多跳蜂窩網絡中的資源分配與負載均衡研究

楊亞讓 (喀什師范學院物理系，新疆 喀什 844006)

趙 越 (西南交通大學信息科學與技術學院, 四川 成都 610031)

多跳蜂窩網絡中的資源分配與負載均衡研究

楊亞讓 (喀什師范學院物理系，新疆 喀什 844006)

趙 越 (西南交通大學信息科學與技術學院, 四川 成都 610031)

針對多跳蜂窩網絡(MCNs)中的資源分配與負載均衡(LB)進行研究。基于時分復用(TDD)的正交頻分多路接入(OFDMA)技術,分析了MCNs下行鏈路的資源分配特點，利用MCNs中的部分頻率復用模式來減輕干擾和提高頻譜效率，并提出了基站(BS)中負載均衡(LB)方案。研究表明，該方案可以均勻分布負載，能保證用戶的服務質量，且滿足覆蓋要求和容納更多用戶，同時能夠提高吞吐率。

多跳蜂窩網絡；資源分配；負載均衡

正交頻分多路接入(OFDMA)技術是第4代無線網絡中主要的物理層技術，可以應用于多跳蜂窩網絡(MCNs)。在基于OFDMA技術的MCNs中，固定中繼站(RS)與基站(BS)相比，可以克服較差的信道條件，同時保持低的基礎設施成本，但在中繼鏈路(BS-RS鏈路)中需要額外的無線資源[1-2]。因此，為了有效地發揮RS的作用，設計高效的無線資源分配方案顯得十分重要。目前有關頻率資源分配的研究[3-4]只考慮了用戶分配均勻的情況，而實際上用戶并不是均勻分布在小區中，當太多用戶接入一個BS或RS時將導致MCNs中負載不均衡，這會嚴重影響熱點區域的性能，最終無法滿足用戶的服務質量要求。針對上述情況，筆者對MCNs中的資源分配和負載均衡進行了研究。

1 系統模型

在MCNs中，首先考慮包含19個互相環繞模式的六角形小區(見圖1)。在基于IEEE 802.16J/m規范的場景下，每個小區分為3個扇區，每個扇區部署2個屋頂RS。假定BS到RS的距離是基站到基站距離的3/8，RS位置和BS天線視軸之間的夾角是26°[5]。在第i小區的第j扇區，讓NR(i,j,k)表示RS(中繼站)k(k=1，2)，NB(i,j)表示BS(i=1，2，…，19；j=1，2，3)。在第1個小區的第1個扇區中，讓NM表示MS，NB(1,1)和NB(1,1,1)表示NM分別接入的候選站。

根據IEEE 802.16J/m規范，每個時分復用(TDD)幀包括下行子幀和上行子幀，每個子幀各自被分為中繼域(RZ)和接入域(AZ)的2個時間域。RZ被指定為BS向RS和MS的發送，AZ被指定為MS從BS或2個RS的接收。假定每個RS接收當前幀RZ中的數據，它將安排在AZ中發送數據，在下一幀清空它的緩沖區。在每1個子幀中，頻率域由子信道組成，時間域由時隙組成。在1個子信道中的1個時隙是最小的頻率-時間資源單位。為了方便性能分析，需要進行如下假設：①所有用戶都有一個相同類型的數據服務，有相同的服務質量需求。②所有小區/扇區有同樣的信道條件、業務負載和用戶分布。

2 頻率復用模式

圖2 MCNs中的頻率復用模式

為了增加可用頻率資源以容納更多用戶，在1個扇區中，BS-MS鏈路需要復用與RS-MS鏈路相同的頻率。由于使用相同頻率同時增加發送機會，頻譜效率將得到提高，但這將引起額外干擾。

針對上述情況，提出MCNs中的部分頻率復用(FFR)模式來提高頻譜效率，同時減輕干擾。該模式下的幀結構和小區配置如圖2所示。圖2(a)所示為MCNs中下行鏈路子幀結構；圖2(b)和圖2(c)所示分別為不同時域中的不同頻率復用模式。圖2(b)和圖2(c)中以3個小區布局為例，實際上可以采用19小區布局進行性能分析和仿真。系統帶寬為W，它被分為相等的3個不同頻段：W1、W2和W3。在RZ中，接收模式下RS不能發送數據到MS。在這種情況下，不需要分配頻率資源給RS。在每個小區的每個扇區采用1×3×1的頻率復用模式，整個頻段被分配給BS(見圖2(b))。在AZ中，RS轉發從BS到MS的數據，頻率資源應該被分配給RS，一個BS的AZ域被分為內部域和外部域(見圖2(c))。FFR模式中，在內部域中頻率復用因子為1，在外部域中頻率復用因子為3。

3 BS中的負載均衡

在上述MCNs中的FFR模式基礎上,筆者針對BS中負載均衡進行研究，并提出負載均衡方案(簡稱LB方案)。在當一個BS被超載時，切換與BS連接的用戶到相同扇區的一個RS是沒有好處的。因為這些類型的用戶靠近BS而遠離RS，一旦切換發生，這些用戶的數據速率將降低。此外，用戶只需要好的一跳鏈路直接接入BS，但通過RS，他們需要低劣的兩跳鏈路來重新連接到BS。

BS的業務負載的切換機制有2個關鍵的問題需要考慮，一是決定用戶從外部域被切換到內部域的標準，另外是必須考慮在每個幀中內部域與外部域的大小。具體步驟如下所述。

2)決策和執行 當新用戶到達時，如果BS發現超載，切換機制將執行以防止沉重的業務負載。

3)報告 如果切換條件不滿足，新用戶將被拒絕，因為允許新用戶進入將退化網絡性能。否則，BS將執行切換機制并接受新用戶。

4 系統仿真

圖3 異構用戶分布下不同頻率復用方案性能比較

假設用戶按照速率為λ的泊松過程到達，按均值為100s的指數分布持續一定時間后從小區分離。在持續時間內，假定用戶采用全緩沖業務模型且不改變位置，同時1個小區的業務負載隨速率λ而改變，且在每個扇區中用戶均勻分布，并設置1個小區的總業務負載為150。整個小區區域可被分割成2個不重疊的同心區域，即中心區域和邊緣區域。中心區域在BS的450m內，其余區域是邊緣區域。設置在1個扇區中的總業務負載為50，通過分別改變中心區域和邊緣區域的業務負載來改變用戶分布。詳細的系統級仿真參數如表1所示[7]。在異構用戶分布下，采用相同的系統模型和參數，將LB方案、通用頻率復用方案[8](N/A)、新頻率復用方案(NFRS)和正交資源分配方案(ORAA)[9]進行比較(見圖3)。由圖3可知，LB方案優于其他方案，因為該方案允許根據負載狀態進行動態資源分配，從而提高扇區吞吐率。當扇區中的業務負載是10/40時，大多數用戶集中在邊緣區域而歸屬于RS，利用LB方案可以從RS到BS切換一些用戶，從而在網絡中容納更多的用戶(如LB方案比ORAA方案的扇區吞吐率提高34.2%)。當扇區的業務負載是40/10時，大多數用戶集中在中心區域而歸屬于BS，利用LB方案可以從BS到RS切換一些用戶(如LB方案比ORAA方案的扇區吞吐率提高90%)。

表1 系統級仿真參數

5 結 語

對MCNs中的自適應資源分配方案進行了研究，利用MCNs中的部分頻率復用模式來減輕干擾和提高頻譜效率，在此基礎上針對基站中的負載均衡進行分析并提出了LB方案，結果表明該方案可以均勻分布負載并保證用戶的服務質量，同時能夠提高吞吐率。因此，上述研究方法能在MCNs網絡規劃和資源分配方面發揮一定作用。

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10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.09.037

TN929.5

A

1673-1409(2012)09-N105-03

2012-06-16

國家科技重大專項(2011zx03001-007-01)。

楊亞讓(1972-)，男， 1997年大學畢業，碩士，講師，現主要從事無線通信與電子技術方面的教學與研究工作。

[編輯] 李啟棟