（通信与信息系统专业论文）基于lteadvanced协同中继技术的研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 l t e a d v a n c e d 定位于更高的数据率和更大的系统容量，峰值速率目标为：在 低速移动、热点覆盖场景下1 g b i t s ；在高速移动、广域覆盖场景下1 0 0 m b i t s 。为 了满足这个目标l t e a d v a n c e d 必定会引入新的无线技术。其中中继技术作为 l t e a d v a n c e d 系统的关键候选技术可为小区带来更大的覆盖范围和系统容量。 本文首先介绍了论文的研究背景和当前移动通信系统的发展情况。引入典型的 性能成本分析曲线，在系统容量和覆盖面积等性能相同的基础上，比较传统蜂窝 网和中继扩展蜂窝网，分析中继技术带来的成本效益。并基于协作中继在l t e - a 的两个方面：最佳协作中继节点的选择和中继节点协作传输算法进行分别研究。最 后本文提出基于l t e - a 的协作中继方案，给出方案的操作流程。 最佳协作中继节点的选择是协作中继面临的首要问题，本文针对固定中继网络 的特点，将多物网络流模型应用于l t e a 协作中继网络中。基于该模型在最短路 径节点选择算法的基础上提出无线固定中继路由算法( w f r r ) ，该算法可以有效 保证系统稳定性及用户使用带宽，从而可以提供稳定q o s 服务。并通过计算机仿真 在吞吐量和传输延时方面验证了该算法的可行性。 中继节点协作传输算法包括协作信号处理和数据协作传输。协作中继信号处理 方法包括放大转发中继和解码转发中继。本文从理论上讨论了放大转发中继和解码 转发中继的信道容量，并通过仿真分析两种中继方式的误码率性能。本文着重研究 两种数据协作传输算法，包括循环延时协作中继和空时编码协作中继。同时基于空 时编码协作中继进行改进，在中继数据发送前通过引入预编码，求出最优空时编码 传输。并通过计算机仿真分别实现了在e p a 、e v a 两种不同的传输环境下，通过 对循环延时协作、空时编码协作和改进空时编码协作三种数据传输方案进行误码率 性能分析，充分验证了改进空时编码传输方案的可行性。 关键词：协作中继，无线固定中继路由，多输入多输出，空时编码 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t h i g h e rd a t ar a t e sa n dg r e a t e rs y s t e mc a p a c i t ya r en e e d e di nl t e - a d v a n c e d ，w h i c h p e a kr a t e so fl o w - s p e e dm o b i l ea n dh o t s p o tc o v e r a g es c e n a r i o sw i l la c h i v e1g b i t sa n d 1 1 i g h s p e e dm o b i l ea n dw i d e - a r e ac o v e r a g es c e n a r i o sw i l la c h i v elo o m b i t s t om e e t t h i so b j e c t i v en e ww i r e l e s st e c h n o l o g i e sw i l lb ei n t r o d u c e di nl t e a d v a n c e d n e c o v e r a g ew i l lb ee x t e n d e da n ds y s t e mc a p a c i t y w i l lb ei n c r e a s e db yt h er e l a y t e c h n o l o g yw h i c h i st h ek e yc a n d i d a t et e c h n o l o g i e so fl 1 _ e - a d v a n c e ds y s t e m f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n do ft h et h e s i sa n dt h eb a s i cd e v e l o p m e n to ft h ec u r r e n t w i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r , a n dt h e nac l a s s i c a l i n d i f f e r e n c ec u r v ei si n t r o d u c e dt oc o m p a r e sc o n v e n f i o r l a lc e l l u l a r s y s t e m sa n d m u t i - h o ps y s t e m su n d e rc o n s t a n tp e r f o r m a n c es u c ha ss y s t e mc a p a c i t ya n ds y s t e m c o v e r a g e t h e ng r e a t e rb e n e f i t sa r eo b t a i n e dp r o v i d e di fp r o v i d e rd e p l o y e dl o w c o s t r n si nl a r g e rn u m b e r si ng e n e r a l t w oa s p e c t sa r er e s e a r c h e dr e s p e c t i v e l yb a s e do n l t e a d v a n c e d ，w h i c ha l et h eo p t i m u mr e l a yn o d e so fc o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o na n dt h e a l g o r i t h mo fc o o p e r a t i v er e l a yb e t w e e nt h en o d e s f i n a l l y , r e l a yn o d es e l e c t i o na l g o r i t h m o fc o o p e r a t i v er e l a y i n gi sd e s i g n e db a s e do nl t e a d v a n c e di nt h i sp a p e r t h eo p t i m u mr c l a yn o d e so fc o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o na r et h ep r i m a r yp r o b l e m t h em o d e lo ft h ew i r e l e s sm u f f - h o pr o u t i n gp r o b l e mh e r ei sa ne x t e n s i o no ft h ew e l l k n o w n m u l t i c o m m o d i t y f l o w p r o b l e ，w h i c h i sb a s e do nc h a r a c t e r i s t i co f l t e a d v a n c e d a c c o r d i n gt ot h i sm o d e l ，an e ww i r e l e s sf i x e dr e l a yr o u t em 伊i i s p r o p o s e db a s e do no p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ( o s p f ) t h es y s t e mc a p a c i t ya n dt h eb a n do f s u b s c r i b e ra r ec o n s i d e r di n 、陋r ra l g o r i t h m s oq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) c a nb e g u a r a n t e e d t h ef e a s i b i l i t yo ft h ea l g o r i t h mi sv a l i d a t e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o ni nt h e t h r o u g h p u ta n dd e l a yo ft r a n s m i s s i o n n e d i s p o s a lo fc o o p e r a t i v es i g n a la n dt h et r a n s m i s s i o no fr e l a yd a t aa r ei n v o l v e d i nt h ea l g o r i t h mo f c o o p e r a t i v er e l a yb e t w e e nt h en o d e s a m p l f y - a n d f o r w a r d ( a f ) a n d d e c o d e - a n d f o r w a r d ( d f ) a r ec o n t a i n e di n t h ed i s p o s a lo fc o o p e r a t i v es i g n a l t h e c h a n n e lc a p a c i t yo fa fa n dd fi sd i s c u s s e di nt h i sp a p e ra n dt h ep e r f o r m a c eo fb i t s e r r o rr a t e ( b e r ) i se m u l a t e db yc o m p u t e r t w oa l g o r i t h m so ft h et r a n s m i s s i o no fr e l a y d a t aa r em a i n l yr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r , w h i c ha r ec y c l ed e l a yc o o p e r a t i v er e l a ya n d t i m e - c o d i n gc o o p e r a t i v er e l a y a n db a s e do nt i m e c o d i n gc o o p e r a t i v er c l 唱a l l i m p r o v e da l g o r i t h mi sp r e s e n t e d ，w h i c h i n t r o d u c e sp r e c o d i n gb e f o r ec o o p e r a t i v e t r a n s m i t i o nt og e tt h eo p t i m a lr e s u l t a tl a s tt h ep e r f o r m a c eo fb e ri se m u l a t e dt o c o m p a r et h ec y c l ed e l a yc o o p e r a t i v er e l a y , t h et i m e - c o d i n gc o o p e r a t i v er c l a ya n dt h e i m p r o v e da l g o r i t h mi ne p aa n de v as c c n a r l o s i tp r o v e st h a tt h ei m p r o v e da l g o r i t h mi s s u i t a b l ea n df e a s i b l e k e yw o r d s ：c o o p e r a t i v er e l a y , w i r e l e s s f i x e d r e l a yr o u t e ，m u l t i p l e - i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ，s p a c e - t i m ec o d i n g i i i 重庆邮电大学硕士论文图表目录 图表目录 图1 1 无线多跳中继网络3 图2 1 无差异曲线6 图2 2 路由信息增强的协同中继8 图2 3 用户协同固定中继方式1 。9 图2 4 用户协同固定中继方式2 l o 图3 1 节点i 的单跳约束1 3 图3 2 节点i 的两跳约束j 。1 3 图3 3 中继路由操作流程图l8 图3 4 建立坐标系即边界划分2 1 图3 5 区域划分示意图2 l 图3 6n c t u n s 里的模组堆叠架构。2 3 图3 7n s l o b j e e tc l a s s 定义图2 4 图3 8 模块问封包传送架构2 5 图3 9 节点拓扑结构图2 5 图3 1 0w f r r 与o s p f 在节点不同传输距离吞吐量比较2 6 图3 1 1 曼哈顿拓扑结构2 7 图3 1 2w f r r 与o s p f 在曼哈顿拓扑结构下比较2 7 图3 1 3w f r r 端到端延时，接入请求服从泊松分布2 8 图4 1 三节点中继信道模型2 9 图4 2 两跳信道模型。3 0 图4 3 解码转发传输机制3 0 图4 4 三节点高斯解码转发中继信道模型3l 图4 5 放大转发传输机制3 2 图4 6 三节点高斯放大转发中继信道模型3 3 图4 7 传统中继方式3 4 图4 8 循环延时中继示意图一3 5 图4 9 循环延时中继资源分配。3 6 图4 1 0 循环延时中继实现方案3 7 图4 1 l 空时分组码发送原理图3 8 图4 1 2 空时中继协作资源分配3 9 图4 1 3 分布式空时协作中继方案4 0 图4 1 4 分布式s t b c 协作中继改进方案4 0 v 1 重庆邮电大学硕士论文图表目录 图4 1 5 解码中继与放大转发比较仿真图4 3 图4 1 6 空时编码中继与循环协作中继比较仿真图，信道环境e p a 4 4 图4 1 7 空时编码中继与循环协作中继比较仿真图，信道环境e v a 4 5 图4 1 8 改进空时编码中继与空时编码协作中继比较仿真图，信道环境e p a4 6 图4 1 9 改进空时编码中继与空时编码协作中继比较仿真图，信道环境e v a 4 7 表3 1w f r r 算法基本仿真参数设置2 6 表3 2w f r r 算法基本仿真参数设置2 8 表4 1 a f 与d f 基本仿真参数设置4 2 表4 2 空时编码中继与未协作中继比较基本仿真参数设置4 3 表4 3 空时编码中继与循环协作中继比较基本仿真参数设置4 4 表4 4 改进空时编码中继与空时编码协作算法基本仿真参数设置4 5 表4 5 改进空时编码中继与空时协作中继算法基本仿真参数设置4 6 v i i 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 本章概述了l t e a 系统以及中继技术的研究现状，然后介绍了本文的课题来 源和论文结构及内容安排。 1 1 l t e a 系统的发展和研究背景 伴随g s m 等移动网络在过去的二十年中的广泛普及，全球语音通信业务获得 了巨大的成功。目前，全球的移动语音用户已超过了1 8 亿。同时，我们的通信习 惯也从以往的点到点( p l a c et op l a c e ) 演进到人与人。个人通信的迅猛发展极大地 促使了个人通信设备的微型化和多样化，结合多媒体消息、在线游戏、视频点播、 音乐下载和移动电视等数据业务的能力，大大满足了个人通信和娱乐的需求。另 外，尽量利用网络来提供计算和存储能力，通过低成本的宽带无线传送到终端， 将有利于个人通信娱乐设备的微型化和普及。g s m 网络演进到g p r s e d g e 和 w c d m a h s d p a 网络以提供更多样化的通信和娱乐业务，降低无线数据网络的运 营成本，已成为g s m 移动运营商的必经之路。但这也仅仅是往宽带无线技术演进 的一个开始。w c d m a h s d p a 与g p r s e d g e 相比，虽然无线性能大大提高，但 是，在i p r 的制肘、应对市场挑战和满足用户需求等领域，还是有很多局限。 而这些需求已远远超出了现有网络的能力，寻找突破性的空中接口技术和网 络结构看来是势在必行。与w i f i 和w i m a x 等无线接入方案相比， w c d s d p a 空中接口和网络结构过于复杂，虽然在支持移动性和q o s 方面 有较大优势，但在每比特成本、无线频谱利用率和传输时延等能力方面明显落后。 2 0 0 4 年1 1 月，3 g p p 加拿大多伦多 u t r a n 演进”会议收集了无线接入网r 6 版本 之后的演进意见，在随后的全体会议上，q j t r a 和u t r a n 演进”研究项目得到了 二十六个组织的支持，并最终获得通过。这也表明了3 g p p 组织运营商和设备商成 员共同研究3 g 技术演进版本的强烈愿望。 基于通信产业对“移动通信宽带化”的认识和应对“宽带接入移动化”挑战的需 要，3 g p p 开始了“长期演进( l t e ) ”的进程【l 】ol t e 技术将实现一个高数据率、低延 迟、分组业务优化的系统，为未来宽带无线业务提供有力的传输手段，满足任何 时间、任何地点用户对口多媒体数据业务的需求。l t e a d v a n c e d 系统是l t e 的 平滑演进，对l t e 具有很强的兼容性。l t e a d v a n c e d 系统支持下行峰值速率l g b i t s 和上行峰值速率5 0 0m b i t s 的要求，同时强调降低终端网络的成本和功耗等 需求1 2 】。根据现有的频谱分配方案，获得此容量的大宽带频谱在较高频段，而该频 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 段路损和穿透损都较大，很难实现好的覆盖。中继技术作为l t e a d v a n c e d 系统的 关键技术可以很好地解决这一问题，它为小区带来更大的覆盖范围和系统容量【3 1 。 中继节点( 砌叼的复杂度远低于基站( e n b ) ，体积小，重量轻，易于选址，降低了运 营商的成本和功耗。因此如何合理有效地利用中继进行数据传输成为当前的研究 热点。 1 2 中继技术的应用和研究意义 无线通信技术的发展旨在屏蔽位置和移动速度等条件的影响，为用户提供性 能卓越的多媒体服务体验。这一目标受到基站与用户直接通信的传统单跳 ( s i n g l e h o p ) 蜂窝网络的巨大阻碍。给定功率等级，比特能量( b i te n e r g y ) 随着数据传 输率线性增加，宽带无线系统的超高传输速率使得当功率一定时，单个小区覆盖 面积大幅度缩减。此外，工作所在的高频频段因穿透能力和绕射能力差，导致地 形引起的阴影衰落( s h a d o wf a d i n g ) 效应非常严重。在单跳蜂窝网络架构下，解决上 述问题就意味着减少小区面积、增加基站数量，即采用微蜂窝( m i c r oc e l l ) 架构，结 果带来高昂的网络建设费用，是不可取的。一种经济效益高、布网便捷的多跳中 继无线网络( m u l t i h o pr e l a yw i r e l e s sn e t w o r k ) 带来了网络架构的革命性突破，成为宽 带无线接入网的有力选择【4 】。 多跳中继无线网络，以下简称中继网络，使用一级或多级中继站通过无线方 式在基站和用户之间进行信号转发，如图1 1 所示，中继网络通过多级链路的方式 增加小区覆盖范围，提供对地形原因( 如图l 中r s l 的信号覆盖范围与周围区域被 建筑物隔开) 产生的阴影区域的覆盖，同时各级链路均采用距离较短的可视链路 ( 1 i n eo f i g h t ，简称l o s ) 既减少了发射功率又提高了链路质量。与微蜂窝架构相比， 中继网络经济效益得益于两点：一方面，中继站采用无线传输，节约了有线骨干 网络( w i r e l i n eb a c k h a u l ) 的建设成本；另一方面，中继站与基站相比省去很多网络 处理能力，其复杂度和成本都得到极大的降低。此外，易于安装维护的特点和对 中继站移动性的支持增强了组网的便捷性和灵活性，众多优点令中继网络备受瞩 目。其中i e e e8 0 2 1 6 成立了专门的8 0 2 1 6 j 工作组研究中继网络，8 0 2 1 6 m 工作 组也已将中继网络的研究纳入轨道。 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 图1 1 无线多跳中继网络 1 3 协作中继的应用前景 熬矗中继基站 中继站 挂 用户终端 接入链路 中继链路 n 中继站范围 在l t e 系统中利用下行和上行的正交频分复用离散傅立叶变换扩频正交频分 复用( o f d m d f t s o f d m ) 技术实现y d , 区内完全正交的信道，极大消除了同小区 干扰；其次，多天线技术的收发分集、空分复用、波束赋形等使用方式的灵活转 换，灵活利用了空间信道的特性，增大流量，克服干扰；此外，多小区干扰协调( i c i c ) 机制，第一次突破了单个小区独立控制的思路，将多小区看做一个大系统，引入 联合协调干扰的思想。因此，l t e 系统的链路流量已经接近香农极限，随着l t e - a 需求的提出，人们对小区平均频谱效率和小区边缘频谱效率越来越重视，相比较 而言，小区边缘的频谱效率最受人们关注，这主要是因为l t e a 系统的上下行都是 以正交频分复用( o f d m ) 为基本多址复用方式的频分系统，与传统的以c d m a 为基 本多址复用方式的无线通信系统不同，l t e a 系统没有处理增益，小区内部因为完 全频分正交，所以几乎没有干扰问题，但在小区边缘处的干扰处理相对棘手。中 继协作通信可以很方便的处理小区边缘频谱利用率低的问题。 中继协作通信是指系统中多个基站( e n o d e b ) 或者中继站( r e l a ys t a t i o n ) 同时进 行多点发送接收的技术，用户终端e ) 将与多个中继节点之间建立上下行链接进 行通信。而中继站同基站采用无线连接的方式，进行数据传输。具体地说，网络 中插入中继站形成分布式天线系统【5 】，进行与u e 间的多发多收，称为协同多点传 输技术( c o m p ) ：当利用多个中继站同时为用户提供数据传输时称为协作中继技术。 利用协作中继技术来实现小区边缘处无线链路的较高容量和可靠传输，可以 有效解决小区边缘干扰问题。多中继节点协作联合传输的方式主要可以分为两类： 信号相关的传输方式和信号非相关的传输方式。相关的传输方式是指要求各个节 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 点传输的信号在接收方具有一定的相关特性，从而使得各信号能够获得较大的合 并增益；非相关的传输则不需要考虑信号在接收方的相关特性，其主要获得的是 分集增益【6 1 。 1 4 课题来源、研究工作及论文结构 本文主要是对协作中继技术中应用于l t e a 进行分析和研究。论文主要针对 协作中继的两个方面，研究基于路由信息固定中继协作方案，重点在于最佳协作 节点选择算法及节点间的协作传输算法的研究。全文共分六章，分别介绍如下： 第一章，主要介绍了l t e a 中协作中继技术的一些相关内容，主要包括l t e a 系统的发展及中继技术在l t e a 系统的研究意义。 第二章，重点介绍性能成本分析曲线，在系统容量和覆盖面积等性能相同的 基础上，比较传统蜂窝网和中继扩展蜂窝网，分析中继技术带来的成本效益。并 讨论了在l t e a 中协作中继存在的问题：最佳协作中继节点的选择及中继节点协 作传输算法。 第三章，讨论了在l t e a 中协作中继网络模型并基于最短路径节点选择算法， 设计了用于固定中继网的最佳协作节点选择算法，该算法可以有效保证系统稳定 性及用户使用带宽，并通过计算机仿真验证了该算法的可行性。 第四章，介绍了协作中继信号处理方法。天协作中继信号处理方法包括放大 转发中继和解码转发中继。从理论上着重讨论了放大转发中继和解码转发中继的 信道容量，并通过仿真分析两种中继技术的性能。并引入两种中继节点协作传输 算法，同时基于空时编码协作中继进行改进，在中继发送前通过引入预编码。并 通过大量的计算机仿真分别实现了在e p a 、e v a 两种不同的传输环境下，协作中 继系统与非协作中继系统及三种协作传输方案的性能比较。 第五章，提供了一种无线中继协作传输方案，包括协作中继站的选择，以及 多个中继站的协作传输。 第六章，总结本文所做工作并提出下一步工作，展望未来协作中继技术的研 究及发展方向。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章中继技术概述 第二章中继技术概述 2 1 中继布网成本优势 2 1 1 中继网络成本分析 虽然我们通常用绝对成本来评价一个系统成本，但是比较两个不同系统时并 不一定需要知道他们的绝对成本，而相对成本可能是非常有效的。在下文的中继 系统中，并不需要明确知道基站成本，中继站成本，而仅需知道他们的价值比r 。 为了比较多跳中继系统和传统蜂窝网成本，我们定义b s r n 的价值比为r 。为了 进行公平的比较，必须考虑到系统的性能，所以确定多跳中继系统与传统蜂窝网 的比较准则是非常重要的。 在多跳中继网络中，为了达到相同的系统性能，一个区域的中继数量和基站 数量有个折中比值。现在定义m 为一个小区内中继站数量和基站数量的比值。当 知道了系统性能，比较准则的建立就非常重要，为了公平的评价，比较准则就应 该考虑到系统中继站的数量，其中系统性能包括覆盖面积，系统容量，频谱利用 率等。覆盖面积是指在小区内用户终端可以以一定速率进行可靠通信。同时覆盖 面积也可以描述为在小区内有足够高的信噪比来提供一定的业务服务。增加覆盖 面积是多跳中继系统的一个重要目标。通过增加覆盖面积，系统可以提供更多用 户服务唧8 1 。 是否允许用户接入是根据系统是否有足够容量来满足用户数据服务，系统容 量是小区内基站提供最大信息速率。定义基站容量为单个基站的总信息速率，它 等于单位小区总信息速率与小区基站总数的比值，单位为b p s 基站。 在中继网络中系统容量与中继站有关。但是在基站数量和中继站数量之间存 在一个折中。考虑到基站数量和中继站数量的折中和中继站数量，现定义系统有 效容量为式( 2 1 ) ： 有效系统容量 l 4 ，、 系统容量l + m r “7 m 是小区中中继数量和基站数量的比值，r 是基站比值和中继成本比值。 我们通常想利用最小的系统带宽来提供一定得数据服务，这相当于提高了系 统的频道利用率。频道利用率定义为系统总容量与系统总带宽的比值，及单位带 宽系统容量，为了比较传统蜂窝网和中继网，定义有效单位带宽系统容量是非常 有用的。单位带宽系统容量和有效单位带宽系统容量的单位都是b p s h z j s 区 5 重庆邮电大学硕士论文第二章中继技术概述 所以多跳中继系统比较准则为小区内有效单位带宽系统容量，用式( 2 2 ) 来描 述： q 。f f = 孚 3 式( 2 2 ) c s ( 1 + m r ) 这里c 舔为有效系统容量，s 为系统使用总带宽，c 为单个基站总的系统容量， m 是小区中中继数量和基站数量的比值，r 是基站比值和中继成本比值 当m = o 即中继站数量为o ，与传统蜂窝网相同。有效单位带宽系统容量等于 频带利用率，因此比较准则非常适合中继网络与多跳网络的比较。 中继网络与传统蜂窝网的成本比值可以使用联合比较方法，如式( 2 3 ) ： 赫雌2 岩 引2 3 ) 这里，t i e r ( o ) 代表没有中继的传统蜂窝网，q 啦( m ) 代表每个基站包括m 个中 继站，当成本收益大于1 表示中继网络可以用低的成本来提供可观的频谱利用率。 2 1 2 性能成本分析曲线 提高一个多跳中继网络的性能包括覆盖面积，信息密度( 单位面积的总信息 量) ，可以增加中继站的密度或者增加基站的密度。当减少基站，为了保持系统 恒定的性能，可以通过增加中继站的数量来进行平衡。通过图( 2 1 ) 无差异曲线来说 明这种对应关系： 中 继 站 羞a 切线 bb ib u 基站密度 图2 1 无差异曲线 曲线上的每一点代表一个不同的多跳系统，但有相同的系统性能。图中说明 一个基站密度是b ，中继站密度是a 的一个多跳系统。一个小区中中继站和基站 数的比值为式( 2 4 ) ： 6 重庆邮电大学硕士论文第二章中继技术概述 ：一am 式( 2 4 ) = 一 瓦l 2 4 j b 该点曲线切线斜率代表增加或减少中继站的数量需要减少或增加多少基站数 量。如果切线斜率等于叶，等于基站和中继站的成本比值。那么该切线上任何 一点代表系统总成本相同，及基站和中继站的成本总和相同，这时候为式( 2 5 ) ： 彳 鬣成本 地5 ) 基站成本 “7 中继站成本 这时无差异曲线的切线为等价线，表示基站和中继站的价值总和相同，而切 点代表提供相同系统性能所需的基站和中继站的组合。如果基站和中继站的价值 比值变了，相应的等价线为无差异曲线不同点的切线，相应的系统有不同的基站 和中继站组合构成【9 】。 所以多跳中继网与传统蜂窝网的成本比值也可由无差异曲线给出，如式( 2 6 ) ： 胖蛐2 帮式( 2 6 ) ：堕 2 2 在l t e a 中协作中继的问题 随着信息技术的快速发展、市场需求的日益增长，无线网络面临着极大的挑 战，网络容量、用户吞吐量、网络覆盖等都需要大幅改进，无线宽带接入成为研 究的热点问题。在l t e a 系统中m i m o 系统能够充分利用空时频域的特性，正 在越来越广泛的范围内使用。它采用多天线的空间分集可以大幅提高信道容量， 有效对抗衰落。通常为了保证各个天线上子数据符号流能够正常分离，天线之间 的距离要足够大( 一般要大于半个载波波长) ，以防止信号之间产生相关性。但 是在无线通信的接入部分，一般的用户终端尺寸决定了不可能使用多个天线，限 制了m i m o 的应用。协同传输应运而生，它的基本思想，就是让单天线的设备在 多用户的环境中“借用”其他设备的天线以形成一个虚拟m i m o 系统【l 们。在i e e e 8 0 2 1 6 j 标准也将协同中继作为了一项可选技术【l l 】。协同通信系统中，无线节点不 仅要收发自己的信号，还要协助其他的节点进行中继转发。进行中继的节点可以 是一个无线用户，也可以是不产生数据，专门负责转发的中继站。协同机制使参 加传输的节点增多，势必消耗更多的功率；而且参与中继的节点要负责伙伴数据 的传输，看起来会导致带宽的损失。实际上，分集使得发送节点的基线功率下降， 同时也使频谱的利用率大大提高，只要采取协同和分集技术适当，完全可以在系 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章中继技术概述 统级别上降低发射功率，提高频谱效率。 虚拟m i m o 的协同机制，需要有用户参与协同中继，虽然从系统的层面看， 协同中继有利于容量的增大和频谱利用率的提高，但是一般认为用户都是自私的， 它们不会主动牺牲自己的带宽和时隙等资源为伙伴服务，同时用户数据安全性也 是一个很难克服的问题【l2 1 。 而固定中继用户协同机制有效地解决了协同分集对用户的依赖问题。它使用 固定的中继站，通过中继之间的约定或者实时协商确定协同路径，借助中继站进 行通信的用户不知道，也无需知道是否还有其他用户存在。假设在l t e a 系统， 使用无线固定中继站，采用基站集中控制。这时中继协作通信就面临两个问题： 是否进行协作通信；进行协作通信时，在多个节点中，选择哪几个节点进行协作 通信；选中的节点采用怎样的中继方式进行协作传输。 2 2 1 选择最佳协作节点 考虑p m p 模式三跳的情形，中继站处在基站的两跳范围内，数量相对用户来 说较少，但是每个中继站下都覆盖了一定数量的用户，这些用户的信息( 如位置、 接收功率) 中继站是能够知晓的。这样，基站只简单地检测某个中继站，就可以 知道该中继与各个用户间的链路状态等信息，通过几个中继站的比较，如比较几 个中继下同一用户的接收功率，基站很容易选择出哪个( 些) 中继是到某个用户 的最佳路径。多跳网络中计算量会有所增加，但原理与此类似。如图2 2 所示。 目的用户同时处在四个中继站( 分别为3 、4 、5 、6 号) 的服务范围内，源用户通 过检测这四个中继，就可知道通过中继6 和5 的路径损耗小。 目的用户 中继7 图2 2 路由信息增强的协同中继 在这种方法中，节点不仅能够获得维护路由表所需的所有数据，还可以跟踪 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章中继技术概述 网络的拓扑，无论是链路故障，还是新增( 或撤消) 中继站而导致了拓扑变化， 都能及时做出反应，调整虚拟天线阵列，有效地改善系统性能。 2 2 2 固定协作中继方式 固定协作中继一般有两种方法：基于空分复用接入( s d m a ) 的处理；基于多 用户检测( m u d ) 的处理。在多天线中继的环境下，中继使用s d l v i a 对用户进 行检测。单天线中继环境一般使用m u d 。如果能保证码字的正交和芯片级的同步， 那么其他用户的干扰可以完全消除，否则会有较高的噪声。假设在l t e - a 中基于 s d m a 的方案处理，这时也存在两种协作方式【1 3 1 。 中继探测出第一跳的信号之后，就可以参与协同了( 可以使用离散空时编码) 。 方式一中，( 如图2 3 ) ：每个中继站检测到一个用户，利用波束成形技术，不再 接收来自其他用户的信号。在第二个时隙，中继站向基站发送信息的同时，其他 的中继也可以收到这个信息，并且在下一个时隙把它转发出去。从系统级别来看， 每个中继在第二个时隙既向基站发送信息，也接收其他中继站转发的数据，不难 看出在中继站处使用了全双工模式。 用户1 用户2 中继1 誓6 中继2 气6 时隙1 鬣6 基站 l 事、恐6 翟6 ， 中继1 鬣八、基站 6 图2 3 用户协同固定中继方式i 方式二( 如图2 4 ) ：每个中继站负责多个( 图中是两个) 用户的协同。不再 使用全双工，但是中继需要足够的处理能力来形成两个波束分别指向需要参与协 同的伙伴”。这种方法下，系统是以“预定义”的空时编码模式运行。那些中继负 责哪些节点的协同在传输之前已然确定，因此中继之间无需进行实时的交互。在 这一模式下，每个中继都认为它检测到的用户信号与协同中继站检测到的信号具 有同样的可信度，可以直接使用这些信号进行离散空时编码。此外，可以利用自 动重复请求与冗余校验来保证源节点到中继信道的可靠性，尽量避免了由于检测 到错误的数据而导致的离散空时编码错误。 9 隙 ， 寸 桃。匪 憋燃 重庆邮电大学硕士论文第二章中继技术概述 用户l 用户2 中继1 、 时隙1 中继2 6 鬣6 基站 忽 鬣6 ， 中继1 基站 中继2 鬣 时隙3 6 图2 4 用户协i 司固定中继方式2 这两种方法增加了中继站的复杂度，成本可能会比传统中继更高，但是相对 数量巨大的终端设备来说，增加少数中继站的成本无疑是更为经济的选择。系统 在一个无需激励或强迫参与的网络中运行，安全并且能够保证服务质量。用户终 端无需检测或接收其他用户的数据，从而保证了用户的隐私安全；由于协同对于 用户是透明的，也就无需激励或接纳用户参与协同。另外，固定中继用户协同在 提供服务质量的同时保证用户终端设备的简单，使路由简化，系统部署更为灵活。 2 3 本章小结 本章引入典型的性能一成本分析曲线，在系统容量和覆盖面积等性能相同的基 础上，比较传统蜂窝网和中继扩展蜂窝网，分析中继技术带来的成本效益。并讨 论了在l t e a 中协作中继存在的问题：最佳协作中继节点的选择及中继节点协作 传输算法。 1 0 重庆邮电大学硕士论文第三章协作中继节点选择算法的研究及改进 第三章协作中继节点选择算法的研究及改进 协同中继使在特定区域内只有单根天线的一些中继或终端形成了一个虚拟天 线阵，从而达到了空间分集的效果，显著提高了用户的服务质量和系统的吞吐量； 但也带来了一些技术上所固有的问题：与传统蜂窝网络相比，由于中继节点的加 入，移动台可以选择不同的中继节点集合来进行数据的转发。因此如何进行协同 中继选择将是一个首要解决的问题。其中包含候选中继节点集合的构造和协作节 点的选取两个方面。本章主要针对候选中继节点集合的构造进行研究，并分析了 如何从候选中继节点集合中选取协助传输节点。最短路径选择算法( o s p f ) 是选 择终端到基站的最短路径的中继节点作为候选集合，但是o s p f 算法只是单一的考 虑到路径的跳数或代价，而对于用户带宽没有严格的保证，同时路径选择没有考 虑到系统整体的性能。本章基于o s p f 进行改进，提出适合于基站集中控制的无线 固定中继的最佳路由选择算法( w f r r ) 。 3 1协作中继候选节点选择算法 3 1 1 无线固定中继网络参考模型 本章介绍的路由算法适用于固定中继网络，在多跳无线中继网络中，需要路 由算法有效的提高无线资源利用率，有效的管理终端到核心网间链路的负载。多 跳中继网络同a dh o e 网络一样，都支持多跳传输。但是两种网络适用的情况非常 不同，所以他们的路由算法也有很大的区别。无线中继网络有固定的网络拓扑结 构，而拓扑结构的改变主要是由于中继节点失效，因此可以认为这种情况发生的 概率比较小。同时网络状态信息的分发与有线网络一样不会有很大的代价。所以 可以使用集中控制路由算法。最后，固定中继节点能量消耗在无线中继网络中不 是一个考虑的问题。 通过以上分析发现多跳中继网络非常类似多物网络流问题( m u l t i c o m m o d i t y f l o wp r o b l e m ) 且p 网络由多个节点和边组成，每条连接就是一条具有有限承载能力 的物流链路。所以现在的目的就是使网络通过有限承载链路容量最大。同有线网 络不同，无线网络不能够为每一条连接都赋予一个承载力，因为无线链路之间可 能存在相互干扰，或中继站不具备同时接收和发送的能力，导致链路不能同时平 行传输。 现构造这样一个图g = ( v ，e ) ，包含有n 个节点，分别代表无线中继站， 重庆邮电大学硕士论文第三章协作中继节点选择算法的研究及改进 矿= 1 ，2 ， ，m 条边( i ，j ) 表示中继站在覆盖范围内相互连接。现在考虑k 对 顶点( ，t 七) ，k = 1 ，2 ，k 对应图上k 对物流，起点为，终点为t 。每条物流k 也可以引入以下变量： 石0 = 物流k 从i 至l j j 的传输单元； = 物流k 从s 七到f 的可用总传输单元； z ，j = 彳二= 从i 到j 的总传输单元。 对于每个节点1 1 ，定义以下集合： 么( 厅) = i s v l ( n ，) e 曰( ，1 ) = j v 1 0 ，n ) e 其中彳( 刀) 表示节点n 可以直接传送到的节点的集合，而b ( 玎) 表示可以直接到 达节点n 的节点的集合。路由的目的是使从源节点到端节点的传输量最大化。现 引入一个参数仅表示网络中使用传输量与总传输量，七的比率。所以现在目标是找 最优化0 【，表示为仅，因此目标就是在给定的k 个物流中，对于每个物流从起点， 到终点t 七找到输送单元为a f 。所以0 【就是满足下式的a 值。 rk1 m a x 罗a * f 式( 3 1 ) i 石j 对于每个物流同样要满足以下恒等式和非负性： f 卵i f ，= 阼 心一危= 羽矿，= 疗 斥刖帕脚佃 10 屯0 f o ra l l ( i ，j ) e 0 【0 ，1 】 式( 3 2 ) 式( 3 3 ) 式( 3 4 ) 式( 3 2 )