（微电子学与固体电子学专业论文）面向imtadvanced切换问题研究——边缘共享中继方案.pdf

北京邮电大学硕士研究生论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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。 ，本人承担一切相关责任。 日期：堑! 里堡垒! | ! ! 旦 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一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 日期： 2 o l o 绎弓旧 i m t - a d v 求。除了在物 引入了中继技术，将中继多跳通信技术融合到传统蜂窝网络中，构建 了新的高效、低成本的多跳通信蜂窝网络( m u l t i h o pc e l l u l a r n e t w o r k ，m c n ) ，是目前最具前景的网络构建方案。另外， i m t - a d v a n c e d 要求进一步提高小区边缘用户性能，从而保证宽带高 质量通信服务的连续性。 而在m c n 网络中，存在着比较严重的切换问题。特别是对于小 区间的切换，由于切换过程复杂，切换时延高，链路质量差，不仅信 令开销大，而且用户切换性能难以保证。 本论文基于i m t - a d v a n c e d 移动通信系统为研究背景，以提高网 络中小区边缘用户性能为目标，提出了一种边缘共享中继网络结构 ( s h a r e dr e l a ym c n ，s r - m c n ) 方案。从网络结构的角度，对m c n 网络中小区间的切换问题进行了研究，提出了基于s r - m c n 网络的 小区间切换机制。另外，结合s r - m c n 网络结构的特点，提出了该 结构下的无线资源分配方案，从软频率复用的角度对小区间干扰进行 了有效抑制，进一步提高了边缘用户性能，并保证了无线资源的有效 利用率。 最后，本论文通过m a t l a b 系统级仿真，从吞吐量、切换掉话率 以及边缘用户性能的角度，对s r m c n 网络方案进行了评估。仿真 结果表明，本方案从整体上提高了m c n 网络的综合性能。 关键词：i m t - a d v a n c e d ；多跳蜂窝网( m c n ) ；中继；切换；资源分配； 边缘用户性能 i i 北京邮电大学硕士研究生论文 r e s e a r c ho nt h eh a n d o v e ro fi m t - a d v a n c e d s y s t e n 仁一s h a r e d r e l a ym c ns c h e d 江e a bs t r a c t i m t - a d v a n c e ds y s t e mw i l ls u p p o r tah i g h e rd a t ar a t e sa n ds p e c t r a l e f f i c i e n c y i n a d d i t i o nt o a d o p t i n go f d m ，m i m oa n do t h e rk e y t e c h n o l o g i e si nt h ep h y s i c a ll a y e r , i m t - a d v a n c e da l s oi n t r o d u c e dr e l a y t e c h n o l o g y m u l t i - h o pc e l l u l a rn e t w o r k ( m c n ) ，w h i c hi n t e g r a t e sr e l a y i n t ot 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 ，i sc u r r e n t l yt h em o s tp r o m i s i n g n e t w o r k - b u i l d i n gp r o g r a mw i t hh i g he f f e c t i v ea n dl o wc o s t b e s i d e s ，t o e n s u r et h ec o n t i n u i t yo f h i g h q u a l i t yb r o a d b a n ds e r v i c e s ，i m t - a d v a n c e d s y s t e m sr e q u i r et of u r t h e re n h a n c e t h ec e l lb o u n d a r yu s e r s p e r f o r m a n c e h o w e v e r , t h e r ea r em o r es e r i o u sh a n d o v e rp r o b l e m si nm c n ， e s p e c i a l l yf o ri n t e r - c e l lh a n d o v e rw h i c hi sh i g hc o m p l e xa n dh a v em o r e s i g n a l i n go v e r h e a d d u et op o o rc o m m u n i c a t i o nl i n kq u a l i t ya n dh i g h h a n d o v e rl a t e n c y , t h ei n t e r - h a n d o v e rp e r f o r m a n c eo fc e l lb o u n d a r yu s e r s i sd i f f i c u l tt og u a r a n t e e b a s e do ni m t - a d v a n c e ds y s t e m ，t h i sp a p e rp r o p o s e das h a r e dr e l a y m c ns c h e m ei no r d e rt oi m p r o v et h ec e l lb o u n d a r yu s e r s p e r f o r m a n c e f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fn e t w o r ks t r u c t u r e ，t h ei n t e r - h a n d o v e ri nm c ni s s t u d i e di nt h i sp a p e r , a n dt h ei n t e r - h a n d o v e rs t r a t e g yb a s e do ns r - m c n i sp r o p o s e d i na d d i t i o n ，c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs r - m c n ，a r a d i or e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m ei s p r o p o s e d ，w h i c he l i m i n a t e t h e i n t e r - c e l li n t e r f e r e n c eb a s e do ns o rf r e q u e n c yr e u s ee f f e c t i v e l yt h u st h e p e r f o r m a n c eo fc e l lb o u n d a r yu s e r si sf u r t h e re n h a n c e d ，w h i l ee n s u r i n g t h ee f f e c t i v eu t i l i z a t i o no fw i r e l e s sr e s o u r c e s f i n a l l y , t h i sp a p e r e v a l u a t e dt h es r - m c ns c h e m ef r o mt h e t h r o u g h p u t ，h a n d o v e rd r o pr a t e s ，a n d t h ec e l l b o u n d a r y u s e r s p e r f o r m a n c eu s i n gt h em a t l a bs y s t e m l e v e ls i m u l a t i o n t i l es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h es r - m c ns c h e m ee n h a n c et h eo v e r a l lp e r f o r m a n c e i l l k e yw 0 a l l o c a t i o n i v 第一章 第二章 2 5 1 设计满足中继要求的帧结构1 2 2 5 2 无线资源的分配技术1 5 2 5 3 中继间的协作和宏分集1 7 2 6m c n 中存在的切换问题1 8 2 7 本章小结2 0 第三章边缘共享中继网络s r m c n 方案2 1 3 1 问题描述21 3 2s r m c n 的网络结构2 2 3 3s r m c n 中的切换方案2 3 3 3 1s r m c n 中存在的切换2 3 3 3 2s r m c n 的切换过程2 4 3 3 3s r m c n 中的小区间切换2 5 3 4s r o m c n 中的资源分配方案2 9 v 北京邮电大学硕士研究生论文 3 4 1 基于o f d m 的无线资源分配方案。2 9 3 4 2s r - m c n 下行资源分配方案3 0 3 4 3s r - m c n 上行资源分配方案3 3 3 4 4s r - m c n 网络的系统帧结构的初步设计3 5 3 5 本章小结3 6 第四章理论分析及仿真验证3 7 4 1 理论分析3 7 4 1 1 小区平均吞吐量3 7 4 1 2 切换掉话3 9 4 1 3 切换中断时延和切换信令开销3 9 4 2 系统级仿真设计4 0 4 2 1 仿真模型4 1 4 2 2 仿真参数设置4 2 4 2 3 仿真平台设计4 3 4 3 仿真结果及分析4 5 4 3 1 吞吐量4 5 4 3 2 网络的切换性能4 6 4 4 本章小结4 7 第五章结束语4 8 5 1 论文工作总结。4 8 5 2 进一步研究计划4 9 参考文献5 0 至l 【谢5 4 攻读学位期间发表的学术论文5 5 v i 北京邮电大学硕士研究生论文 第一章绪论 1 1i m t - a d v a n c e d 系统的发展 近年来移动通信行业获得了持续高速的发展。第二代( 2 g ) 数字移动通信 系统在全球成功应用十年后，第三代( 3 g ) 移动通信系统也在一些地区投入了 使用。截止到2 0 0 8 年6 月，全球共部署了1 8 2 个w c d m a 网络，用户数达2 6 亿。当越来越多的人正在体验3 g 业务所带来的更多样化的新业务的同时，b 3 g 技术的研究也在如火如荼的进行中。 从2 0 世纪末3 g 技术完成标准化之时，b 3 g 技术的研究工作就已经开始了。 2 0 0 6 年，i t u r 正式将b 3 g 技术命名为i m t - a d v a n c e d 技术( 3 g 技术名为 i m t - 2 0 0 0 ) 。2 0 0 8 年2 月，i t u r 向各国发出通函，向各国和各标准化组织征集 i m t - a d v a n c e d 技术提案。按照i t u 对i m t - a d v a n c e d 的定义，i m t - a d v a n c e d 技 术需要实现更高的数据速率和更大的系统容量。当用户处于静止或者低速移动的 热点覆盖场景下，i m t - a d v a n e e d 将提供高达1 g b i t s 以上的峰值速率；而当用户 在中高速移动的广域覆盖场景下，i m t - a d v a n c e d 系统将提供最高1 0 0 m b i t s 的峰 值速率i ，如图1 1 所示。 b e y o n di m t - 2 0 0 0 系统包 移动譬含现有系产的能力b e y o n dl 盯2 0 0 0 系统 高 低 衰示通过网络实现系统的豆联，用户在这些系统闻移动时， 意识不到网络是由不同系统缀成的 ：) 讲牧，率地接入系统( i - ：i i 数字广播系统 一? 讲牧体遣接入系统 ( ：数字广播系统 参考：r e c o m m e n d a t i o n 盯u rm 16 4 5 图卜1i m t - a d v a n c e d 系统的能力 北京邮电大学硕士研究生论文 从当前的国际发展形式来看，各国针对i m t - a d v a n c e d 的研究已经取得了一 系列重要的进展，已进入系统设计、评估、实验的实质阶段，甚至已经开始变相 的“预标准化”。日本n t td o c o m o 公司已经通过4 x 4 和6 6 多天线技术 ( m i m o ) 在1 0 0 m h z 带宽下分别验证了l gb i 仇( 室外试验) 和2 5g b i t s 的峰 值传输速率，在硬件实现方面处于世界领先位置。欧盟2 0 0 4 年启动了第6 框架 研究项目w i n n e r ( w i r e l e s sw o r l di n i t i a t i v en e wr a d i o ) ，吸引了欧洲各主要通 信设备商。同时，欧盟大力支持的世界无线研究论坛( w 哪) 已经成为国际 i m t - a d v a n c e d 技术交流的主要平台之一【2 】。w w r f 下设6 个工作组，分别讨论 业务、市场、结构、接口、核心技术等问题。目前，全世界已经有1 4 0 多家企业 和大学加入了w w r f 。另外，日本和韩国也分别成立了m i t f 论坛和n g m c 论 坛，推广自己的i m t - a d v a n c e d 研究成果。我国也很早就意识到了i m t - a d v a n c e d 技术的重要性。为了在下一代移动通信发展中占据有利位置，我国在“十五计划 期间在“8 6 3 项目 中设立了f u t u r e 项目( 未来通用无线环境研究计划) ，专 门从事i m t - a d v a n c e d 相关技术、标准和实验系统的研究工作【3 】。另外，中国通 信标准化协会( c c s a ) 还成立了t c 5 w g 6q - - 作组，专门研究i m t - a d v a n c e d 技 术。 目前，各标准化组织正在正式或非正式地开展针对i m t - a d v a n c e d 的预研。 3 g p p 2 在加紧进行空中接口演进( a i e ) 标准化的同时，设立了先进技术演进 ( a t e ) 项目，开始针对i m t - a d v a n c e d 提案进行研究。正e e 在2 0 0 6 年1 2 月批 准了8 0 2 1 6 m 的立项申请( p a r ) ，此项目在i e e e8 0 2 1 6 e ( w i m a x 技术) 的基 础上开发满足i m t - a d v a n c e d 需求的技术方案。而对于3 g p p 而言，继提出具有 部分4 g 技术特征的长期演进( l t e ) 技术后，又提出了l t e a d v a n c e d ，明确展 开针对i m t - a d v a n c e d 的工作。 2 0 0 6 年，数家国际移动通信运营商联合成立了下一代移动网络( n g ) 论坛，试图引领新一代宽带移动通信的走向。目前n g m n 白皮书已经初步成型， 正在对各国各标准化组织的研究和标准化工作产生重大影响【2 1 。 由于i t u 对i m t - a d v a n c e d 技术提出了更高的要求，特别是为静止或者低速 移动用户提供高达1 g b i t s 的峰值速率，故i m t - a d v a n c e d 系统可能需要宽达1 0 0 m h z 的系统带宽。在3 g h z 以下频段为运营商分配如此宽的频带非常困难，而 在3 g h z 以上频段虽然可以找到这样的连续频谱，可实现高峰值速率和系统容 量，但是很难实现系统对宽带业务( 高信息传输速率业务) 的无缝覆盖。特别是 在小区边缘，如果不对传统蜂窝小区网络结构做出改变，很难保证用户的吞吐量。 而且在高频段，高速移动的用户的服务需求也得不到满足。因而文献【4 】认为 i m t - a d v a n c e d 系统很可能同时使用两段离散的频谱：3 g i - i z 以下频段用于实现无 2 北京邮电大学硕士研究生论文 缝连续覆盖和高速移动，3 g h z 以上频段用于实现高峰值速率，支持低速移动。 但是没有考虑如何提高边缘用户性能，具有较高信息传输速的率宽带业务在小区 边缘仍不能保证，服务并不连续。 1 2i m t - a d v a n c e d 系统所需要解决的问题 随着移动新技术的应用，全球移动通信的用户数量和移动数据的业务量不断 增长，这种增长在带来收益的同时也带来系统高效运行需要解决的问题：增加系 统容量和提高频谱资源的利用率。因此，如何利用有限的频谱资源为更多的用户 提供更全面的服务成为现阶段关注的重要问题之一。而传统蜂窝系统网络技术在 容量、覆盖和小区边缘用户性能方面都存在一定的局限性： 1 容量问题。 随着移动通信的用户量和业务量的不断增长，随之而来的问题是容量问题， 即在有限的频谱资源中支持尽可能多的用户。在传统蜂窝网络中，如果运营商所 拥有的频谱资源数量有限，就只能通过小区分裂来增加容量。但是，考虑到基站 站址以及小区之间的干扰问题，小区分裂不可能无限制地进行。用小区分裂的方 法提高容量有一定的限制。 2 覆盖问题。 众所周知，频率越高，无线信号随距离衰减越快，高的工作频率导致基站的 覆盖范围十分有限。而i m t - a d v a n c e d 系统可使用的频段主要集中在2 3 - 2 4 g h z 、2 7 - 2 9g h z 、3 4 - 4 2g h z 和4 4 - - 4 9 9g h z ，其传输损耗比2 g 和3 g 系统要大，覆盖问题更加突出。 3 小区边缘用户性能问题 当用户位于小区边缘时，由于距离基站比较远，传输损耗大，接收信号强度 弱，用户能够得到的数据业务传输速率也变得很小。因此，处于边缘的用户需要 进一步提高数据业务服务的质量。 未来移动通信系统致力于在全网覆盖范围内为尽可能多的用户提供高速率 的数据业务，这对现有的通信技术和网络结构带来了巨大挑战。为了解决上述问 题，需要在现有的网络构架和通信方案的基础上，引入新的先进通信技术，同时 调整传统网络构架，以进一步提高无线通信系统的传输性能，适应未来移动通信 的需求。因此有人提出使用微蜂窝或者直放站来解决此类问题，但是前者成本会 比较高，后者会引入干扰。将中继多跳通信技术融合到传统蜂窝网络中，以现有 的网络平台为基础，构建新的高效、低成本的蜂窝通信网络是目前最具前景的网 3 北京邮电大学硕士研究生论文 络构建方案【5 1 6 1 。其中，引入中继的蜂窝网可称为多跳蜂窝网( m u l t i - h o pc e l l u l a r n e t w o r k ，m c n ) ，也可称为中继增强小区( r e l a ye n h a n c e dc e l l ，r e c ) ，在这 里统一称为m c n 。 多跳通信的概念最初体现在a dh o c 网络中，在a dh o c 网络中，没有固定 的基础设施和骨干网，距离超过了天线覆盖范围的节点之间的通信由这两个节点 之间的其他节点进行中继协作传输来完成，即通过多跳来完成一次通信过程。蜂 窝网络与多跳传输技术结合将是下一代无线接入网络的一种发展趋势。基于中继 多跳传输的蜂窝移动通信系统将在未来移动通信系统中扮演重要角色。它是经济 有效的一种高效通信系统解决方案，而对于b 3 g 4 g 蜂窝网络来说，低成本的运 营是通信系统成功商用的关键因素r 7 1 。因此，欧盟第六框架联合项目( w i n n e r ) 和i e e e8 0 2 1 6 j 中的中继( r e l a y ) 技术越来越多的受到人们的关注，采用r e l a y 技术的宽带无线接入迅速成为无线通信领域目前的研究热点【8 l 。r e l a y 技术不仅 可以提高系统容量，扩大小区覆盖范围，而且成本低，灵活性好。因此，如何把 r e l a y 技术应用到i m t a d v a n c e d 系统，成为新的研究课题。 1 3 论文的研究内容和创新性 本论文以第四代移动通信系统i m t - a d v a n c e d 为研究背景，对i m t - a d v a n c e d 中引入中继技术后的无线资源分配和切换等问题进行了全面、深入的研究。 如前所述，i m t - a d v a n c e d 将提供更高的峰值速率，支持更高带宽的业务及 应用。而传统的蜂窝网络结构对高宽带业务的覆盖并不连续，需要借助中继提高 小区边缘用户的吞吐量。 引入中继虽然可以以较低的成本有效的完成宽带业务的全覆盖，但同时也会 带来一些问题。如引入新的网络站点( r e l a y ) 后带来的无线资源分配的问题、 干扰问题以及切换问题。针对上述问题特别是引入中继后带来的更复杂的切换问 题，本文进行了深入的分析和讨论，提出了新的解决方案边缘共享中继网络 结构及资源分配方案，并对该方案对中继网络中切换问题的解决进行了说明。 论文的主要创新性总结为以下两个方面： 首先，以解决m c n 网络中复杂的切换问题为出发点，提出边缘共享中继的 网络结构( s r m c n ) 。 其次，从避免小区内和小区间干扰，提高边缘用户吞吐量出发，提出了边缘 共享中继s r m c n 网络结构下的无线资源分配方案。 4 北京邮电大学硕士研究生论文 1 4 论文的结构安排 本论文的主要内容和章节安排如下： 第一章介绍了无线通信发展和本论文的研究背景，综述了第四代移动通信系 统( i m t - a d v a n c e d ) 的发展和研究现状，引出了本文的研究对象和选题意义， 并说明了论文所作的工作和论文结构。第二章主要从r e l a y 的使用方式、适用场 景以及中继网络中的相关关键技术几方面，系统的介绍了r e l a y 技术的基本原理 和概况，最后对中继网络中存在的切换问题进行了阐述。这一章是本论文的基础。 第三章提出了边缘共享中继网络( s r m c n ) 设计方案，是本文的主要部分。第 四章主要是对本方案进行了理论分析并采用的系统级仿真技术对分析结果进行 了仿真验证。第五章对论文工作进行总结，并简要分析讨论了论文的不足之处以 及未来进一步的研究方向。 北京邮电大学硕士研究生论文 2 1 引言 第二章i m t - a d v a n c e d 中的r e l a y 技术 i m t - a d v a n c e d 对信息传输速率及频谱利用率都提出了很高的要求，在传统 的蜂窝小区网络结构下，实现远远高于3 g 移动通信系统的信息传输速率就显得 力不从心。首先，i m t - a d v a n c e d 要求实现在高速移动环境下1 0 0 m b p s 、低速环 境下( 游牧或固定无线接入) 1 g b p s 的信息传输速率，远远高于3 g 系统2 m b p s 左右的信息传输速率。在符号能量( 也就是b i t 能量) 不变的情况下，信息传输 速率的提升势必通过提高发送功率实现，从而会造成严重的功率问题。其次，实 现更高的信息传输速率需要更宽的传输带宽，而较宽的空闲频段只有在高频段获 得，高频段在覆盖范围、穿透能力和移动性能方面却存在明显的不足。 解决上述两个问题，最直接有效的方法就是增加基站的覆盖密度，可是这将 造成很高的组网成本。这个方法并不经济，需要对传统的蜂窝小区结构进行必要 的改进，以实现未来通信系统吞吐量及覆盖要求。为此，i m t - a d v a n c e d 系统引 入了中继技术，将中继多跳通信技术融合到传统蜂窝网络中，以现有的网络平台 为基础，构建新的高效、低成本的蜂窝通信网络是目前最具前景的网络构建方案。 本章对i m t - a d v a n c e d 系统中的中继技术做了系统的介绍。2 2 节首先简要 介绍了中继网络中的一些基本概念及术语：2 3 节分别从不同的角度就中继进行 了分类，说明了不同类型的中继的特点及应用；2 4 节介绍了中继的典型使用场 景及部署方式；2 5 节对中继网络中的一些关键技术做了概述性说明；2 6 节就引 入中继后所带来的切换问题进行了具体分析；2 7 节为本章的小结。 2 2 中继网络中的一些基本概念 无线中继的基本思想是使用中继站( r s ，r e l a ys t a t i o n ) 将基站( b s ，b a s e s t a t i o n ) 的信号重新处理后再发出去。图2 1 是e u t r a n 引入中继节点的无线 网络结构。图中的移动台( m s ，m o b i l es t a t i o n ，即用户) 可以直接从e - n o d e b ( 即基站b s ) 接入网络，也可以从中继站r s 接入。经过中继站的时候，有可 能经过一个中继站，也可能经过多个中继站。中继站的处理过程可以很简单，例 如：中继站只是接收信号，直接放大后发送给移动台。也可以很复杂，例如：中 继站处理一部分媒体接入控制( m a c ，m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 层，甚至层3 以 上的功能。具体采用何种方式取决于实际应用的场景以及需要解决的问题，这一 6 北京邮电大学硕士研究生论文 点将在下节进行说明。 下面介绍中继网络中经常涉及的几个基本概念： s c n ：s i n g l e - h o pc e l l u l a rn e t w o r k s ，单跳蜂窝网，即传统没有使用中继的蜂 窝网络。 m c n ：m u l t i h o pc e l l u l a r n e t w o r k s ，多跳蜂窝网，即使用中继后的蜂窝网。 m s - b ：直接与基站通信的移动台，一跳移动台。 m s - r ：通过中继站与基站通信的移动台，两跳移动台。 m r - b s ：m c n 中的基站，支持多跳r e l a y 。 r s ：r e l a ys t a t i o n ，中继站。 透明中继( t r a n s p a r e n tr e l a y ) ：下行不发送s c h 、系统配置及资源分配广播 信息。 非透明中继( n o w t r a n s p a r e n tr e l a y ) ：下行发送s c h 、系统配置及资源分配 广播信息。 接入链路( a - l i n k ) ：以移动台为起始或终止节点的链路，包括上行及下行 链路。 中继链路( r - l i n k ) ：m r - b s 与r s 或r s 间通信的链路，包括上行及下行链 路。 巾鳙t r e l a y ) 系统 图2 i 中继网络结构 7 北京邮电大学硕士研究生论文 2 3 中继分类 中继的主要作用在于扩大小区的覆盖面积或是在覆盖范围不变的情况下提 高小区的容量，同时利用中继造价低的特点降低网络建设成本。 中继作为网络中引入的新节点，需要增加新的连接链路。包含中继的小区中 根据链路服务对象的不同分为两种：接入链路以及中继链路。如图2 2 所示，l 1 、 l 3 和l 4 为接入链路，链路的一端为移动台，用于移动台m s 的接入；l 2 为中 继链路，用于中继r s 与基站b s 间的通信。 l 4 i 移 r e l a y 秒 m s l 图2 - 2 多禺i 啤窝网中的链路 2 3 1 按中继站的移动性划分 按中继站的移动性划分可分为固定中继和移动中继。固定中继是指中继站在 中继网络中的位置不变，即中继站和基站所构成的无线网络的拓扑结构是固定不 变的，每个中继站只负责转发特定基站的信号；移动中继概念与固定中继的概念 对应，中继站在中继网络中的位置不固定，每个中继站可转发不同基站的信号。 2 3 2 按信号的来源分 移动台m s 既可以只处理来自基站b s 或中继站r s 的信号，也可以通过合 并来自中继站r s 和基站b s 的信号获得性能增益。前者可被称为无分集，一些 文献中将其称作“多跳中继；后者被称为“协作中继 或者“协作分集 ( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) 。关于“协作中继 及“协作分集 的概念将在2 5 3 小 节作进一步说明。 2 3 3 按照中继站对接收信号的处理方法分 按照中继站对接收信号的处理方法不同，可分为放大转发( a f ，a m p l i f y a n d - 8 北京邮电大学硕士研究生论文 f o r w a r d ) 中继【9 】，即中继站简单放大接收到的信号并转发至目的节点；和解码 转发( d f ，d e c o d e a n d f o r w a r d ) 中继【l ，即中继站对接收到的信号进行解码， 获得原始的信息，然后将此信息重新编码再转发至目标节点。值得注意的是，由 于a f 方式的信号放大会引入噪声传播，影响最终的系统性能，而d f 方式没有 传递噪声的弊端，人们往往会觉得d f 方式优于a f 方式，然而，通过对物理层 性能比较的研究表明事实并非完全如此，因为d f 方式下多跳中继性能受限于各 跳解码的准确性，最差一跳的检测结果将会成为性能瓶颈，影响最终的传输性能 指标( 如错误概率、信道容量等) 1 1 1 】。 2 3 4 按中继站的能力划分 当前根据中继执行功能的不同可以将中继分为三种：层一中继，层二中继和 层三中继。 层一中继也称为r e p e a t e r ，仅仅起到了放大信号和转发数据的作用。层一中 继的好处在于引入的时延低，并且在用户端可以简单地将中继发出的数据和基站 发出的数据进行合并。而由于层一中继不仅会放大噪声和干扰信号而且还需要对 发射端和接受端进行严格的区分，因此在l t e a d v a n c e d 的研究阶段对这种中继 方式的讨论很少。 层二中继中包含了m a c 层的功能，也可以包含r l c 层功能。层二中继不 但可以执行调度功能，对m a cs d u 进行复用和解复用以及优先级的处理，而且 层二中继还可以和基站进行协调对中继和m s 进行无线资源的分配，并且分配中 还可以考虑小区间干扰的情况和负载情况等。层二中继可以将收到的信号解析 后，根据中继和用户间的信道情况进行重新编码然后再次发送给用户，而不会放 大噪声和干扰信号，保证了用户获得的传输信号的准确性。同时此种中继的引入 使得用户到信号发射端的距离大大缩短了，从而可以获得更高的信号质量，这也 是中继的主要优势所在。短距离的传输使得信道估计的准确性有所提升，并且为 获得同样的信噪比无论是中继还是用户端都不需要采用很大的发射功率，使得小 区内乃至整个网络中的干扰水平下降，同时也节约了用户终端的电池消耗量。但 是层二中继因为需要对数据进行解码，所以会产生很大的延时。同时层二中继对 基站与中继间的链路传输准确性要求很高，如果在这部分链路上因为传输错误而 进行重传，则会给用户的业务传输带来更大的时延。 层三中继相比于层二中继包含了更多的功能，可以执行部分或者全部的 r r c 功能，可降低r r c 连接设置的时延，对数据进行快速路由以及对移动性进 行管理。层三中继的引入将产生更多的切换场景，如基站和中继的切换，中继和 9 北京邮电大学硕士研究生论文 中继间的切换等。所以层三中继中还将添加层三的测量功能，用于进行基于中继 的切换判决。层三中继的功能更加接近于基站的功能，相比于层一、层二的中继 造价也更高，更复杂，但是功能上也更强大i l2 1 。 综上，因为结构简单且造价低廉，同时又有很好的应用性能，层二中继是当 前讨论的热点。本论文的方案也是基于层二中继进行的，在第三章中将有具体的 描述。 2 3 5 按信令信息的传递方式划分 在3 g p p # 5 5 次会议中，中继根据信令信息和数据信息的传递方式不同可分 为透明中继( t r a n s p a r e n tr e l a y ) 和非透明中继( n o n t r a n s p a r e n tr e l a y ) 两类。 顾名思义，透明中继从用户的角度看是不可见的，而非透明的中继在终端处是可 见的，两者的本质差别在于信令信息的传递方式。透明中继的模式中，用户终端 直接与基站进行信令的交互，而数据信息则是通过中继传递，这种方式的优势在 于信令的传递过程没有增加时延，基站对m s 的控制及时，同时通过中继获得了 更好的链路质量，从而提高数据链路性能。透明中继方式因为仍然与基站直接进 行信令通信，从而具有很好前向兼容性，r e l 8 中的手机终端也能很好兼容 l t e a d v a n c e d 中的协议规范。而非透明的中继模式下，用户终端的数据信息和 信令信息都要经过中继传递，因而延时性能稍差。但是非透明模式的移动台m s 可以获得中继更多的服务功能。这两种模式并不是互相矛盾的，用户可以在非透 明的中继小区中采用透明模式，仅仅通过中继接收数据信息。 透明中继用来改善小区边缘的覆盖，增加系统的容量，它并不扩大小区的覆 盖范围。透明中继系统中，系统资源由基站b s 统一调度。中继站r s 负责对基 站b s 到来的信号进行处理后，转发给下一级中继站r s 或者移动台m s ，并且 将移动台m s 的信息和对传输信道的测量结果反馈给基站b s 。下行链路中，透 明中继根据r s m s 链路的质量，对信号进行处理，选择合适的调制编码方式对 信息进行转发。透明中继系统采用集中式管理机制，在接受到移动台m s 的带宽 请求后，基站b s 对本接入系统内所有移动用户的请求进行统一处理，根据业务 的优先级，采用不同的算法对资源进行调度。 非透明中继主要用来扩大小区的覆盖范围，它的结构会比透明中继复杂。在 非透明中继系统中，不仅基站可以对系统内的资源进行调度，而且非透明中继也 可以对资源进行一定的管理，将资源动态分配给相应的移动用户，减轻了基站的 负担，优化了资源分配，提升了系统性能。非透明的中继系统可以采用集中式管 理机制，也可以采用分布式管理机制。当采用分布式机制时，一个服务区域内的 1 0 北京邮电大学硕士研究生论文 移动台m s 先将它们的请求信息发送给对其服务的中继站r s ，随后中继站r s 将收到的所有请求进行处理后发送给基站b s ，当基站b s 准予了一定资源后通 知中继站r s ，中继站r s 会根据调度算法将资源分配给提出请求的移动台m s 。 分布式调度和集中式相比，由于中继站r s 能够快速准确的获取其覆盖区域内的 资源、信道条件等信息，可以缩短资源请求的时延，更加有效的利用了无线资源。 2 4 中继的部署 不同类型的中继有着不同的特性，应用的场景也不同，前一小节已经进行了 部分说明。一般来说，中继用于提高小区吞吐量或延展小区覆盖范围两个用途 【1 4 】。图2 3 为中继根据不同需求的部署场景。如图所示，中继站可以部署在热 点小区，用于吸收热点小区的容量；或是部署在阴影衰落比较严重的区域以及小 区边缘，以提高用户通信性能；以及用于提高某项业务的覆盖范围。同时，也有 文献提出使用移动中继解决临时性覆盖和应急通信的问题【1 5 1 。其中，有关中继 热点覆盖及特殊场景覆盖的文章较多，而i m t - a d v a n c e d 中明确提出进一步提高 边缘用户比特率，本文主要从提高小区边缘用户性能的角度出发，研究中继用于 改善系统覆盖的情形。即中继主要分布在小区边缘，以保证i m t - a d v a n c e d 系统 服务的连续性。 2 5 中继网络中的关键技术 图2 - 3 中继的部署 作为一种新型的无线网络技术，r e l a y 技术目前还处于理论研究阶段，具体 的物理层应用和高层协议还正在研究讨论中。其关键技术和问题主要包括以下几 北京邮电大学硕士研究生论文 个部分：帧结构的设计，无线资源分配技术，以及系统实际应用中的成本收益估 计等。 2 5 1 设计满足中继要求的帧结构 在基于中继技术的蜂窝系统中，r s 在数据传输过程中扮演着双重角色，相 对于b s 而言，它是一个终端设备；相对于m s 而言，它是一个功能简单的基站 设备。而r s 需要利用无线资源通过空中接口进行数据转发，为了能快速有效地 进行中继数据传输，首先需要对现有的蜂窝系统帧结构进行适当的调整。以满足 中继蜂窝系统中单跳和多跳混合通信的要求。帧格式的制定是在l m t - a d v a n c e d 系统中引入中继技术的基础，需从下述几个方面进行帧结构的设计【7 】： 无线资源的复用：需考虑两个方面的问题：不同种类链路之间的复用方 式( 频分时分) 和不同复用方式下的无线资源利用率； 跳数：帧结构需要考虑只支持两跳还是扩展支持更多跳； 时延：是否在同一帧内能够完成完整的数据传送环路( 比如：从b s 到 m s 再到b s ) ； r s 是否需要传送广播和控制消息：帧结构中是否给r s 预留了传送广播 和控制消息的无线资源； 同步异步：如果需要传送广播和控制消息，系统中所有r s 是否需要与 b s 保持同步； 必须与原来的帧结构兼容。 图2 4 是t d d 模式下的两跳r e l a y 的帧结构。可以看出，在t d d 模式下， 两跳r e l a y 帧的上下行链路均由中继域( r e l a yz o n e ) 和接入域( a c c e s sz o n e ) 两部分组成。其中，基站与中继站之间的通信在中继域完成，而基站与移动台或 中继站与移动台间的通信在接入域完成。而且对于基站来说，它的接入域与中继 域可通过f d m 或t d m 的方式进行复用，而对于中继站，其接入域与中继域间 只能采用t d m 这种复用方式。在中继域与接入域间有一段间距用以中继状态转 换，r e l a y a m b l e 位于中继的最后的一个时隙，用以中继站的同步，并且规定r e l a y 的最后一个时隙的最后的o f d m 符号不能用于r e l a y a m b l e 。 图2 - 4t d d 模式下两跳r e l a y 的帧结构 t r g p i 和t r g i 2 留作中继收发状态的转换，以图2 - 5 为例，t r g p l 和t r g p 2 在接 1 2 p 北京邮电大学硕士研究生论文 入域为一个o f d m 符号时长。m s r 和m s b 分别是与中继站和基站通信的移 动台。浅绿色标注的为“发送”时隙，基站、中继站和移动台在该时隙发送信号； 白色为“接收 时隙，基站、中继站和移动台接收信号；黄色为“空闲”时隙， 基站、中继站和移动台不发也不收。中继域和接入域的比例根据不同的应用场景 可调。 r s m s r m s 8 r e l a ya m b l e h a t a t 日 a rb rb r tr t 0 r