（信号与信息处理专业论文）中继增强型蜂窝系统中的动态资源分配研究.pdf

摘要 蜂窝网络的引入是通信史上的巨大创举，它通过频谱复用技术极大提高了无线通信系统的容量， 已经被广泛的应用于第一至第三代移动通信系统中。然而随着对通信要求的提高如高速率、高服 务质量( q o s ：q u a l i wo f s e r v i c e ) 、高覆盖率等，传统蜂窝网结构表现出不少缺点 新一代移动通信系统对频谱有效性和功率有效性提出了更高的要求，为了满足新的移动通信应 用需求，无线通信系统将向高频段、高速率、高效率以及与因特网等其它网络融合的方向发展，同 时需要充分挖掘和利用空间域的无限资源和采用新型的网络结构，因此现有的蜂窝系统构架以及无 线传输技术需要进行较大的变革。在蜂窝网络中加入中继协作传输，被认为可以在不明显改变骨干 网络结构的同时显著提高网络传输性能，解决或部分解决蜂窝网络存在的问题。 在未来无线通信系统中，白适应资源分配是有效利用有限的频谱资源和提高功率效率的关键技 术之一如何在中继增强型蜂窝系统架构下，合理的进行频谱分配、功率分配，是本论文研究的主 要内容。论文主要有如下几方面的工作： l 、研究了o f d m a ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 中继增强型蜂窝通信系统 中的频谱复用分割策略。分别研究了多小区频谱复用分割策略、单小区频谱复用- 分割策略，以及 频谱分配与路由选择相结合的策略。 2 、研究了中继增强型蜂窝通信系统中的路由选择策略。分别研究了基于距离、路径损耗、接收 s i n r 的路由选择策略。并研究了多径分集问题、最优路径阻塞( o r b ：o p t i m a lr o u t eb l o c k a g e ) 问 题，以及路径损耗对系统性能的影响等。 3 、研究了中继增强型蜂窝通信系统中的自适应功率分配和子载波分配算法。分别研究了简单的 两跳中继传输系统的功率分配策略及其在t d m a 中继增强型蜂窝系统中的应用；简单两跳o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 中继系统的。子载波对”选择和功率分配策略； o f d m a t d d 中继增强型蜂窝系统的功率分配和子载波分配算法。并对中继系统的帧结构、资源分 配算法的迭代次数等问题进行了一些研究分析。 4 、提出了一种改进的中继增强型蜂窝系统时频资源块分配算法，该方案引入因子口，基于用户 服务质量( q o s ) 要求，对系统吞吐量、用户公平性、中断概率进行折中 关键词。蜂窝网络；中继：o f d m a ：频谱复用分割；路由选择；自适应资源分配 a b s t r a c t c e l l u l a rn e t w o r k si sam i l e s t o n ei nt h eh i s t o r yo fc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g t h et e c h n o l o g yo f f r e q u e n c yr c u ，w h i c hg r e a t l yi m p r o v e st h es y s t e mc a p a c i t yh a sb e e nu s e di n 圮l 囊t o3 mg e n e r a t i o no f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a st h eh i g h e rs t a n d a r d s ，s u c ha sh i g h e rs p e e do fd a t at r a n s m i s s i o n , h i g h e rq o s ，h i g h e rc o v e r a g e ，e t c ，t h et r a d i t i o n a lc e l l u l a rn e t w o r k sr e f l e c tm a n ys h o r t c o m i n g s t h en e wg e n e r a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sn e e d sh i g h e rs p e c t r u me f f i c i e n c ya n dh i g h e r p o w e re f f i c i e n c yt om e e tt h ed e m a n d so fh i g hq u a l i t yo f v o i c es e r v i c e s ，i n t e m e ta c c e s s ，h i 曲s p e e do ff i l e t r a n s m i s s i o na n dd o w n l o a d ，e t c t h er e l a ye n h a n c e dc e l l u l a rs y s t e mi sc o n s i d e r e dt ob eap r o m i s i n g m e t h o dw h i c hc a l ld e a lw i t ht h et r o u b l e so ft r a d i t i o n a lc e l l u l a rs y s t e mw i t h o u tt r e m e n d o u sc h a n g e so ft h e c e l l u l a rs t r u c t u r e a d a p t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o nh a sb e e ni d e n t i f i e da so n eo f t h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rp r o v i d i n ge f f i c i e n t u t i l i z a t i o no ft h el i m i t e dp o w e ra n ds p e c t r u mi nf u t u r ew i r e l e s ss y s t e m s i nt h i st h e s i s ，t h ea d a p t i v e r e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m e si nr e l a ye n h a n c e dc e l l u l a rn e t w o r k sa r es t u d i e d t h em a i nw o r k so f t h i st h e s i s a r ea sf o l l o w s ： 1 f r e q u e n c yp a r t i t i o n i n ga n dr e u s ei no f d m a b a s e dr e l a ye n h a n c e dc e l l u l a rn e t w o r k s m u l t i - c e l l a n ds i g n a l - c e l lf r e q u e n c yp a r t i t i o n i n ga n dr e u s e ，j o i n tr o u t i n ga n dr c 剑3 u r c ep a r t i t i o n i n ga r es t u d i e d 2 r o u t i n gs c h e m e si nr e l a ye n h a n c e dc e l l u l a rn e t w o r k s d i s t a n c e - b a s e d ，p a t h l o s s - b a s e da n d s i n r - b a s e dr o u t i n gs c h e m e s 越cs t u d i e d m e a n w h i l e ，m u l t i p a t hd i v e r s i t y , o r ba n dt h ee f f e c t so fc h a n g i n g o f p a t h l o s si n d e xa r es t u d i e d 3 a d a p t i v ea l l o c a t i o no fp o w e ra n ds u b c a r r i e r s p o w e ra l l o c a t i o nf o r2 - h o pr e l a y i n gc h a n n e la n di t s a p p l i c a t i o n i nt d m ab a s e dr e l a ye n h a n c e dc e l l u l a rn e t w o r k s ，s u b c a r r i e rp a i rs e l e c t i o na n dp o w e r a l l o c a t i o ni no f d mr e l a y i n gs y s t e m ，r e s o u r c es c h e d u l i n gf o ro f d m a t d db a s e dr e l a ye n h a n c e dc e l l u l a r n e t w o r k sa r es t u d i e d t h ef r a m es t r u c t u r ea n di t e r a t i o nt i m e so fp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m e sa r ea l s os t u d i e d 4 af r e q u e n c y - t i m eu n i ta l l o c a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e d t h ef a c t o r 口i st oc o m p r o m i s ea m o n g c a p a c i t y , f a i r n e s sa n do u t a g e k e y w o r d s ：c e l l u l a rn e t w o r k s ；r e l a y ；o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( o f d m a ) ； f r e q u e n c yp a r t i t i o n i n ga n dr e u s e ；r o u t i n g ；a d a p t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o n n l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 汉 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：鞋导师签名：嫩 第1 章绪论 现代蜂窝网络不仅要为用户提供高质量的语音通话服务还要支持大量数据传输业务，如无线 因特网、多媒体、文件传输和下载业务这对未来蜂窝系统提出了新的要求，即增加系统吞吐量并 扩大高数据传输速率的覆盖面积然而，传统蜂窝网结构表现出不少缺点，主要包括：i ) 小区覆盖 面窄；2 ) 在热点区域容量饱和时，实现流量转移比较困难；3 ) 以基站为中心，不仅使基站复杂度 高，而且抗毁性能差；4 ) 小区边缘用户的信道条件差，影响传输速率：5 ) 受天线数目的限制，用 户分集度较低( 误码性能和服务质量受到影响) ；等。 新一代移动通信系统对频谱有效性和功率有效性提出了更高的要求，为了满足新的移动通信应 用需求无线通信系统向高频段、高速率、高效率以及与因特网等其它网络融合的方向发展，同时 需要充分挖掘利用空间无线资源和采用新型的网络结构，现有的蜂窝系统构架以及无线传输技术需 要进行较大的变革 正交频分复用( o f d m ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术是一项非常有前景的 技术，在学术界和工业界都得到了广泛的关注o f d m 是一种高效的多载波传输技术，由于o f d m 中各个子载波相互正交，在频域上各予信道相互重叠，因而它能够提供比普通频分复用系统更高的 频谱利用率。 为了更有效的提高系统吞吐量，仅利用更多的频谱资源是不够的，也是不切实际的，因此人们 想到利用无线信号的空间资源，也就是利用多天线发送和接收信号。另一方面，无线传输环境中的 散射、反射和衍射造成的多径衰落是造成无线通信系统性能恶化的一个主要因素分集作为对抗衰 落的一种有效技术长期以来一直受到人们的关注。常用的分集技术有时间分集频率分集空间 分集等其中，空间分集技术由于不需要占用额外的传输时间、带宽而受到人们的青睐。多输入多 输出( m i m o ：m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 通信技术能够使信道容量相对发射或接收天线数渐进 的以线性速率渐进的增长，因此可以极大地提高系统容量和频谱利用率从而满足高传输速率、高 传输性能和高系统容量的要求，同时可以充分利用空间分集提高通信系统性能。 多用户o f d m a 系统利用了o f d m 系统的多点接入特性。多用户o f d m a 系统允许k 个用户 分享一个o f d m 符号。现有两种资源( 子载波、功率等) 分配方案：固定的资源分配和动态的资源 分配。固定资源分配方案。如时分多址( t d m a ：t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c 4 s s ) 、频分多址( f d m a ： f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) ，都是固定一个独立的维( 时隙或者子信道) 给某个用户很明 显，固定资源分配方法不是最优的，因为它没有考虑当时的用户信道状态信息。另一方面，动态资 源分配方案将某一维资源自适应地分配给信道状态较好的用户。由于无线信道的时变特性，动态资 源分配可以充分利用多用户分集获得更高的容量。 倘若未来4 g 通信系统单纯的建立在传统蜂窝系统结构之上，将会遇到很大的技术难题首先， 4 g 系统要求的数据传输速率远高于3 g 系统。其次，4 0 系统采用的频段将远高于3 g 系统的2 g h z 频段，而在高频段上传输的无线信号将遭受严重的衰减。 我们可以采用干扰消除算法，或者采用智能天线技术、m i m o 技术等，更有效的发送和接收信 号然而，这些技术只能在一定程度上解决问题，因为即使是智能天线，在具有严重阴影衰落的情 况下也不能有效的工作此外，要在移动用户终端上采用复杂的多天线技术也是不切实际的 1 东南大学硕士学位论文 另外，要在接收端获得更高的信干噪比( s i n r ：s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o ) ，可以缩 短基站( b s ：b a s es t a t i o n ) 与用户( m s ：m o b i l es t a t i o n ) 之间的距离，如采用微蜂窝( m i c r o - c e l l ) 结构。但这样就缩小了基站的覆盖范围，需要建设更多的基站以提供相同的覆盖面积。 以上这些都不是解决问题的最优策略。在蜂窝网络中加入中继站，被认为可以在不明显改变骨 干网络结构的同时显著提高网络传输性能，解决或部分解决蜂窝网存在的问题。所谓中继( r s ：r e l a y s t a t i o n ) ，是蜂窝网络中引入的一个新的元素，是基站与用户之间传输数据的中间媒介。 研究表明，基于中继的无线通信网络结构可以有效的降低由于路径损耗所造成的功率资源浪费， 提高频谱利用率，并可以利用自组织a dh o c 网的多跳连通思想提高网络的抗毁性能。由于中继在 功能上比基站简单很多，因此该方案建设费用较低。采用中继，可以增加接收信号的强度和稳定性， 对于小区边缘用户尤其显著，从而可提高系统总吞吐量、覆盖面积、用户q o s 等。 1 1o f d m 技术概述 1 1 1o f d m 的发展历程 o f d m 技术最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期，但是直到1 9 6 6 年c h a n g 等人1 2 1 才在首次阐明了 我们现在称之为o f d m 的技术，他提出一种在线性带限信道上同时传输多路信号的方法。可以同时 避免信道间干扰( i c i ：i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 和符号间干扰( i s i ：i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。由 c h a n g 提出的多信道传输系统与传统多载波传输技术的区别在于子载波的频谱可以相互重叠，其条 件是它们必须是正交的 1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t p l 将离散傅立叶变换( d f t ：d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 应用于o f d m 系统盼调制与解调，而d f t 可由快速傅立叶变换( f f t f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 高效地实现这样 系统就无需用一组振荡器来产生多个子载波，而是通过基带处理实现频分复用，从而大大地降低了 调制解调的复杂度为了消除线性时不变信道的i c i 和i s i ，他们提出通过插入一段空白区作为保护 间隔来消除o f d m 块间干扰，但是这并不能保证信号经过弥散信道后各子载波仍保持正交性 在o f d m 的发展过程中，另一个重要贡献应归功于p e l e d 和r m z l 4 l 。他们在1 9 8 0 年提出了循 环前缀( c p ：c y c l i c p r e f l x ) 的概念，用于保持子载波的正交性。与通常在符号问插入空白保护间隔 的做法不同，他们提出在发射端作i f f t 之后将o f d m 符号的后一段样点值复制到该符号的前面作 为循环前缀，从而使得信道与传送符号之间的线性卷积等效为循环卷积，在接收端作f f t 之前先合 弃循环前缀中的各样点。于是，当c p 长度大于信道的最大时延扩展时，可以消除前一个o f d m 块 的延迟分量对后一个o f d m 块所造成的干扰。当然o f d m 系统中加入循环前缀，会带来发射功率 和传输速率的损失，因此在实际系统中可以根据信道特性选择c p 的长度。 1 1 2o f d m 系统的优缺点 o f d m 技术有以下优点呸 把高速率数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而有效 地减少由于无线信道的时间弥散所带来的i s i 。减小了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用 均衡器，而仅仅通过采用插入循环前缀的方法消除i s i 的不利影响 传统的频分多路传输方法是将频带分为若干个不相交的子频带来并行传输数据流，各个子信 2 苎! 皇堕笙 道之间要保留足够的保护频带。而o f d m 系统由于各个子载波之闻存在正交性，允许子信道的频谱 相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，0 f d m 系统可以最大限度地利用频谱资源。 各个子信道的正交调制和解调可以通过采用离散傅立叶反变换( i d f t ：i m v e t s ed i s c r e t e f o u r i e r t r a n s f o r m ) 和离散傅立叶变换( d f t ) 的方法来实现，在子载波数很大的系统中可以通过 采用快速傅立叶变换( f f t ) 来实现而随着大规模集成电路技术与d s p 技术的发展，快速傅立叶 反变换( 职f t i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 与f f t 都是非常容易实现的。 无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中的数据传输量要大于上行链路中的数据传输 量，这就要求物理层支持非对称高速率数据传输，o f d m 系统可以通过使用不同数量的子信道来实 现上行和下行链路中不同的传输速率 o f d m 易于和其它多种接入方法结合使用，构成o f d m a 系统，其中包括多载波码分多址 m c - c d m a t 5 】，跳频o f d m 以及o f d m - t d m a 等等，使得多个用户可以同时利用o f d m 技术进行 信息的传输。 但是o f d m 系统由于存在多个正交的子载波，而且其传输信号是多个子信道的叠加，因此与单 载波系统相比，存在如下缺点【i 】= 易受频率偏差的影响。由于孑信道的频谱相互重叠，这就对它们之间的正交性提出了严格的 要求。由于无线信道的时变性，在传输过程中出现的无线信号频率偏移或发射机与接收机本地振荡 器之间存在的频率偏差，都会使o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致子信道问干扰( i c l ) ， 这种对频率偏差的敏感性是o f d m 系统的主要缺点之一 存在较高的峰值平均功率比。多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信 号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，导致较大的峰值平 均功率比( p a ir ：p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 。这就对发射机内放大器的线性度提出了很高的要求， 因此可能带来信号畸变，使信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏，产生 干扰，使系统的性能恶化 1 1 3o f d m 的应用现状 目前。o f d m 技术已被众多无线传输标准采纳，例如数字音频广播( d b a ：d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t i n g ) ，数字视频广播( d v b ：d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) ，无线局域网( w l a n ：w i r e l e s s l o c a l a r e an e t w o r k ) i e e e s 0 2 1 1 a g 和h i p e r l a n 2 ，无线城域网( w m a n ：w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k ) i e e e 8 0 2 1 6 标准等此外，o f d m 也是未来移动通信系统的关键技术可以预见，o f d m 技术具有广阔的发展前景 1 2 移动传播环境 1 2 1 多径衰落信道 对无线信道的物理特性进行数学描述嘲是进行可靠通信技术设计的出发点多径效应是无线电 信号在山峦、建筑物以及其它物体上产生反射从而在不同路径上传播的结果多径效应产生的多径 衰落信道具有时交特性，这导致信号在时域上的衰落。 3 东南大学硕士学位论文 对于多径信道将时变信道的冲激响应定义为 ( f ，f ) ，这是信道在f 时刻对f f 时刻的激励的 响应。因为信道的时变特性无法预测，因此将时变的多径信道以统计的形式描述。最常见的衰落信 道的统计模型是瑞利( r a y l e i g h ) 衰落信道模型，这一模型将信道响应 ( f ，f ) 建模为一个复随机变 量，其实部和虚部都是零均值、统计独立的高斯随机变量，方差为z 。信道在任意时刻f 的幅度 r = l h ( t ，r ) 艮从l 姆l e i g l l 分布： p ( ，一) 2 考p 卅磁m o ( 1 2 - 1 ) h ( t ，f ) 的自相关函数为： 吮( 址；q ，乃) = 圭e 矿( f ，) 厅( f + 她乃) ) ( 1 2 - 2 ) 式中，a t 为观测时间差。 由于一般情况下无线通信信道不同路径的冲激响应是相互独立的，若令a t = 0 ，则有 唬( q ，乃) = 圭e 矿( f ，q ) 办( f ，乃) ) ( 1 2 3 ) 实际上矽( f ) 是信道的平均输出能量对于延时f 的函数。不同的路径有着不同的延时和不同的平均 能量。将 九( f ) = 三e 沙( f ，r ) 办( f ，f ) ) ( 1 2 哪 定义为信道的多径能量剖面( m u l t i - p a t h i n t e n s i t y p r o f i l e ) 。九( f ) 非零时f 的取值范围为信道的多径 延时扩展( m u r i p a t hs p r e a d ) ，其中最大的延时乙被定义为信道的延时扩展( d e l a ys p r e a d ) 。即， 当f 乙时，唬( f ) o 。 信道的相干带宽( ) 。( c o h e r e n c eb a n d w i d t h ) 定义为信号通过信道时其中经历独立衰落的两 个频率分量的频率间隔。这一参数的定义与信道的时延扩展相对偶： ( 鲈) 。= 丢 ( 1 2 - 5 ) 如果信号带宽矿小于信道的相干带宽( 鲈) 。，即形( ) 。，则可近似认为信号的所有频率分 量都受到相同的衰减，称满足这一条件的信道为平坦衰落信道川。也就是说，对于信号带宽中的所 有频率分量，信道的传输函数在频域上是不变的。在这种情况下无法辨别接收信号中的多径分量， 信道于是呈现为一个单一的衰落路径。因此，在平坦衰落信道中，接收信号可以简单地表达为发送 信号与信道增益h 的乘积。其中h 是一个零均值的复高斯随机过程。对于单天线系统，平坦衰落可 以简单地建模为： 4 第1 章绪论 ) ，= g + n( 1 2 - 6 ) 其中x 和y 分别是发送和接收信号，拧是接收端的加性噪声，通常被假设为服从高斯分布并且统计 独立于x 如果信号的带宽大于信道的相干带宽，即矽 ( ) 。，则这一信道被称为频率选择性衰落信道 f f l 在这种情况下接收机能够从接收信号中分辨出各径信号分量因此，频率选择性信道能够利 用时变的延迟线模型表示。频率选择性衰落信道会导致符号间干扰( i s i ) ，导致系统检测性能变差 为解决这一问题，可以使用时域均衡或者正交频分复用( o f d m ) 等技术进行处理。 无线信道的分集技术能够利用多径信号分量提高系统的可靠性如果信道处于多径信号中的负 分量导致的深衰落，那么较大的信道衰减可能导致检测出错。然而，如果接收机的接收信号是通过 工个独立衰落信道的分量叠加，那么所有信号同时遭受深衰落的概率就小了很多例如，如果任何 一个信号衰减到某个门限值以下的概率为p ，那么来自所有工个信道的信号副本( r e p l i c a ) 都衰减 到这个门限值以下的概率为p 工在无线通信系统中，有多种分集接收技术可以为接收机提供这 个同一信号的副本可以使用的分集技术包括时间分集、频率分集和空间分集等 时间分集，是指将同一个信号在个不同时间上发送多个副本以获得分集。这一连续发送的时 间应该足够长，以使它们的信道是相互独立的。常见的时间分集的例子包括将编码的符号在一个相 当长的时间块上做交织嘲( i n t e r l e a v e ) 频率分集，是指将同一个信号在不同的频带上发送多个副本以获得分集。如果信号的带宽达到 信道相干带宽，则可以产生独立的频域信道例如扩频调制( s p r e a ds p e c t r u mm o d u l a t i o n ) 就利用 了频率分集。实际上。在频率选择性衰落信道上，接收机可以获得瓦形叫( 缈) 。个可分辨的信 号分量。通过利用o f d m 或者时域均衡技术，可以获得的频率分集度为乙形叫( 鲈) 。 空间分集，是指通过多天线发射或者接收相同的信号以获得分集。这些天线应当相距足够远， 以产生相互独立的衰落信道为获得空间分集，需要在发射端或，和接收端应用多天线。由多天线提 供的独立空域信道可以发送独立的数据流，以提高数据发送速率。这种技术就是空间复用( s p a t i a l m u l t i p l e x i n g ) 1 2 2 传播模型 无线通信环境中，无线信道是随机变化的，因此需要从统计的角度进行分析首先，接收信号 功率与发射端和接收端之间的传输距离成反比。此外，还同时存在着大尺度衰落( l a r g e - s c a l e v a r i a t i o n ) 和小尺度衰落( s m a l l - s c a l ev a r i a t i o n ) ，即对数阴影衰落( l o g n o r m a ls h a d o w i n g ) 和多径 衰落( m u l t i - p a t h f a d i n g ) 。考虑以上因素，接收功率可以表示为： p = e 鲁五】，0 2 7 ) 式中 只发射功率： 5 东南大学硕士学位论文 式中 c 接收功率； q 发射天线功率： g r 接收天线功率( 本文中q = g r = 1 ) ； p l 路径损耗，由式( 1 2 - 8 ) 表示： 以服从零均值、标准差为仃的对数正态分布的阴影衰落； 】，均值为1 的瑞利信道，由式( 1 2 - 9 ) 表示 儿= ( 华) 2 ( 爿 式中 磊参照距离，设为1 0 m ： z 载波频率； c 咣速； d 发射端与接收端之间的距离； ，为路径损耗指数 】，：篓2 = 垒2 2 五，五一服从均值为零、单位方差的高斯随机变量，e ( 】，) = l 。 1 3中继增强型蜂窝系统概述 1 3 1 中继类型、应用场景介绍 ( l 2 8 ) ( 1 2 - 9 ) 根据信号处理方式的不同，中继的工作模式主要分为：放大转发中继模式( a f ： a m p l i f y - a n d - f o r w a r d ) 、解码转发中继模式 g l l l o 】( d f ：d e c o d e a n d - f o r w a r d ) 和编码协作模式1 1 1 】【1 2 1 ( c c ： c o d e dc o o p e r a t i o n ) 。放大转发中继又称为非再生中继( n o n - r e g e n e r a t i v e ) ，中继只是简单地放大和 转发收到的信号，在放大转发的过程中将接收信号的噪声部分也放大并转发出去了。解码转发中继 又称为再生中继( r e g e n e r a t i v e ) ，中继将接收到的信号进行解码，然后重新编码转发给目标站因 此不会对噪声进行放大和转发。 中继技术应用广泛，以下对中继的主要应用场景【1 3 1 进行介绍： 郊区场景( r u r a la r e a ) 在该场景下。利用中继低廉的建设成本来扩大覆盖。达到信号的全方位覆盖。 城市热点地区( u r b a nh o ts p o t ) 6 苎! 童堕丝 在该场景下，需要为热点地区提供更好的信号覆盖质量、为用户提供更高的数据传输速率，同 时要提高频谱利用率，可以采用固定中继或游牧式的中继。应用自组织网络( s o n ：s e l f o r g a n i z i n g n e t w o r k ) 技术可以降低建设成本。 死区( d e a d s p o t ) 由于高楼或山峦的阻挡，部分地区没有信号覆盖。采用中继技术可以补充基站的覆盖范围， 为原来位于死区的用户提供通信服务。 室内热点地区( i n d o o rh o ts p o t ) 在该场景下，信号将受到严重的阴影衰落和穿透损耗( p e n e t r a t i o nl o s s ) 热点地区的通信量在 短时间内会急剧增加。利用中继可以克服这些不利因素，为室内用户提供较高的数据传输速率，并 提高频谱利用率 高速铁路等有群移动用户的场景( g r o u pm o b i l i t y ) 在该场景下，存在着大量高速移动的用户在高速移动的车厢上安装中继，使得用户到中继接 入点之间是相对静止的。从而减少了用户由于高速移动而产生的频繁切换( i - l a n d o v e r ) 问题。 紧急情况或灾害场景下的应用( e m e r g e n c yo rt e m p o r a r yn e t w o r kd e p l o y m e n t ) 中继可以增强蜂窝系统的抗毁性能。当由于突发的灾害如地震、暴风雪等，基站损毁的情况 下，用户可以通过中继的多跳性接入邻近的基站，保持通信的畅通。 无线回程传输( w i r e l e s sb a c k h a u l i n g ) 1 3 2 无线网络中的动态资源管理研究 未来无线移动通信系统的主要目标是在更快的数据速率和更高的频谱利用率的情况下支持更加 可靠的传输。如何在无线资源有限、信道条件比较苛刻的情况下获得更高的频谱效率，以支持更高 的数据速率并为各类不同业务类型的用户提供更好的服务质量( q o s ：q u a l 姆o f s e r v i c e ) ，是研究和 开发未来无线通信系统所面临的重大课题【州。以动态资源分配为代表的无线资源管理技术，根据信 道状态和干扰情况优化分配无线资源，并自适应地调整发送方案来适应信道及干扰的特性，这不仅 可以获得更高的频谱效率，而且可以更好地满足不同用户的服务质量要求。已经被认定为最具优势 的技术之一。同时，中继技术与o f d m a 技术的结合是今后通信技术的研究热点，并具有广泛的应 用前景 中继增强型蜂窝系统的基本问题是如何联合进行资源分配和路由策略，使得系统性能最大化， 如系统吞吐量、覆盖面积及q o s 等一些文献【”】“6 l 已经提出了几种路由算法，如基于距离的路由选 择算法、基于路径损耗的路由选择算法以及基于s i n r 的路由选择算法等。由于两跳中继可以获得 中继策略的大部分性能增益【1 7 】，因此，将中继增强型蜂窝系统的跳数限制为两跳是一个不错的选择， 可以显著简化设计复杂度同时减小传输时延。 资源分配策略与物理层的设计有关，如双工模式，是时分双工( t d d ：t u n ed i v i s i o nd u p l e x h l g ) 还是频分双工( f d d ：f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x i n g ) ，以及物理层的帧结构设计等。由于中继增强型 蜂窝系统的两跳性质，相应的帧结构分为两个子时隙，发射端和接收端通过两个子时隙实现通信 7 东南大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作 论文主要研究了中继增强型蜂窝系统的动态资源分配问题，对各种资源分配策略的性能进行了 仿真和分析并与传统蜂窝系统的分配方案进行比较。主要工作如下： 第2 章研究了中继增强型蜂窝系统频谱复用分割策略。分别研究了多小区间的频谱复用分割策 略、单小区内的频谱复用分割策略，以及频谱分配与路由选择相结合的策略。 第3 章研究了中继增强型蜂窝系统的路由选择策略。分别研究了基于距离、路径损耗、接收$ i n r 的路由选择策略，并研究了多径分集问题、最优路径阻塞( o r b ：o p t i m a l - r o u t e - b l o c k a g e ) 问题， 以及路径损耗对系统性能的影响。 第4 章研究了自适应资源分配算法。分别研究了简单两跳中继系统功率分配策略及其在t d m a 中继增强型蜂窝系统中的应用、简单两跳o f d m 中继系统“子载波对”的选择和功率分配策略， o f d m a t d d 中继增强型蜂窝系统功率分配与子载波分配算法，并对中继系统的帧结构、资源分配 算法的迭代次数等问题进行了一些研究分析；提出了一种改进的中继增强型蜂窝系统时频资源块分 配算法，该方案引入因子口，并设计合理的目标函数，对系统吞吐量、用户公平性、中断概率进行 了折中考虑 论文通过详细的理论分析、系统模型示意图、资源分配算法示意图、大量m a t l a b 仿真结果 等，对中继增强型蜂窝系统资源分配相关策略、算法进行了较深入的分析和说明 8 第2 章中继增强型蜂窝系统的频谱复用分割策略 为了满足下一代无线网络的迫切需要，如高速率的数据传输以及无所不在的信号覆盖中继增 强型蜂窝网络作为一种很有前途的解决方案被提了出来【1 8 1 然而，由于中继到基站的链路需要占用 额外的无线资源，无线资源管理变得更加复杂和重要。一些灵巧的频谱分配方案被提出，如中继链 路借用相邻小区频谱i l 列( t h ec h a n n e l - b o r r o w i n gs c h e m e ) ，可以增加小区的高速率用户的覆盖范围； 侧重于覆盖面积的频谱分配方案【1 9 1 ( t h ec o v e r a g e - o r i e n t e ds c h e m e ) 有较大的频谱复用空间距离 从而能够提供更好的链路质量，其重点在于解决覆盖问题；侧重于频谱效率的频谱分配方案【i 观( t h e e f f i c i e n c y - o r i e n t e ds c h e m e ) 的频谱复用距离较短，从而有更高的频谱利用率，其重点在于解决频谱 效率问题；小区内的频谱复用与分割【2 0 1 可以进一步提高频谱利用率；文献【2 l 】分析了在不同频谱复 用模式下的系统性能；文献【2 2 1 2 3 1 提出了频谱分配和路由选择相结合的策略以提高系统容量；文献 【：冽研究了中继增强型蜂窝系统频谱分配策略、中继位置的选择；文献【2 5 】分别对路由选择、频谱复 用模式、帧结构进行了分析 2 1 蜂窝小区模型 中继增强型蜂窝小区示意图如图2 1 1 ，每个六边形蜂窝小区中央有一个基站( b s ：b a s es t a t i o n ) ， 六个固定中继( f r s f r n f i x e dr e i a ys t a t i o n n o d e ) 分别位于基站与六边形各顶点的连线上。假设小区 半径，即基站到各项点的距离为尺；中继位于距离基站2 3 r 处基站与中继之间为视距传输( l o s ： l i n e - o f - s i g h t ) ，基站与移动用户、中继与移动用户之间为非视距传输( n l o s ：n o n - l i n e - o f - s i g h t ) 。 在一个增强型小区内移动用户在某个路由选择策略下。可以通过一跳链路与基站直接进行通 信，或者通过中继与基站进行两跳通信关于路由选择策略，在第3 章将有详细的叙述。为简化问 题、方便讨论，本章皆采用基于距离的路由策略。假设某一移动用户与基站间的距离为如与距离 最近的中继的距离为西。基于距离的路由策略为：用户仅当d s d f 时，通过中继与基站进行两跳通 信。 假设系统总可用带宽为蜀雌，每个小区分配到的带宽为风出( 占0 - 鼠瞳) ，风棚将被迸一步分割 成等带宽的正交子信道。 图2 1 - l 中，l i n r b m 表示基站与移动用户之间的直接链路；l i n k b f 表示基站与中继之间的传输 链路；l i n k m 表示移动用户与其对应中继之间的传输链路( 假设一个用户至多有一个中继为其服务) 同一个小区内的不同链路不共享频谱资源，也就是说，一个小区内不存在链路间干扰( i n t e r - l i n k i n t e r f e r e n c e ) 和小区内干扰( i n t r a - c e l li n t e r f e r e n c e ) 。 9 东南大学硕士学位论文 a 图2 1 1 中继增强型蜂窝系统单小区系统模型 2 2 多小区间的频谱复用分割策略 2 2 1 几种简单的频谱复用分割策略 以下介绍几种简单的频谱复用分割策略系统方案： 侧重于覆盖面积的频谱分配方案1 1 9 1 在这种频谱分配策略下，如图2 2 1 所示，每相邻三个小区为一个群( c l u s t e r ) ；每群的可用带 宽为鼠瞳，鼠瞳被分为2 7 组；每个小区中，基站和六个中继各被分配一组信道，用以与移动用户的 通信。基站与六个中继之间的链路各被分配一组信道；2 7 组信道中。7 、8 、9 组分别用于小区a 、 小区b 、小区c 中基站与移动用户的直接通信，1 0 1 5 组、1 6 2 1 组i2 2 2 7 组分别用于各小区 中继与移动用户之间的通信，1 6 组信道被小区a 、小区b 、小区c 中六条l i n k b f 链路复用。 图2 2 1 侧重