蜂窩網(wǎng)絡(luò)中最佳中繼站的選擇

關(guān) 世 杰

(沈陽(yáng)理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧 沈陽(yáng) 110159)

蜂窩網(wǎng)絡(luò)中最佳中繼站的選擇

關(guān) 世 杰

(沈陽(yáng)理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧 沈陽(yáng) 110159)

對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中提高移動(dòng)臺(tái)與基站數(shù)據(jù)傳輸速度問(wèn)題進(jìn)行了研究。通過(guò)選取最佳中繼節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用流機(jī)制傳輸方案保證傳輸數(shù)據(jù)正確，提出了最佳中繼節(jié)點(diǎn)選擇方案。通過(guò)案例證明了所提出的最佳中繼選擇算法具有一定的有效性。結(jié)果表明，相比于不使用中繼，該方案使端到端吞吐量的期望值得到了提高。

蜂窩網(wǎng)絡(luò) 吞吐量 多跳中繼 車輛通信

0 引 言

在為大規(guī)模城市提供無(wú)處不在的Internet接入服務(wù)中，蜂窩網(wǎng)絡(luò)[1]的遠(yuǎn)距離和高數(shù)據(jù)傳輸率的特點(diǎn)使其成為了一項(xiàng)具有很大應(yīng)用前景的技術(shù)。為了使車載用戶在高速路段中能夠方便接入Internet，需要在路段附近設(shè)置移動(dòng)基站BS(Base Station)，車載用戶將自身數(shù)據(jù)通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)，與BS交互數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，若車載用戶自身的數(shù)據(jù)直接傳送給BS，則BS-SS之間端到端吞吐速度較低，為此可以在上述環(huán)境中應(yīng)用多跳中繼技術(shù)來(lái)提高數(shù)據(jù)通信速度，如何選擇最佳中繼站是我們面臨的亟待解決的問(wèn)題。

本文對(duì)鏈路質(zhì)量[2]、通信距離[3]、端到端吞吐量[4]三個(gè)參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行研究，面向端到端吞吐量進(jìn)行優(yōu)化，得出最佳中繼站選擇算法BRSS(Best Relay station Selection)。首先將車載用戶、中繼站及BS構(gòu)建成一個(gè)幾何模型，并針對(duì)模型的吞吐量進(jìn)行了分析；在衡量方案的有效性上，若僅考慮單點(diǎn)吞吐量的大小，并無(wú)實(shí)際意義，本文利用吞吐量的期望值進(jìn)行評(píng)估，為獲得整個(gè)BS的覆蓋域內(nèi)的吞吐量的期望值，本文就節(jié)點(diǎn)位置的概率分布問(wèn)題進(jìn)行了研究。為保證節(jié)點(diǎn)之間的鏈路通信質(zhì)量，本文分別采用流重傳機(jī)制對(duì)鏈路數(shù)據(jù)進(jìn)行重傳操作，并在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了BRSS算法。最后，通過(guò)NS-2仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果表明，BRSS算法與隨意選取中繼或不使用中繼的方案相比較，該方案的端到端吞吐量有明顯優(yōu)勢(shì)。

1 高速公路中車聯(lián)網(wǎng)的容量分布

1.1 模型的建立

本文為高速公路中車輛設(shè)計(jì)了一個(gè)基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信的車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。圖中SS代表網(wǎng)絡(luò)中車輛用戶；BS代表Internet基站，提供Internet接入服務(wù)，BS覆蓋區(qū)域是有限的；RS代表中繼站，RS沿路部署，其功能是負(fù)責(zé)BS與SS之間數(shù)據(jù)傳輸[5]。蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的SS獲取自身位置信息，通過(guò)路由算法決定是否與BS直接進(jìn)行連接。

圖1 車聯(lián)網(wǎng)

在蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，RS作為中繼器負(fù)責(zé)BS與SS之間進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸，由于SS的位置移動(dòng)，必然發(fā)生超出現(xiàn)有RS的傳輸范圍的情況，需要重新選擇新的RS進(jìn)行通信，為獲取較高端到端的吞吐量，如何在多個(gè)RS中選擇合適的RS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是目前需要解決的問(wèn)題。

1.2 路徑損耗模型的吞吐量分析

信噪比在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的值會(huì)隨著通信兩點(diǎn)間的距離改變而發(fā)生變化，在忽略邊緣效應(yīng)引起的各種路徑損耗的條件下對(duì)路徑損耗進(jìn)行研究[6]。首先，設(shè)X、Y為兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，設(shè)X、Y兩節(jié)點(diǎn)間的吞吐量為T，如果X、Y兩節(jié)點(diǎn)之間成功傳輸N個(gè)字符數(shù)據(jù)所用時(shí)間為t，則兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的吞吐量的值是N/t(bit/s)。

圖2描述的是高速公路移動(dòng)臺(tái)與基站通信的自適應(yīng)流動(dòng)傳輸模型[7]。其中，設(shè)基站BS在公路上的投影為H，中繼節(jié)點(diǎn)BS與H的直線距離為h，O為參考點(diǎn)，移動(dòng)臺(tái)SS初始位置與O點(diǎn)的距離為a。l1～lN為對(duì)應(yīng)吞吐量為T1～TN時(shí)的最大通信距離，可知T1

圖2 高速公路的自適應(yīng)流動(dòng)性傳輸?shù)耐ㄓ媚Ｐ?/p>

1.3 節(jié)點(diǎn)位置的分布概率

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)SS在BS的覆蓋區(qū)域上運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)行路徑及方向是固定的，但其行進(jìn)速率則不定。本文通用模型的節(jié)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度不要求恒定，根據(jù)車輛速度的不同把整個(gè)公路分成n個(gè)區(qū)間，要求同一區(qū)間的車輛速度是相同的。若公路不是直線，同理可將其劃分為多個(gè)直線段域來(lái)處理。

假定在一個(gè)長(zhǎng)度為a的直線公路段域上，節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行速率為V，用隨機(jī)變量X∈[0,a]來(lái)表示節(jié)點(diǎn)在此段域上的位置，則SS的速率V也是一個(gè)隨機(jī)變量，其大小可隨時(shí)改變(但在同一直線段域上則認(rèn)為其值是恒定的)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)恒速運(yùn)行時(shí)，定義一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期來(lái)描述節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行軌跡，則一個(gè)直線段域?qū)?duì)應(yīng)一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期。

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特征如圖3所示，隨機(jī)變量B、E分別表示一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的起點(diǎn)和終點(diǎn)，b表示的是B點(diǎn)距參考點(diǎn)O點(diǎn)的距離，e表示E點(diǎn)與O點(diǎn)間距離。由于節(jié)點(diǎn)是由B向E運(yùn)動(dòng)，因此，對(duì)任意運(yùn)動(dòng)周期均有b>e，且B、E可隨機(jī)選擇，在一具體公路直線段域上，兩者遵循均勻分布。

圖3 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)周期

定義分布函數(shù)FX(x)=P(X≤x)為任意時(shí)刻節(jié)點(diǎn)落于[0,x]區(qū)域的概率。對(duì)于運(yùn)動(dòng)周期i，ti表示節(jié)點(diǎn)在該周期上持續(xù)的時(shí)間，tx,i表示在i周期上，節(jié)點(diǎn)運(yùn)行在[0,x]段上的時(shí)間，可知，當(dāng)[0,x]與i周期的直線段沒有重疊部分，則有tx,i=0。觀察K個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，可得：

(1)

對(duì)于某一固定周期而言，定義D為節(jié)點(diǎn)在該周期上運(yùn)行的距離，V為運(yùn)行速率，T是在該周期上持續(xù)的時(shí)間，相應(yīng)的Dx表示D與[0,x]的重疊部分的長(zhǎng)度，Tx表示節(jié)點(diǎn)運(yùn)行Dx所用時(shí)間。上述各變量均為隨機(jī)變量，且V與D、Dx都是相互獨(dú)立的，故由式(1)可得：

(2)

結(jié)合概率論知識(shí)，及上述各變量的物理意義，可求得D、Dx的數(shù)學(xué)期望值分別為式(3)、式(4)所示。

(3)

(4)

結(jié)合式(2)-式(4)可得到節(jié)點(diǎn)在長(zhǎng)度為a的直線段域上的位置分布函數(shù)如式(5)所示。

(5)

由式(5)可求得節(jié)點(diǎn)在長(zhǎng)度為a的直線段域上運(yùn)動(dòng)時(shí)，其與BS的數(shù)據(jù)傳輸速率為Ti的概率為：

(6)

(7)

其中，ai、ai+1、a2N-i、a2N-i+1是以Ti為鏈路吞吐量時(shí)的變更點(diǎn)。

2 數(shù)據(jù)重傳機(jī)制

本文使用流機(jī)制下的最佳中繼算法對(duì)有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，下面介紹流機(jī)制基本算法。流機(jī)制是由CaoQ等人提出的，其具體原理如圖4所示。

圖4 流機(jī)制的工作原理

源端節(jié)點(diǎn)A按順序發(fā)送數(shù)據(jù)包，中繼節(jié)點(diǎn)B按順序接收數(shù)據(jù)，然后直接將數(shù)據(jù)包按原順序不變轉(zhuǎn)發(fā)給終端節(jié)點(diǎn)C，如果中繼節(jié)點(diǎn)B收到數(shù)據(jù)的序號(hào)不連續(xù)，說(shuō)明傳輸數(shù)據(jù)包出現(xiàn)丟失情況，B立刻停止向C轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而是向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送重傳請(qǐng)求，發(fā)送的內(nèi)容是出錯(cuò)數(shù)據(jù)的序號(hào)，當(dāng)A成功收到正確請(qǐng)求序號(hào)并返回確認(rèn)時(shí)停止發(fā)送。節(jié)點(diǎn)A接收重發(fā)請(qǐng)求后，提取出丟包序號(hào)，便以得到出錯(cuò)序號(hào)之前的所有數(shù)據(jù)包都已經(jīng)成功被對(duì)方接收，釋放發(fā)送成功的數(shù)據(jù)包緩存區(qū)。除了以上方法，流機(jī)制還采用了串音技術(shù)來(lái)釋放緩存空間，如節(jié)點(diǎn)A“獲取”到節(jié)點(diǎn)B將某一特定數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點(diǎn)C，則可“確認(rèn)”B已經(jīng)成功接收了該數(shù)據(jù)包，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)包從其存放的緩存區(qū)內(nèi)釋放。

流機(jī)制針對(duì)無(wú)線通信信道的特點(diǎn)，綜合運(yùn)用了隱含確認(rèn)和懶惰丟包檢測(cè)兩種方法：

(1) 隱含確認(rèn)。隱含確認(rèn)可以通過(guò)串音與序列號(hào)識(shí)別兩種技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。串音是指當(dāng)源節(jié)點(diǎn)A向中繼節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，B節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后，如果接收到正確的數(shù)據(jù)包，則一直保持接收狀態(tài)，并將接收到的數(shù)據(jù)包實(shí)時(shí)發(fā)送給C，源節(jié)點(diǎn)A監(jiān)聽到C節(jié)點(diǎn)獲得數(shù)據(jù)包，則可以斷定節(jié)點(diǎn)A發(fā)送給節(jié)點(diǎn)B的數(shù)據(jù)包被成功接收。如果節(jié)點(diǎn)B接收到不正確的數(shù)據(jù)包，則向A發(fā)送錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包的編號(hào)，要求重新傳送，A收到數(shù)據(jù)包后，提取編號(hào)，便可以分析出該編號(hào)之前的數(shù)據(jù)包被成功傳送。

(2) 懶惰丟包檢測(cè)。懶惰丟包檢測(cè)是指源節(jié)點(diǎn)并不啟用超時(shí)定時(shí)器，而是依靠接收節(jié)點(diǎn)接收到的包序號(hào)來(lái)判斷在發(fā)送過(guò)程中是否出現(xiàn)丟包狀況。如圖4所示，節(jié)點(diǎn)A在發(fā)送過(guò)程中packet3號(hào)包丟失，但是并不能檢測(cè)到它的丟失，當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)B接收到packet4號(hào)數(shù)據(jù)包后，B節(jié)點(diǎn)通過(guò)序列號(hào)可以判斷出packet3號(hào)包丟失，然后將重傳packet3號(hào)包的重發(fā)請(qǐng)求發(fā)送給節(jié)點(diǎn)A。至此，A才發(fā)現(xiàn)packet3號(hào)包丟失了，然后重傳packet3。

3 最佳中繼站選擇算法BRSS

若BS與SS之間直接進(jìn)行通信不通過(guò)中繼，在BS的覆蓋區(qū)域內(nèi)，數(shù)據(jù)吞吐量T的期望值的公式為：

(8)

依據(jù)約瑟和馬頓斯研究出的針對(duì)不同地形的衰減模型，當(dāng)傳輸距離增加時(shí)，其速率衰減度比線性衰減更快。對(duì)長(zhǎng)鏈路，中繼傳輸相比于直接傳輸更具有效性，借助中繼可實(shí)現(xiàn)用多重高信噪比鏈路來(lái)替代單一的低信噪比鏈路，從而支持更高的傳輸速率，使SS獲得更高的端到端吞吐量。針對(duì)特定的SS，選取不同的RS將使SS的吞吐量不同，因此，選擇最佳RS可使SS的吞吐量最大限度的增加。

圖5描述的是通用公路流動(dòng)模型中最佳中繼位置的確定問(wèn)題。其中BS在公路上投影點(diǎn)為H，SS在某一時(shí)刻與H點(diǎn)間的距離為x0。可供選擇的中繼節(jié)點(diǎn)RS位于SS與H點(diǎn)之內(nèi)，設(shè)RS～H為x1，RS～SS為x2，RS～BS為d1、SS～BS為d2。由以上條件可以把確定最佳中繼節(jié)點(diǎn)的位置問(wèn)題轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)問(wèn)題，即在給定兩點(diǎn)H、SS，選擇距H點(diǎn)為x1的RS作為最佳中繼節(jié)點(diǎn)。

圖5 最佳中繼的尋找

設(shè)雙跳傳輸下SS～BS之間的吞吐量為Te2e，單跳傳輸下SS～BS、RS～BS、RS～SS之間吞吐量分別為T、T1、T2。設(shè)(p，q)、(p1，q1)、(p2，q2)分別為BS～SS、BS～RS以及RS～SS之間通信鏈路上的正、反向包接收率；并設(shè)定BS～SS間成功傳輸?shù)淖址麛?shù)為n。

假定所有節(jié)點(diǎn)間的傳輸前半雙工模式，假定經(jīng)過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)RS只有一個(gè)鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，且不考慮鏈路之間的噪聲干擾。則由BS向SS傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時(shí)，雙跳傳輸方式可描述為：BS向RS傳輸n位字符，RS接收并傳輸給SS。依據(jù)Kim與Liu的分析結(jié)果[8]，可得雙跳傳輸時(shí)的吞吐量公式如下所示：

(9)

(10)

(11)

(12)

結(jié)合式(9)、式(11)及式(12)，可知，當(dāng)采用流機(jī)制對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重傳時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的雙跳傳輸吞吐量如下所示：

(13)

4 案例分析

針對(duì)鏈的路吞吐量進(jìn)行研究，其中假定h=28米，公路線路長(zhǎng)a=200米，媒體訪問(wèn)控制的開支為10%。結(jié)合上述參數(shù)值及第4部分得到的Te2e、式(11)-式(13)。給定一個(gè)任意位置的SS，都會(huì)存在一個(gè)最佳中繼節(jié)點(diǎn)與之對(duì)應(yīng)。若給定x0=80米，依據(jù)所對(duì)應(yīng)的優(yōu)化問(wèn)題可得流機(jī)制下的x1=35.816 8米的吞吐量最大值為31.955 8 bit/s。

然而，在實(shí)際系統(tǒng)中，x1在兩變更點(diǎn)(Ti發(fā)生變化的點(diǎn))間時(shí)往往會(huì)變小。即對(duì)一些傳輸模式的區(qū)域i(該區(qū)域上，BS-RS鏈路間的特定吞吐量在i與i+1間是持續(xù)不變的)有g(shù)i+1

5 性能研究

在BRSS方案中默認(rèn)選擇最佳中繼雙跳傳輸?shù)姆绞絺鬏敚?dāng)雙跳傳輸?shù)姆绞奖葐翁鴤鬏敺绞降耐掏铝啃r(shí)，則采用單跳傳輸方式。在圖6描述的特定情節(jié)中，公路段域的長(zhǎng)度a為200米，h為28米。方案的數(shù)值評(píng)估值由Matlab計(jì)算得來(lái)。

圖6 SS處于不同位置時(shí)的端到端吞吐量值

圖6描述了在BRSS方案中，流機(jī)制下選用最佳中繼方案的吞吐量與單跳傳輸方案的吞吐量間的關(guān)系，其中橫坐標(biāo)表示SS的位置，即SS與參考點(diǎn)O間的距離。由圖6可知，對(duì)應(yīng)于流機(jī)制所設(shè)計(jì)的選用最佳中繼方案中，當(dāng)SS的位置落在[57.18 792，142.81 208]區(qū)域時(shí)，將采用單跳傳輸方式，而當(dāng)SS落在[57.18 792，142.81 208]區(qū)域外時(shí)，則將使用雙跳傳輸方式；此外，當(dāng)SS進(jìn)一步遠(yuǎn)離BS時(shí)，雙跳傳輸方式較單跳方式而言，具有更高的端到端吞吐量。

兩方案的端到端吞吐量的概率分布如圖7所示，其中吞吐量的單位為bit/s(各柱條上方的值為對(duì)應(yīng)吞吐量的概率值)。圖7(a)與(b)對(duì)應(yīng)的是流機(jī)制下的單跳傳輸方案與選用最佳中繼方案所對(duì)應(yīng)的端到端吞吐量的概率分布圖；對(duì)長(zhǎng)度為a的整個(gè)鏈路而言，由圖7(a)、(b)兩圖的數(shù)值結(jié)果計(jì)算可以得到，端到端的吞吐量在單跳傳輸方案下的期望值為41.765 9，而選用最佳中繼的方案端到端吞吐量的期望值比單跳傳輸方案提高了31.28%，達(dá)到54.832 1，而且BS的網(wǎng)絡(luò)覆蓋的面積也由71.72%擴(kuò)大到100%。

圖7 端到端吞吐量的概率分布圖

6 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的車輛與路邊基站通信的最佳方案，通過(guò)選取最佳中繼BS節(jié)點(diǎn)的來(lái)提高RS-BS節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)吞吐量。對(duì)采用流機(jī)制下的最佳中繼節(jié)點(diǎn)方案的選擇及結(jié)果進(jìn)行了研究，并通過(guò)案例證明對(duì)特定位置的節(jié)點(diǎn)SS，其選擇的最佳中繼RS位置可以在系統(tǒng)斷網(wǎng)的狀態(tài)下計(jì)算求得，從而可以減少選擇最佳中繼節(jié)點(diǎn)過(guò)程中的延時(shí)，證明了本文提出的最佳中繼選擇算法具有一定的有效性。

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SELECTION OF OPTIMAL RELAY STATION IN CELLULAR NETWORK

Guan Shijie

(SchoolofInformationScienceandControl,ShenyangInstituteofTechnology,Shenyang110159,Liaoning,China)

The data transmission speed of mobile station and base station in cellular network is studied in this paper. By selecting the best relay node, the flow mechanism transmission scheme is applied to ensure the transmission data is correct, and the optimal relay node selection scheme is proposed. A case study shows that the proposed optimal relay selection algorithm has validity. The results show that the proposed scheme improves the end-to-end throughput expectations compared to the unused a relay.

Cellular Network Throughput Multi-hop relay Vehicle communication

2016-07-19。遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目(L2015380)；遼寧省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃立項(xiàng)課題(JG15 DB303)；遼寧省社科聯(lián)2016年度遼寧經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展立項(xiàng)課題(2016lslktziglx-20)。關(guān)世杰，副教授，主研領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)科學(xué)，負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，嵌入式。

TP393

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.06.049