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基于站点休眠的中继网络动态节能拓扑控制
第一章绪论
1.1课题研究背景与研究意义
蜂窝网络不仅需要能够为用户提供高质量的语音服务，而且要能够提供大量的数据传输服务，这就决定了蜂窝网络的发展必须要进一步提高系统容量和高速数据速率覆盖，而传统的蜂窝网络基本无法满足目前的需求。
为了满足不断提高系统需求，需要通过通过增加基站密度可以提升系统容量，提高数据传输速率，但是，这会大大增加网络的成本为代价来实现的。
仅仅当通信用户数目也以和基站同样级别增加的时候才是可行的[01]。
但这在大部分国家，特别是在一些发达国家，蜂窝电话己经高度普及，因此这种方案几乎无法被接受。
另一方面，同样数量的用户将要求更高的传输速率，这将成为造成未来无线系统吞吐量拥塞的瓶颈。
假设用户不愿意像对语音通话一样对每比特的数据付同样的钱，大量增加基站数目在经济上也是不合算的。
针对这种情况，目前应用较为广泛的是中继节点的应用，中继节点RS作为一种比BS更
为简单、成本更低的技术可以进一步扩大的整个小区信号的覆盖范围以及增加数据传输速率。
中继节点的基本作用是通过缩减基站和用户站之间的传输距离，对信号进行重新处理并向前转发从而提升无线链路质量。
就国内的情况而言，目前整个国家有几十万个通信基站，基站的节能降耗成为一个关键的问题，而且中继网络系统的结构的设计远远复杂于单独基站的网络，中继节点的大量增加，虽然从降低了经济成本，但是同时导致了系统的功耗的增加，这必将引入严重的能耗问题，所以如何使系统的能耗达到最小成为一个急需解决的问题。
同时在保证系统能耗最低的情况下，如何不影响整个系统的数据吞吐量也是一个需要解决的关键问题。
因此，研究中继网络的最小能耗和最大吞吐量问题是对于保证高品质网络规划中的关键。
本文就这个问题提出了节点休眠休眠算法对这个问题进行了全面的研究。
1.2国内外研究现状综述
第三代移动通信商业市场可谓炙手可热，其可以将数据，intel网、语音，多媒体等信息传送到各个用户，第三代移动通信综合了蜂窝、无线、移动数据等各种移动通信系统的功能，保证能够同时提供话音和数据业务，但是随着用户数量的不断增加，传统的蜂窝网络已经无法满足需求，为了满足不断发展的需求，基于802.16的Wimax技术产生了[02]。
Wimax技术具有能够向互联网提供高速连接的功能，相对于传统的3G网络速度提高了近30倍，并且提高了传统的覆盖范围，为了进一步增加Wimax技术的优势，802.16工作组成立了802.16j工作组，其功能实现了与WLAN中的Mesh技术的应用一致。
从而减少了优先互联带来的成本压力，相邻基站之间对信号的中继转换间接扩大了网络的覆盖范围，同时基站还可对转换的信息进行必要的处理，进行选择性放大[03]。
1.3本课题主要研究工作
本文的主要工作是研究整个中继蜂窝网的功耗问题，本文首先研究了传统蜂窝网的功耗问题，然后针对中继蜂窝网的功耗问题，并对比传统的蜂窝网，分析其优缺点，最后提出了一种节点休眠算法，并将该算法应用于中继蜂窝网，分析基于该算法的中继蜂窝网的功耗情况。
针对三种情况，本文均通过MATLAB进行了仿真分析，分别对比了功耗，用户吞吐量，能效等性能指标。
本文的主要章节如下：
第一章：
绪论，主要提出了本文的研究内容，研究背景以及研究意义，并简单的介绍了整个课题的主要研究内容。
第二章：
中继蜂窝网简介，主要介绍了蜂窝网通信的基本概念，并介绍了基于中继技术的蜂窝网通信系统，最后介绍了蜂窝网通信系统的功耗问题，即本文研究内容的由来。
第三章：
基于节点休眠算法的功耗节能控制机制的理论简介，根据目前所存在的功耗分体，提出了一种基于节点休眠算法的功耗节能控制机制，从理论上分析了其功耗性能。
第四章：
基于节点休眠算法的功耗节能控制机制的仿真分析，通过MATLAB对第三章所提出的算法进行了仿真，并对比了该算法与传统蜂窝网的性能优势。
第五章：
总结，主要介绍了本文的主要研究内容与研究成果，并提出了目前研究成果的缺陷以及未来展望。
第二章中继蜂窝网的简介
2.1峰窝网简介
蜂窝网理论由美国贝尔实验室提出，是移动通信发展引发的构想，是构造移动通信网的一种新方法。
过去十几年全球无线移动通信系统得到很大的发展，无线移动通信技术经历了第一代模拟系统到第二代数字无线移动通信系统的演变，最近几年提供更大带宽、更大容量和更灵活宽带多媒体业务的第三代数字移动通信系统逐渐发展了起来，而第四代无线移动通信系统的发展也提上了日程，并得到了相关的应用[04]。
其中，第三代移动通信的概念最初由国际电信联盟（ITU）于1985年提出，后正式命名为IMT-2000。
经多年的研究与酝酿，于1997年进入实质性的技术选择与标准制定阶段。
经过一系列的评估与标准融合后，于1999年11月举行的ITU-RTG8/1赫尔辛基会议上最终确定了第三代移动通信无线接口标准，并于2000年5月举行的ITU-R2000年全会（RA-2000）上最终得到批准通过，被正式命名为IMT-2000无线接口技术规范（M.1457）。
此规范包括码分多址（CDMA）和时分多址（TDMA）两大类共五种技术[4]。
与现有的第一代和第二代移动通信系统相比，它的主要特点概括如下：
·全球无缝漫游；
·具有支持多媒体业务的能力，特别是支持Internet业务；
·高带宽、高速率。
快速移动环境，最高速率达到144kbps；室外到室内或步行环境，最高速率达到384kbps；室内环境，最高速率达到2Mbps；
·高频谱效率、大容量；
IMT-2000无线接口技术标准是一个以宽带CDMA技术为主体，兼容TDMA技术，包含频分双工和时分双工两种双工方式的多元化体系标准。
它包括三种主要的无线传输方案：
WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA。
这三种主流技术的主要技术参数如表2.1所示。
表2.1三种主流第三代移动通信系统标准主要技术参数比较
WCDMA
cdma2000
TD-SCDMA
多址方式
DS-CDMA
DS/MC-CDMA
TDMA/CDMA
双工方式
FDD/TDD
FDD
TDD
基站同步
不需要（同步可选）
需要，典型方法是GPS
需要
信道带宽
5MHz
N×1.25MHz
N＝1，3（可扩展6，9，12）
1.6MHz
码片速率
3.84Mcps
N×1.2288Mcps
N＝1，3（可扩展6，9，12）
1.28Mcps
帧长
10ms
5，10，20，40，80ms
10ms
调制方式
QPSK/BPSK
QPSK/BPSK
QPSK
功率控制
FDD：
开环/闭环1.5kHz/外环
TDD：
开环/闭环（不高于800Hz）
开环/闭环（800Hz）/外环
开环/闭环（200Hz）
切换方式
硬，软，更软切换
硬，软，更软切换
接力切换
频间切换
支持，用压缩模式进行测量
支持
支持，用空闲时隙测量
由于3G网络的技术日见成熟，无线通信领域的研究热点逐渐转移到第四代（4G）网络。
4G网络可以向移动用户提供分布的多媒体业务，即任何时间，任何地点都可以向用户提供多媒体业务，要满足这个要求，需要采用宽带无线接入技术，终端可以有多种工作模式，可以工作在多个频段。
随着研究的深入和技术的发展，用户要求的最大数据速率将不断增加，不同接入技术最终融合，网络将演化为“全IP”网。
终端向多种无线配置演化，可以选择多种接入技术，工作在不同的网络[05]。
2.2中继蜂窝网概述
2.2.1中继蜂窝网简介
在传统的蜂窝中继网络通过引入一个或者多个中继节点FRN（又称为中继站），使得源节点发出的信息能由各个中继节点经过一定处理后再发给目的节点。
这种多跳传输方式可以通过中继节点缩短通信节点问的通信距离，绕开建筑物、植被等阻碍电磁波传输的障碍物，在一定程度上克服了大尺度衰落的影响，减小了通信链路的路径损耗，降低了设备的发射功率，从而抑制系统干扰并提高信号的信噪比，改进蜂窝网络的服务质量，增加蜂窝网络的容量，从而有效地满足下一代移动通信对大范围内高速率数据业务的覆盖需求。
在蜂窝中继网络中，基站（BS）是唯一通过有线线路如同轴电缆、光导纤维等与骨干网连接的设备。
无线通信的下行链路传播的发起总是起始于基站，同时上行无线链路的归结点也末于基站。
基站可以通过一跳链路直接与移动节点（MS）通信，也可以通过中继节点（RS）建立多跳链路与移动节点通信[06]。
中继蜂窝的基本构架如下图所示：
图2.1中继蜂窝网的基本结构图
从图2.1可知，中继节点是蜂窝中继网络相对于传统蜂窝网引入的一个新的节点，其与基站及移动节点问的链路均是无线链路。
中继节点是位于某一基站覆盖范围内附属于基站的设备，它的功能是接收来自于基站的下行链路数据，然后将这些数据转发给移动节点，或者接收来自于移动节点的上行链路数据再转发给基站。
中继节点本身不产生它们自己的数据业务，但中继节点可以产生相关的控制信令以完成相关数据业务的传输。
中继节点设备功能要比基站简单很多，因此复杂度就比较小，成本相对于基站也少很多。
在实际应用中，中继节点的部署主要有两种方式，一是将中继节点部署在的覆盖范围内，这种部署方式的主要功能就是改善小区内用户数据信号质量，提高数据传输速率。
因此，这种部署方式一般部署在覆盖小区的边缘或者是阴影衰落效应严重的区域。
第二种部署方式为将中继节点部署在的覆盖范围外，将来自基站的信号放大，从而扩大小区的覆盖范围。
由于中继节点的成本通常比基站成本低很多，这是一种低成本的覆盖范围扩展的方式。
两种部署方法的结构如下图所示：
图2.2中继部署结构
2.2.2多跳中继蜂窝网
在传统的单跳蜂窝网络中，小区内的所有移动台（MS）受基站（BS）集中控制，即使是远离基站的用户也必须通过建立与基站（BS）的直接连接而通信。
但是在多跳中继蜂窝网中，移动台（MS）既可以与基站（BS）直接通信，也可以通过中继节点（RS）的中继转发与基站（BS）进行通信。
由于中继节点（RS）的覆盖范围远比基站（BS）小，所以在一个小区内布置多个中继节点（RS）间的干扰小，可以同时收发数据，中继节点（RS）间可以进行空间复用从而提高系统容量；多跳中继又可以使得链路质量较差的路径被链路质量较好的链路代替，这样不仅降低了功率需求，也可以在质量较好的无线链路上采用高阶调制从而提高系统容量[07]。
目前中继技术已经被广泛的应用，其应用场景如下图所示：
图2.3中继应用场景图
从图2.3可知，中继技术主要应用于城市死角覆盖，小区扩大范围，建筑内部通信，忙点覆盖，小区边缘覆盖，地下建筑通信，建筑阴影覆盖等各个方面。
本课题的主要研究场景为基于多跳固定中继蜂窝网，每个小区包括6个固定的中继节点。
2.3中继蜂窝网功耗问题
由于无线多跳中继网络的建立需要大量的中继设备，因此，其复杂度远远大于普通的蜂窝网，此外，中继个数的增加不仅增加了系统的复杂度，还大大增加了整个系统的功耗，因此，如何在保证系统通话质量的前提下，降低整个系统的功耗是一个非常关键问题，本文的主要研究内容即在于此。
在本文的下一章节，我们将重点分析中继蜂窝网的功耗问题。
第三章基于节点休眠算法的功耗节能控制机制的理论简介
本章将重点分析不同类别的蜂窝网的功耗问题，首先针对传统的蜂窝网的功耗情况进行简单的介绍，其次分析中继蜂窝网的功耗情况，最后针对目前的蜂窝网的功耗问题，提出了一种基于节点休眠算法的功耗节能控制机制。
并从理论上介绍分析。
3.1本课题研究场景
3.1.1小区仿真场景
本课题主要研究的场景为无线多跳蜂窝网，主要由基站（BS），中继站（RS），移动终端（MS）三个部分组成，整个场景有19个小区组成，每个小区有1个基站，6个中继节点，以及不定数的移动用户。
整个小区的具体参数如下表3.1所示：
表3.1小区参数
参数名称
参数值
参数含义
dKmCiteToCiteDistance
0.5
基站间距离km
dKmMinDistance
0.035
用户和基站间的最小距离
nNumofCell
19
系统中的小区数19
nNumofSector
nNumofCell*3
系统中的扇区数
dwBsTransmitPower
40
基站总发送功率
dwRNTransmitPower
2
中继总发送功率
dwMsTransmitPower
0.25
移动台发送功率
dHzSubcarrierBandWidth
15000
子载波带宽
dMHzCarrierFrequency
2000
载波频率MHz
dUserVelocity
0
用户移动速度km/h
ddBShadowFadingStdBS2UE
8
阴影衰落标准差BS2UE
ddBShadowFadingStdBS2RN
3.4
阴影衰落标准差BS2RN
ddBShadowFadingStdRN2UE
10
阴影衰落标准差RN2UE
ddBBSTransmitAntennaGain
14
BS发送天线增益
ddBRNCoverageAntennaGain
5
RN覆盖天线增益
ddBRNDonorAntennaGain
23
RN施主天线增益
ddBUEReceiveAntennaGain
0
UE接收天线增益
该仿真场景的仿真效果如下图所示：
（a）19个小区分布（b）19个小区分布扇出分布
（c）中继节点分布（d）随机位置的用户分布
图3.1本课题仿真场景
3.1.2无线信道模型
本课题所研究的对象，其接入链路采用的信道衰弱模型如下所示：
（3.1）
上述三个式子的含义分别表示基站到用户的路径损耗，基站到中继的路径损耗以及中继到用户的路径损耗。
3.2蜂窝网功耗、吞吐量，能效分析
无中继的蜂窝网的小区功耗主要来自于基站（BS）的功耗，这里假设单位覆盖区域都是正六边形，每个小区内有一个基站（BS）和若干个移动站（MS），且每个基站（BS）的最大覆盖区域是有限的[08]。
3.2.1功耗模型的建立
由于，整个小区只有基站，所以整个小区的最小功耗可以根据如下的式子进行定义：
（3.2）
其约束条件为：
（3.3）
其中，
为整个小区的总功耗，
为每个基站的功耗，
为基站个数，
为基站的覆盖面积，W为系统总带宽。
即整个小区的功耗和基站数量相关，三个约束条件的含义分别为整个基站区域的总带宽大于所有基站区域内消耗的总带宽，目标区域为无缝连接的以及基站个数。
3.2.2吞吐量模型的建立
判定小区性能的另外一个指标就是区域的吞吐量，小区的吞吐量的大小直接反应该小区的通话质量以及小区所能够承受的业务量[09,10,11]。
这里假设每个基站到每个移动用户之间的通信流量密度
，基站到移动台之间的最大传输速率为
，而每个移动台所需要的流程密度为
，每个用户所占的时隙为
。
那么整个小区的总吞吐量为：
（3.4）
即在不同时隙内，每个移动台MS与基站的通信量总和的最大值即为整个小区的吞吐量。
3.2.3能效分析
根据上面的分析可知，整个模型的能效为：
（3.5）
3.3中继蜂窝网功耗、吞吐量，能效分析
上面的分析结果是基于单纯的无中继蜂窝网，下面讨论基于中继节点的蜂窝网的功耗吞吐量以及能效。
3.2.1功耗模型的建立
这里将引入中继站，此时，整个小区的功耗将由基站功耗和中继功耗两个部分组成，此外，由3.1节可知，每个基站小区分为三个扇区，那么基站的功耗一部分将消耗在每个删除的扇区天线中[12,13]。
这里假设每个小区有中继点k个，那么整个小区的最小功耗可以用如下的式子定义：
（3.6）
该式子中的参数的定义和模型一相似，该式子的约束条件为：
（3.7）
上述约束条件的含义为：
一个基站有一个扇区天线，不同层次相邻的中继区域个数比小于等于基站区域个数和第一层中继区域的个数之比，基站区域的总带宽大于所有中继区域所消耗的带宽，目标无缝对接。
3.2.2吞吐量模型的建立
当引入了中继节点之后，系统的最大吞吐量可以用如下的式子表示：
（3.8）
其中，
为基站到移动台之间的最大传输速率，
表示每个中继点到移动用户之间的最大通信速率，
为每个移动台所需要的流程密度为，
为每个用户所占的时隙。
上式和无中继节点下的蜂窝网吞吐量的区别为中继节点和基站在整个时间端内同时参与用户的通信流量分配。
3.2.3能效分析
在考虑中继节点之后，那么系统的能效为：
（3.9）
3.4基于节点休眠算法的蜂窝网功耗、吞吐量，能效分析
为了降低整个小区的功耗，基于节点休眠算法的调度和拓扑控制具有十分显著的效果，节点休眠算法的主要含义为：
当中继节点关闭以后，可以大大降低能耗，此时的中继节点失去了发送的能力，被称为休眠节点。
而在一个大型的蜂窝网中，由于每个单一的中继节点并不会在每时每刻都处于工作之中，那么会对整个网络产生一定的冗余，在这样一个环境中，中继节点收集到的数据高度相关，完全可以让一部分中继节点休眠，而让另一部分中继节点工作，此外，在中继节点密度较高的区域，此时，在不影响整个小区性能的前提下，通过关闭一部分节点的方法，可以有效降低整个小区的功耗。
下面讨论在引入节点休眠算法之后，整个小区的功耗，吞吐量以及能效等性能指标。
假设在某一时刻，整个小区有k0个中继节点关闭，k-k0个中继节点在正常工作，那么整个小区的总的功耗为：
（3.10）
其中集合
为被关闭的中继节点的标号。
此时小区的吞吐量为：
（3.11）
由于节点在休眠之后，不产生数据的传输，所以式3.11
（3.12）
整个小区的能效为：
（3.13）
从上面的式子可知，通过节点休眠算法后，整个系统的能效显然提高了。
下面讨论节点休眠算法的休眠控制机制。
3.5基于节点休眠算法的蜂窝网控制机制
从上面的讨论可知，采用基于节点休眠算法的中继蜂窝网，其功耗降低了，能效提高了，那么如何合理有效的控制部分节点进行正常工作，另外部分节点进行休眠是节点休眠算法的关键问题[13,14]。
本文所采取的节点开关控制机制是基于移动用户与基站的距离来进行的，其控制步骤如下所示：
第一：
计算每个移动台（MS）与邻近基站（BS）的距离；
图3.2计算邻近基站距离1
第二：
从计算得到的距离中选择最短距离作为目标基站（BS）
图3.3选择最短间隔的基站
第三：
分别计算d1，d2，d3，首先判断d1是否为基站有效覆盖范围，如果是则关闭邻近中继节点，然后d1大于基站有效覆盖范围，那么选择一个邻近中继节点，使
达到最小。
此时的中继节点即为所需要打开的中继节点。
第四：
按上述准则，对所有的用户进行计算，从而确定需要关闭和打开的中继节点。
3.6本章总结
本章主要介绍了普通无中继蜂窝网，中继蜂窝网以及基于节点休眠算法的中继蜂窝网的的功耗，吞吐量和能效等性能指标，并分析了本课题所进行的节点开关准则。
从理论上分析了基于节点休眠算法的中继蜂窝网具有较低的功耗以及较高的能效。
在本文的后一章节，我们将通过MATLB对该系统进行仿真分析。
第四章基于节点休眠算法的功耗节能控制机制的仿真分析
4.1普通蜂窝网的性能仿真分析
本节，将对系统的普通蜂窝网进行仿真分析，普通蜂窝网的仿真流程如下图所示：
图4.1普通蜂窝网性能仿真流程图
根据该算法流程对普通不带中继的蜂窝网进行功耗，吞吐量及能效的性能仿真，仿真结果如图4.2所示：
（a）普通蜂窝网功耗仿真图
（b）普通蜂窝网吞吐量仿真图
（c）普通蜂窝网能效仿真图
图4.2普通蜂窝网的性能仿真图
从图4.2的仿真结果可知，随着用户数量的增加，普通蜂窝网的功耗快速增加，且从图4.2a的仿真曲线变化趋势可知，随着用户数的增加，功耗增加速度将以更快的速度增加，从图4.2b结果可知，其吞吐量并没有快速增加，因此，系统的能效随着功耗的增加而迅速降低。
4.2中继蜂窝网的性能仿真分析
本节，将对系统的中继蜂窝网进行仿真分析，中继蜂窝网的仿真流程如下图所示：
图4.3中继蜂窝网性能仿真流程图
其仿真结果如图4.4所示：
（a）中继蜂窝网功耗仿真图
（b）中继蜂窝网功吞吐量仿真图
（c）中继蜂窝网功能效仿真图
图4.4中继蜂窝网的性能仿真图
从图4.4的仿真结果可知，随着用户数量的增加，普通蜂窝网的功耗快速增加，但是较普通蜂窝网而言，其功耗增加较缓，而此时，系统的吞吐量较普通蜂窝网略有提高。
从上面的仿真结果可知，通过中继蜂窝网的系统性能较普通蜂窝网的性能有所提升。
4.3基于节点休眠算法的中继蜂窝网的仿真分析与性能对比
本节，将对基于节点休眠算法中继蜂窝网进行仿真分析，其仿真流程如下图所示：
图4.5基于节点休眠算法中继蜂窝网性能仿真流程图
其仿真结果如图4.4所示：
（a）基于节点休眠算法中继蜂窝网功耗仿真图
（b）基于节点休眠算法中继蜂窝网功吞吐量仿真图
（c）基于节点休眠算法中继蜂窝网功能效仿真图
图4.5基于节点休眠算法中继蜂窝网的性能仿真图
从上面的仿真结果可知，采用节点休眠算法后的中继蜂窝网，其功耗功耗变化最为缓慢，因此，随着用户数量的增加，采用节点休眠算法之后的中继蜂窝网具有最佳的性能。
下面对比三种仿真结果，得到如下的仿真图。
图4.6三种模型的功耗对比
图4.6的仿真对比效果可知，采用节点休眠算法后的中继蜂窝网具有最小功耗，其次是中继蜂窝网，而普通蜂窝其功耗最大。
此外，值得注意的是，次用节点休眠算法，其功耗并没有随着用户数量的增加的快速增加，其功耗增加几乎和用户的增加成正比，从而大大降低了整个系统的功耗。
图4.7三种模型的吞吐量对比
从图4.7的仿真结果可，改进后的中继蜂窝其吞吐量略大于中继蜂窝网，大于普通蜂窝网，故在吞吐量指标上，基于节点休眠算法的中继蜂窝网具有最佳的性能。
此外，从理论上分析可知，采用普通中继算法的吞吐量和采用休眠节点算法的中继模式的系统吞吐量是相同的，但在实际中，考虑各个基站和中继之间的影响及干扰，当采用休眠算法的中继算法的时候，将无关的基站和中继均关闭，这样可以有效降低部分临近区域的基站或中继的干扰，所以采用休眠节点算法的吞吐量会略大于普通中继算法的吞吐量。
图4.8三种模型的能效对比
从图4.8的仿真结果可知，采用改进算法后的中继蜂窝网，其能效最佳，且在用户较少的时候，其性能更为优越，而当用户数量增加的时候，其性能快速下降，但其整体能效仍然优于普通蜂窝网和中继蜂窝网。
4.4本章总结
本章通过MATLAB重点对普通蜂窝网，中继蜂窝网以及基于中继节点算法的中继蜂窝网的功耗，吞吐量以及能效进行了仿真分析，通过仿真可知，改进后的算法具有最佳的性能。
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