[论文解读] Maximizing Mobile Coverage via Optimal Deployment of Base Station and Relays

Xu Li, Dongning Guo+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2014

Mobile Ad Hoc Networks参考文献 25被引用 4

一句话总结

本文提出了在时分复用（TDMA）和频分复用（FDMA）调度下，为最大化无线网络覆盖范围而优化中继和移动基站部署策略。推导出在数据速率约束下最大化端到端通信距离的中继位置解析解，表明当中继数量超过某一临界值后，由于服务质量（QoS）限制，覆盖增益将递减，最优配置在频分复用下使用7个中继时可实现最高达1,289米的覆盖距离。

ABSTRACT

Deploying relays and/or mobile base stations is a major means of extending the coverage of a wireless network. This paper presents models, analytical results, and algorithms to answer two related questions: The first is where to deploy relays in order to extend the reach from a base station to the maximum; the second is where to deploy a mobile base station and how many relays are needed to reach any point in a given area. Simple time-division and frequency-division scheduling schemes as well as an end-to-end data rate requirement are assumed. An important use case of the results is in the Public Safety Broadband Network, in which deploying relays and mobile base stations is often crucial to provide coverage to an incident scene.

研究动机与目标

• 确定在固定端到端数据速率要求下，多个中继在基站与远距离目标之间最优部署位置，以最大化通信距离。
• 确定移动基站的最优部署位置，使得给定多边形区域内的最小信噪比（SNR）最大化。
• 评估在中继辅助覆盖扩展中，时分复用与频分复用资源共享方案之间的权衡。
• 确定在仅靠移动基站无法覆盖整个区域时，使目标区域内任意点可达所需的最少中继数量。
• 分析在超过临界阈值后增加更多中继导致收益递减的原因，其根源在于端到端QoS约束。

提出的方法

• 构建一个包含K-1个中继的双向多跳解码转发（DF）设备到设备（D2D）网络模型，中继沿基站与目标之间的线段部署。
• 基于约束优化框架，推导出在功率和调度约束下最大化端到端数据速率的最优中继位置闭式表达式。
• 应用时分复用（TDMA）和频分复用（FDMA）资源共享方案，以建模上行/下行链路传输，并分析其对最大通信距离的影响。
• 采用信噪比（SNR）最大化准则，通过求解多边形区域上的最小-最大问题，确定最优移动基站位置。
• 提出高效算法，计算在有或无空间约束（例如必须位于多边形外部或边界上）条件下的最优基站位置。
• 通过数值仿真验证分析结果，并比较不同中继数量、功率水平和调度方案下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在固定端到端数据速率要求下，如何最优部署多个中继于基站与远距离目标之间，以最大化通信范围？
• RQ2 在多跳中继网络中，选择时分复用与频分复用资源共享方案如何影响最大可实现通信距离？
• RQ3 移动基站的最优部署位置为何，可使给定多边形区域内最小SNR最大化？
• RQ4 在什么情况下增加更多中继将不再提升覆盖范围？其根本原因是什么？
• RQ5 如何联合部署移动基站与中继，以确保目标区域内任意点可达，即使基站单独无法覆盖整个区域？

主要发现

• 在使用一个中继且发射功率为20 dBm时，时分复用下的最大通信距离为341米，频分复用下为493米。
• 随着中继数量增加，最大通信距离在某一临界点前持续提升：在时分复用下6个中继可达622米，而在频分复用下7个中继可实现1,289米。
• 在时分复用下超过6个中继、频分复用下超过7个中继后，额外中继反而降低最大通信距离，原因在于端到端数据速率约束。
• 在使用一个中继且发射功率为20 dBm时，时分复用下最优中继位置距离基站192米，频分复用下为277米。
• 当移动基站可自由部署时，最优位置为(368, 304)米，20 dBm功率下可实现最小SNR受限的覆盖半径分别为204米（时分复用）和245米（频分复用）。
• 当移动基站必须部署在多边形外部或边界上时，最优位置为(325, 323)米，覆盖性能与中继扩展能力相近。