中南林业科技大学学报(自然科学)一种新型无线网络自适应分层覆盖系统研究

一种新型无线网络自适应分层覆盖系统研究 赵兆 (湖南信息职业技术学院，长沙， 410001) 摘 要: 本文首先提出了一种衡量分层覆盖系统性能的效用函数，该效用函数综合考虑了阻塞率 和切换次数；然后，提出了一种自适 应分层覆盖系统， 该系 统允许接入宏蜂窝的移动台可以与任何基 站通信。仿真结果表明，在阻塞率、切换次数、效用函数等方面自适应分层覆盖系统优于传统分层覆盖 系统。 关键词: 分层覆盖；阻塞率；切 换次数 Research of An Adaptive Hierarchical Coverage Scheme of Wireless Networks Abstract: First, a utility function is proposed to evaluate the performance of hierarchical cellular system. Both the blocking probability and handover times are considered in the function. Second, an adaptive hierarchical cellular system is proposed which allows the mobile equipments in macrocells to communicate with any base station in the system. Simulation results indicate that the adaptive hierarchical cellular system performances better than hierarchical cellular system in blocking probability, handover times and utility function. Key words: Hierarchical Coverage; Blocking Probability; Handover Times 为了满足飞速增长的无线通信的需求，需要从根本上增加业务容量和服务区域的全球覆盖 1。增加容 量和扩展覆盖的一种方法是降低蜂窝的大小，但是这会引起快速运动移动台的频繁切换，最终导致系统 开销增大，系统容量下降；另外一种方法是无线网络采用分层蜂窝系统(Hierarchical Cellular System，HCS)。 传统的 HCS 具有干扰大、切换次数多等缺点，本文首先提出了一种效用函数来衡量分层覆盖系统的性能， 该效用函数综合考虑了阻塞率和切换次数等因素；其次，本文提出了一种自适应分层覆盖系统（Adaptive Hierarchical Cellular System， AHCS） 。 1 系统模型 本文的分层网络拓扑结构采用宏蜂窝和微蜂窝的两层覆盖结构 1，系统由 个宏蜂窝组成，每个宏蜂7 窝包含 个微蜂窝，设微蜂窝的半径为 。假设每个微蜂窝的中心有一基站，每个宏蜂窝的中心也有一个7r 基站，基站端配置 根全向天线。宏小区 中的基站 表示为 ， 分别表示 个宏蜂1mn(,)1,2m=L7 窝； ， 表示宏蜂窝的基站， 表示微蜂窝的基站。0,n=L0n=1,7=L 设当前系统中有 个移动台，每个移动台端配置 根全向天线，移动台的最大发射功率为 ，移K ULmaxP 动台 的实际发射功率为 。所有移动台都使用相同的业务（如：语音业务） ，该业务需要占用一个信道kkP 资源，业务要求的 SINR 门限为 。SINR_TH 假设导频测量信号经过足够长的时间平均抵消了快衰落 2，故本文的信道模型中不考虑快衰落。这里 只介绍路径衰落和阴影衰落的建模。系统中的路径损耗计算采用哈塔模型，设移动台 与基站 之k(,)mn 间的距离为 ，则移动台 到基站 之间的路径损耗为(,)mnkdk(,)mn()(,) (,128.376lgax50mnkLdd=+ 其中， 以 km 为单位。(,)nk 阴影衰落服从对数正态分布，其大小及更新可参考文献3。设阴影衰落的相关距离为 ，移动台D 与基站 在时刻 的阴影衰落为 ，则时刻 的阴影衰落为,t(,)mnkSttT(,) (,)21nmnk kTua- 其中， 是一个服从均值为 ，方差为 的对数正态分布随机变量， 取值为u02saekdD-= 其中， 表示移动台 在时间 内运动的距离。kdD 假设基站能实时地知道每个信道的衰落和干扰情况，系统中总的信道数为 ，为了避免复杂的功toalN 率控制问题和过大的干扰，文献4建议将系统总的信道分成宏蜂窝可用部分和微蜂窝可用部分，即在整 个系统中，宏蜂窝使用相同的部分信道，微蜂窝使用相同的部分信道，这里假设宏蜂窝可用信道数为 ，微蜂窝可用信道数为 ，则有MNuNtoal uMN=+ 分层覆盖系统一方面为了提高系统容量，即降低阻塞率；另一方面为了减少切换次数。设新呼叫阻 塞率为 ，切换呼叫阻塞率为 ，单位时间内系统平均切换次数为 。为了合理地衡量blockedPdrpePhandoverN 系统的性能，本文定义一个效用函数 handoverdropeblockedU)1( 其中， （ ）为可调参数。p01 于是，分层覆盖系统的数学模型为 * MERGEFORMAT (1)ULmax inC:02SINR_THkPg 式* MERGEFORMAT (1)是一个复杂的组合优化问题，而且效用函数 不能显式地表达，很难求最U 优解。分层覆盖系统是式* MERGEFORMAT (1) 的一种次最优解。 2 分层覆盖方案 设分层速率门限为 。运动速度大于等于此门限的移动台接入宏小区；运动速度小于此门限的移动thV 台接入微小区。 HCS 让接入宏蜂窝的移动台与位于宏蜂窝中心的基站通信，而接入微小区的移动台与处于微小区中 心的基站通信。这种分层方案能在一定程度上解决快速运动移动台的频繁切换问题，并降低了新呼叫阻 塞率和切换呼叫阻塞率 4。 然而，HCS 也存在着一些问题：HCS 中的干扰较大。当快速运动的移动台位于宏小区的边缘时， 该移动台与宏蜂窝中心的基站通信需要很大的发射功率，这将给相邻的小区造成很大的干扰；HCS 中 移动台的切换次数较多。 针对前面分析的固定分层方案的不足，本文提出一种 AHCS。AHCS 中，接入宏蜂窝的移动台不一定 与宏小区中心的基站通信，可以与任何一个微蜂窝基站进行通信，因此宏小区不需要专门的基站，这就 节省了成本。但是，为了减少发射信号强度、降低信号干扰、减少不必要的切换次数，与移动台进行通 信的基站需要合理的选择。 本文提出一种基于移动台运动预测的基站选择算法，记为 PLBBS（Predicted loss based base selection）算法。PLBBS 算法为移动台 选择服务基站的步骤如下：k 1. 选择与移动台 距离最近的三个宏蜂窝。由于其他宏小区基站与移动台的距离太大，导致路径k 损耗太大，所以，每个移动台只选择在其周围距离最近的三个宏蜂窝中的某个基站与之通信。 2. 移动台 遍历选出的三个宏小区中的所有基站，求出移动台 与每个基站的预测平均损耗，并k 选择预测平均损耗最小的基站与之通信。 移动台 与基站 的预测平均损耗计算方法为：根据移动台 的当前运动状态，预测在未来一段时间kj 内到基站 的平均路径损耗。移动台 在 时间的运动过程中取 个地理坐标点，计算这 个坐标0Tj k0TXX 点到基站 的路径损耗 ，则移动台 到基站 的平均预测损耗为12,XkjjjLkj,1osxkjjLS= 其中， 为当前时刻移动台 到基站 的阴影衰落。,kjS 3 仿真结果及分析 本节通过数值仿真验证 AHCS 性能，并与 HCS 性能相比较。仿真场景如表 1 所示 表 1 仿真场景参数 仿真得到新呼叫阻塞、切换呼叫阻塞率、平均每个呼叫的切换次数、效用函数值与呼叫到达率的关 系分别如图 1、图 2、图 3 和图 4 所示。 由图 1 和图 2 可以看出，两种系统的新呼叫阻塞率和切换呼叫阻塞率都随着呼叫到达率的增加而增 加；但是，AHCS 系统的新呼叫阻塞率和切换呼叫阻塞率都比 HCS 系统的低很多。由图 3 可以看出，当 呼叫到达率小于 时，AHCS 的平均每个呼叫切换次数都小于 HCS，体现了 AHCS 的优越0cals/hour参数项 参数值 参数项 参数值微小区半径阴影衰落均值阴影衰落标准差阴影衰落相关距离系统总的可用信道数移动台最大运动速率运动速率改变的最大值 呼叫持续时间 300m 08dB50m3030m/s 5m/s 均值为 120s 的指数分布 基站天线增益移动台天线增益 穿透损耗呼叫 SINR 门限移动台最大发射功率 背景噪声功率效用函数参数 p仿真时间 14dB0dB 10dB5dB250mW106dBm0.310000s 性；当呼叫到达率大于 时，AHCS 的平均每个呼叫的切换次数大于 HCS，这因为，系统120cals/hour 负载较大时，HCS 不能承载所有的呼叫，于是中断和拒绝了很多呼叫；而 AHCS 通过增加切换次数来接 入更多的呼叫。图 4 说明，AHCS 和 HCS 的效用函数值都随着呼叫到达率的增加而增加，但是 AHCS 的 效用函数值明显小于 HCS 的效用函数值。由仿真结果可以看出，AHCS 比 HCS 具有较大的优越性。 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 0 0 . 0 0 5 0 . 0 1 0 . 0 1 5 0 . 0 2 0 . 0 2 5 0 . 0 3 0 . 0 3 5 0 . 0 4 呼叫到达率 （ c a l l s / h o u r ） 新呼叫阻塞率 A H C S H C S 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 呼叫到达率 （ c a l l s / h o u r ） 切换呼叫阻塞率 A H C S H C S 图 1 新呼叫阻塞率与呼叫到达率的关系 图 2 切换呼叫阻塞率与呼叫到达率的关系 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 2 . 5 3 3 . 5 呼叫到达率 （ c a l l s / h o u r ） 每个移动台的平均切换次数 A H C S H C S 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 呼叫到达率 （ c a l l s / h o u r ） 效用函数 U A H C S H C S 图 3 平均每个呼叫的切换次数与呼叫到达率的关系 图 4 效用函数值与呼叫到达率的关系 4 结束语 本文首先介绍了分层覆盖系统的场景，并提出一个衡量分层覆盖系统性能的效用函数；然后，指出 HCS 中的不足之处；最后，提出了 AHCS。仿真结果表明，与 HCS 相比，AHCS 在新呼叫阻塞率、切换 阻塞率、平均每个呼叫的切换次数和效用函数等方面有较大优势。 参考文献 1 王莹, 张平. 无线资源管理: 北京邮电大学出版社, 2005: 127-153. 2 Kwan L. 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