was proposed. An interference capacity of the stations was also proposed, which reflects the in-
terference to the surrounding co-channel stations. The interference capacity provides a quantitative interference metric to the
surrounding stations on the capacity of the system. When a user requires to access the system, the system chooses a preferred
access station and an alternative access station for the user according to the channel quality. If the preferred access station is
overloaded and does not have enough resources for the user, the performance between accessing to the alternative station and
accessing to the preferred station with spectrum transition from other stations in the same sector were compared, and a better
way was choosen to maintain the good system performance. The simulation results show that the spectrum efficiency and
blocking probability of the proposed scheme in the center cell are superior to that of the independent relay selection scheme
and the independent load balance based spectrum transition scheme, and the average interference capacity of the proposed
scheme is the lowest, which has less impact on the performance of the surrounding stations.
Key words: relay network; load balance; relay selection; frequency transition
1 引言
无线通信网络中,中继技术能够以低成本提供
更广泛的信号覆盖,并提高小区边缘用户服务质
量,已经成为近些年无线通信的研究热点
[1~3]
。
由于用户分布不均匀或速率分布不均匀导致
的负载失衡和热点覆盖,严重影响着整个通信系统
的性能。传统蜂窝网络中,一般靠切换来解决负载
收稿日期:2013-04-10;修回日期:2013-07-17
基金项目:国家重点基础研究发展计划(“973”计划)基金资助项目(2012CB316100);
国家自然科学基金资助项目
(61071108);中央高校基本科研业务费专项资金青年教师百人计划基金资助项目(SWJTU2011BR065EM)
Foundation Items: The National Basic Research and Development Program of China (973 Program) (2012CB316100);
The National Natural
Science Foundation of China(61071108); The Fundamental Research Funds for the Central Universities(SWJTU2011BR065EM)
doi:10.3969/j.issn.1000-436x.2014.06.017
第 6 期 黄博等:基于负载均衡的中继选择和频谱转移联合优化策略 ·133·
失衡,即把负载过重的站点的部分用户切换到相邻
的负载较轻的站点。而在中继网络中,除了小区间
的负载失衡,还存在小区内各个中继站点间的负载
失衡,中继网络中保证负载均衡的方法一般是在中
继站点的选择过程中考虑,即如果用户选择接入的
站点负载过重,则放弃用户的首选接入站点而选择
负载较轻的站点
[4~6]
。这种方法虽然解决了负载失
衡,但由于备选接入的站点与用户间路径的链路质
量较首选路径差,系统资源并不能有效利用。而且,
接入备选站点势必需要通过增加带宽或提高功率
谱密度来保证用户的服务质量,这又将增大对同小
区和相邻小区的同频干扰。另一种解决负载失衡的
方法是动态的频谱规划,即频谱资源动态的从负载
较轻的站点转移到负载过重的站点,用户可以依然
选择链路质量较好的负载过重的站点接入
[7~10]
。这
种方法避免了接入站点与用户间链路质量的下降,
用户将选择链路质量最好的站点接入,但是由于频
谱需要进行动态规划,将增加系统的信令开销。另
外,频谱转移虽然不需要通过提高任何站点的功率
谱密度或增加带宽来保证服务质量,但改变已经规
划好的频谱复用方式也会造成更大的干扰。不同于
现有文献采用单一的方式应对负载失衡问题,本文
针对用户分布不均匀或速率分布不均匀导致的热
点覆盖和负载失衡,综合考虑各链路信道质量和干
扰情况,进行自适应中继选择和频谱转移的协调。
用户申请接入时,首先根据各条链路的信道状况选
择首选接入站点和备选接入站点,当首选接入站点
负载过重而无足够资源使其接入时,综合比较接入
备选站点和从同扇区的其他站点向首选站点进行
频谱转移的系统性能,选择一种维持系统性能较好
的方式接入。本文的主要贡献包括:
1)定义一种
站点干扰容量,即体现一个站点对周围同频站点的
干扰情况,为某站点对其他站点的干扰提供了量化
衡量指标;2)针对热点覆盖和负载失衡中继网络,
综合考虑各链路信道质量和干扰情况,提出了一种
解决负载失衡问题的中继选择和频谱转移联合优
化策略,较单一的解决方式提高系统的性能。仿真
和分析结果表明,所提算法在中心小区的频谱效率
和阻塞率都优于单一的基于负载均衡的中继选择
策略和单一的基于负载均衡的频谱转移策略,并且
对周围小区的平均干扰容量也是最低,表明对周围
小区的系统性能影响较小。
2 系统模型
本文所研究的小区模型
[11,12]
如图 1 所示,小区基
站(BS, base station)在小区中心位置,小区分成 3 个扇
区,每个扇区周围均匀布置 2 个固定中继站(RS, relay
station)。移动站(MS, mobile station)可以与 BS 直接通
信,也可以通过 RS 中继转发与 BS 两跳链路通信。
本文考虑下行场景,下行子帧(downlink subframe)
结构如图 1 所示。将一个下行子帧分成 2 个时隙
(slot),2 个时隙在时域上平分一个下行子帧。第 1
个时隙为中继域,用于 BS 到 MS 的直传链路和 BS
到 RS 的中继链路;第 2 个时隙为接入域,用于 BS
到 MS 的直传链路和 RS 到 MS 的接入链路。频谱复
用结构采用文献[11,12]所述,在中继域,RS 处于接
收状态,BS 使用全部频谱资源 N 与 RS 和 MS 通信。
在第 2 个时隙,全部频谱 N 被分为 3 个正交的子集
N
1
、N
2
、N
3
,在每个扇区,BS 和 RS 分别使用 3 个正
交子集的子载波与用户通信,如图 1 所示,在扇区 1,
BS 使用频谱资源 N
1
与 MS 通信,RS
1
、RS
2
分别使用
频谱资源 N
2
、N
3
与 MS 通信。
图 1 中继模型及频谱复用结构
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