（信号与信息处理专业论文）下一代无线通信中多跳蜂窝关键技术研究.pdf

北京邮电人学搏一i j 学位论文摘要 摘要 随着无线移动通信和互联网络的发展，多种不同的多媒体业务需求在不断提 出，而且要求的数据速率及不同的灵活性要求也有很多的不同。从而，在下一代 无线通信系统中，在有限的无线资源下，要求系统能够容纳的用户数更多，为单 个用户提供的容量更大，同时系统总的容量也更大，并且可以灵活地为不同用户 的服务质量要求灵活地提供对应的服务水平。因此，下一代无线通信中，许多关 键技术将被引入到系统当中，而且网络拓扑也会发生一定的变化，而多跳蜂窝网 络在这两方面都将起到相当重要的作用。它将蜂窝网和自组网进行一定程度的组 合，从而同时具备两个系统的优点和排除掉两个系统的缺点，在系统容量、网络 能够容纳的用户数、移动台平均发射功率、移动台公平性或小区边缘用户性能提 高方面都可以起到较好的增强作用。 目前业界关于多跳蜂窝网的研究有很多是建立在分层多跳的基础上的，然而 这些研究中很少涉及分层后存在的除时延外的其他问题。论文对分层多跳蜂窝网 中存在的时延、公平性、小区中继服务能力等重要问题都进行了理论分析。根据 对这些问题进行分析，得到结论均匀分层并不是多跳蜂窝网络理想的分层方式。 然后主要根据用户公平性和小区中继服务能力两个方面的问题对分层方式进行 了分析计算。在此基础上得到了能够同时解决这两个问题的次优解决方案。这些 方案对于移动台的要求更切合实际，在保证系统增益的同时，具有良好的实用性。 以移动台作为中继是多跳蜂窝网络的一种方式，目f j 学者们主要关注的是两 跳的系统。但关于小区内移动台能够提供的中继能力和公平性问题很少给出分 析，而这些问题是形成稳定网络结构和实现系统性能提高必须要考虑的问题。论 文对这两个问题进行了分析和仿真。得到了不同拓扑下保证小区中继服务能力时 的小区容量，根据对结果的分析给出了容量增强方案及最佳网络配置。论文还通 过仿真对多跳对各种干扰的影响进行了分析，为实际系统中中继的选择提供了相 关的依据。此外，论文对非公平情况下小区容量进行了仿真，得出结论这种两跳 蜂窝网络在不同的参数组合下对小区容量的增益大小，而这为评定移动台为中继 的两跳蜂窝系统提供了依据。 以固定站点为中继的多跳蜂窝网络是另外一种多跳蜂窝网拓扑形式，目f j f 也 是学者们关注的方向。在协作多点在近两年也成为人们关注的课题情况下，论文 将协作多点技术引入到固定中继两跳蜂窝系统中，对其中存在的问题进行了分 析，并通过仿真给出了这种协作多点两条中继蜂窝系统在不同的网络拓扑下小区 容量、能够容纳的用户数、移动台平均发射功率等方面能够提供的系统性能。经 北京邮电人学博一l ：学位论文 摘要 过分析，这几个方面的性能都得到了较好的提高，证明了协作多点固定中继两跳 蜂窝系统在无线传输中具有很好的前途。 在下一代无线通信系统中，各个方面系统性能都要求有较大的提高，尤其是 系统频谱效率和小区边缘频谱效率是两个重要的方面。论文通过对现有网络中理 论频谱效率和实际系统中的频谱效率进行分析，并在此基础上对无线系统中影响 无线资源使用效率的多个因素进行了说明。此外，论文对多跳蜂窝网如何将这些 问题解决也进行了分析和说明。然后，论文根据下一代无线通信的主要需求，说 明了多跳蜂窝网的可行性和潜在趋势。 论文的研究结果表明，多跳蜂窝网络在一定程度上解决了传统网络中存在的 一些问题，在下一代无线通信系统中的前景很好。 关键词：下一代移动通信系统多跳蜂窝网分层机制公平性分层小区中继服 务能力移动中继固定中继协作多点固定中继 i i 北京邮电大学博十学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t hm ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o na l l di i l t e m e t ，m a n yd i f f e r e n t t ) ，p eo fm u l t i m e d i at r a m c a r e p r o p o s e da n dg e n e r a t e di nr e a ls y s t e n l b u tf o rd i f f e r e n tt y p e o fm u l t i m e d i a ，d i f 传r e md a t ar a t ea n df l e x i b i l i t ) ，a r er e q u i r e d s o ，m en e x tw i r e l e s s c o m m l l n j c a t i o ns y s t e m ，w i m1 i m i t e dw i r e l e s sr c s o u r c e ，s h o u l dp r o v i d et l l ea b i l i t yt os e r v e m u c hm o r eu s e r si ni t sc o v e r a g e ，m u c hm o r ec a p a c i t yf o rs i n 舀eu s e r ，m u c hm o r et o t a l s y s t e mc a p a c i t y ，肌dt h ea b i l i t yt 0s e ea l lt h e s eu s e r si n d i f f 酹e 1 1 tq o sr e q u i r e m e i l t f l e x i b l y f o rt h i s ，m a n yk e ne n h a l l c e dt e d m 0 1 0 9 y w i l lb ei n 仃o d u c e di n t o 廿l en e x tw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，a i l dt l l e n e t 、) l ，o r kt o p 0 1 0 9 ) rm a yb ec h a i l g e dp r o b a b l y m “t i p l e - h o p c e l l u l a rn e 帆o r k sc o u l de i 】h 锄c ei nb o 廿lt 1 1 e s ea s p e c t s m u l t i p l e - h o pc e l l u l a rn e t w o r k s c o m b i n em ea d v a n t a g e so f b o mc e l l u l a rn e t 、7 l r o r k sa n da dh o cn e m o r k sa n de x c l u d et l l e i r d i s a d v a i l t a g e s ，w h i c hm a l ( e st h a ti tw i l lp r o v i d em u c he i l l l a i l c 锄e n to ns y s t e mc 叩a c i t y ， t o t a li n c l u d eu s e rn 瑚3 b e ri nm en e t w o r k ，a v c r a g es e n d i n gp o w e ro ft h em o b i l et e h n i n a l s ， f a i m e s so ft h et e n l l i n a j so rm ee i l l l a n c e m to nt l l er e q u i r e m e i l to ft h ec e l le d g et 踟：i l i n a l s c 1 m e n t l ym a l l yr e s e a r c h e r sm a l ( et h e i r f o c u so nm es t u d yb a s e do nl a y e r e d m u l t i p l e - h o p ，b u tt h e yd on o tp r o v i d em u c hs t l l d yo nm ep r o b l e i t lb y1 a y e re x c 印tm e d e l a y i i lt l l i sp 印e r ，d e l a y ，f a i m e s s 觚dm ec e ur e l a yc a p a b i l i t yi nl a y e r e dm u l t i p l e - h o p c e l l u l a rn e t 、) l ，o r k sa r ea n a l y z e d t h ec o n c l u s i o ns h o w st h a ta v e m g e dl a y e ri sn o tag o o d l a y e r i n gm e m o d t h e nt h ef a i m e s sa n dt h ec e nr e l a yc 印a b i l i t ya r es t u d i e dt op r o v i d e s o m eh y p o i d e a ls o l u t i o n s ，w l l i c hw i l la l s op m v i d ee r 山a n c e ds y s t e mp e r f 0 如响n c ea n da l s o i tc o u l db eu t i l i z e di nr e a l i t yv e 巧w e l l s o m em u l t i p l e h o pc e l l u l a rn e t w o r k su t i l i z em o b i l et e n ：i l i n a l s 硒r e l a y ，w m c hi sa m a i n 矗e l df o rm a n yr e s e a r c h e r s ，a i l dt l l em o s tr e s e 疵h e sa r eo n 栅o - h o ps y s t e m h o w e v e r t h ef a i m e s s 锄dm ec e l lr e l a yc 印a b i l 时a r er a r e l y 锄a l y z e d ，w h i c hw i l li n t r o d u c et h e p r o b l e h lo fn e t w o r k si n - s t a _ b l ea i l dl i m i t a t i o no ft h es y s t e mp e r f o m a n c ee n h a n c e n l e n t i n t h i ss t u d y ，m e s ea s p e c t sa r ec o n s i d e r e da n ds i m u l a t e d d i f f e r e n ts i m u l a t i o n sa r ed o n ef o r t h ec e l lc a p a c i t yi nd i f f e r e n tt o p o l o g yc o n s i d 耐n ge n o u 曲r e l a ys h o u l db ep r o v i d e d t h e s t l l d yf i n a l l y 百v e sm ec a p a c i t ye n h a n c e m e n ts 0 1 u t i o na i l dt h e i rp a r a m e t e r sc o n f i g u r a t i o n w i t ht h ec o n s i d e r a t i o no nt h e s et w oa s p e c t s t h es t u d ya l s op r o v i d e st h ei m p a c to f m u l t i p l e - h o po nd i f 诧r e n ti n t e r f i e r e n c e ，w h i c hw i l lp r o v i d es o m eb a s e m e n tf o rm er e l a y s e l e c t i o n i l la d d i t i o n ，t h es t u d ys i m u l a t e dm ec e l lc a p a c i t yw i t hd i f f e r e n tf a i m e s s ，w h i c h 舀v e st h eg a i no fc e l lc a p a c i t yi nd i 行酹e n tp a r 锄e t e rc o n f i g u r a t i o ni nt w o h o pc e l l u l a r n e m o r k s f 。1 x e dn o d e sa c t 勰r e l a yi ns o m eo t h e r m u l t i p l e - h o pc e l l u l a rn e t w o r k s ，w h i c hi sa l s oa s t u d yf i e l dc u r r e n t l y w h e i lc o o r d i n a t e dm u l t i p l e - h o pi sm o r e 锄dm o r ef o c l l s e db v r e s e a r c h e r s ，t h i ss t u d yi n t r o d u c e si ti n t om u l t i p l e - h o pc e l l u l a rn e t w o r k s t h ep r o b l e m si n t h i ss y s t e ma r ea 1 1 a l y z e d ，a n dt h es i m u l a t i o n sa r ed o n et os h o wt h eg a i no ft h i ss y s t e m o n c e j lc a p a c l t y ，c 0 v 凹酣u s e rn u m b e ri no n e c e l la n da v e r a g e ds e n d i n gp o w e ro ft h em o b i l e t e 姗i n a l s t h ec o n c l u s i o ni s 酊lt h e s ea s p e c t sa r ce f 血a n c e d ，a l s o 百v et h ee v i d e n c et ot h a t t h ec o o r d i n a t e d m u l t i p l e h o pw i l lb eag o o de n h a n c e m e n tm e t h o d 1 nn e x tg e n e r a t l o nw l r e l e s sc o r i l i i l u l l i c a t i o ns y s t e m ，m a i l ys y s t e mr e q u i 瞅n e n t ss h o u l d b ee n h a n c e d ，e s p e c i a l l ym ea v e r a g e ds p e c n m me 佑c i e l l c ya n d 吐l ec e he d g es p e c t n i m e m c i e n c y t h i ss t u d ya n a l y z e dt h et h e o r e t i c a lv a l u e sa 1 1 dt h ev a l u e si i lr e a ls v s t 锄o f t n e s et 、) i r oa s p e c t sa n dt h e ng a v et h e r e a s o n s 、他yt h ep e r f o n l l a l l c ec o u l db ee n h a n c e da t l d w h ym u l t i p l e - h o pc e l l u l a rn e 觚o r k sc o u l d e s 0 1 v et h ep m b l 锄s a d d i t i o n a l ，i ti sa i l a l v z e d t h a tm u l t i p l e h o pc e l l u l a rn e t w o t i ( sw i l lb ev e 巧f c a s i b l ea n d p r o m i s i n gt os a t i s 句s o m e m a i n q u i r e 芏1 1 e n t so fn e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o 删m l n i c a t i o ns v s t e m 1 1 1b 订e t h ew h o l es t u d yi nt h i sp 印e rs h o wm ee v i d e n c et h a tm u l t i p l e _ h o pc e l l u l a r n e t 、) l ，o r k sw i l lr e s 0 1 v em a n yp r o b l e m si n c o n v e n t i o n a lw i r e l e s ss y s t e m sa n dw i l lb e p r o m i s i n gi nn e x tg e l l e r a t i o nw i r e l e s sc o 舢【i l u n i c a t i o ns y s t e m s k e yw o r d s ： n e x t g e i l e r a t i o nw i r e l e s sc o i c a t i o ns y s t e i i l s ，n m l t i p l e - h o pc e l l u l a r n e t 、) l ，o r k s ，l a y e rm e m o d ，f a i rl a y e r ，c e l lr e l a yc a p a b i l i t y ，m o b i l e r e l a y ，f i x e dr e l a y ， c 0 0 r d i n a t e dm u l t i p l e h o pf i x e dr e l a y 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所譬交的论文是本人在导师指导下进行的研究1 ：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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证。持而使用过的材 料。与我一同二l ：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。 申请学位论文与资料羞有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：盈髫蕴日期：丝! 呈：! 工 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权。 5 。非保密论文注释：本 学位论文不属 本人签名 导师签名 书。 日期：型兰堕 醐：象笆弓 北京邮电人学博十学位论文第一章绪论 1 1 无线结构 第一章绪论 “开放无线结构 研究已经成为全球的4 g ( 第四代移动通信) 研究重点。 移动通信自2 0 多年前应用以来一直束缚于单结构封闭系统，也就是说，整个手 机和基站系统没有一处是开放的。从2 0 0 0 年来，发达国家开始意识到这些问题，致 力研究开放无线结构，希望定义开放接口标准。 完全开放的无线结构，旨在做成一个标准，为不同的无线技术提供接口，这样 就任何技术都可以在这个结构下无阻碍运行。 为推动“开放无线结构”研发而发起的“2 0 2 0 专项研发计划”( m i s s i o n2 0 2 0r d p l a l l ) ，已经受到多国政府，工业界，学术界和投资界的大力支持，预计研发投资总 额将超过1 5 亿美元。 “开放无线结构 平台能使来自不同厂商的手机部件和不同无线通信系统综合 成共同的开放无线平台。而这在将来的网络融合中定会起到非常大的作用，有着深 远的意义。 1 2 未来移动通信发展趋势 对于传统的蜂窝网，虽然在一个较大的范围内能保证移动终端的接入，但系统 容量以及为单个用户提供的有效流量却是比较有限的，在现在的视频传输和手机上 网不断发展的情况下尤其成为了网络的瓶颈，另一方面为保证同时在区域上和流量 上覆盖所有的移动用户，复杂的网络规划是必不可少的，当然优化又是另一个问题。 而对于一般的自组网来说，它是一种适用于小范围内的不需要基站就可以让小数量 的对等移动终端通过互为中继的方式来建立彼此之间的通信，并且这种通信的最高 数据速率可以达到2 0 m b p s 5 0 m b p s 甚至更高，一般在军事上应用较多，它有一个明 显的缺点：网络覆盖范围不可能太大同时网络内的节点数量不能太多，否则掉话率 会随着终端数量的增大而大幅度增加，路由稳定性大幅度降低，从而影响通信质量， 同时会有大量的信道容量被浪费在路由的传输上，硬件设备的价格也会随着提高。 在未来移动通信的领域中，无线资源随着用户的需求不断提高而日益紧缺。针 北京邮电大学博十学位论文第一章绪论 对将来用户的这些需求，移动通信领域需要提出对应的解决方案。用户的这些需求 主要体现在技术的三个方面：可靠性，有效性和安全性。 可靠性( r e l i a b i l i 时) ：在将来的移动通信中，用户终端所在的通信大环境将越 来越复杂，这包括各种建筑物和空中阻隔对通信信道的阻断和反射、折射及衍射作 用会更大的增强，用户的移动速度的变化范围也会不断加大，从而使信道成为时变 深衰落信道，各种各样的移动通信系统同时在相同的空间区域里工作，用户终端的 数量和所传输的数据量也越来越大，在这样的通信环境下，要保证用户要求通信的 可靠性达到能够容忍的程度，通信不中断，质量保证在一定的级别以上，移动通信 系统必须不断有新的提高移动通信可靠性的技术来支撑。 有效性( e 伍c i e i l c y ) ：在将来的移动通信中，用户数量会越来越多，并且随着 移动i p 的应用，每一个用户所需的信道容量也会随着通信中媒体种类和传输数据量 的增加而不断地增加，同时数据传输和用户所需服务质量等级的不断提高，并且这 种增加往往是在一些技术突然成熟时有一个大的增加幅度，这时如果无线移动技术 中没有相应的对应技术储备就不能满足用户的需要。 安全性( s e c 嘶t y ) ：安全性总是用户所需要的，并且要求等级会不但提高。在 将来的移动通信中，不会再是现在这样的语音通信占很大比例的情况，各种数据和 媒体的传输是一个必然，这其中很多的信息的价值都非常高，因此不允许出现安全 上的纰漏，这就要求安全技术的支持。 从而，在未来的无线通信领域罩，稍大的通信系统都不能以一种单一的模式运 作。原因在于通信环境可能非常复杂，终端移动速度在变，传输数据速率在变，网 络拓扑结构在变，等等。从而，工作模式必须是自适应的。 现在的无线通信网络大多是蜂窝网，同时也存在一些非蜂窝网，如一些自组网 和分布式天线网络等。虽然无线技术已经非常成熟，但传统的蜂窝网和非蜂窝网都 存在着一些内在的缺陷。 1 3 蜂窝网特点与发展 蜂窝无线通信网络是将无线网络覆盖区域分成多个蜂窝，每一个蜂窝有一个网 络设备或者基站对该蜂窝覆盖范围内的移动台提供无线接入服务和无线资源管理。 所有的移动台和这个网络设备或者基站直接进行无线连接。 无线蜂窝网络可以通过小区分裂的方式来增加小区数量的方式来实现提高无线 北京邮电人学博士学位论文第一章绪论 蜂窝网络的容量和对用户的服务能力。而且无线资源的复用也是以小区或者小区簇 为单位进行的。这是无线覆盖引入小区概念的一个重要原因。小区分裂一般是在区 域内用户数增加或者用户要求的服务等级有较大提高时执行。因为各个区域内的用 户密度和业务密度不同，无线蜂窝系统一般采用多种小区来对整个网络区域进行覆 盖，从而产生了宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝等等概念。但小区半径越小，也就意味 着网络中需要更多的网络设备，从而网络覆盖的成本增加。 当移动台以一定的速度移动的时候，移动台和邻近的多个网络设备进行一定的 无线接入信道条件测量后，网络端根据测量的结果和切换的原则判断该移动台应该 与那个网络端设备连接和是否需要切换操作，从而保证移动台在网络覆盖范围内移 动的时候能够一直和至少一个网络设备连接，在一次通话过程中不会中断，从而切 换的过程是用户不能感觉出来的。这种切换在不同的无线蜂窝系统中有多种处理方 式，如软切换、硬切换、同频切换、异频切换等等。 1 4 a dh o c 网络特点与发展 1 4 1 a d h o c 网络特点 ( 1 ) 独立组网。a dh o c 网络在组网的时候不需要任何预先假设的网络设备，是由 多个用户节点直接进行独立的组网。新加入的节点可以通过与其他用户节点的通信 来快速接入网络。 ( 2 ) 无中心。a dh o c 网络中没有中心节点，每一个用户节点都是平等的，从而网 络是一个对等网络。这样的特点就可以保证网络的稳定性不会因为某些节点的退出 或者故障而造成瘫痪，增加了网络的鲁棒性。 ( 3 ) 自组织。a dh o c 网络中没有中心控制节点，所有的网络处理操作都是通过分 布式算法以用户节点之间的握手来完成。 ( 4 ) 多跳传输。因为用户节点的最大发射功率是有一定限制的，每一个节点只能 与一定范围内的其他用户节点进行通信连接。从而当一个用户节点需要跟一个距离 较远的另一用户节点连接时，需要以网络中其他节点作为中继以多跳的方式来完成 通信链路的搭建和通信的完成。 ( 5 ) 网络拓扑动态变化。在复杂的无线传输环境中，多个用户节点之问的连接需 要根据网络中的干扰情况和传输条件的变化而不断进行参数的调整和连接的调整， 北京邮电人学博十学1 1 ：7 ：论文第一章绪论 而自组网的协议也是以此为依据进行指定。 ( 6 ) 移动终端的局限性。虽然所有的网络出来都需要在网络内多个用户节点上以 分布式算法进行处理，但在多数情况下，为了保证用户节点的便携，算法处理不能 太复杂，移动台发射功率大大受限，移动台处理能力大大受限等，而这也是目前自 组网发展受限的主要原因。从而，节能和高效的分布式处理算法成为自组网的重要 研究课题。 1 4 2 a dh o c 网络存在的问题 虽然a d h o c 网络有很多的优点，但这些自组网专有的特点也带来了很多的蜂窝 网络没有的特殊问题。 无线接入问题：a dh o c 网络中的无线信道与蜂窝网中的单跳信道、广播信道等 不同，所有的资源属于多个用户节点共享，而因为发射功率受限和网络管理的要求 一个用户节点的有效信号只能被相邻的几个用户节点接收。而且因为不对称性等特 点，a dh o c 网络中存在隐藏终端和暴露终端等问题。 路由问题：为了节省发射功率和增强网络有效传输能力，a dh o c 网络必须根据 其特有的动态拓扑分布式处理方式建立其适用的特别的路由方式。而路由的有效性 问题和路由建立算法成为a dh o c 网络一个永恒的研究课题。 安全问题：因为a dh o c 网络中每一个节点要通过其他节点的转接才能与其目的 节点建立连接进行通信，这样就存在如主动入侵、被动窃听等各种安全问题。这使 得身份验证、访问控制和加密算法的有效性研究成为一个必须解决的问题。 功率控制问题：因为用户节点的功率受限，处理复杂度受限，以及分布式的功 率控制方式，a dh o c 网络中的功率控制算法必须要做到即能高效复用空间资源，又 能够降低对周围用户节点干扰较低的情况下，以分布式方式完成。这个问题的解决 程度将直接与a dh o c 网络的容量和覆盖相关。 q o s 问题：在动态变化的网络拓扑中，网络连接动态变化，而且多个传输信道 之间相互干扰的问题严重，从而如何保证多个多跳链接同时保证较好的服务q o s 成 为一个比较有难度的问题。 4 北京邮电人学博士学位论文第一章绪论 1 5 多跳蜂窝网 现有广泛应用的无线网络结构为蜂窝结构，为了新一代网络技术在经济上的节 约和在技术上的稳定发展，最好的方式是在蜂窝结构上进行合理扩展，把a dh o c 网 络引入到其中是一种非常有效的组网方式。 多跳蜂窝网( m c n 或者m p c n ，m u l t i p l e h o p ，c e l l u l a rn e t w o r k s ) 1 4 是将传 统的蜂窝网络与a dh o c 网络结合的一种新型网络。它保留了传统蜂窝网络中的小区 概念，并且每一个小区中都至少有一个网络设备或者基站，同时它将a dh o c 网络中 的多跳概念引入进来，即移动台可以通过固定中继或者移动中继以多跳转发的方式 来与接入网络，从而增加了网络的灵活性。它能够用较少的基站为大范围内用户提 供较高的有效流量( 1 1 啪u 9 1 1 p u t ) 和较好的服务质量，同时能保证很好的链路稳定性 1 】 和用户之间的公平性。 1 5 1 多跳蜂窝网结构 从结构上，多跳蜂窝网就像是蜂窝网和自组网的一种组合变异体。每一个蜂窝 中仍然有一个基站为移动终端提供服务并且负责资源分配和管理。但和传统蜂窝网 不同，移动终端除了可以直接和基站建立连接外，还可以通过中继和基站建立多跳 的连接，甚至可以像自组网一样不通过基站就直接通过以其他节点为中继的方式和 附近的目的终端建立连接 1 ，2 】。这种中继可以是网络已经预设的固定节点，也可能 是网络中的移动台等移动节点，可能是解码后再转发的再生中继，也可能是不解码 直接进行转发的非再生中继。可以说，在多跳蜂窝网中，节点也是一种资源。而与 自组网不同的是这种多跳连接是在基站的管理下进行的。所有的决策在基站进行， 而节点的一切活动都要按照基站的信令来进行。基站要求移动台上报一定的测量信 息如干扰测量、信道( 到中继节点集合的多个信道) 测量信息，然后基站根据这些 信息对全局的无线资源进行分配，给出多跳模式下不同网络拓扑下全局最优的无线 资源分配和调整方式( 其中包括哪一个移动台以哪些站点作为其接入网络的中继节 点以及中继的整条链路连接方式) ，按照这种方式将信令发送给对应移动台，从而 保证移动台的无线接入和其所需的q o s 。 北京邮电 学博十学位论文 第一章绪论 图l 一1 典型多跳蜂窝阿结构 图1 1 为一种典型的多跳蜂窝网结构 2 。其中a p ( a o 嚣p o i i n ) 、m h n ( m u l h h 0 p p 出l en o d e ) 、m n ( m o b i l en o d e ) 为各级的移动或者固定站点。距 离基站比较近或者与基站有较好的链接信道或者级别高的站点会担任各级的中继角 色，从而形成各级的“虚拟微蜂窝”，保证多跳链路的完整性和可靠性。这样，网 络从传统蜂窝网中的单一接入点变化为了网络中分布了一个以上( 如果只有固定中 继站点则数量不会太大，而如果使用移动中继则可以有很多) 的网络接入点。从而， 移动台在接入网络的时候可以根据其与这些不同的接入节点之间的信道条件进行选 择，然后基站根据全局的干扰分析和接八最优选择结果选出全局最优的各个移动台 的接入点，从而提高系统的性能。 图1 2 ( a ) 为一种典型的移动中继多跳蜂窝网结构。多跳蜂窝网中的网络拓扑 可能有很多中不同的变形：分层模式，固定中继多跳模式，用户协作分集模式，等 等。 图l - 2 ( b ) 为以固定站点为中继的多跳蜂窝网的典型结构，移动台选择其中的 一个固定站点作为中继与基站进行多跳连接。 北京邮电大学博十学位论文第一章绪论 图1 2 ( a ) 典型多跳蜂窝网结构 图1 2 典型州定中继多跳蜂窝网结构 在多跳蜂窝网中，基站从用户终端搜集网络的动态拓扑信息，负责系统的管理， 保证通信的稳定性和可靠性，用户终端除了自己的通信外还可能承担中继的角色， 7 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 并且要按一定的周期向基站发送自身及附近用户终端的动态拓扑信息。当然，如果 有固定的中继设备( 比微微蜂窝中的基站简单的多，只充当中继的角色，不负责管 理工作) 在网络中工作的话，网络性能会更好。 在多跳蜂窝网的蜂窝中，因为中继的存在，同时可能有几个终端在复用相同的 资源传输信息到其他终端或者基站，因此系统可能是一种完全动态的。但因为信道 之间的距离会很远，足以将相互之间的干扰降低到不影响通信的程度【l 】。 同时，应该为这种多跳连接方式提供选择的机会，无论是在基站、终端还是信 道的选择上。并且，这种选择参考的范围越大，虽然会增加复杂度，但提供的性能 增益也越大。 在关于多跳蜂窝网的研究中，【5 6 】一些仿真显示最大中继数在一般的蜂窝网环 境下为2 或者3 ，更多的中继不会对用户的流量有较大提高，相反过多的中继还会带 来更多的资源浪费和干扰的增加。 但也有些学者认为在网络密度较低或有较好优化功能的蜂窝的情况下可以更 高。问题的关键在于如何让基站能更准确地得到更详细的网络拓扑信息，同时选择 一个复杂度不是很高的调度算法。 1 5 2 多跳蜂窝网中的解决方案 在有限的系统资源和恶劣的通信环境的矛盾中，要达到用户的这些需求，我们 唯一的办法就是更加灵活有效的应用系统中的无线资源，以提高无线资源的使用效 率，从而提高通信系统的容量和服务质量。这些资源包括：频率( f r e q u e n c y ) ，时 隙( t i m es l o t ) ，码字( c o d e ) ，子载波( s u bc a m e r ) ，天线( a n t e i l i l a ) ，空间 区域( s p a c e ) ，用户( u s e rt c h i l i na c o r ) 。 多跳蜂窝网给出的解决方案： ( a )可靠性：视距传输的利用是一个移动通信系统性能增强的重要方向。 在未来的移动通信领域罩，用户将越来越多，用户所需的数据传输速率也越来 越大，然而用户之间、系统之间以及信道之间的干扰也越来越大。为了达到可靠的 传输，有一种方法就是进行功率控制，提高发射功率来保证传输的信噪比，从而保 证用户所需的服务质量和通信的稳定性。但这样就存在问题，在自然环境旱，不止 存在一个移动通信系统，每个系统里也不止一个部分或者一个用户，在一个独立的 北京邮电大学博士学位论文第章绪论 部分增加发射功率的时候，它必然要对其它的和它不相关的部分造成更大的干扰， 这样就会形成一个恶性循环，直到一些系统瘫痪，所以功率控制是存在着调节的极 限的。 视距传输就可以在很大一定程度上来避免这种情况的发生。原因在于： 首先，视距传输一般只能在一小段距离内传输，其中没有阻挡，这样就 不会有太深的衰落，选择性衰落就更少，甚至可能只有慢衰落，这样就 可以在发射功率很小的情况下保证较高的接收信扰比( s n i r ) ，从而从 根本上提高数据传输的可靠性； 第二，因为视距传输的传输距离比较小，所以它所产生的干扰的范围也 就更小，从而干扰可以形成一个良性循环，最终达到一个平衡点，很小 的发射功率，很小的影响范围； 第三，视距传输还有一个好处，就是在视距的范围里，定向天线的可操 作性更强，定向传输的准确性更高，从而将对别的系统和终端的干扰又 降低几个数量级。 但有一点，在现在的，或者说传统的蜂窝网罩，如果要实现视距传输，就要将 小区的半径设为非常小的值，或者说要建立复杂的宏蜂窝微蜂窝系统，那样的话不 但需要增加大量的网络设备，而且可能出现很复杂的拓扑结构，这样的话建立一个 网络所需的费用就太高了。这就需要有一些小规模的设备来填充这些空间，这些小 规模设备可能只是负责中继，可能还负责小范围的管理，保证视距传输，还要有一 定的移动性( 动态保证整个小区的高效工作) ，而这些设备价格相对基站就会很便 宜，可能是一些天线系统，可能是固定终端( 连接到有线网络或者是简单的固定无 线网络设备) ，也可能只是一般的无线移动用户终端，这样形成的网络就是多跳蜂 窝网的雏形。 ( b ) 有效性。 有效性是和很多资源相关的，是指每单位资源所能够带来的实际的有效性能， 在无线移动通信中主要是指系统的容量和用户的有效的数据传输速率，做到这些需 要多少的网络设备来支持，需要多少实际的发射功率，需要占用多少的带宽，码字 和时隙，等等。还有一点就是，在一般的移动通信系统罩都会有一定的冗余资源用 于应急和扩充网络，如何将这些资源有效地利用起来，如何在现有网络的基础上让 新的网络资源更简单地加入到网络之中，这些全都涉及到系统的有效性问题。 在这点上，多跳一般会比单跳更能产生效果： 9 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 首先，多跳能够减小传输的距离，这样无论是大尺度衰落和小尺度衰落都会 有很大的降低，从而在相同的发射功率下增大信扰比： 第二，在多跳的条件下，也不需要仍然使用单跳条件下的发射功率，这样就 可以降低单位有效数据传输所需要的发射功率，对整个移动通信系统的传输 环境都是一个贡献； 第三，相对单跳的单一信道，多跳还可以同时建立多条信道，通过以不同的 中继点来建立多条源点到终点的通道，提供一种人工的多径方式，形成空间 分集，从而可以有效的克服平坦衰落和选择性衰落，同时也将新的软软切换 的概念引入； 第四，多跳比单跳更能保证用户之间的公平性，单跳传输中，用户只有一种 选择，就是和基站建立连接，但多跳中，用户就可能通过附近( 相邻或者不 相邻) 的许多站点和终点建立多跳连接，用户的选择很多，从而用户可能有 更优质的信道可用，这样就可以由中央基站在整体提高系统服务质量的前提 下人工的保证用户之间的公平性，其中有几个现象很有代表性：小区内热点 和盲点通信问题的解决，小区内闲置站点的利用，等等。 第五，在移动通信中，时间、空间、频率和用户都可以看作是一种资源。不 同的多址方式将在小区内通过不同的资源将多个移动台区分开来，而无线通 信系统中不断增加的需求要求多址方式中必须将多种资源进行组合从而形 成多维的资源组然后按照资源组合来进行多址接入。在多跳蜂窝网中，就是 多个资源组和多用户多跳的结合，不同的跳跃区域，不同的用户范围中无线 资源的分配。在多跳蜂窝网中，无线资源的分配和管理会更加的复杂，但如 果不算这里的复杂度，因为灵活度的增大，整个系统的公平性和有效性会有 更大的提高。在m c n 中，大量的视距传输会在很大程度上减少多径，对增 大系统容量也是有利的。 这几点在多跳蜂窝网中都有明确的体现。 ( c ) 安全性。 还没有发现单独从多跳蜂窝网中能够体现出的提高用户安全性的可能。相反， 如果用户加入到多跳蜂窝网中，因为可能会有很复杂的中继站点来源，系统需要提 出相应的技术和措施来保证用户数据传输的安全性。这些技术需要进一步的提出有 效的解决方案。 1 0 北京邮电大学博七学位论文第一章绪论 1 5 3 多跳蜂窝特点及优势 多跳蜂窝网是一种新的网络结构，它能提供传统蜂窝网更高的网络容量，并具 有很好的灵活性和对环境的自适应性。这种网络结构能以较低的提高复杂度为代价 来换取整个网络的公平性，并且能将网络内的资源以一种更高效的方式使用起来， 可以说是无线网络的一个发展方向。 多跳蜂窝网络具有以下特点： 1 相对自组织网络，因为小区内基站的存在，从而拥有较稳定的网络结构，同 时根据网络的容量需求分布来调整网络拓扑结构，灵活的调整网络中的中继 服务能力，从而保证网络运行在最优的状态下； 2 相对蜂窝网来说，传输距离降低，从而有效的降低了传输路径损耗；此外， 传输距离的降低将产生更多的视距传输，有效地减少了网络中的快衰和深衰； 这两点都可以降低传输损耗，从而可以在保证同样的通信质量的情况下，降 低终端所需的发射功率，同时减小了干扰范围； 3 移动台可以有更多的通信模式，单跳或者多跳，通过移动中继或者通过固定 中继来和基站建立连接，甚至进入到自组网状态来直接和目的端建立连接； 1 ， 2 ， 8 】 4 因为中继的引入，一些远距离的移动台可以通过中继的帮助来和基站或者目 的节点建立连接，从而可以将基站的覆盖范围大大增大，减少网络中的热点 和盲点，减少网络中的大型网络设备数量； 1 5 ，1 2 】 5 在多跳蜂窝网中，总是存在一定数量的中继，这些中继可以通过一定的管理 方式来形成虚拟的m i m o 传输，从而可以进一步提高通信信道质量，提高系 统性能； 6 在多跳蜂窝网中，空间资源的到了更有效的利用，移动台之问的公平性也得 到了进一步的提高 6 】。在这一方面，非常重要的一点，也是运营商非常关注 的一点，就是小区边缘移动台吞吐量和频谱效率的提高。在多跳模式下，小 区边缘的移动台更大的可能是通过小区内的中继站点转发与基站建立连接， 从而原来的高干扰快衰高路损信道变为了干扰衰落路损都降低很多的中继信 道，从而资源使用效率可以有很大的提高，提高其有效流量和频谱效率。 总结起来，和传统的蜂窝网相比，多跳蜂窝网有以下优点： 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 1 因为收发两点的距离可能远比传统蜂窝网短，从而能提供比传统蜂窝网高几 倍的系统容量，可能两倍或更多【4 】。 2 能提供比传统蜂窝网更灵活的信道选择，终端不仅可以像传统蜂窝网中一样 和基站进行直接连接通信，