跨小區(qū)中繼協(xié)作通信的無線通信能效優(yōu)化

王麗君 韓 濤 徐棟梁 俞 侃

(文華學院信息學部1,湖北 武漢 430074；華中科技大學電信學院2，湖北 武漢 430074；重慶郵電大學信息學院3,重慶 400065)

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跨小區(qū)中繼協(xié)作通信的無線通信能效優(yōu)化

王麗君1韓 濤2徐棟梁3俞 侃1

(文華學院信息學部1,湖北 武漢 430074；華中科技大學電信學院2，湖北 武漢 430074；重慶郵電大學信息學院3,重慶 400065)

針對蜂窩網(wǎng)中基站能耗過高、用戶通信業(yè)務需求較小的問題，休眠部分通信業(yè)務較少的基站，并采用無線中繼協(xié)作實現(xiàn)跨小區(qū)中繼協(xié)作通信。選擇滿足信宿輸出信噪比最大的中繼節(jié)點，依次刪除協(xié)作效率最小的的中繼節(jié)點，從而逐次優(yōu)化中繼選擇結果。仿真結果表明，在跨小區(qū)中繼協(xié)作的通信過程中，采用中繼選擇算法，能得到協(xié)作效率最高的中繼節(jié)點，改善了小區(qū)內(nèi)中繼協(xié)作效率，提高了無線通信能效。

無線通信 蜂窩網(wǎng) 多跳網(wǎng)絡信源節(jié)點 能效優(yōu)化 中繼選擇算法 信噪比 最優(yōu)發(fā)射功率

0 引言

在通信技術快速發(fā)展、移動用戶數(shù)量激增且通信領域中網(wǎng)絡運營能耗一半以上用于基站能耗[1]的情況下，對用戶之間的協(xié)作通信和能源消耗提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。通過在蜂窩網(wǎng)中設置中繼站覆蓋小區(qū)內(nèi)所有用戶，可提高用戶之間的通信效率[2]；通過在跨小區(qū)多跳時選擇協(xié)作效率最佳的中繼節(jié)點[3]，可在通信過程中實現(xiàn)節(jié)能減排[4]。這些都是通信行業(yè)研究的熱點，也是運營商亟待解決的問題[5]。

在用戶通信業(yè)務需求小的情況下，通過休眠部分通信業(yè)務少的基站來達到節(jié)能的目的。當某一基站處于休眠狀態(tài)時，采用無線中繼實現(xiàn)跨小區(qū)中繼協(xié)作通信，研究跨小區(qū)協(xié)作中繼無線通信能效優(yōu)化。結果表明，本文設計的算法能篩選出協(xié)作效率最高的中繼節(jié)點，在多跳的過程中節(jié)省信源節(jié)點的能量消耗，達到能效優(yōu)化的目的。

1 跨小區(qū)網(wǎng)絡結構模型

針對蜂窩網(wǎng)中基站能耗過高、在用戶通信業(yè)務需求較小的情況下，休眠部分通信業(yè)務較少的基站，采用無線中繼協(xié)作實現(xiàn)跨小區(qū)中繼協(xié)作通信，并提出了跨小區(qū)多跳網(wǎng)絡結構模型。該模型確定了中繼站和基站的位置關系[6]，以及中繼站的覆蓋范圍[7]。若小區(qū)I內(nèi)基站A處于休眠狀態(tài)，且有多個中繼節(jié)點可為信源和信宿提供協(xié)作中繼，則小區(qū)I內(nèi)用戶UE1和小區(qū)II內(nèi)用戶UE2之間通信，可簡化為以信源節(jié)點S、小區(qū)I內(nèi)中繼RNⅠi、小區(qū)II內(nèi)中繼RNⅡj(其中i，j為任意的正整數(shù))、信宿節(jié)點D的通信問題，構建一個如圖1所示多中繼的網(wǎng)絡結構模型[8]。

圖1 網(wǎng)絡結構模型

2 跨小區(qū)多跳的中繼選擇算法

第1跳是信源節(jié)點S到小區(qū)I內(nèi)的中繼RNⅠi，信道增益是h1；第2跳是小區(qū)I內(nèi)的中繼RNⅠi到小區(qū)II內(nèi)的中繼節(jié)點RNⅡj，信道增益為h2；第3跳是小區(qū)II內(nèi)的

中繼節(jié)點RNⅠi經(jīng)基站B到達信宿節(jié)點D，信道增益為h3。

設信源節(jié)點S在第1跳是單位能量信號xs、發(fā)射功率為Ps的發(fā)送信號，則接收信號為[9]：

(1)

式中:n為p=N0的高斯白噪聲。

第2跳，小區(qū)I內(nèi)被選擇的中繼RNⅠi向小區(qū)II內(nèi)中繼RNⅠi轉發(fā)第1跳接收到的信號，則此時小區(qū)II內(nèi)中繼RNⅠi接收信號為：

yj=

(2)

式中:Pri為中繼RNⅠi的發(fā)射功率；L為小區(qū)I內(nèi)可供選擇的中繼個數(shù)。

第3跳，小區(qū)II內(nèi)所有被選擇的中繼RNⅠi經(jīng)過基站向信宿節(jié)點D轉發(fā)第2跳接收到的信號，信宿節(jié)點D接收信號為：

YD=

(3)

式中:Prj為中繼RNⅠi的發(fā)射功率；M為小區(qū)II內(nèi)可供選擇的中繼個數(shù)。

則信宿節(jié)點D的信噪比為：

(4)

小區(qū)I、II內(nèi)，各激活中繼在轉發(fā)信號時使用相同的頻帶寬度B[10]，則由式(3)、式(4)可以得出由信源節(jié)點S到信宿節(jié)點D的信道容量為：

CS,D=

(5)

基于最大化信噪比多中繼選擇問題[11]，可以將上述約束條件簡化為：

(6)

由式(4)可知，γd是關于Ps的增函數(shù)[12]，信源節(jié)點S的最優(yōu)功率為：

(7)

為保證通信質(zhì)量，在分配功率時，各中繼對信宿節(jié)點的總干擾不能超過Ith。

采用以下簡單功率控制策略：

(8)

(9)

從上文的分析可知，信宿節(jié)點接收到的信號由各中繼轉發(fā)信號合成，信噪比受各中繼轉發(fā)信號大小的影響。本文提出的迭代中繼選擇方案可以表述為：

①正常通信時，所有中繼處于激活狀態(tài)。

②若存在休眠基站，則進行跨小區(qū)通信，根據(jù)式(8)、式(9)選擇協(xié)作中繼，刪除不符合要求的中繼，并觀察信宿節(jié)點信噪比γD的變化情況。若γD增大就重復這一步驟，若減小則進入下一步驟。

③若信宿節(jié)點信噪比γD滿足通信需求，則輸出中繼選擇結果，完成跨小區(qū)多跳中繼協(xié)作通信。

3 算法仿真及性能分析

圖2 γD和關系圖

從圖2可以看出，信源節(jié)點的最優(yōu)發(fā)射功率為5 dBW，隨著協(xié)作中繼數(shù)目L、M的增加，信宿節(jié)點的信噪比也隨之優(yōu)化。即在信源節(jié)點的最優(yōu)發(fā)射功率情況下，增加協(xié)作中繼的數(shù)量可以改善信宿節(jié)點的信噪比；同時增加中繼也擴大了小區(qū)的覆蓋范圍，改善通信可靠性。因此，在發(fā)射功率、中繼數(shù)目和輸出信噪比三者之間的平衡點就是當信源節(jié)點最優(yōu)發(fā)射功率和信宿節(jié)點信噪比的斜率取得最大值的時候，通信系統(tǒng)工作在理想狀態(tài)。

圖3是對信源節(jié)點的最優(yōu)發(fā)射功率和小區(qū)I內(nèi)中繼的協(xié)作效率βi關系的仿真。

圖和βi關系圖

4 結束語

本文研究了在用戶通信業(yè)務需求較小的情況下，休眠部分通信業(yè)務較少的基站，采用無線中繼協(xié)作實現(xiàn)跨小區(qū)中繼協(xié)作通信。迭代中繼選擇算法選擇滿足信宿節(jié)點信噪比最大化的中繼節(jié)點，以協(xié)作效率為依據(jù)，逐次優(yōu)化中繼選擇結果。仿真結果表明，在跨小區(qū)中繼協(xié)作通信過程中，選擇合適的協(xié)作中繼的數(shù)量，不但可以減少中繼對能源不必要的消耗，還可以改善小區(qū)內(nèi)的中繼協(xié)作效率，進而優(yōu)化中繼和信源節(jié)點的發(fā)射功率，達到節(jié)約能效的目的。

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Optimization of Energy Efficiency for the Cross-community Wireless Relay Collaborative Communication

Aiming at the problems of high energy consumption in base stations of cellular network and less communication business demand of users,some of the base stations with only small communication business are rested,and cross-community relay collaborative communication is implemented by using wireless relay collaboration.The relay nodes of which output of information sink meets maximum signal to noise ratio are selected,and then the relay nodes with minimum collaborative efficiency are removed in proper order,thus the selection results are successively optimized.The results of simulation show that in such communication process,the iterative relay selection algorithm can select the relay nodes with highest collaborative efficiency; which can improve the collaborative efficiency in community,and enhance the energy efficiency of wireless communication.

Wireless communication Cellular network Multi-hop notwork Information source node Optimization of energy efficiency Relay selection algorithm Signal to noise ratio Optimal transmit power

國家自然科學基金資助項目(編號：61471180)；

湖北省自然科學基金資助項目(編號：2013CFB188)；

湖北省教育廳科研計劃基金資助項目(編號：B2015188)；

湖北省高等學校優(yōu)秀中青年科技團隊計劃基金資助項目(編號：T201431)；

文華學院培育基金資助項目(編號：2013Y08)。

王麗君(1981—)，女，2008年畢業(yè)于華中科技大學信息與通信系統(tǒng)專業(yè)，獲碩士學位，講師；主要從事無線通信、現(xiàn)代通信系統(tǒng)、多媒體通信等方向的研究。

TH7;TP3

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611003

修改稿收到日期:2015-05-27。