王本超，江帆

（1.國家無線電監(jiān)測中心陜西監(jiān)測站，陜西西安710200；2.西安郵電大學通信與信息工程學院，陜西西安710121）

一種交互式中繼選擇策略

王本超1，江帆2

（1.國家無線電監(jiān)測中心陜西監(jiān)測站，陜西西安710200；2.西安郵電大學通信與信息工程學院，陜西西安710121）

提出了一種協(xié)作中繼網(wǎng)絡的交互式中繼節(jié)點選擇（IRS）策略。用戶首先分布式構造基于信道狀況及中繼節(jié)點負載情況的中繼選擇函數(shù)，選擇最優(yōu)的中繼節(jié)點；中繼節(jié)點再根據(jù)資源分配情況、業(yè)務優(yōu)先級以及加權信道調度算法進行反向用戶選擇。仿真結果表明，相比于已研究的算法，所提出的IRS算法結合了信道狀況、MAC層資源與用戶業(yè)務狀況等因素，利用用戶和中繼之間的兩步式交互中繼選擇來調節(jié)小區(qū)內的用戶負載分布，獲得了小區(qū)吞吐量與用戶公平性之間的折衷。

中繼選擇；協(xié)作中繼網(wǎng)絡；負載均衡；調度

0 引言

未來無線通信系統(tǒng)中的中繼節(jié)點選擇主要解決“與誰協(xié)作”的問題[1]。盡管目前業(yè)界認同中繼節(jié)點的部署將由運營商完成，但是由于多變性的無線鏈路狀況，多樣化的用戶服務質量QoS（Quality of Service）需求以及不平衡的用戶接入請求，需要結合網(wǎng)絡的具體狀況參照一定準則來選擇中繼節(jié)點，從而進行用戶接入以及數(shù)據(jù)傳輸。目前研究的中繼選擇策略主要將物理層參數(shù)作為中繼選擇的依據(jù)。在相關的研究中，Song探討了在雙向多個中繼節(jié)點的中繼網(wǎng)絡中[2]，基于放大轉發(fā)（Amplify and Forward，AF）模式下的中繼選擇問題。Cho研究了隨機中繼網(wǎng)絡中[3]，保障用戶QoS的中繼選擇方式及用戶掉線概率。Li探討了協(xié)作中繼網(wǎng)絡中解碼轉發(fā)模式下[4]，過期的信道狀況信息對于中繼選擇的性能影響。Etezadi研究了節(jié)點非均勻分布的無線傳感器網(wǎng)絡中[5]，基于最優(yōu)信道狀況、最優(yōu)地理位置以及隨機選擇準則的中繼選擇算法，并對這三種中繼選擇的性能進行了比較。

上述研究的中繼選擇算法一般都基于單一的中繼選擇準則來選擇中繼節(jié)點。而事實上，協(xié)作中繼蜂窩網(wǎng)絡中的每個用戶的速率不僅取決于當前的信道狀況，還與高層所采用的具體參數(shù)及算法（如MAC（Media Ac?cess Control）層資源分配方式、所采用的調度算法等）密切相關。在文獻[6]中，已經(jīng)提出了一種基于用戶選擇準則的節(jié)點選擇算法，但是該算法僅僅考慮了用戶單方面的中繼選擇，未考慮小區(qū)的整體負載分布狀況。

為了解決上述問題，本文首先提出了一種交互式負載均衡的中繼節(jié)點選擇算法（Interactive Relay Selec?tion，IRS）。該算法通過兩步式交互中繼選擇來實現(xiàn)負

載均衡：

第一步，用戶根據(jù)信道狀況以及中繼節(jié)點負載情況，依據(jù)中繼選擇函數(shù)，找到使得其可達速率最大的中繼節(jié)點；

第二步，中繼節(jié)點根據(jù)所采用的信道調度準則，再反向選擇合適的用戶進行調度。

利用用戶和中繼的兩步的交互式選擇，不僅有效地調整了各中繼節(jié)點的負載情況，還通過中繼調度調節(jié)了不合適的節(jié)點選擇，使得小區(qū)之內的負載合理的分布，進而提高了網(wǎng)絡的整體性能。

1 算法描述

1.1 系統(tǒng)模型

假設網(wǎng)絡中有L個小區(qū)，如圖1所示，6個中繼節(jié)點（Relay station，RS）均勻地布設在每個小區(qū)中。整個系統(tǒng)中分布著K個用戶設備（User Equipment，UE）。物理層接入技術采用基于OFDMA（Orthogonal Frequency Di?vision Multiple Access）接入技術，每個UE使用正交子信道接入。每個UE根據(jù)某種準則確定通過基站（Base Station，BS）一跳傳輸數(shù)據(jù)或者選擇一個中繼節(jié)點m（m=1～6）兩跳傳輸數(shù)據(jù)。假設UE和RS都可獲得實時信道狀態(tài)信息。系統(tǒng)是全網(wǎng)時間同步的，且傳輸格式為時隙格式，即如果UE直接通過BS傳輸，則UE在每時隙直接向BS發(fā)送數(shù)據(jù)；若UE采用協(xié)作傳輸模式，則UE在第一個時隙向RS發(fā)送數(shù)據(jù)，在第二個時隙RS向BS轉發(fā)從UE收到的數(shù)據(jù)。RS以解碼轉發(fā)（Decode and Forward，DF）的工作方式實現(xiàn)協(xié)作傳輸。

圖1 系統(tǒng)模型

1.2 IRS算法描述

本文所提出的IRS的工作步驟如下：

（1）小區(qū)內的BS和RS周期性的廣播導頻信號，其中RS發(fā)送的導頻信號中還包含其當前時隙內其服務的用戶數(shù)。

（2）根據(jù)從BS以及RS接收到的導頻信號強度，選擇兩跳傳輸?shù)腢E首先根據(jù)導頻信號強度計算接收信干噪比（Signal to Interference and Noise Ratio，SINR），并且獲知每個RS的服務用戶數(shù)；

（3）UE在相鄰的小區(qū)中再選擇一個具有最大SINR的RS，并記錄其服務的用戶數(shù)；將本小區(qū)中6個的RS與鄰小區(qū)的一個RS作為候選的中繼節(jié)點集合。

（4）在時刻t，UE在候選的RS集合中，計算選擇不同RS的兩跳傳輸速率建立中繼節(jié)點選擇函數(shù)，獲取候選中繼節(jié)點預測吞吐量；依據(jù)預測吞吐量值從大到小的順序對所有候選中繼節(jié)點進行排序，建立候選中繼節(jié)點排序列表，選擇使得預測吞吐量最大的中繼節(jié)點作為服務中繼節(jié)點。

式中：β*(t)代表t時刻的最大預測數(shù)據(jù)速率；表示用戶k(k∈K)，選擇小區(qū)i中的RSm作為其服務中繼所能達到的吞吐量；E[Km(t)]表示時刻t，UE所獲得的中繼m服務用戶數(shù)，E[Km(t)]+1表示t時刻中繼m的預期服務用戶數(shù)，E[?]表示期望，上標c則代表協(xié)作傳輸方式。

（5）根據(jù)候選節(jié)點吞吐量排序，利用加權信道相關調度算法，候選中繼節(jié)點RS分別在時刻t構造下述的用戶調度函數(shù)，調度使得用戶調度函數(shù)值最大的UE：

式中：γ*(t)代表調度函數(shù)的最大值；代表了時刻t用戶k通過中繼選擇所能達到的數(shù)據(jù)速率；代表了t-1時刻，用戶k通過中繼選擇所能達到的數(shù)據(jù)速率；ωk代表用戶k的權重，根據(jù)每個UE的業(yè)務類型可以調節(jié)其取值；αm代表中繼節(jié)點m所采用的與信道狀況相關的資源調度因子。

（6）對比步驟（4）用戶的中繼選擇結果以及步驟（5）中繼節(jié)點的用戶調度結果，如果二者相匹配，則將步驟（4）所選擇的中繼節(jié)點m將作為用戶k的兩跳傳輸?shù)闹欣^節(jié)點，中繼節(jié)點m為用戶分配子載波，用戶在分配的子載波上根據(jù)調度準則實現(xiàn)兩跳協(xié)作傳輸，完成基于負載均衡的中繼選擇。如果二者不匹配，則根據(jù)候選中繼節(jié)點排序列表，取出列表中選擇的下一個中繼節(jié)點與步驟（5）中的用戶調度結果進行比較，持續(xù)上述比較步驟直至二者匹配或已遍歷全部候選中繼節(jié)點。

（7）如果已遍歷全部候選中繼節(jié)點，且二者無匹配，則結束中繼選擇，用戶選擇直接傳輸。

1.3 IRS算法分析

根據(jù)1.2節(jié)的步驟（2），選擇采用兩跳接入基站的UE首先根據(jù)從BS和RS接收到的導頻信號強度計算出接收到基站的信號得SINR值以及接收到中繼信號的SINR值。在時刻t，用戶k到小區(qū)中BSi，小區(qū)中任意一個RSm以及RSm到BSi的三條鏈路的SINR可以表示為：

式中：pk和pm分別表示UE和RS的發(fā)射信號功率；參數(shù)li,k(t)，lk,m(t)和lm,i(t)分別表示UE到BS，UE到RS以及RS到BS在t時刻的路徑損耗大??；參數(shù)hk,i，hk,m和hm,i分別代表了UE到BS，UE到RS以及RS到BS的多徑及陰影衰落，表達式分別代表來自于本小區(qū)及其他小區(qū)的干擾以及接收端白噪聲之和。

根據(jù)香農定理，若t時刻UEk通過BS直接傳輸，則UEk在帶寬B內最大數(shù)據(jù)速率為：

如果UE通過RSm以協(xié)作傳輸?shù)姆绞絻商鴤鬏?，則UEk在t時刻在帶寬B上可達數(shù)據(jù)速率的上限為：

對于步驟（4）中的式（1），在t時刻，由于用戶k需要與已經(jīng)接入中繼的用戶競爭資源，因此，式代表了采用協(xié)作傳輸?shù)挠脩鬹在時刻t預測最大數(shù)據(jù)速率。因此中繼節(jié)點選擇的準則不僅是最大化用戶k的預測數(shù)據(jù)速率β（*t），在構造中繼選擇函數(shù)的同時考慮了中繼節(jié)點的負載情況。

根據(jù)用戶需要發(fā)送的具體業(yè)務，權重因子ωk的取值可以不同，如語音業(yè)務如VOIP、視頻點播等對時延敏感的業(yè)務，就需要優(yōu)先安排資源發(fā)送，因此權值取值較大；反之，對于如短信、FTP下載等對時延不敏感的數(shù)據(jù)業(yè)務，則可以采取較小的權值。αm的取值反映了用戶公平性與用戶吞吐量之間的折衷：當所有用戶的權重ωk取值時，αm的取值越趨近于0，則中繼節(jié)點越趨向于調度信道狀況較好的用戶，因此調度準則趨近于MAX C/I準則[8]，反之，當αm的取值越趨近于1，則中繼節(jié)點越趨向于在用戶之間均勻的分配資源，調度準則逐漸趨近于比例公平準則[9]。從而根據(jù)用戶的具體信道狀況在兩種調度準則之間做出優(yōu)選。

通過分析可以看出，在所提出的交互式中繼節(jié)點選擇算法中，用戶首先根據(jù)中繼選擇函數(shù)選擇使得其數(shù)據(jù)速率最大的中繼節(jié)點。然后，中繼節(jié)點再根據(jù)網(wǎng)絡的具體情況選擇合適的調度準則，反向調度合適的用戶，不僅有效地均衡了各中繼節(jié)點之間的負載，且結合調度算法調整了不合適的中繼節(jié)點選擇結果，利用用戶和中繼節(jié)點之間的兩步交互式選擇使得每個小區(qū)之間的負載分布趨于合理，保證了整個網(wǎng)絡系統(tǒng)中負載的均衡和高效傳輸。

2 仿真結果及性能分析

2.1 仿真參數(shù)設定

場景如圖2所示，考慮一個由27個蜂窩小區(qū)構成蜂窩通信系統(tǒng)，系統(tǒng)工作在2 GHz頻段，采用OFDMA物理層接入技術。每個小區(qū)中均勻布設6個位置固定的RS，小區(qū)半徑設置為1 km，中繼節(jié)點部署于距離基站2/3的位置。

圖2 仿真場景

仿真采用的參數(shù)參照LTE（Long Term Evolution）規(guī)范中所規(guī)定的參數(shù)[10]：每個時隙長度為1 ms，每調度時隙中包含14個OFDM符號；所包含的子信道數(shù)為24，每個子信道又劃分為12個子載波，每個子載波的帶寬設置為15 kHz。收發(fā)信機之間保持時間同步。每個UE的信號功率為50 mW，RS的發(fā)射功率為1 W，接收機熱噪聲σ2=10-10W，仿真所采用的BS，RS及UE之間的傳播模型為[11]：

其中，隨機變量Xσ用來模擬傳播信道的多徑及陰影衰落，服從對數(shù)正態(tài)分布.

2.2 仿真結果

在仿真中，為了做一對比，分別考慮了4種基于不同準則的算法的性能：無中繼傳輸；最小距離準則（Shortest Distance Based Relay Selection，SRS）；最大信干噪比準則（Maximum SINR Based Relay Selection，MRS）算法和所提出的IRS。假設在每個資源調度時隙，每個RS最多能夠同時服務8個UE。仿真中每個BS及RS采用基于輪詢調度（Round Robin，RR）的資源調度的準則[12]。通過小區(qū)吞吐量、用戶公平因子、中繼服務的用戶數(shù)這三個指標來評估其性能。

圖3給出了小區(qū)用戶吞吐量隨著小區(qū)中用戶數(shù)目的增加的變化情況。從圖中可以看出，隨著小區(qū)中用戶數(shù)的增長，越來越多的用戶由于信道狀況較差會選擇協(xié)作傳輸，從而導致小區(qū)局部區(qū)域某些RS的負載過重。然而，無論SRS或MRS，都無法避免某些中繼節(jié)點服務的用戶數(shù)過多。而對于提出的IRS中繼選擇算法，由于每個用戶是通過中繼選擇函數(shù)選擇最優(yōu)的中繼節(jié)點，所構造的中繼選擇函數(shù)不僅僅考慮了當前時隙的具體信道狀況，還考慮了當前中繼節(jié)點的負載情況，因此有效地增加了系統(tǒng)的吞吐量。此外，當采用較小的中繼資源調度因子αm，如αm=0，則意味著信道狀況較好的移動用戶則會被所選擇的中繼節(jié)點優(yōu)先分配資源來實現(xiàn)兩跳協(xié)作傳輸，從而使得系統(tǒng)的吞吐量變大；反之，當采用較大的中繼資源調度因子αm，如αm=1，則意味著中繼節(jié)點會綜合地考慮用戶之間的公平性，機會均等地調度所有需要協(xié)作傳輸?shù)挠脩?，從而導致了系統(tǒng)吞吐量的減少。

綜上所述，采用了所提出的中繼選擇算法之后，通過用戶和中繼節(jié)點之間的兩步中繼選擇來實現(xiàn)中繼節(jié)點的負載均衡，從而充分利用那些負載較輕的中繼節(jié)點來實現(xiàn)協(xié)作傳輸，提高了整個小區(qū)的用戶傳輸性能。

圖3 小區(qū)用戶吞吐量

圖4給出了小區(qū)中用戶的公平因子隨著用戶數(shù)目的增加的變化情況。對于公平性因子F，定義式為[13]：參數(shù)rk表示用戶k的數(shù)據(jù)速率。從仿真圖中可以看出，所提出的IRS并沒有隨著用戶數(shù)的增加而降低用戶的公平性。而對于基于信道狀態(tài)的MRS以及SRS策略，用戶的公平性卻顯著的降低了。這是由于通過中繼選擇參數(shù)及加權信道調度算法，所提出的IRS算法避免了某些用戶一直無法傳輸情況的發(fā)生。此外，可以觀察到當中繼資源調度因子αm采用不同值時，用戶之間的公平性情況略有不同。當αm取值較大時，由于中繼節(jié)點在資源分配時考慮到了用戶之間的公平性，因此用戶公平因子較大；而當αm取值較小時，由于中繼節(jié)點優(yōu)先考慮了信道狀況較好的用戶，因此用戶的公平性有所下降。

圖4 小區(qū)用戶的公平因子變化情況

圖5給出了中繼節(jié)點服務的平均用戶數(shù)的情況?？梢钥闯觯捎贗RS（αm=1）算法利用兩步式的交互中繼選擇實現(xiàn)了中繼節(jié)點之間的負載均衡分配，從而使得采用協(xié)作傳輸?shù)挠脩魯?shù)目逐漸逼近中繼能夠服務用戶數(shù)的上限。而對于SRS及MR，由于用戶僅僅從單方面

的某一準則進行中繼選擇，無法適應網(wǎng)絡中負載的動態(tài)變化，從而無法調節(jié)某些用戶不合適的中繼選擇結果，導致小區(qū)中的某些中繼節(jié)點由于負載較輕而造成資源浪費，某些中繼節(jié)點卻負載過重，使得系統(tǒng)的資源利用率大大降低。

圖5 中繼節(jié)點服務用戶數(shù)

3 結語

本文提出的交互式中繼選擇算法是一種能夠兼顧系統(tǒng)性能和用戶公平性的算法。每個用戶通過分布式構造的中繼選擇函數(shù)選擇中繼節(jié)點；中繼選擇函數(shù)的構造充分考慮到了用戶具體的信道狀況和中繼節(jié)點的負載情況；中繼節(jié)點再根據(jù)結合了資源分配和用戶業(yè)務的優(yōu)先級的參數(shù)加權信道調度算法進行用戶選擇。與已有的中繼選擇算法相比，所提出的算法充分利用了用戶和中繼之間的兩步式交互選擇實現(xiàn)了資源與負載之間的均衡，從而充分考慮到了不同用戶的接入性能，合理地調整小區(qū)內不同優(yōu)先級用戶不同業(yè)務的負載分布，進而獲得了小區(qū)整體吞吐量性能與每個用戶的公平性之間的折衷。

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Scheme of interactive relay selection

WANG Ben?chao1，JIANG Fan2
（1.Shaanxi Radio Monitoring Station，State Radio Regulatory Center of China，Xi’an 710200，China；2.School of Communication and Information Engendering，Xi’an University of Posts and Telecommunications，Xi’an 710121，China）

An interactive relay selection（IRS）scheme is presented for cooperative relay network.Each user chooses the op?timal relay node according to the relay selection function，channel status and relay node load condition.The reverse user selec?tion is performed through relay node according to the resource allocation situation，service priority stage and weigh channel scheduling algorithm.Simulation results indicate that，compared with available algorithms，IRS algorithm can achieve a compro?mise between handling capacity in small domain and fairness for users by adjusting uses’load distribution within the small do?main by two?step interactive relay selection between relay nodes and users.The factors of channel condition，MAC layer re?source and users’service condition are considered in IRS scheme.

relay selection；cooperative relay network；load balance；dispatch

TN929.5?34

A

1004?373X（2015）03?0001?05

王本超（1981—），男，工程師。主要研究方向為無線通信、高效頻譜利用技術。

2014?06?10

陜西省自然科學基礎研究計劃項目（2011JK8027）；陜西省教育廳科學研究計劃項目（2013JK1064）

江帆，主要研究方向為下一代無線網(wǎng)絡關鍵技術研究。