（通信与信息系统专业论文）ofdma多跳中继蜂窝网络高效资源分配与优化研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 多跳中继技术是未来4 g 系统的关键技术之一，其在改善小区边缘用户的服务质 量、降低成本、提升系统容量、改善小区覆盖范围和应急通信等方面发挥着重要作用。 由于中继站在改善网络性能上的巨大优势，多跳中继蜂窝网络( m u l t i h o pr e l a yc e l l u l a r n e t w o r k ，m r c n ) 已经成为人们的一个研究热点。尽管多跳传输拥有诸多优点，但其也 为此付出了代价：与单跳网络相比，其必须分配额外的资源给中继链路使用。因此， 如何设计合理的中继资源分配和优化方案，使其所带来的系统增益可以有效地抵消掉 这部分额外中继资源使用所导致的系统资源损失，从而提升系统的资源利用效率具有 重要的研究价值。 本文主要采用频率复用和本地转发两种技术为多跳中继蜂窝网络设计了高效的资 源分配及优化方案，主要的研究内容和贡献如下： 第一，对无线多跳中继蜂窝网络进行了系统级的仿真建模，该建模方案主要应用 于对系统下行链路吞吐量和小区覆盖率的分析。 第二，中继站( r e l a ys t a t i o n ，r s ) 与基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 间有效的频率复用是缓解 网络额外中继资源需求压力的方法之一。考虑到r s 的时间复用性和空间复用性，本文 提出了两种适用于m r c n 的频率复用方案，这两种新方案可以在同一t d d ( t i m e d i v i s i o nd u p l e x i n g ) 数据帧的不同时间域上采用不同的频率复用策略。这两种方案的共 同点是：在中继域( r e l a y z o n e ，r z ) 均采用lx 3 l 的频率复用类型，而在接入域( a c c e s s z o n e ，a z ) 均采用lx 3 x 3 的频率复用类型。但是第一种方案只允许同- d , 区中距离最远 的两个r s 间共享相同的频率，而第二种方案却允许在扇区边缘相邻的两个r s 复用相 同的频率。仿真结果及分析显示两种新的频率复用方案均在保证小区覆盖率的情况下 极大地提升了系统吞吐量。通过比较，不管是小区覆盖率还是系统吞吐量，第二种方 案都要优于第一种方案，从两者的复用特点来看，也许所有的r s 均可以复用相同的频 率资源。 第三，在现有m r c n 中存在因数据通信路径不优而导致的中继资源浪费的问题， 特别是当关联到同一r s 下的两个移动台( m o b i l es t m i o n ，m s ) 互相通信的情况发生时， 同样的数据在中继链路上的来回传输给系统资源造成了极大的浪费。本文提出了一种 新颖的数据传输策略：本地转发( 1 0 c a lf o r w a r d i n g ) 数据传输模式，其允许关联在同一r s 下的m s 间的通信数据只需要通过r s 的本地转发进行传输即可，而不再需要将数据传 递给b s ，因而提升了系统的资源利用率。然后本文又提出了两种基于本地转发策略的 时隙资源分配方案( s l o tr e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m e ，s r a s ) ，首先提出的是一种对传统多 跳中继蜂窝网中资源分配方案进行改进的s p a s m t 方案( m o d i f i e dt r a d i t i o n a ls r a s ) ， s p a s m t 方案在网络进行站点选择后才考虑是否执行本地转发策略并进行时隙资源 分配；然后又提出了种针对本地转发策略专门设计的s r a s l f 方案( 1 0 c a l f o r w a r d i n g b a s e ds r a s ) ，本方案将本地转发数传模式的特点考虑在了多跳中继蜂窝网 的站点选择和时隙分配中。数值和仿真结果分析显示本地转发数传模式可以极大地提 升多跳中继蜂窝网的系统容量，而且s r a s l f 方案要优于s r a s m t 方案。 关键词：多跳中继；o f d m a t d d ；资源分配：频率复用；本地转发 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t m u l t i h o pr e l a yh a sb e e nd e e m e da so n eo ft h ek e yt e c l m o l o 面e si nt h e4 gs y s t e m s i t c a ni r e p r o v et h ec e l l e d g eu s e r s q o s ，l o w e rt h en e t w o r kc o s t ，e n h a n c et h es y s t e mc a p a c i t y a n dc o v e r a g e ，a n di ta l s op l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ne m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o n s b e c a u s eo f t h eb e n e f i t si nn e t w o r kp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t r e s e a r c ho nm u l t i h o pr e l a yc e l l u l a r n e t w o r k s ( m r c n s lh a sb e c o m eo n eo ft h eh o ts p o t sr e c e n t l y e v e nt h o u g hm u l t i h o p t r a n s m i s s i o nh a sa d v a n t a g e s i te x p e r i e n c e sap e n a l t y ：e x t r ar e s o u r c e ss h o u l db ea l l o c a t e df o r r e l a yl i n k s t h e r e f o r ei th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et h a th o wt od e s i g ne 伍c i e n tr e s o u r c e a l l o c a t i o na n do p t i m i z a t i o ns c h e m e sf o rm r c nt oo f f s e tt h ea d d i t i o n a lf r e q u e n c yo v e r h e a d t w ot e c h n i q u e s f r e q u e n c yr e u s ea n dl o c a lf o r w a r d i n g , h a v eb e e nm a i n l ya p p l i e dt o m r c nf o rd e s i g n i n ge f f i c i e n tr e s o u r c ea l l o c a t i o na n do p t i m i z a t i o ns c h e m e si nt h i st h e s i s t h ea u t h o r sm a i nr e s e a r c hw o r ka n dc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , as y s t e m l e v e ls i m u l a t i o nm o d e li sb u i i tf o rw i r e l e s sm u l t i h o pr e l a yc e l l u l a r n e t w o r k s a n dt h em o d e l i n gs c h e m ei sm a i n l yu s e df o ra n a l y z i n gt h es y s t e md o w n l i n k t h r o u g h p u ta n d t h ec e l lc o v e r a g e s e c o n d l y , e 伍c i e n tf r e q u e n c yr e u s eb e t w e e nr s ( r e l a ys t a t i o n ) a n db s ( b a s es t a t i o n ) i s o n eo ft h es o l u t i o n sf o rm r c nt or e d u c et h ea l l o c a t i o no ft h ee x t r ar e l a yr e s o u r c e c o n s i d e r i n gb o t l lo ft h et i m ea n ds p a t i a lr e u s ec h a r a c t e r i s t i c so fr s t w oa d a p t i v ef r e q u e n c y r e u s es c h e m e sa r ep r e s e n t e df o rm r c nb vu s i n gd i f f e r e n tr e u s ep a t t e r n si nd i f f e r e n tt i m e z o n e so fas a m ef r a m e i no u rs c h e m e s r e u s ep a t t e r no fl 3 li sa p p l i e di nt h er e l a yz o n e ( r z ) ，a n dlx 3 3i sa p p l i e di nt h ea c c e s sz o n e ( a z ) n ef o r m e ra l l o w so n l yt w or s sw h i c h a r el o c a t e df a r t h e s ta p a r ti no n ee e l lt os h a r et h es a m ef r e q u e n c yp o r t i o n ；w h i l ei nt h el a t t e r t w oa d j a c e n tr s sm a ys h a r et h es a m er e s o u r c e s a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t b o t hs c h e m e si m p r o v et h es y s t e mt h r o u g h p u tg r e a t l y t h ec o m p a r i s o no fc o v e r a g ea n d t h r o u g h p u tb e t w e e nt h et w os c h e m e si n d i c a t e st h a tt l l el a t t e rs c h e m eh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e a n da na g g r e s s i v ef u l lr e u s es c h e m ec o u l db eu t i l i z e dt oa l lr s s t h i r d l y , i nc u r r e n tm r c n s ，n o r m a l l yt h ec o m m u n i c a t i o np a t h i sn o to p t i m i z e d ， e s p e c i a l l yf o rt w om s sf m o b i l es t a t i o n s ) a t t a c h e dt ot h es a m er sn e e dt oc o m m u n i c a t ew i t h e a c ho t h e r i nt h i sc a s e i ti saw a s t e f u lu s eo ft h es y s t e mr e s o u r c e st h a tt h es a m ed a t aa r e t r a n s m i t t e db e t w e e nb sa n dr sb a c ka n df o r t h i nt h i st h e s i s an o v e ld a t at r a n s m i s s i o n s c h e m e ：l o c a lf o r w a r d i n gd a t at r a n s m i s s i o nm o d e ，i sp r o p o s e d i nt h el o c a lf o r w a r d i n gm o d e ， d a t at r a n s m i t t e db e t w e e nt w om s sa t t a c h e dt ot h es a m er si sf o r w a r d e dw i t h o u tn e c e s s a r i l y b e i n gs e n t t ot h eb s t h e r e b yt h es p e c t r a le f f i c i e n c yi si m p r o v e d a n dt h e nt w ol o c a l f o r w a r d i n gb a s e ds l o tr e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m e s ( s r a s s ) a r ep r o p o s e d t h ef i r s ti sa m o d i f i e dt r a d i t i o n a ls r a s ( s r a s m t ) ，w h i c hi m p l e m e n t sl o c a lf o r w a r d i n ga n da l l o c a t e s s l o t sf o rm s sa f t e rr e l a ys e l e c t i o n a n dt h es e c o n di sas r a ss p e c i a l l yd e s i g n e df o rl o c a l f o r w a r d i n g ( s r a s l f ) ，w h i c ht a k e st h ea d v a n t a g e so ft h el o c a lf o r w a r d i n gi n t oa c c o u n t d u r i n gr e l a ys e l e c t i o na n ds l o tr e s o u r c ea l l o c a t i o n n u m e r i c a la n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w m a tt h e 】o c a lf o r w a r d i n gd a t at r a n s m i s s i o ns c h e m e sc a ni m p r o v et h es y s t e mc a p a c i t yg r e a t l y m o r e o v e r , t h ep e r f o r m a n c eo fs r a s l fi ss h o w nt ob es u p e r i o rt ot h a to fs r a s m t k e yw o r d s ：m u l t i - - h o pr e l a y ；o f d m a - t d d ；r e s o u r c ea l l o c a t i o n ；f r e q u e n c yr e u s e ；l o c a l f o r w a r d i n g 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密西使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、”) 学位论文作者签名：赵刍况 日期： 指导老师签名：勃坎 日期： 0o 0 fto 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 、提出了两种适用于多跳中继蜂窝网络的频率复用方案，其主要特征是基站在多 跳中继t d d 帧的中继域采用1 x 3 x l 的频率复用类型，而在接入域采用1 x 3 x 3 的频率复 用类型，中继站可以复用邻扇区基站的频带。 2 、优化了现有多跳中继蜂窝网络中的数据传输路径，提出了一种高效的数据传输 模式本地转发数传模式，并提出了两种基于本地转发数传模式的资源分配优化方 案。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： - 4 - - 弓、 登夸兆 日期： 2 0 l o 3 - p 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 研究课题的背景和意义 i p 化、扁平化正在成为未来无线通信网络的主要特征，而分布式无线通信技术则 是推动这一趋势的强劲动力【l 】。扁平化的趋势使无线网络的发展越来越趋向于类似 i n t e m e t 样的网状结构，而不再是传统分层的树型结构。中继、m e s h 等分布式无线 通信技术逐渐成为未来分布式无线网络的重要支撑技术。在下一代移动通信系统中， 随着用户对系统容量和数据速率要求的提升，以中继来增强蜂窝系统正成为人们所关 注的热点 2 5 1 。 第四代( 4 g ) 移动通信系统的一个突出特点就是能够满足用户的高速率业务需求， 这给下一代无线通信系统的容量要求带来了巨大挑战【6 】。不管是l t e a d v a n c e d 还是 i e e e8 0 2 1 6 m 系统，其授权频段都在2 g h z 以上，因为2 g h z 及以下频段已经被现有 的第二代( 2 g ) 和第三代( 3 g ) 移动通信系统所占用，随着使用频率的上升，无线信号将会 遭受更加严重的路径损耗和信道衰落。由于基站和移动台发射功率的限制以及信号衰 落的增加，现有蜂窝网络只能在一定范围内提供高速数据业务，小区边缘用户的服务 质量较差。而且，城市环境中的障碍物以及随机的频率选择性衰落导致了信号在小区 中某些区域内很差甚至会形成覆盖的盲区。 为了满足4 g 系统需求，克服上述问题带来的影响，一个解决方案就是提高基站 ( b a s es t a t i o n ，b s ) 和移动台( m o b i l es t a t i o n ，m s ) 的发射功率或是增加基站的密度。但是 发射功率的增加，又会导致更加严重的小区间干扰，从而限制了系统容量的提升。而 且大量布置b s 和提升b s 的发射功率，需要运营商投入更多的资金进行基础设施建设 和运营维护，运营商的运维成本大大增加。如果说用户数量的增长和所要求布置的基 站数目的增长程度相近，那么增加b s 所带来的成本，运营商是可以从新增用户身上取 得的，但是目前的趋势是用户量的增长趋缓，但是其所要求的数据速率的增长趋强， 这就意味着用增加b s 的数目来满足这种需求已经不能带来巨大利益，所以人们希望有 一种更好的手段来解决这些问题。 近年来，一种新型的网络结构正被人们广泛关注，即多跳中继蜂窝网络( m u l t i h o p r e l a yc e l l u l a rn e t w o r k ，m r c n ) 7 - 9 o 在多跳中继蜂窝网络中，种低成本的新型网元中 继站( r e l a ys t a t i o n ，r s ) 被引入到单跳蜂窝网络中，r s 的引入正好可以很好的解决上述 问题3 1 。很多研究工作已经证明了中继技术在提升小区边缘用户吞吐量1 4 - 、改善小 区覆盖能力【1 7 2 们、节能【2 1 1 等方面的显著成效。 中继技术的作用毋庸质疑，最近两种4 g 技术l t e a d v a n c e d 和w i m a x 均将其纳 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 入到自己的标准中】，如3 g p pr 9 t 2 3 i e e e8 0 2l 嘶m t 2 4 a 5 。尽管多跳中继传输拥有 诸多优点但是其也为此付出了一定的代价：与单跳网络相比，系统必须分配额外的 中继资源给r s 。在传统单跳蜂窝网络中只分配一跳链路资源即可完成的通信，在多跳 中继传输中却需要分配多跳链路的资源才能完成大量的额外资源必须分配给中继链 路使用。 众所周知，在无线系统中，频率资源的多少与分配方式从很大程度上决定了系统 的容量，频率资源的分配问题是无线系统的关键问题之一。面对日益紧缺的频谱资源， m r c n 中额步 中继资源的使用又加剧了系统对频率资源的需求压力。有效的频率资源 复用方案是解决这个问题的方法之一。l t e a d v a n c e d 和i e e e8 0 2 】6 m 都渐渐倾向于研 究复用园子为1 的频率复用方案，频率复用程度将达到上限，r s 的引入会为系统带来 更加复杂的干扰情况。为了抑制干扰，如果从分配给b s 的频率资源中分出部分给 r s 使用，那么系统实际可用的资源将减少：如果r s 复用b s 的频率资源，那么系统 干扰叉会非常严重，反而可能会导致网络性能的下降。如何在m r c n 中为b s 和r s 分配频率资源，在有效抑制系统干扰的同时又能优化系统的资源利用效率就显得非常 重要。 在现有的多跳中继网络标准中阱l ，系统还存在数据传输路径不优的问题，这也会 给中继资源的使用带来巨大浪费。比如说，对于同一r s 覆盖下的两个m s ( m s i 和 m s 2 ) 而言，如果两者需要相互通信，如图卜l 所示，在现有标准中，其通信过程为： m s l r s 付b s r s m s 2 ，即m s l 先将数据传输给r s ，然后r s 将数据转发给 b s ，b s 再将同样的数据传回给此r s ，最后r s 再将数据转发给m s 2 ，这样来完成m s i 和m s 2 间的通信。很明显，同样的数据在b s 一r s 链路上的来回传输给系统资源造成 了极大地浪费，现有标准中的数据传输模式和中继资源分配方式还可吐做进一步的优 化。如果数据不再需要上传给b s ，而是通过m s i r s + m s 2 这样的方式，即本地转 发( 1 0 c a l f o r w a r d i n g ) 数据传输模式进行传输，那么系统就不必为b s 付r s 中继链路分配 资源，从而提升了系统的资源利用效率。 叁g 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 图1 - 1 关联于同r s 下的两个m s 间的数据传输路径 基于上述分析，基站和中继站间合理的频率复用方案，以及对现有多跳中继蜂窝 网络中数据传输模式的优化都可以有效提升多跳中继蜂窝网络的资源利用效率，解决 或改善额外中继资源占用的问题，减轻现有系统频率资源不足的压力。因此，对多跳 中继蜂窝网络中高效的资源分配和优化方案的研究具有极其重要的意义。 1 2 国内外研究现状 由于m r c n 中引入了新的网元r s ，网络需要分配额外的资源给中继链路，所以 如何为b s 和r s 分配资源就极为重要。针对这个问题，国内外人员做了大量的研究工 作，主要是通过设计合理的路径选择算法，使得中继传输所带来的增益可以充分抵消 掉采用多跳链路所引起的额外开销【2 6 刁0 1 。 r s 与b s 间频率资源的复用也是解决这一问题的有效方法，但是目前人们对频率 复用方案的研究比较少【3 h5 1 。从复用的角度看，r s 可以从两个方面提升系统的频谱效 率：空间复用和时间复用。由于r s 的覆盖范围远小于基站，同一小区中的多个r s 间 可以使用同样的频率同时进行数据传输，我们称之为频率的空间复用；在t d d ( t i m e d i v i s i o nd u p l e x i n g ) 网络中，r s 不能在从( 或向) b s 接收( 或发送) 数据的同时，又 向( 或从) m s 发送( 或接收) 数据，r s 的数据发送和接收是时分的，我们称之为频 率的时间复用。目前，很少有研究者将两方面的因素都考虑到频率复用方案中，往往 只考虑到了其中之一，而且这些方案均使用全向天线未考虑小区的扇区化【3 卜”】。如何 充分利用r s 的复用特性来改善系统资源利用效率值得我们进一步研究。 此外，本地转发数传模式也可以减少网络在中继链路上的资源消耗。为了进一步 优化系统的资源利用效率，在传统m r c n 的基础上，未来移动通信论坛( f u t u r ef o r u m ) 提出了捷径路t 妇( s h o r t c u tr o u t i n g ) l 驹概念【3 6 1 ，其允许m s 间只通过r s 的数据转发来实 现通信而不再需要将数据上传到b s ，甚至用户间可以通过其它无线接口和频段直接通 信，但其只是概念上的指导，并没有给出具体的资源分配算法，也没有给出在i e e e 8 0 2 1 6 j 标准中的实现方法，而且其假设r s 的双工方式为f d d ( f r e q u e n c yd i v i s i o n d u p l e x i n g ) ，但是目前的标准中都倾向于采用t d d 的双工方式。根据捷径路由的概念， 基于与我们合作研究的初步成果，中兴通讯在2 0 0 8 年1 0 月3 1 日的i e e e8 0 2 1 6 m 小 组讨论会上提出了在r s 覆盖范围内可以采用本地转发的数据传输模式的标准提案，即 l o c a lf o r w a r d i n g t 3 7 】，并在无线世界论坛第2 3 次会议( w i r e l e s sw b r l dr e s e a r c hf o r u m m e e t i n g2 3 ，w w r f2 3 ) 上系统阐述了该方案【3 8 】。在业界，l g 和北电网络也分别向i e e e 8 0 2 1 6 m 标准组提出了类似于本地转发数传模式的提案【3 9 - 4 0 1 。但是这些提案都只是一个 概念性的想法，希望在i e e e8 0 2 1 6 m 标准的形成过程中可以纳入其中研究，没有设计 具体的实现过程。从标准的发展，通信企业的态度来看，本地转发技术有着巨大的发 展潜力。在最近的研究工作中，我们又分别提出了两种本地转发数传模式在现有标准 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 中的实现方案【4 h 2 1 ，其在信令系统的设计上可以很好的与i e e e8 0 2 1 6 j 系统兼容，解 决了其在现有多跳中继蜂窝网中的实现问题。在传统的多跳中继蜂窝网中，相关研究 人员已经提出了很多非常有效的资源分配策略【4 3 4 引，但是由于新的数据传输模式的引 入，使得系统在中继资源分配上又有了一些新的特征。本地转发是一种高效的数据传 输模式，但是兼容或是适用于本地转发数传模式的资源分配方案尚未有人研究。 1 3 论文主要工作和内容安排 本文主要就o f d m a 无线多跳中继蜂窝网络中高效的资源分配与优化问题进行广 泛深入的研究。提出了适用于多跳中继蜂窝网络的频率复用方案，尽量使r s 复用现有 系统b s 的频率资源，以降低额外中继资源的分配；提出了基于本地转发数传模式的时 隙资源分配方案，优化了系统对中继链路上资源的分配。 本文的主要内容安排如下： 第二章主要介绍了多跳中继蜂窝网络中的o f d m a 资源，本章通过对多跳中继蜂窝 网络中数据传输路径的分析，介绍了用于支持多跳传输的中继帧结构，进一步介绍了 多跳中继帧中的子信道划分模式及时隙的概念，并定义了时隙效率，为后面的资源分 配和优化方案的引入打下了基础。 第三章提出了系统级的仿真建模方案，搭建了多跳中继蜂窝网络的性能分析平台。 本章主要从系统模型、站点参数、路径损耗模型、阴影衰落模型、业务模型和系统性 能评估矩阵等几个主要方面给出了一套完整的系统建模和性能评估方案，为后面资源 分配和优化方案的仿真分析打下了基础。 第四章首先介绍了w i m a x 论坛为单跳蜂窝网络所定义的两种小区复用因子为l 的 频率复用类型，然后对这两种频率复用类型进行了改善和扩展，提出了适合于m r c n 的两种频率复用方案，并为这两种新的频率复用方案设计了合理的多跳中继帧结构； 然后对这两种新方案下的系统干扰进行了简单的分析；接着为m r c n 设计了站点选择 和时隙资源的分配方案；最后通过对小区覆盖率和扇区吞吐量的分析，考察了各种频 率复用方案下的系统性能。 第五章首先介绍了现有多跳中继蜂窝网络中的数据传输路径及其存在的缺陷，从 而引出了一种新的数据传输模式本地转发，并介绍了本地转发数传模式的概念和 应用场景；然后在上一章频率复用规划设计方案的基础上，提出了两种适用于本地转 发数传模式的t d d 帧中的时隙资源分配方案，并介绍了两种方案中本地转发的执行机 制，分析了两种方案各自的利弊，并以系统容量为指标对两种方案进行了分析，验证 了本地转发数传模式在改善系统资源利用率上的提升作用。 最后为本文的结论和对未来工作的展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第二章多跳中继蜂窝网中的o f d m a 资源及其效率 2 1 概述 如图2 1 所示，我们把m r c n 中的基站称为m r b s ( m u l t i h o pr e l a yb s ) ， m r b s r s 与m s 之间的无线链路称为接入链路，m r b s r s 与r s 间的链路称为中继 链路。 在传统的单跳蜂窝网络中，小区内的所有m s 受b s 集中控制，即使是远离基站的 用户也必须通过建立与b s 的直接连接而通信。但是在多跳中继蜂窝网中，m s 既可以 与m r b s 直接通信( 比如图2 1 中m s l 付m r b s 通信方式) ，也可以通过r s 的中继 转发与m r b s 进行通信( 比如图2 1 中m s 2 h r s lh m r b s 通信方式) 。由于r s 的 覆盖范围远比m r b s 小，所以在一个小区内布置的两个或多个r s 间的干扰小，可以 同时收发数据，r s 间可以进行空间复用从而提高系统容量；多跳中继又可以使得链路 质量较差的b sh m s 路径被链路质量较好的m r b sh r s 和r sh m s 两跳链路代替， 这样不仅降低了功率需求，也可以在质量较好的无线链路上采用高阶调制从而提高系 统容量。 图2 - 1 两跳中继蜂窝网示意图 作为一种重要的4 g 技术，如图2 - 2 所示，中继技术有着广泛的应用场景 4 7 】： ( 1 ) 用于提升小区边缘用户的性能，增加系统容量； ( 2 ) 消除小区中的覆盖盲点； ( 3 ) 提供临时性的应急通信； ( 4 ) 扩展小区覆盖范围； 至室圣塑奎兰堡圭窒茎耋茎堡耋塞篁! 至 f 5 ) 在室内或室外布置r s ，来提供建筑物、隧道和地下场所的通信覆盖。 2 2 多跳中继帧结构 图2 - 2 中继技术的应用场景 上一节已经提到，当r s 引a 到传统单跳蜂窝网络后，m s 既可以接a 基站获得服 务，也可以选择接入中继站通过多跳传输获得服务。薪的网络节点的加入，使得系统 中既存在单跳通信路径，也存在多跳通信的路径，也就是说在网络中既存在基站与移 动台间的通信，也存在基站与中继站、中继站与移动台闻的通信，那么就需要对网络 中的所有通信路径进行合理的协调以确保各节点间通信的正常。 为了便于对本文所提出的多跳中继蜂窝网络中资源分配和优化方案进行性能分 析，本文的系统仿真模型假设以i e e e8 0 21 6 j 系统为例，r s 采用t d d 双工方式，即 收发数据分时进行。在i e e e8 0 2l6 i 系统中，其将原来单跳系统中的上行链路和下行 链路根据r s 的收发时闻分成了中继域和接人域两部分。我们以下行链路为例，如图 2 - 3 所示，在中继域中，r s 处于接收状态，此时，其只能从基站接收数据，而不能向 移动台发送数据：在接入域中，r s 处于发送状态，此时其可以向移动台发送数据， 但不能接收基站旋送给它的数据信息。t d dr s 正是通过在中继域和接入域的合作，使 得数据信息可以完成从基站到移动台的中继传输，但是不管是在中继域还是在接入域， 移动台都可以从基站直接接收数据信息。也就是说，两跳通信需要信息在两个时间域 中的传输才能完成，但是单目6 通信在任时间域中就可以完成。 蓼室塞塑查兰堡圭至塞兰兰竺鎏耋墼：要 镳 5 ) 、p ( ， 瓣 ? 逮盐一孑 曲中继域中的通信 b ) 接八域中的通信 图2 - 3 布置t d dr s 的多跳中继蜂窝网络中不同节点间的通信协调 如图2 4 所示，给出了用于支持多跳传输的系统帧结构的简化示意图，一个多跳 中继t d d 帧由一个下行子帧、一个上行子帧和收发转换间隔组成。上下行子帧又被分 成了两个对间域用于支持中继传输，这两个时间域分别被命名为中继域和接a 域。以 下行子帧为例中继域专门用于基站向中继站和移动台发送数据而接 域专门用于 移动台从基站或中继站接收数据，其中g a p 为中继站的发送转换时间间隔，中继站的 接收转换时间间隔可以与基站的接收转换时间间隔共用，上行传输过程与此类似。在 i e e e8 0 2 1 6 i 标准中，并未定义基站和中继站所使用的频率资源是否相同由此我们可 以为基站和中继站设计合理的频率复用方案和相应的多跳中继帧结构。 d ls u b 锄c u ls u b 栅。 口 图2 0 多跳中继帧结构示意图m 1 2 3 子信道化和时隙的概念 还是 i e e e8 0 2l q 系统为仿真假设，e i e e e8 0 2l q 系统的一个t d d 帧中 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 曼曼寡毫曼孽笪皇皇曼毫曼皇鼍曼曼曼皇毫曼皇舅蔓毫舅曼曼曼曼曼! 笪皇蔓曼曼鼍曼曼曼曼曼l i im mt m 鼍皇孽鼍寡鼍寰甍鼍曼曼皇曼 o f d m a 技术下可分配的资源是一个在时间域和频率域上均可分割的二维资源，其在时 间域上以o f d m a 符号进行区分，在频率域上以子信道( 子载波的组合) 进行区分。 o f d m a 参数如表2 1 所示，当系统带宽为1 0 m h z 时，我们采用1 0 2 4 点的f f t ( f a s t f o u r i e rt r a n s f o r m ) ，即系统共有1 0 2 4 个子载波。数据帧设置长为5 m s 。 在时间域上，i e e e8 0 2 1 6 系统将一帧的时间划分成若干o f d m a 符号，一帧中所包 含的o f d m a 符号数的计算方法如下： 酢= 半= t p - ( 2 9 6 + 1 6 8 ) x 4 & 一弓- ( 2 兀+ c p 9 6 + 1 6 8 ) x 4 弓 瓦+ r o 8 即在时间域上，一帧共有4 7 个o f d m a 符号。在f u l lb u f f e r 业务模型下，我们将4 7 个 o f d m a 符号中的2 8 个分给下行使用，将1 9 分给上行数据使用。在本文中，主要分析系 统的下行链路吞吐性能，上行链路暂不考虑。 表2 1o f d m a 参数 在频率域上，i e e e8 0 2 1 6 系统将所有的子载波分为成三类：数据子载波，用于传 输用户数据和控制信令；导频子载波，用于信道估计和同步；空子载波，不发送信号， 用于保护带宽和零子载波。数据子载波和导频子载波都称为活动子载波。w i m a x 系统 将数据子载波划分成不同的组，称为子信道。图2 5 为子载波和子信道划分的示意图。 f r e q u e n c y 图2 5 子载波的划分和子信道的形成 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 下行链路上具体的子信道划分有两种模式：完全使用子信道( f u l lu s a g eo f s u b c h a n n e l s ，f u s c ) 牙i ：i 部分使用子信道( p a r t i a lu s a g eo fs u b c h a n n e l s ，p u s c ) 模式。f u s c 是先从活动子载波中选择导频子载波，再将剩下的子载波分成子信道进行数据传输； 而p u s c 是先把活动子载波分成子信道，然后在每个子信道中选择导频子载波。 1 下行f u s c 模式在下行f u s c 模式中，小区中的每个扇区都可以使用全部的子 信道。下 f u s e 模式下的子载波分配如表2 2 所示，其先在活动子载波中挑选8 2 个导 频子载波，然后将剩下的活动子载波划分为1 6 个子信道，那么每个子信道在每个 o f d m a 符号上可用的数据子载波个数为： 虬删。e f 1 6 表2 - 21 0 2 4 点f f t 采样下的下行链路f u s c 子载波分配模式 = 4 8 ( 2 2 ) 在i e e e8 0 2 1 6 系统中，时隙是最小的时频资源分配单元。如图2 6 所示，在下行 f u s c 模式中，时隙可以定义为：时隧f f , ( s l o t ) = l 子信道1 0 f d m a 符号，即一个子信道 上的一个o f d m a 符号为一个时隙。那么在下行f u s c 模式中，一个时隙中就有4 8 个子 载波可用来携带数据信息。而且在此模式中，小区中的每个扇区都可以使用全部的子 信道用于数据和导频信息的传输。 子 信 道 数 o l 2 1 5 o f d m a 符号序号 ol 2 72 846 时隙 ( s l o t ) 下行子帧 ， k i u 上行子帧 -1 t g - 个r 、r 、小占仕士h v ， 一 图2 - 6 下行链路f u s c 模式下时隙的定义 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 下# 亍p u s c 模式在下行p u s c 模式中，小区中的每个扇区只能使用部分子信道。 p u s c 模式下的子载波分配如表2 3 所示，其先将所有的活动子载波划分成3 0 个子信道， 那么每个子信道在每个o f d m a 符号上含有的活动子载波个数为： = 2 8 虬。6 c j l 。e f 3 0 在2 8 个活动子载波中，其挑选4 个做为导频子载波，剩下2 4 个为数据子载波。 表2 31 0 2 4 点f f t 采样下的下行链路p u s c 子信道划分模式 ( 2 3 ) 在下行p u s c 模式中，时隙可以定义为：时隙( s l o t ) = 1 子信道2 0 f d m a 符号，即 一个子信道上的两个o f d m a 符号为一个时隙，如图2 7 所示。那么在下行p u s c 模式下， 一个时隙中就有2 4 2 = 4 8 个子载波可用来携带数据信息。但是在p u s c 模式下，每个小 区的扇区只能使用部分子信道，比如图2 。7 中，下行p u s c 模式将3 0 个子信道划分为3 份， 那么小区中的三个扇区可各分得其中一份来使用。 子 信 道 o f d m a符号序号 ol 2 7 2 846 ，时隙( s l o t ) 下行子帧 -r t g一 上行子帧 - t t g 一、 。鼻 一v v 口一 2 图2 7 下行链路p u s c 模式下时隙的定义 o 9 m 吟 加 一 四 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 在i e e e8 0 2 1 6 系统的数据帧中，可以同时含有f u s c 和p u s c 域的数据，所以我们 可以根据这一特点，在系统同一数据帧的不同时间域上实现不同的频率复用方案。 2 4 时隙效率 在本文中，我们定义了一个测量值影像糊fe f f i c i e n c y ) ，用来衡量某一无 线链路上无线资源的利用率。 上一节已经介绍过，在i e e e8 0 2 16 系列标准中，一个t d d 数据帧由多个时隙构成， 时隙是系统中最小的时频资源分配单元。不管是是下行f u s c 还是p u s c 子载波排列方 案，个时隙中都含有4 8 个数据子载波用于数据信息的传输。假设系统采用自适应调 制编码方案( a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ，a m c ) ，如果某条链路上的信号质量可以使 其采用m 进制( 胳2 m ) 的调制方式，且信道编码速率为，那么在该条链路上传输的一个 时隙中，每个数据子载波就可以携带所，( b i t s ) 的数据信息，一个时隙又含有4 8 个数据子 载波，我们就把时隙效率定义为： 7 7 m ，砟) = 4 8 _ x m x r