（通信与信息系统专业论文）固定中继在无线小区中的性能分析与仿真.pdf

浙江人学硕十学位论文y6 8 9 2 0 6 摘要 随着当代社会信息化的不断深入和信息科技的飞速发展，无线通信技术在通信的 质量、 速率及信道容量方面获得了极大的提高。 然而近年来，随着通信数据量的增大， 人们发现当前的无线通信业务已经难以满足越来越高的通信需求。但是，现有的通信 技术已经很难再有提高的空间，通信带宽的限制、信号在传播中的功率衰减以及各种 干扰和噪声的存在都严重制约着无线通信的进一步发展。针对这样的需求矛盾，近年 来提出了若干的新技术，而多跳技术作为一种能极大提高通信质量的新技术吸引了业 界越来越多的注意。 多跳技术的根本思想是通过无线小区中若干节点间对信号的转发来完成整个通信 过程。到目 前为止， 这种技术经历了 两个发展的阶段: 第 一 个阶段是点对点中继阶段， 在这一阶段的研究中，要求用户的设备不但能接收信号，而且能转发信号;第二个阶 段是固定中继阶段，其基本思想是在小区中增加若干具有特定功能的固定中继器来专 用于信号的转发。 本文介绍了具有固定中继的无线小区系统的构造、中继信道的划分方案以及几种 中继选择算法，定性分析了这几种中继选择算法的性能，并在此基础上，提出一种简 化动态的中继选择算法的途径。随后，将通过仿真结果列举这a种中继选择算法对系 统性能的增益，证明采用不同中继选择算法为系统带来的增益也各有不同，并且无论 采用哪 一 种中继选择算法，固定中继系统都比当前的无中继系统在性能上有极大的提 高;同时，本文还通过比较简化的中继选择算法和相应的原算法的仿真结果，说明简 化算法减少了实现的复杂度、降低了通信损耗，而在性能 l 只是稍逊于原算法。 最后， 总结全文的研究结果，并提出一些未来的研究方向。 关键词:固定中继 数字中继 无线通信中继选择算法 浙江人学硕士学位论文 ab s t r a c t a s r a p i d ly d e v e l o p i n g , n o w a d a y s o u r s o c i e t y d e p e n d s d e e p l y o n i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y . t h u s w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y a c h i e v e d a g r e a t i m p r o v e m e n t o n a s p e c t s s u c h a s c o m m u n i c a t i o n q u a l i t y , d a t a r a t e a n d c h a n n e l c a p a c it y . h o w e v e r , t h e r e s a s t r o n g d e s i r e f o r l a r g e a m o u n t o f d a t a t r a n s m i tt i n g , r e c e n t l y . c u r r e n t w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s e r v i c e s a r e g e t t i n g m o r e a n d m o r e d i ff i c u lt t o s a t i s f y t h e c o m m u n i c a t i o n d e m a n d s . a n y w a y , t r a d i t i o n a l c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y i s h a r d l y i m p r o v e d , s i n c e t h e l i m i t s o f b a n d w i d t h , s i g n a l a t t e n u a t i o n w h i l e p r o p a g a t i o n , i n t e r f e r e n c e s a n d n o i s e s . t o d e a l w i t h a l l t h e s e l i m i t a t i o n , s e v e r a l n o v e l t e c h n o l o g i e s a r e p r o p o s e d l a s t d e c a d e , a m o n g w h i c h mu l t i - h o p t e c h n o l o g y a t t r a c t s m o r e a n d m o re a t t e n t i o n s , f o r i t s a n e w t e c h n o l o g y t h a t i s a b l e t o i n c r e a s e t h e q u a l i t y o f c o mmu n i c a t i o n . mu l t i - h o p c o m p l e t e s a w h o l e c o m m u n i c a t i o n v i a t h e s i g n a l r e l a y i n g u s in g s o m e n o d e s i n t h e w i r e l e s s c e l l s . i t i s a n o n - g o i n g r e s e a r c h a n d i s c a r r i e d o u t i n p h a s e s . p h a s e 1 c o n c e rn s p e e r - t o - p e e r r e l a y i n g . i n t h i s p h a s e , t h e u s e r - e q u i p m e n t s c a n n o t o n l y r e c e i v e s i g n a l s , b u t a l s o r e l a y t h e s i g n a l s f o r o t h e r e q u i p m e n t s . p h as e 2 i s a b o u t t h e f i x e d r e l a y s , f i x e d r e l a y s a r e l o c a t e d i n c e rt a i n p o s i t i o n s o f t h e c e l l s f o r t h e p u r p o s e o f r e la y i n g s i g n a l s . t h i s t h e s i s i n t r o d u c e s t h e i n fr as t r u c t u r e o f a t y p e o f w ire l e s s - c e l l s y s t e m w i t h f i x e d r e l a y s , p r e s e n t i n g i t s r e l a y i n g c h a n n e l p a r t i t i o n s c h e m e a n d s e v e r a l r e l a y s e l e c t i o n a l g o r i t h m s a s w e ll . a l s o t h e p e r f o r m a n c e s o f t h e r e l a y s e l e c t i o n a l g o r it h m s a r e q u a l i t a t i v e l y a n a l y z e d , a n d f u r th e r m o r e , a n a p p r o a c h t o s i m p l i f y t h e a l g o r i t h m s i s p r o p o s e d . t h e n , s i m u la t i o n r e s u l t s a r e g i v e n o u t , w h i c h a r e u s e d t o p r o v e t h a t , d i ff e r e n t r e l a y s e l e c t i o n a l g o r i t h m s b r i n g d i ff e r e n t p e r f o r m a n c e s , a n d i l l u s t r a t e t h e e n h a n c e m e n t w h i c h th e r e l a y s e l e c t io n a l g o r i t h m s i n t r o d u c e d i n t h e s y s t e m a r e a p p a r e n t l y , c o m p a r i n g t o t h e n o r e l a y c e l l s . me a n w h i le , t h r o u g h c o m p a r i n g t h e r e s u l t s o f s i m p l i f i e d a l g o r i t h m s a n d t h e c o r r e s p o n d i n g o r i g i n a l a l g o r i t h m s , t h i s t h e s i s p r o v e s t h e f a c t t h a t t h e s i m p l i f i e d a lg o r i t h m s a r e m o r e e a s i l y t o r e a l i z e w i th l e s s s i g n a l i n g o v e r h e a d s , y e t o n l y a l i tt l e b i t in e f f i c i e n t t h a n t h e o r i g i n a l a lg o r i t h m s . a t t h e e n d o f t h i s t h e s i s , w e d r a w t h e c o n c l u s i o n s a n d s u g g e s t s e v e r a l f u t u r e r e s e a r c h e s . k e y w o r d s : f ix e d r e l a y i n g , d i g it a l r e l a y , w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n , r e l a y s e l e c t i o n a l g o r i t h m 一一一一一一些里竺lf: 堕一 f z 第一章绪论 自 通信科学诞生以来特别是以电子技术和信息技术为标志的第三次技术革命 以来人们对通信技术的依赖程度越来越大，对通信的质量、速率以及信道容量的 要求也越来越高，现代社会的高速进步为通信技术的发展提供了强大的推动力。其中 无线通信作为通信技术中的重要组成部分，其爆炸式的发展速度已经超过了传统的有 线通信，甚至有人提出了全面无线化的口号。 然而，带宽的限制、信号传播时的功率衰减、噪声和干扰以及多径问题的影响却 严重制约着无线通信业务的进一步发展。近几年来，新兴的智能天线技术 ( s m a rt a n t e n n a t e c h n o l o g i e s ，详见文献 9 1 . 1 5 1 ) 、多输入多输出技术 ( m u l t ip l e - i n p u t - m u l ti p l e - o u t p u t , m i m o ， 详见文献 1 8 1 , 3 2 1 ) 和多 跳 ( m u l t i - h o p , 详见文献 1 1 , 2 0 1 , 2 9 1 )技术的发展则为这些问题的解决提供了新的途径，本文 中所介绍的拥有固定中继的无线小区系统就是多跳技术的一个重要应用实例。 1 . 1研究背景 现代的无线小区网络并不仅仅被要求为用户提供高质量的话音服务，同时还被要 求提供数量庞大的数据传输服务，例如无线互联网、多媒体服务、文件传送和下载服 务等。这些服务导致了对未来无线小区网络的新的需求更大的数据吞吐量和更高 的数据速率范围，但遗憾的是，传统的无线小区网络并不能提供足够高的信号与干扰 和噪声之比 ( s i g n a l t o i n t e r f e r e n c e a n d n o i s e r a t i o , s i n r )以 满足这些新的 要求。 如果未来的4 g无线网络是纯粹地基于传统的无线网络的体系结构而建立起来的， 那么它将遭遇两个理论上的难题:第一，未来的4 g无线网络的传输速率比3 g的无线 网 络 更高 ， 而 众 所 周 知的 ， 因 为s i n r 与 传 输 速 率 是 成 反比 例的( 当 发 送 信号 的 功 率君 是常 数的 时 候， 如 果 增 大 传 输 速 率， 则 每比 特的 能 量e b 相 应 地减 少。 而 噪 声 谱 密 度戈 也 是一 个常 数， 那么凡/ 从也 会相应 减少， 导 致s inr减少) ， 这 样4 g无线网 络势必 对接收终端的s inr产生不利的影响;第二，分配给4 g网络的带宽会大大高于3 g网 络所使用的2 g h z ， 而根据本文后面所描述的电磁波信号传输模型， 在如此大的带宽范 围内运行，将使得接收到的信号在传播途中被极大地衰减。 对于上述的这些困难，可以通过采用干扰消除算法或者智能天线技术来解决，例 如使用多输入多输出技术，或者自 适应天线技术来有效地分发和收集信号。但是，这 些技术只能在某种程度上解决这些问题，因为即使是最先进的天线，在严重的遮蔽 浙江大学硕士学位论文 ( s h a d o w i n g ) 效果下也不能在网 络中正常工作。 为了解决终端接收的信号的s i n r太低的问题， 可以缩短基站与用户设备之间的通 信链路一一也就是说通过增加基站的数量或者缩小无线小区的面积来解决。皮蜂窝 ( p i c o - c e l l ) 和微蜂窝 ( m i c r o - c e l l )的基本构架就是基站更加密集的例子之一。但是， 这些方法都不是理想的解决方案，理由只有一个:成本太高，目前增加基站密度的方 案，其成木仍然在社会的承受范围之外。 缩短通信链路的一个新颖的方案就是多跳技术，或者也可以称作中继技术 ( r e l a y i n g t e c h n o l o g y ) 。这在减少成本方面是一种行之有效的途径，因为在本文中所 介绍的中继， 在功能上要比基站简单得多。 中继技术的大致原理是这样的: 所谓的“ 中 继”就是在无线小区中所引人的一种新的网络元素，它们所承担的工作就是在基站和 用户设备之间转发信号，也就是说是一种信号转发设备。信号的中继机制是双向的: 可以从基站到用户设备，也可以从用户设备到基站。这在很大程度辅助了基站和用户 设备之间的信号传输，并且能够保证功率更强、更加稳定地接收信号，特别是对于那 些在小区的边缘上的用户设备。因此，这种技术也能以这样的方式全面地提高系统的 吞吐量。 1 . 2多跳系统的发展概述 无线通信经过近十年的快速发展，己经渐趋成熟，但是目前大多数的无线服务系 统仍然是基于一 种单 跳( s i n g l e - h o p ) 的 小区结 构 这意味 着基站 和用户设备 之间的 信息交换只能 包含一次信号的 传输。 如图1 - 1 ( a ) 所示， 无论是同处于a小区中的2 , 3 用户之间，还是分别处于 a小区和 b小区中的 1 , 4 用户之间，它们相互通信时，发 送的 信号 在每 个小 区内 都只能 有一次“ 跳动 ( h o p ) ， 即 信源一 基站 一 信宿。 在这 种单跳 的系统环境下，服务提供商必须建立这样一种基本构架，用数量庞大的固定基站或者 访问节点来环绕整个的服务区域。而为了支持更多的连接，小区中的单个基站所能覆 盖的区域就需要向内收缩，这样整个服务区域中所需要的基站数量就增加了。这种现 象导致了几个必然的后果:第一，需要大量的支出以建设数量巨大的基站;第二，总 的吞吐量将被一个区域中的小区数量所限制;第三，用户设备的大功率消耗与基站有 着同 样的传输范围， 而不会随着功率的增加而增加。 其中， 第一和第二点是相关联的， 如果需要增大一个地理区域的吞吐量，就必须在这个区域上建立更多的基站。 在有些小区网络中，使用一些模拟的重发器来将提供的服务范围扩展到孔洞地形 中 ( 例如隧道、 地铁站等) 。近来，人们发现了小区多跳网络在覆盖区域内提供高速数 1k 速率方面的巨大潜力 ( 详见文献 【 1 6 1 , 1 1 9 1 , 2 3 1 ) ,所以当前无论是在学术界还 是 业界， 对这个方面的研究都存在着浓厚的兴趣。如图 1 - 1 ( b ) 所示就是一个普通的多 浙江大学硕士学位论文 跳系统。同样分别是用户1 与用户4 、 用户2 与用户3 通信的情况下， 信号在a , b小 区内都经过了多次跳动才到达目的用户。人们通过不同的角度研究了多跳中继技术在 小区网络中如何提高系统的吞吐量和高速数据速率的范围这个问题。这方面的研究正 在不断进行中，并被分成若干个阶段来实施。 1 - 1 ( a ) 单跳系统 1 - 1 曲 多跳系统 第一阶段的 研究工作是关于数字的点对点 ( p e e r - t o - p e e r )中继的， 这可以说是一 种移动的中继技术。在点对点的中继过程中，任何能够从基站接收到足够功率信号的 用户设备，都可以为其他只能从基站接收到低功率信号的用户设备转发信号。 在这项 研究中，中继信道 ( 中继器用来发送信号到用户设备的信道)是通过重用已经使用过 的、 在同一个小区簇 ( c l u s t e r )中的相邻小区的信道而得到的;同时， 在此研究中将一 个满载的小区t d ma系统作为网络环境， 将正方形小区和全方向的天线也考虑到这个 网络环境中:更特别的是，在这个阶段的研究中还研究了两种类型的系统噪声受 限 ( n o i s e - l i m i t e d )系统和干扰受限 ( i n t e r f e r e n c e - l i m i t e d )系统。为了更好地管理无线 资源，人们还研究了多中继选择方案、中继信道选择方案、中继功率选择方案和中继 功率控制方案。总的来说，仿真的结果显示，相对于没有采用中继技术的情况而言， 可以 通过采用这种类型的移动数字中继技术来实现更好的性能。当无线小区中的用户 设备数量增加的时候，点对点的中继技术可以提供更加优秀的性能结果。除此之外， 一个采用点对点中继技术的网络对于中继的选择方案是异常敏感的，而对于中继信道 的选择方案则不是非常敏感。不同的中继选择标准可以使得系统的性能产生很大的差 异。而相反地，如果假设中继已经被合理地选择，那么因中继信道选择标准的不同而 产生的性能上的差异则不是非常明显。另外，仿真结果指出，功率控制技术可以进一 步提高增加的系统性能，特别是区域较小的小区系统更是如此。在较大的小区中，中 继传输能量越高，则可以达到的系统性能也就越好;而另一方面，在较小的小区中， 大部分可以达到的性能指标都可以通过相对较低的中继传输功率来达到。这个阶段的 研究的一个重要的结论就是:点对点的中继技术可以 在用户设备的电源较小的情况 卜 得以实现。 当前正在进行的第三阶段的研究都集中在 “ 固定的”中继技术上。更明确地说， 第二阶段的研究内容主要围绕着两个类型的中继技术来进行的:模拟的固定中继技术 浙江大学硕士学位论文 和数字的固定中继技术。模拟中继和固定中继技术之间最主要的不同之处在于:模拟 中继只简单地放大整个接收到的信号，并将之发送出去;而数字中继则会在再次发送 之前将接收到的信号进行解码、重编码，以保证发送出去的只包含有用信号而没有噪 声。由于在模拟中继中信号只是被简单地放大转发，而在数字中继中，信号经历了解 码、编码这个重新生成的过程，所以 在某些文献中，这两种中继也分别被称作 “ 不可 再生中继”和 “ 可再生中继” ，或者 “ 放大一转发中继”和 “ 解码一编码中继，o 模拟中继与数字中继各有的优缺点。模拟中继能够达到更高的通信速率，但传输 的信号的信噪比较低。而数字中继则恰好相反。具体来说，本文所描述的固定数字中 继器有以下一些特点: . 它们是用交流电来驱动的，并且可以直接接入到输电线中。 所以这些中继器都不需 要电池一类的电源来供电， 并且没有在工作时的能量限制。 相对于点对点中继技术 中必须用额外的电池功率来支持移动中继的功能来说，这是一个极大的优势。 . 固定数字中继器不需要任何电缆线以接入互联网， 而相反， wl a n技术则需要有线 接入互联网。 所以就成本这方面来说，固定中继技术也有很大的优势，因为固定的 互联网电缆线的连接是昂贵的。 . 众所周知，设备的成本随着发送功率的增大而迅速增加。与基站这种发送大功率信 号的设备相比，中继器的发送功率只与用户设备在一个档次上， 这也使得中继器是 一种低成本的设备。 今 固定数字中继对布置的地点并不挑剔， 它们可以布置得比基站的位置更低可以 灵活地布置在山顶，甚至是灯柱的顶端所以也没必要专门为中继建立发射塔， 进而节省成本。 . 中继器是一种耐用的、 制造较为粗糙的设备。 在特定要求的环境下，它们甚至能够 承受严酷的天气条件。 在本文中所提到的固定中继，除特殊说明外，一律指数字中继。 在4 g无线网络中， 最基本的要求是提供高速数据速率的覆盖率和吞吐量。 对用户 的设备来说，不仅仅是需要接收和发送音频信号，在诸如访问互联网和文件下载的时 候，还需要接收和发送大数据量的数据包，而这些操作对系统的吞吐量是有着很高的 要求的，这也正是很多系统将吞吐量 ( 平均频谱效率，见文献 【 2 7 )作为其最主要的 j性能指标之一的原因。为了取得更好的吞吐量结果，在本文中将采用自 适应调制编码 ( a d a p t i v e m o d u l a t i o n a n d c o d i n g )技术来提高系统的性能。在文献 5 和 6 中指 出，采用自 适应的调制编码技术将有效地提高小区系统的吞吐量。 浙江大学硕士学位论文 1 . 3固定中继的优势 前述的 “ 点对点中继技术”其实质是利用无线小区中多个用户的移动设备来作为 中继器，使信号除了在基站和用户之间外，还可以在用户设备之间进行交互。这种技 术无论是在理论上还是仿真、试验中都被证明能够提高小区系统的性能。再结合诸如 分集接收、功率控制等无线技术，系统的性能还能够得到进一步的提高。但是，这种 技术本身也有着不小的缺陷， 使得其在实际的应用方面存在着一些困难， 这也就为“ 固 定中继技术”的出现和发展提供了的原因和动机。 具体来说，点对点中继技术主要存在着以下这些缺点: 今 在点对点中继的小区中，用户的设备不管是否必要，都需要充当中继器的角色，所 以相对于传统的设备来说， 必须具有一些附加的硬件和软件装置， 这就导致了设备 成本的提高。 最近也提出了另一种折中的方案将用户设备分为两类， 只有具有 中继功能的设备才能进行这种多跳的应用。 但这种方案仍然没有完全解决点对点中 继技术的以下缺陷，并且实现起来更加的复杂，所以在实际中仍然很难得到推广。 . 当一个小区中的用户密度很低的时候， 也就是说移动中继的数量很少的时候， 整个 系统的性能增量也就受到了限制。在最坏的情况下 ( 小区只有一个用户) ，整个系 统将退化为传统的 “ 无中继”系统。 . 因为中继是移动的， 在基站和用户设备之间无法指定一个不变的信道， 这使得在系 统的运作中很可能产生频繁的频率迁移和信道转换， 这将增加系统的复杂度和不稳 定性。 今 用户设备在转发其他用户的信号时， 会消耗额外的功率， 这就增加了对设备电池的 消耗， 使得用户的设备在担当中继的角色时，很多时候会显得力不从心。 在当前高 能电池技术仍然没有重大突破的情况下， 移动设备能量的限制仍然是其发展的主要 瓶颈之一。 令 由于 用户接收到的信号可能是通过别的用户设备转发而来的， 这为信号的安全保密 方面带来了巨大的隐患。 通过在无线小区中添加若干数量的固定中继器，就能在很大地程度上解决这些问 题，这也正是固定中继技术相对于点对点中继技术的优势所在。针对上面所提到的这 些问题，在固定中继技术下 逐条分析如下: . 由于在小区中只有固定的中继器能够转发信号，所以对用户设备并没有特别的要 求。 在后面章节将介绍的 “ 基于距离的中继选择算法”中，其距离的测量需要 g p s ( g l o b a l p o s it i o n i n g s y s t e m)系统的辅助 ( 详见文献 2 1 1 , 2 2 ) ，但这也只是对 浙江大学硕士学位论文 基站而言，用户的设备并不需要增加任何附加的软、硬件来配合g p s 系统。 今 因为无线小区中总存在固定的中继器， 所以用户设备在必要时也总能找到一个合适 的中继器来中继信号口 一般来说固定中继在小区中的分步总是均匀的，以 使小区中 的用户设备不论在何处都能得到固定中继的辅助。 从这个角度来看，固定中继技术 是点对点中继技术和传统单跳技术的一个折中。 . 固定中继可以布置在易于接收到基站发送的信号的位置，由于其位置的固定， 所以 可以采用固定的中继信道，从而避免了频繁的频率迁移和信道转换。 . 如前面所述， 用户设备无需增加附加的装置， 所以在功率消耗方面也没有额外的损 耗，对移动设备来说，这是固定中继相当重要的一个优势。 今 固定中继作为小区系统中的一种组成元素， 可以很好地保证其管理的效率和信息的 安全。 固定中继器最基本的功能就是接收和转发在基站和用户设备之间的信号。正因为 如此，这些中继器与基站比起来是相对较为简单的设备，只是比用户设备 ( 相对于通 信部分来说)复杂一点，这使得它们在制造上也较为简单，并且与当前提出的，为了 增长系统吞吐量而采用的方法 ( 例如增加新的小区站点或扇形天线等)来说，建设时 间也较短。 1 一 本文的主要工作与篇章结构 本文的主要工作是在己有的中继选择算法的基础上，提出一种基于接收信号功率 的算法以及对几种动态的中继选择算法进行简化，然后通过分析和仿真，列出并分析 所有中继选择算法包括相应的简化中继选择算法的性能。 余下部分的章节，主要是按以下内容来安排的:在第二章中，提出所研究和采用 的信号传输模型与整个小区模型，详细叙述了小区中固定中继的安排和一些性能的分 析和计算;然后会提出一个四小区簇的系统，给出近年来的一些研究成果，包括信道 划分方案和中继选择算法， 在这里本文会提出一种简化的中继选择算法，并作定性分 析。第三章，本文会建立一个系统性能的仿真模型，详细给出仿真时的各项配置参数 和算法。在第四章中，将会给出仿真的结果，在比较各种结果的同时，作一定的分析 和说明。第五章将会总结前面章节所得出的结论，并对更深入的研究方面提出一点看 法。 浙江人学硕士学位论文 第二章具有固定中继的小区模型 在这一章中，将详细介绍具有固定数字中继的小区模型。在章节的开始部分将介 绍基本信号的传输模型和一种自 适应调制编码技术，然后会详细介绍本文所要分析和 仿真的小区系统的设计方案，包括固定中继在小区中的位置、固定中继的信道分配方 案和选择算法，以及小区、小区簇的系统环境。 本章最重要的内容在于介绍通信中的中继选择算法，除了介绍已有的三种中继选 择算法基于距离的中继选择算法、 基于路径衰落的中继选择算法和基于s i n r的中 继选择算法之外，还提出一种简化中继选择算法的方法。 在后面的仿真结果中可 以看出，这种简化算法比己有的算法更加简便易行，需要的通信损耗 ( s i g n a l i n g o v e r h e a d s )也更小 ( 这里的通信损耗指为保证通信的正常进行而需要占 用的资源和经 历的操作步骤) ， 但就效果来说对整个系统的性能并没有很大影响， 其平均频谱效率与 前三种原算法相比，只略为降低。 2 . 1传输模型 无线通信中信号的传输模型十分复杂。简单起见，本文将只考虑路径衰耗、遮蔽 和多径衰减几种因素。 通常情况下，不考虑其他诸如地形、干扰等随机因素的影响，接收到的信号的功 率与信源和信宿之间的距离的n 次方呈反比例， 这里的n 一般取2 -5 的常数， 具体的 取值与无线通信中的各种通信环境有关，表示为: _， _ ，_ 、 尸 r , =入( ! ) 一丁 d ( 2 - 1 ) 这其中p 表示 接收到的 信号的 功率，k是载波 频率f 的函 数， 它与 传输天 线和接 收 天 线的 增 益 有关， 大 多 数 情况 下， 都 将它当 作是 一 个 传 输的 常 数， 君 表示 信 号的 发 送功率，而d 则表示信源与信宿之间的距离。 2 . 1 . 1路径衰耗 路径衰耗就是指随着距离的增加而使得信号的功率随之衰减的现象，可以说在无 线传播模型中，这是最基本的 一 种影响。路径衰耗可以采用文献 【 2 1的2 . 1 节中的模 型来描述，其描述公式如下: 浙江人学硕士学位论文 ( 4 二 d . f 、 ， (d丫 t l= 一i ! 又 c)又 d o ) ( 2 - 2 ) 其中的。 表示光 速， f 表 示载波频率， 姚是参 考距离， 在本文中 取姚= 1 0 m, d 与 在( 2 - 1 ) 式中的意义相同。 ( 2 - 1 ) 式只是一种理想条件下，只考虑了路径衰耗的 近似结果，除此之外，信号在 传输过程中 还存在各种各样的衰减和损耗。 在本文中，除了 ( 2 - 2 ) 所表示的路径衰耗之 外，还考虑另外两种衰减因素的影响，分别是 “ 遮蔽 ( s h a d o w i n g ) ”和 “ 多径衰减 ( m u l t i p a t h f a d i n g ) 。 一 般来说， 除了 路 径衰耗之外， 接收 信号 还存 在大范围 和小 范围 ( l a r g e - s c a l e a n d s m a l l - s c a l e )的变异，但通常可以将这些变异分别用上述的两种衰减 方式进行描述 2 . 1 . 2遮蔽 遮蔽指的是信号在传输的过程中，受地形和其他物体的阻碍，使得功率发生衰减 的现象。根据文献 【 1 0 】中2 . 2 .3 节的内容，遮蔽对接收信号功率的衰减可以用d b的 方式描述为如下的公式: l ( d b ) 二a , , ( d b ) + l , ( d b ) + u , ( d b ) g( 0 , 1 )( 2 - 3 ) l - , , ( d b) 其 中 a 、 表 示 参 考 中 值 的 额 外 衰 减 或 地 形 造 成 的 损 耗， 气表 示自 由 空 间 损 耗 ， g ( 0 , 1 ) 是 一个 零均 值、 单位方差的 高 斯随 机变 量， 而q i 则是一个常 数， 典 型的 取值一 般是8 - i o d b. ( 2 - 3 ) 式是以d b的方式表达的遮蔽，改写成普通的表达式如下: l 一 l ur ed 。 “ 。 ，) = 气 。 . 1 0 1/10 g (0 ，) = l - d e 6, , g (0 ,1) (2 -4 ) 6 其中的6=1 0 1 0 刀=i n 1 0 . 0 .2 3 。从( 2 - 4 ) 式可以 看出， 遮蔽对接收信号功率的影响可 以被看作是一个对数正态分步的随机变量。 2 . 1 . 3多径衰减 信号在传播中会受到各种物体的反射、折射和衍射，因而会通过不同的传播路径 浙江大学硕士学位论文 抵达目的地，但先后抵达的信号分量在相位上会产生差异，叠加的结果导致系统性能 恶化，这就是多径衰减的原因。对无线传播信道中多径衰减的分析在文献 【 1 1 7中有 比较详细的介绍，但本文将采用文献 【 2 】中2 . 1 节的结果，使用一种简化的多径衰减 模型。多径衰减对信号功率的 影响可以 使用下面的 ( 2 - 5 ) 式来表示: f ,- g (0 1) + g 22 (0 1) 2 ( 2 - 5 ) 其中的g , 和g , 分别是独立同分布的零均值、单位方差的高斯随机变量。 从( 2 - 5 ) 式可以 看出， 这里所采用的多径衰减模型对信号的影响f 属于了( 2 ) 分布的 随机变量 ( 关于% ( n ) 分步请参看文献【 1 2 】的6 .2节) ， 通过简单的计算可以 得到其 均值和方差:e f = 1 ，d f = 2 . 2 . 1 . 4接收信号功率 综合上述三种衰减的结果， 可以 使用下面的 ( 2 - 6 ) 式来表示接收信号的功率 p = 二g 三 , f 尸乙 l ( 2 - 6 ) 上 式中 的p , 与p , 分 别 表 示 信号 的 接收 功率 和发 送 功 率， g , 和g分 别 表 示 接收 天线 和 发送天线的增益， p l表示路径衰耗，l 表示遮蔽的衰减，f表示多径衰减的影响。 自适应调制编码 无线通信中的信道是时变信道，信道环境时好时坏，这对发送信号的功率要求较 因为如果发送信号的功率太低，在相当大的时间范围内将因为无法得到所要求的 2， 2.高 信噪比而使信号 无法发送，导致系统性能下降;而另一方面，如果发送信号的功率太 高， 信噪比远远超出所需，不但会造成相互间的干扰，还会造成不必要的浪费。当前， 有两种技术可以解决这一矛盾，分别是功率控制技术和自 适应调制编码技术 ( 当然也 可以是这两种技术的结合) 。 功率控制技术是通过跟踪信道环境的变化，根据当前信道环境的优劣来动态分配 发送功率，使得接收信号的信噪比尽量保持为一 个常数，以适应仅有的一种编码方式 的需要。( 详见文献 1 7 1 , 1 1 6 1 , 1 1 9 1 ) 浙江大学硕十学位论文 而自 适应调制编码技术则相反，它并不要求在不同时刻信噪比都保持一致 根据当前信道环境能够达到的信噪比来决定采用何种编码方式。 ( 详见文献 7 1 , 1 7 1 ) ，而是 【 1 3 1 , 这两种技术各有优点。功率控制技术能够保证数据传输速率的稳定，并降低信号 相互之间的千扰。而自 适应调制编码技术则能保证在稳定的发送功率的条件下，最大 限度地利用信道的时变环境，达到最大的数据传输速率，也就是说在信道环境好的条 件下，采用数据速率高的编码方式，反之，则采用数据速率低的编码方式。这两种技 术都能极大地提高系统的吞吐量。 在文献 6 1中比较全面地介绍了自 适应调制编码技术，分析并仿真了采用这种技 术后的系统性能，并得出了这样的结论:自 适应调制编码技术对系统吞吐量的提高非 常有效，与采用功率控制技术的系统比较起来，性能非常接近。基于这样的结果，在 本文所介绍的无线小区的模型仿真中，将采用自 适应调制编码技术，而不会采用功率 控制技术。 基于带宽效率的考虑， 本文中的自 适应调制编码技术的编码方案将采用文献【 1 3 1 , 2 4 1 中所介绍的“ 码交织编码调制技术 ( b i t - i n t e r l e a v e d c o d e d mo d u l a t i o n , b i c m) o 码交织编码调制技术基本上是由三个部分的内容组成，分别是二进制纠错编码、比特 交织和高阶调制。其基本的运作方式是将待调制的比特进行交织和编码，并通过格雷 映射或半格雷映射方法将这些比特映射到一个特定的星座图中。 在文献 【 1 3 1中指出， 码交织编码调制技术在高数据速率和衰减信道的环境下能够大大提高系统性能，并且 在文献中证明了这种技术是一种简单并且有效的调制技术，特别是在最佳误码率的性 能标准下更是如此。在本文后面的部分，将直接利用由此所取得的结果来进行模拟与 仿真， 采用的调制方式有三种: q p s k , 1 6 - q a m和6 4 - q a m ( 详见文献 8 1 , 2 5 1 ) , 每 种调 制方式分 别考 虑五 种数据 速率:1 / 2 , 2 / 3 , 3 / 4 , 7 / 8 和1 ( s y m b o l / s ) o 图 2 - 1显示了每种调制方式的误码率随信噪比所变化的示意图，其中的数据是根 据文献 【 1 3 1 所介绍的方式所计算得到的，结果在文献 【 2 】中给出。可以看出，在保 证一定的误码率的条件下，编码方式的选择取决于信噪比。例如，当要求的误码率为 1 0 - 5 ， 信噪比为i o d b的时候， 选择码率为1 / 2 s y m b o l / s 的1 6 - q a m编码方式。 从图2 - 1 中可以看出， 在信噪比为i o d b时，这种调制方式能够达到误码率为1 0 - ， 的要求，并且 在所有满足条件的编码方式中，通信速率是最高的。 浙江大学硕士学位论文 码码之码码案 m.叭码叭城码 翻御陇伪伽抓 曰能0沙花q 器 季 龙阳月八 j:7妇:3旧再 月寒案口东左:3 装念 ，二漆二醉二 几穿口 下2队乃魂曰 安: z 幼幼。滩尹 +十分令令9丹仑曰告吞全辛个 、片八派 卜钾飞卿、 6 4 -oa m码本 1 6 - q a m , 码牟 q p s k码辛 : 6 4 1 二 口 m , 码牟 法 16 - o a m , w z .q p s r a # .铃瓜狱州 、贝二洲 、人今八翔 份介消 冰白飞:月 、补丫 甘抓六气 沃 浑诊v?v州 卜司节.、浅 卜.击王、 l宁几.注 白只琐 、户贝心 、jl闷朋 卜:士 4确 0o ，误码率、 黄 卜个尧饰曰户介份份介介甘 :、1粉二八 卜、口卜欠人 气 丫二当j.| 粉干译n 卜、汉中确 午、.、 卜1丫 几、十、! 卜.下口、 ，. 卜f、 信嗓比( d b ) 图2 - 1各种码率的调制方式在不同信噪比 的误码率曲线 图2 - 1 所显示的结果， 是在加性高斯白噪声 ( a d d i t i v e w h i t e g a u s s i a n n o i s e ) 信道的 条件下得到的，也就是说，在本文中所考虑的信道中的噪声和干扰具有高斯分布的特 性。当然，在模拟仿真中，也会考虑信道中遮蔽和瑞利衰减对信号的影响。在后面的 仿真结果中， 每一次的结果都是采用大量重复运算 ( 每个小区簇计算n x u x 1 0 0 0 次， 其中n 表示小区簇中小区的个数，之 了 表示小区中的用户数)的平均值，以消除结果中遮 蔽和衰减所带来的随机性。这样，在得到信噪比之后，我们仍然可以使用图2 - 1 所示的 曲线来计算系统的吞吐量。 表2 - 1 描述了各种码率的编码方式与信噪比的关系。 1 0 - , ，故每 一 种编码方式都有一个对应的最低信噪比， 因为本文规定误码率必须低于 采用这种编码方式的唯一要求 就是信道的信噪比必须大于或等于这个最低信噪比。表中的结果将用于整个小区模型 的建立及后面的仿真。 浙江大学硕十学位论文 表 2 - 1 各 种 码 率 的 编 码 方 式 与 信 噪比 的 关 系( 误 码 率 为1 0 - 1 ) 编码方式 码率 ( s y m b o l / s ) 最低信噪比 ( d b) 频谱效率 ( b i t / s / h z ) q p s k 1 / 2 41 q p s k 2 / 36 4 / 3 q p s k 3 / 4 6 . 8 3 / 2 q p s k 7 / 8 7 . 8 7 / 4 1 6 - q a m 1 / 2 1 02 1 6 - q a m 2 / 3 1 2 8 / 3 q p s k( 未采用) 1 1 2 . 5 2 1 6 - q a m 3 / 4 1 3 3 1 6 - q a m 7 / 8 1 57 / 2 6 4 - q a m ( 未采用) 1 / 2 1 5 . 1 3 6 4 - q a m 2 / 3 1 7 74 6 4 - q a m 3 / 4 1 9 9 / 2 1 6 - q a m ( 未采用) 1 1 9 7 4 6 4 - q a m7 / 82 1 21 / 4 6 4 - q a m 1 2 6 6 需要注意的是，编码方式和码率的所有组合一共有1 5 种，但本文只采用其中的1 2 种。 码率为i s y m b o l / s时的q p s k 、 码率为1 / 2 s y m b o l/ s时的 6 4 - q a m 和码率为1 s y m b o l/ s 浙江大学硕士学位论文 时的1 6 - q a m 这三种编码方式被舍弃不用。 这是因为: 在表中可以 看出， 所有的调制方 式是按其所需的最低信噪比的大小来排列的，而未采用的三种编码方式虽然其最低信 噪比大于排在前面的编码方式，但频谱效率却反而降低了，从提高系统的吞吐量这个 角度来说，这三种编码方式是不适合的，所以被舍弃不用。 2 . 3小区模型的设计方案 在这一节， 将详细介绍整个小区模型的细节内容， 包括固定中继在小区中的定位、 中继信道的选择等。这些都是后面仿真部分的基础。本文所研究的模型与当前的小区 网络一样，是六边形的小区。为了简单起见，本文只研究四个六边形小区所组成的小 区簇及其通信环境。 2 . 3 . 1固定中继站的位置 固定中继的根本目的是接收和转发基站与用户之间的信号。对于中继位置