在三跳的IEEE802.16j網(wǎng)絡(luò)中布設(shè)基站和中繼站

劉盛銘， 劉力天

（1.裝備學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，北京101416； 2.裝備學(xué)院 信息裝備系，北京101416）

IEEE802.16j標(biāo)準(zhǔn)是移動多跳中繼（mobile multi－h(huán)op relay，MMR）的系統(tǒng)規(guī)范，通過在基站信號弱的地區(qū)布建成本相對低的中繼站（relay station，RS）作為網(wǎng)絡(luò)拓展，主要用于擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、提高系統(tǒng)吞吐量和容量等方面，其網(wǎng)絡(luò)亦被 稱 為MMR網(wǎng) 絡(luò)［1］。該 組 網(wǎng) 方 式 不 同 于IEEE802.16—2004定義的網(wǎng)狀網(wǎng)（mesh）方式（已被IEEE802.16—2009摒棄），它支持移動性且向后兼容點(diǎn)對多點(diǎn)方式（point to multi－point，PMP）。RS的引入使得傳統(tǒng)WiMAX基站（base station，BS）—用戶站（subscriber station，SS）的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，雖然中繼技術(shù)并不是新概念，但在網(wǎng)絡(luò)中如何布設(shè)BS和RS值得思考和研究。本文將IEEE802.16j網(wǎng)絡(luò)布站問題（BS and RS placement problem，BRPP）轉(zhuǎn)化為0－1型整數(shù)規(guī)劃（integer programming，IP）問題，建立了3跳結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型，并對布站結(jié)果進(jìn)行了比較和分析。

1 相關(guān)研究

IEEE802.16j網(wǎng)絡(luò)使用一級或多級RS通過無線方式在基站和用戶之間進(jìn)行信號轉(zhuǎn)發(fā)，選擇站點(diǎn)布設(shè)位置是設(shè)計(jì)和規(guī)劃IEEE802.16j網(wǎng)絡(luò)的重要內(nèi)容。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃作為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不僅需要考慮成本因素，而且要確保網(wǎng)絡(luò)能夠提供最佳的覆蓋區(qū)域信號質(zhì)量和業(yè)務(wù)質(zhì)量。IEEE802.16j系統(tǒng)覆蓋范圍廣，BS和RS的站址選擇是否合理，在很大程度上影響著網(wǎng)絡(luò)的覆蓋效果。根據(jù)構(gòu)建模型的不同，對IEEE802.16j網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)布設(shè)的研究可以分為以下2類。

一類是單個BS小區(qū)如何選擇RS的位置。文獻(xiàn)［2］考慮了根據(jù)信號強(qiáng)度和輸出量選擇中繼的方法，結(jié)合2種時隙分配方案計(jì)算整個系統(tǒng)的輸出量，從而得到RS的最佳布設(shè)位置；文獻(xiàn)［3］使用透明和非透明2種模式的RS（T＿RS，NT＿RS）布建網(wǎng)絡(luò)，將布站問題轉(zhuǎn)化為0－1型IP問題，不僅證明了此類問題屬NP－Hard問題，還通過設(shè)計(jì)算法求解RS的數(shù)量和布設(shè)點(diǎn)位；文獻(xiàn)［4］使用NT＿RS，網(wǎng)絡(luò)的跳數(shù)不再限于2跳，選擇布站的同時還考慮了鏈路的容量，將RS的布設(shè)問題轉(zhuǎn)化為混合IP問題。

另一類是BS和RS具有多個候選位置時如何進(jìn)行布站即BRPP。此類研究以文獻(xiàn)［5］922－925為典型。該論文將布站問題轉(zhuǎn)化為0－1型IP問題，其輸入是BS、RS的候選位置和代表用戶流量要求的測試點(diǎn)（test point，TP），網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)不超過2跳，通過設(shè)置一系列約束條件得到網(wǎng)絡(luò)成本和SS全部發(fā)射功率最小時的BS和RS位置。該論文作者后續(xù)還通過使用分簇方法以及考慮系統(tǒng)容量的限制條件，進(jìn)一步深化了對布站問題的研究［6－7］。文獻(xiàn)［8］在文獻(xiàn)［5］923－924的基礎(chǔ)上，提出了另一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的優(yōu)化模型，跳數(shù)同樣是2跳，但網(wǎng)絡(luò) 中 增 加 了 信 號 測 試 點(diǎn)（signal test point，STP），并利用優(yōu)化軟件求解BS和RS的位置。

中繼跳數(shù)是指基站與用戶之間通信所需的最大鏈路級數(shù)［9］。對于IEEE802.16j多跳網(wǎng)絡(luò)，一般建議跳數(shù)不超過3［10］。對于SS通信傳輸是否需要借助RS，文獻(xiàn)［11］26－31認(rèn)為，當(dāng)BS－SS鏈路適合16－QAM3／4等傳輸速率更高的調(diào)制方式時，SS無需使用RS。文獻(xiàn)［12］的仿真結(jié)果也表明，在16－QAM3／4等傳輸速率更高的小區(qū)地域內(nèi)，布設(shè)T＿RS不會提高系統(tǒng)的吞吐量。對BRPP的研究，很少有論文考慮SS是否需要中繼的條件和構(gòu)建3跳結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。本文在研究BRPP時，使用NT＿RS并結(jié)合文獻(xiàn)［11］31關(guān)于中繼使用的條件，建立了IEEE802.16j網(wǎng)絡(luò)3跳結(jié)構(gòu)的規(guī)劃模型，求解時利用軟件進(jìn)行計(jì)算并確定BS和RS最終布設(shè)的點(diǎn)位。

圖1 3跳結(jié)構(gòu)的IEEE802.16j網(wǎng)絡(luò)BRPP描述

2 規(guī)劃模型

2.1 建立模型

在圖1所示的網(wǎng)絡(luò)中，對本文使用的符號定義如下：

1）集合。ABS＝｛1，2，…，b｝、ARS1＝｛1，2，…，r1｝、ARS2＝｛1，2，…，r2｝、ATP＝｛1，2，…，t｝分別表示BS的候選站址、第1層RS即RS1的候選站址、第2層RS即RS2的候選站址、代表用戶流量要求的測試點(diǎn)TP。

2）決策變量。當(dāng)BS、RS1和RS2布設(shè)在候選站址i處時，決策變量Bi、R1i和R2i的值為1，否則為0；當(dāng)?shù)趇個TP分配給第j個BS、RS1和RS2時，決策變量xij、yij和zij的值為1，否則為0；當(dāng)?shù)趇個RS1分配給第j個BS時，決策變量r1ij的值為1，否則為0；當(dāng)?shù)趇個RS2分配給第j個RS1時，決策變量r2ij的值為1，否則為0。這些決策變量都是0－1型變量。

建立目標(biāo)函數(shù)以使網(wǎng)絡(luò)的成本最小，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型可表示為

約束條件如下：

式（1）表示網(wǎng)絡(luò)成本，以成本最小化即站點(diǎn)布設(shè)數(shù)量最少為優(yōu)化目標(biāo)；式（2）限制TP只分配給1個站點(diǎn)；式（3）～式（5）確保TP不會分配給1個不存在的站點(diǎn)；式（6）確保1個RS1只分配給1個BS；式（7）限制分配給BS的站點(diǎn)數(shù)量，因?yàn)镽S1過多會導(dǎo)致系統(tǒng)信令開銷增大；式（8）確保1個RS2只分配給1個RS1；式（9）限制分配給RS1的RS2不超過2個；式（10）確保RS1不會分配給1個不存在的BS；式（11）確保RS2不會分配給1個不存在的RS1；式（12）限定分配給BS的TP的接收功率；式（13）限定分配給RS1的TP的接收功率；式（14）確保分配給RS1的TP在RS2通信范圍之外；式（15）限定分配給RS2的TP的接收功率；式（16）和式（17）對RS1在BS小區(qū)內(nèi)的接收功率進(jìn)行限制；式（18）限制RS2在BS通信范圍之外；式（19）限制RS2在RS1通信范圍之內(nèi)。

2.2 設(shè)定參數(shù)

無線信道作為無線通信的媒介，是影響通信質(zhì)量的關(guān)鍵因素。對于任何一個無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃問題，選擇信號傳播模型非常重要。本文使用IEEE802.16工作組推薦的經(jīng)過修改了的SUI模型［13］6－8。相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

IEEE802.16—2009規(guī)定在基于10－6誤碼率條件下，RSS的計(jì)算方法［15］如下：

式中：RSN是不同調(diào)制編碼方案（modulation and coding scheme，MCS）所對應(yīng)的接收機(jī)信噪 比（signal－to－noise ratio，SNR）要求；R是指采用了R次重復(fù)編碼技術(shù)，這里取1；Fs是采樣頻率，單位是Hz；Nused是使用的子載波數(shù)量，取值840，對應(yīng)于10 MHz的帶寬；NFFT是快速傅里葉變換（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）維數(shù)，取值1 024；ImpLoss是接收機(jī)余量，對抗由非理想接收機(jī)產(chǎn)生的各種誤差和產(chǎn)生的噪聲，參考IEEE802.16—2009，取ImpLoss＝5dB；NF是接收機(jī)噪聲，參考IEEE802.16—2009，取8dB。

又根據(jù)

式中：n為采樣因子；BW為系統(tǒng)帶寬；floor為向下取整運(yùn)算，并依照IEEE802.16—2009中不同調(diào)制編碼方案所對應(yīng)的RSN，可計(jì)算相應(yīng)的RSS，如表2所示。

表2 接收機(jī)RSN對應(yīng)的RSS

其次，根據(jù)IEEE802.16j對RS之間傳輸信令所規(guī)定使用的調(diào)制方式［16］，RS1與RS2間傳輸鏈路SNR不能低于5.0dB，又因?yàn)镽S2開設(shè)在BS覆蓋范圍之外，考慮SS使用中繼的條件，所以令PTP－BS＝PRS1－1＝－77.363 dBm，PTP－RS1＝PTP－RS2＝PRS1－2＝PRS2－1＝PRS2－2＝－86.363dBm，則小區(qū)內(nèi)無線傳輸鏈路適合16－QAM 3／4等高階調(diào)制方式的SS直接與BS通信，否則使用RS中繼信號，而且限制RS1布設(shè)在BS小區(qū)中的16QAM 3／4以外、QPSK 1／2以內(nèi)的區(qū)域內(nèi)。

最后，在10km×10km的規(guī)劃地域內(nèi)，令b＝20，r1＝r2＝60，t＝200，即BS、RS1、RS2站點(diǎn)可供布設(shè)的候選位置分別是20、60、60個，TP點(diǎn)的個數(shù)是200個。各點(diǎn)坐標(biāo)隨機(jī)產(chǎn)生，構(gòu)建的布站場景如圖2所示。

圖2 布站場景

3 結(jié)果分析

CPLEX Studio IDE是一個運(yùn)用優(yōu)化技術(shù)補(bǔ)充支持重要資源的軟件平臺。本文不考慮具體的優(yōu)化算法，在CPLEX Studio IDE中建立規(guī)劃模型、輸入相關(guān)數(shù)據(jù)、執(zhí)行優(yōu)化計(jì)算、獲得數(shù)值結(jié)果。運(yùn)行計(jì)算的CPU型號是Pentium（R）Dual－Core 2.5GHz，內(nèi)存是2GB，為了便于分析，時間都設(shè)置為500s。因?yàn)樵诰唧w運(yùn)行時，由于計(jì)算的復(fù)雜性，CPU運(yùn)行24h后依然沒有得出最優(yōu)的數(shù)值結(jié)果，但從500s后，數(shù)值結(jié)果不再發(fā)生大的波動。

對于3跳網(wǎng)絡(luò)的站點(diǎn)布設(shè)模型，在10km×10km地域內(nèi)，分別考慮只使用BS，使用BS和RS1，使用BS、RS1和RS2進(jìn)行布設(shè)的情況，站點(diǎn)分布的結(jié)果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)布建結(jié)果（線段表示通信鏈路）

從圖3可以看出，只使用BS布建WiMAX網(wǎng)絡(luò)，10km×10km的地域內(nèi)每個BS候選站點(diǎn)都布設(shè)上BS，還不能滿足全部TP的流量要求；使用BS和RS1布建的2跳網(wǎng)絡(luò)，所有TP流量要求都得到了滿足，但站點(diǎn)布設(shè)的情況并不理想；使用BS、RS1和RS2布建的3跳網(wǎng)絡(luò)，BS的數(shù)量比2跳網(wǎng)絡(luò)的顯著減少，BS和RS的站點(diǎn)布局趨于合理。表3比較了以上3種情況的布站結(jié)果。在該表中，3跳網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本得到了合理控制和顯著降低，而且全部TP流量要求都得到了滿足。

表3 布站結(jié)果

4 總 結(jié)

本文對IEEE802.16j網(wǎng)絡(luò)的BRPP進(jìn)行了研究，考慮SS使用RS的條件，提出了2層RS、3跳網(wǎng)絡(luò)的布站模型，將布站問題轉(zhuǎn)化為0－1型IP問題，并利用軟件進(jìn)行優(yōu)化求解，其結(jié)果對實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。在今后的工作中，還可以進(jìn)一步研究其他的布站方法，考慮小區(qū)之間的干擾、網(wǎng)絡(luò)成本預(yù)算限制、服務(wù)質(zhì)量保證等等因素。

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