跨小区中继协作通信的无线通信能效优化

王丽君 韩 涛 徐栋梁 俞 侃

(文华学院信息学部1,湖北 武汉 430074；华中科技大学电信学院2，湖北 武汉 430074；重庆邮电大学信息学院3,重庆 400065)



跨小区中继协作通信的无线通信能效优化

王丽君1韩 涛2徐栋梁3俞 侃1

(文华学院信息学部1,湖北 武汉 430074；华中科技大学电信学院2，湖北 武汉 430074；重庆邮电大学信息学院3,重庆 400065)

针对蜂窝网中基站能耗过高、用户通信业务需求较小的问题，休眠部分通信业务较少的基站，并采用无线中继协作实现跨小区中继协作通信。选择满足信宿输出信噪比最大的中继节点，依次删除协作效率最小的的中继节点，从而逐次优化中继选择结果。仿真结果表明，在跨小区中继协作的通信过程中，采用中继选择算法，能得到协作效率最高的中继节点，改善了小区内中继协作效率，提高了无线通信能效。

无线通信 蜂窝网 多跳网络信源节点 能效优化 中继选择算法 信噪比 最优发射功率

0 引言

在通信技术快速发展、移动用户数量激增且通信领域中网络运营能耗一半以上用于基站能耗[1]的情况下，对用户之间的协作通信和能源消耗提出了严峻的挑战。通过在蜂窝网中设置中继站覆盖小区内所有用户，可提高用户之间的通信效率[2]；通过在跨小区多跳时选择协作效率最佳的中继节点[3]，可在通信过程中实现节能减排[4]。这些都是通信行业研究的热点，也是运营商亟待解决的问题[5]。

在用户通信业务需求小的情况下，通过休眠部分通信业务少的基站来达到节能的目的。当某一基站处于休眠状态时，采用无线中继实现跨小区中继协作通信，研究跨小区协作中继无线通信能效优化。结果表明，本文设计的算法能筛选出协作效率最高的中继节点，在多跳的过程中节省信源节点的能量消耗，达到能效优化的目的。

1 跨小区网络结构模型

针对蜂窝网中基站能耗过高、在用户通信业务需求较小的情况下，休眠部分通信业务较少的基站，采用无线中继协作实现跨小区中继协作通信，并提出了跨小区多跳网络结构模型。该模型确定了中继站和基站的位置关系[6]，以及中继站的覆盖范围[7]。若小区I内基站A处于休眠状态，且有多个中继节点可为信源和信宿提供协作中继，则小区I内用户UE1和小区II内用户UE2之间通信，可简化为以信源节点S、小区I内中继RNⅠi、小区II内中继RNⅡj(其中i，j为任意的正整数)、信宿节点D的通信问题，构建一个如图1所示多中继的网络结构模型[8]。

图1 网络结构模型

2 跨小区多跳的中继选择算法

第1跳是信源节点S到小区I内的中继RNⅠi，信道增益是h1；第2跳是小区I内的中继RNⅠi到小区II内的中继节点RNⅡj，信道增益为h2；第3跳是小区II内的

中继节点RNⅠi经基站B到达信宿节点D，信道增益为h3。

设信源节点S在第1跳是单位能量信号xs、发射功率为Ps的发送信号，则接收信号为[9]：

(1)

式中:n为p=N0的高斯白噪声。

第2跳，小区I内被选择的中继RNⅠi向小区II内中继RNⅠi转发第1跳接收到的信号，则此时小区II内中继RNⅠi接收信号为：

yj=

(2)

式中:Pri为中继RNⅠi的发射功率；L为小区I内可供选择的中继个数。

第3跳，小区II内所有被选择的中继RNⅠi经过基站向信宿节点D转发第2跳接收到的信号，信宿节点D接收信号为：

YD=

(3)

式中:Prj为中继RNⅠi的发射功率；M为小区II内可供选择的中继个数。

则信宿节点D的信噪比为：

(4)

小区I、II内，各激活中继在转发信号时使用相同的频带宽度B[10]，则由式(3)、式(4)可以得出由信源节点S到信宿节点D的信道容量为：

CS,D=

(5)

基于最大化信噪比多中继选择问题[11]，可以将上述约束条件简化为：

(6)

由式(4)可知，γd是关于Ps的增函数[12]，信源节点S的最优功率为：

(7)

为保证通信质量，在分配功率时，各中继对信宿节点的总干扰不能超过Ith。

采用以下简单功率控制策略：

(8)

(9)

从上文的分析可知，信宿节点接收到的信号由各中继转发信号合成，信噪比受各中继转发信号大小的影响。本文提出的迭代中继选择方案可以表述为：

①正常通信时，所有中继处于激活状态。

②若存在休眠基站，则进行跨小区通信，根据式(8)、式(9)选择协作中继，删除不符合要求的中继，并观察信宿节点信噪比γD的变化情况。若γD增大就重复这一步骤，若减小则进入下一步骤。

③若信宿节点信噪比γD满足通信需求，则输出中继选择结果，完成跨小区多跳中继协作通信。

3 算法仿真及性能分析

图2 γD和关系图

从图2可以看出，信源节点的最优发射功率为5 dBW，随着协作中继数目L、M的增加，信宿节点的信噪比也随之优化。即在信源节点的最优发射功率情况下，增加协作中继的数量可以改善信宿节点的信噪比；同时增加中继也扩大了小区的覆盖范围，改善通信可靠性。因此，在发射功率、中继数目和输出信噪比三者之间的平衡点就是当信源节点最优发射功率和信宿节点信噪比的斜率取得最大值的时候，通信系统工作在理想状态。

图3是对信源节点的最优发射功率和小区I内中继的协作效率βi关系的仿真。

图和βi关系图

4 结束语

本文研究了在用户通信业务需求较小的情况下，休眠部分通信业务较少的基站，采用无线中继协作实现跨小区中继协作通信。迭代中继选择算法选择满足信宿节点信噪比最大化的中继节点，以协作效率为依据，逐次优化中继选择结果。仿真结果表明，在跨小区中继协作通信过程中，选择合适的协作中继的数量，不但可以减少中继对能源不必要的消耗，还可以改善小区内的中继协作效率，进而优化中继和信源节点的发射功率，达到节约能效的目的。

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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

国家自然科学基金资助项目(编号：61471180)；

湖北省自然科学基金资助项目(编号：2013CFB188)；

湖北省教育厅科研计划基金资助项目(编号：B2015188)；

湖北省高等学校优秀中青年科技团队计划基金资助项目(编号：T201431)；

文华学院培育基金资助项目(编号：2013Y08)。

王丽君(1981—)，女，2008年毕业于华中科技大学信息与通信系统专业，获硕士学位，讲师；主要从事无线通信、现代通信系统、多媒体通信等方向的研究。

TH7;TP3

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611003

修改稿收到日期:2015-05-27。