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北京邮电大学硕士毕业论文 中继蜂窝网络的资源分配 中继蜂窝网络的资源分配 摘要 中继蜂窝系统通过引入“多跳技术，在基站和移动终端之间的 直传链路中加入若干个中继节点，缩短了发送节点和接收节点之间的 通信距离，从而有效的降低了无线信号的传输衰落，提高了链路的通 信质量，极好的满足了下一代移动通信系统在大范围内实现高速率数 据业务的覆盖需求。 同传统的蜂窝结构相比，由于中继蜂窝系统需要分配部分资源给 中继节点，所以中继蜂窝系统在进行资源分配时需要考虑的因素更 多，规划的方案更加复杂。本文从系统级的角度对中继蜂窝系统的性 能进行了探讨，主要研究了具有固定中继节点的两跳中继蜂窝系统的 资源分配问题，并针对中继蜂窝系统链路的特点，提出了两个基于资 源复用的中继蜂窝系统资源分配方案。 本文首先介绍了中继蜂窝网络的系统构造、关键技术以及主要的 应用场景。接着在此基础上阐述了中继蜂窝网络资源分配的重要性和 现阶段学术界的研究成果。然后，提出两种新的基于资源复用的资源 分配方案基于功率控制的资源复用方案和基于方向性天线的资 源复用方案。随后通过理论分析和计算机仿真，将上述两种方案和现 有的中继资源分配方案进行性能比较，证明了方案的可行性和有效 性。最后，对全文的研究成果进行总结并提出下一步的主要研究方向。 关键词：多跳中继技术，资源分配，功率控制，方向性天线 北京邮电大学硕士毕业论文 中继蜂窝网络的资源分配 l 己e s o u r c ea l l o c a t i o ni nr e l a y i n g c e l l u l a rn e t w o r k s a b s t r a c t b yi n t r o d u c i n gt h em u l t i h o pt e c h n i q u e ，r e l a y i n gc e l l u l a rn e t w o r k s s h o r t e nt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r a sa c o n s e q u e n c e ，t h eq u a l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o ns e r v i c ei si m p r o v e d s i g n i f i c a n t l ya n dt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so ft h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l e s y s t e mc a nb es a t i s f i e dp e r f e c t l y i n c o m p a r i s o nw i t h t h ec o n v e n t i o n a lc e l l u l a r s y s t e m ，r e l a y i n g c e l l u l a rs y s t e mh a st oa s s i g ns o m er e s o u r c et or e l a yn o d e s ，s om o r e f a c t o r sh a v et ob e t a k e ni n t oa c c o u n td u r i n gt h er e s o u r c ea l l o c a t i o n ， w h i c hm a k e st h er e s o u r c ep l a n n i n gb e c o m em o r ec o m p l i c a t e d f r o mt h e v i e w p o i n t o ft h e s y s t e ml e v e l ，t h i s d i s s e r t a t i o n i n v e s t i g a t e s t h e p e r f o r m a n c eo fr e l a y i n g c e l l u l a r n e t w o r k s ，e s p e c i a l l y f o c u so nt h e r e s o u r c ea l l o c a t i o nf o rt h o s ew i t ht w o h o pf i x e d r e l a y n o d e s i n a c c o r d a n c ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co ft h er e l a y i n gc e l l u l a rs y s t e m ，t w o n e wr e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m e sb a s e do nr e s o u r c er e u s ea r ep u tf o r w a r d f i r s t ，t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ei n f r a s t r u c t u r e ，k e yt e c h n o l o g y a n dm a i na p p li c a t i o ns c e n a r i o so ft h er e l a y i n gc e l l u l a rs y s t e m n e x t ，t h e i m p o r t a n c eo f t h er e s o u r c ea l l o c a t i o ni nr e l a y i n gc e l l u l a rn e t w o r k sw i l lb e d i s c u s s e d t h e nt w on e wr e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m e sb a s e do nr e s o u r c e r e u s ew i l lb eb r o u g h tf o r w a r d f i n a l l y , as u m m a r i z a t i o ni sm a d ea tt h e 北京邮电大学硕士毕业论文中继蜂窝网络的资源分配 e n do ft h i sd i s s e r t a t i o ni nw h i c ht h ef u t u r ed i r e c t i o no ft h es t u d yi s p o i n t e do u t k e y w o r d s ：m u l t i - h o pt e c h n i q u e ，r e s o u r c ea l l o c a t i o n ，p o w e rc o n t r o l ， d i r e c t i o n a la n t e n n a 北京邮电大学硕士毕业论文 中继蜂窝网络的资源分配 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：曼盟丝 日期： 型! 旦：墨：! ! 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：竺塑：三：! 1 日期：塑仝：至：! ! 北京邮电大学硕士毕业论文中继蜂窝网络的资源分配 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 1 9 7 1 年，随着贝尔实验室在技术报告中论证了蜂窝系统的可行性，通信领域 的专家学者开始对蜂窝移动通信系统进行了深入的研究。作为第一代移动通信系 统( 1 g ) 的典型代表，美国的“高级移动电话系统( 枷s ) 和英国的“全接 入通信系统( t a c s ) 成功投入商用，并取得了巨大的成功。1 g 移动通信系统 传输和处理的信号都是模拟信号，采用频分复用的无线接入方式，信道带宽大约 为2 5 - , - 3 0 k h z 。由于模拟移动系统的频谱利用率较低，保密性差，且提供的业务 类型单一，所以它逐渐被更加先进的数字移动通信系统所代替。在8 0 年代后期， 欧洲率先提出了g s m 数字通信系统。由于数字通信系统和模拟通信系统相比具 有绝对的技术优势，所以发展极为迅速，逐渐形成了第二代移动通信系统( 2 g ) 。 2 g 移动通信系统采用时分复用的多址接入方式，信道带宽为2 5 - 2 0 0 k h z 。由于 对移动数据业务需求的迅速增长，人们迫切要求移动通信具备固定网络的高质 量、宽带性等特点。在这种强烈的市场需求之下，第三代移动通信系统( 3 g ) 的概念在1 9 8 5 年由国际电信联盟( 丌u ) 提出。3 g 移动通信系统的核心网是在 g s m 系统的核心网g s m m a p 和a m p s 、i s 9 5 的核心网a n s i 4 1 的基础上发 展起来的，其空中接口与相应的2 g 移动通信系统兼容。3 g 移动通信系统的工 作模式有：单载波频分双工、多载波频分双工和时分双工方式【1 】【2 1 。 3 g 移动通信系统是能够满足国际电联提出的眦2 0 0 0 p f p l m t s 系统标准， 且能与互联网等多媒体通信相结合的新一代移动通信系统。由于具有较高的数据 传输速率以及良好的兼容性，3 g 移动通信系统能够提供多种类型的高质量多媒 体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力【i 】。 虽然第三代移动通信系统具有上述的优点，可是它还是存在因特网协议实现 困难、不能支持较高的通信速率、网络容量相对较小、用户费用高昂以及商业模 型不确定等难以逾越的困难和缺陷。因此自它诞生以来，人们对它的争议就从来 没有间断过，再加上市场需求和通信技术的不断发展，第四代移动通信系统( 4 g ) 便应运而生了。 国际电联目前已开始研究和制定第四代移动通信系统的标准，期望在2 0 1 0 年前使数据传输速率达到1 0 0 m b p s ，从而提供多种更加丰富的业务，实现无线网 络、局域网、蓝牙、广播和电视卫星通信等多种通信系统的无缝连接并相互兼容。 北京邮电大学硕士毕业论文中继蜂窝网络的资源分配 除此之外，同第三代移动通信系统相比，第四代移动通信系统具有更多新的功能， 它可以在不同的固定、无线平台和网络中提供无线服务；可以在任何地方用宽带 接入互联网( 包括卫星通信和平流层通信) ：可以提供定位定时、数据采集和远 程控制等综合功能。综上所述，第四代移动通信系统将是一个是集成多功能的宽 带移动通信系统【l 】【2 1 。 1 24 g 系统主要技术特点 一 通信速率高，系统容量大和成本低 在4 g 移动通信系统中，将采用正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x e ro f d m ) 、无线接入、光纤通信、软件无线电等技术，使系统适合于 分组突发业务。4 g 移动通信系统的最大数据传输速率达到1 0 0 m b p s ，这个速率 是目前2 g 移动通信系统数据传输速率的l 万倍，也是3 g 移动通信系统数据传 输速率的5 0 倍。终端的移动速率支持从步行到车速。同时，无线频谱的利用率 和系统的可实现性也大幅度提高，小区覆盖范围大于等于3 g ，网络的每比特成 本比3 g 低，无线连接服务费用比3 g 低廉【4 】【5 】。 _ 多业务融合 个人通信、信息系统、广播、娱乐等业务无缝衔接为一个整体，满足用户的 各种需求。4 g 移动通信系统能集成不同模式的无线通信从无线局域网和蓝 牙等室内网络、蜂窝信号、广播电视到卫星通信，使得移动用户可以自由地从一 个标准漫游到另外一个标准。各种业务和系统平台之间的互联更便捷、更安全， 更富有个性化。总之，4 g 移动通信技术能提供各种标准的通信业务，从而满足 多种宽带和综合业务需求【l 】。 - 更高质量的多媒体通信 4 g 移动通信系统能够支持高速率数据和高分辨率的多媒体服务，其中将包 括语音、数据、影像等。4 g 移动通信系统可以自适应地进行资源分配，能够调 整系统，对通信过程中变化的业务流进行相应处理，从而满足通信要求。此外， 4 g 移动通信系统还采用了智能信号处理技术，对于各种不同信道条件的复杂环 境，它都能正常地发送和接收信号，具有很强的智能性、适应性和灵活性。 4 g 移动通信系统采用i p v 6 等先进的无线接入技术，支持各种空中接口，提 供语音、高清图像、会议电视、广播、娱乐以及虚拟显示等丰富的多媒体接入业 务，可以在任何时间、任何地点为全速移动的用户提供高质量的信息服务【5 1 。 - 更高的兼容性 由于目前国际上仍然共存着2 g 和3 g 移动通信系统，所以在4 g 移动通信标 准的制定过程中，必然要解决兼容性问题。因此，4 g 移动通信系统具备全球漫 2 北京邮电大学硕士毕业论文中继蜂窝网络的资源分配 游、接口开放、同多种网络互联、终端多样化以及能够从2 g 和3 g 移动通信系 统平稳过渡等特点。 1 3 传统蜂窝网络结构的局限性 近十年来，移动用户的数量一直在高速增长。从2 0 0 2 年开始，全球移动通 信用户已经超过了固定电话用户，成为一种主要通信方式。与此同时，移动数据 业务量也在不断地增长，部分先进运营商移动数据业务的收入已经占移动总业务 收入的2 0 以上【6 l 。伴随着用户量和业务量的增长，如何提高系统容量，让有限 的无线资源能尽可能支持更多的移动用户这个严峻的技术问题便随之而来。 目前业界普遍认为，提高系统数据传输速率是一个增大系统容量的有效办 法。可是如果4 g 无线通信系统仍然沿用传统数字蜂窝系统的网络构架，根本不 可能满足系统的高速率要求，因为4 g 移动通信系统与2 g 和3 g 系统相比，存 在如下特点【，j ： - 4 g 无线通信系统的数据传输速率比3 g 无线通信系统高两倍以上，而无 线信号的传输损耗同传输速率成线性递减关系，所以如此高速的数据传 输速率对发射机的功率提出了较高的设备要求； - 现有的无线频谱资源中，2 g h z 左右的频带已经被3 g 无线通信系统占用， 所以4 g 无线通信系统必须使用更高频段的频谱资源，而高频段的频谱资 源的无线信号均为非视距传输，无线信号的衰减十分严重。 基于上述原因，在4 ( 3 无线通信系统中，远近效应将十分明显。如果仍然沿 用传统的蜂窝网络结构，位于小区边缘的移动终端可能无法保持高速率的数据传 输。因此在如此高的载波频率上，如何让4 g 无线通信系统为所有的用户，尤其 是处在小区边缘的移动终端提供良好的业务服务，成了目前无线通信领域亟待解 决的一个问题。解决上述问题的一种比较极端做法是通过小区分裂，增加基站的 部署密度，从而减小每个小区的覆盖范围。然而不断增加基站的数量无疑会增大 网络的铺建成本，无线运营商只能通过扩大终端客户量来弥补这部分的开销。可 是无线通信业务在中国的普及率已经非常高，运营商再增加大量的终端客户已几 乎不可能。而且作为无线通信系统扩容的一项重要技术，小区分裂技术的使用已 经接近极限，在一些高话务和业务地区，比如北京、上海和广州等，基站的布局 已经十分紧密，不可能再分裂出大量的新小区。 通过上述的讨论可以得知，为了满足4 g 移动通信系统高速率和广覆盖的业 务需求，必须对传统的蜂窝结构进行改造。在现有的多种方案中，一种基于无线 中继的“多跳技术最近得到了广泛的关注，被认为是未来移动通信系统的一个 重要发展方向。 北京邮电大学硕士毕业论文中继蜂窝网络的资源分配 1 4 多跳中继蜂窝网络 在多跳中继蜂窝系统中，无线信号的传输方式除了传统意义下的基站和移动 台之间的直传链路外，信源还可以借助一个或者多个固定的或移动的中继节点来 传输信息到目的节点。它最主要的特点就是把传统蜂窝系统的直接传输路径分成 多个短小的路径来传递信源信息。有关文献研究表明，这种多跳传输与传统的单 跳传输相比，具有降低系统的发送功率、延伸信号覆盖范围和提高系统的容量和 吞吐量等优点。 在多跳中继链路中，发射节点可以采用比单跳链路更小的发射功率进行信号 传输，从而相应地降低了对其它链路的干扰，潜在的增加了系统容量。它也可为 处于死区或深衰落区域的移动终端建立可靠的多跳通信链路，从而延伸小区的覆 盖范围。从传统的单跳传输到多跳传输，从点对点通信到多点合作通信，多跳中 继技术符合未来通信技术发展的趋势，不仅能实现高速率数据的信号覆盖，而且 也为下一代网络结构的设想提供了新的思路【9 】。 ( a ) 传统蜂窝系统( ”中继蜂窝系统 图1 1 传统蜂窝系统和中继蜂窝系统比较示意图 图1 1 为传统的蜂窝系统和中继蜂窝系统在相同的通信环境下，通信链路的 比较示意图。如图1 1 ( a ) 所示，由于移动台和基站之间存在建筑阻挡物，所以两 者之间的通信链路为非视距传输( n l o s ) ，通信信号的衰落比较严重。由于通 信链路质量过差，移动台可能无法获得网路服务。即使移动台能勉强同基站建立 通信，它所获得的服务质量也不会很高。而在图1 1 ( b ) 中，由于网络内引入了中 继节点，基站的信号可以通过中继节点中转到移动台，而基站和中继节点、中继 节点和移动台之间均为视距传输( l o s ) ，链路质量都非常好。所以通过这种系 统架设方式，基站可以为其覆盖区域内不同位置的移动台提供公平的服务调度和 均匀的传输速率。而且由于控制信息和数据都通过中继节点到达接收节点，使得 4 北京邮电大学硕士毕业论文中继蜂窝网络的资源分配 基站的覆盖范围得到扩大，在不易布放基站的地区( 如缺乏核心网接入点或者空 间较小的区域) ，运营商可以通过中继节点的转发提供有效的接入服务。从用户 角度来看，这种布放方式改善了接入端的信号质量，提升了服务质量和用户满意 度，增大了数据传输速率【1 2 】。 1 5 本文主要贡献和内容安排 本文主要研究了两跳中继蜂窝网络下资源分配的问题。有效的资源分配是一 种经济实用的提高系统容量和覆盖范围的手段，合理的资源分配可以达到覆盖和 容量的合理折中，因此资源分配是多跳中继蜂窝网络的一个重要研究课题【1 0 1 。 本文的主要研究贡献如下： - 在现有的理论基础和研究模型上，提出一种新的资源复用形式：基站和 中继节点之间的链路( 为了简化起见，在后续的章节中该链路简称为链 路b s r s ) ，通过复用其它链路的资源来完成自身链路的传输。由于多跳 中继蜂窝系统中除了链路b s r s 之外，还存在基站和移动台、中继节点 和移动台之间的链路( 在后续章节中，它们将分别被简称为链路b s m s 和链路r s m s ) ，所以本文分别针对链路b s r s 复用链路b s m s 和链路 r s m s 的资源这两种情况进行研究； - 由于多跳中继蜂窝网络中设备节点的增多，所以系统的干扰情况比传统 的蜂窝系统严重，尤其在采用了资源复用的资源分配方案后，愈发加剧 了这种状况。为了降低中继蜂窝系统的干扰，保证通信链路的质量，本 文分别针对上述的两种资源复用方案提出了相应的的干扰消除方法，并 且通过理论分析和数学仿真，将上述两个资源分配方案同文献 1 1 d p 所提 出的r r p 方案进行性能比较，证明了所提方案的可行性，且体现了方案 的优势。 本文内容的具体安排如下： 第一章介绍论文的研究背景、内容和主要贡献，分析了4 g 通信系统的特 点，传统蜂窝系统的局限性以及中继蜂窝系统的优越性，表明中继蜂窝 系统是能满足下一代移动通信系统性能需求的新型系统构建方式； 第二章介绍中继蜂窝系统的系统构架、应用场景和资源分配在中继蜂窝 系统中的重要性； - 第三章和第四章提出链路b s r s 分别复用链路b s m s 和链路r s m s 资 源的资源复用方案，并针对所提方案进行性能分析，最后通过数学仿真 验证这两个方案的系统性能； 一 第五章对全文进行总结并提出进一步的研究设想。 5 北京邮电大学硕士毕业论文中继蜂窝网络的资源分配 第二章数字中继蜂窝网络 在传统的数字蜂窝网络中，每个小区中分布着两种节点基站和移动台， 它们通过使用固定频段的无线空中接口进行通信。由于无线信号在传输的过程中 存在路径传播损耗、慢衰落损耗、阴影效应等因素的影响，所以当无线信号到达 接收节点时，信号强度都会有不同程度的衰减。当移动台位于小区边缘时，由于 信号强度比较弱，所以移动台能够获得的数据业务传输速率也变得很小。这就是 无线数据服务中的小区边缘问题，它是限制移动通信系统进一步提高数据业务服 务质量的一个重要因素。另外，室内覆盖问题也是数据业务发展的瓶颈之一。对 于数据业务，大部分业务量都集中在室内，来自室外的无线信号在穿透墙壁进行 传输时，信号强度会受到很大的衰减，使得移动台获得的服务质量下降【6 】。在中 继蜂窝网络中，基站和移动台之间引入了第三种节点中继节点，它可以对发 射节点的信号进行一定的处理后再转发给接收节点。通过采用这种传输方式，可 以缩短发射节点和接收节点之间的传输距离，避开在传输过程中遇到的障碍物， 有效的降低了信号的衰落，在基站和移动台之间建立了一条传输速率高、通信质 量好的信息通道，从而提高了系统的服务质量和吞吐量。 2 1 系统模型 图2 - 1 中继蜂窝系统模型示意图 6 北京邮电大学硕士毕业论文中继蜂窝网络的资源分配 图2 1 是一个中继蜂窝系统模型示意图。如图所示，在中继蜂窝系统中分布 着三种类型的节点基站( b s ) 、移动台( m s ) 和中继节点( r s ) ，其中中继 节点是中继蜂窝系统新增加的链路节点，它主要有如下两个功能： - 接收基站发送的下行链路数据，然后把数据转发给移动台； 接收移动台发送的上行链路数据，然后把数据转发给基站。 在引入了中继节点之后，移动台除了采用传统蜂窝系统的通信链路模式和基 站通信之外，还可以通过中继节点与基站间接建立通信链路，所以中继蜂窝系统 存在如下两种链路模式：( 这里仅考虑下行链路，上行链路与此类似) 一 b s m s ：基站直接将业务数据发送给移动台。这种链路模式与传统蜂窝 系统的链路模式相同，适用于同基站通信链路质量较好的移动台，比如 图2 1 中离基站较近的移动台m s 2 ； - b s r s m s ：基站首先将业务数据发送给中继节点，然后中继节点再将这 些业务数据转发给移动台。在这个传输过程中，中继节点本身并不产生 新的数据业务，不过可能会生成相关的控制信令以完成数据业务的传输。 这种链路模式适用于同基站的通信链路质量较差的移动台，比如图2 1 中处在小区边缘，离基站较远的移动台m s l ； 由于中继节点不需要具有基站那样大的覆盖范围，所以中继节点的功放设计 和生产成本都低于基站。此外，中继节点的架设塔要比基站的架设塔矮，这样可 以降低运营商在架设塔上花费的设备维修和保养费用。 根据中继节点对接收信号的处理模式，可以把中继节点划分为三大类0 2 】： - 放大转发型：最简单的信号处理模型，类似于直放站。中继节点仅仅把 接收到的信号按照一定的系数进行放大，然后转发给下一级的接收节点， 所以它的弊端同直放站相似； 解码转发型：中继节点把接收到的信号解调并解码为原始的信息，然后 重新对数据进行编码调制发送给下一级的接收节点。这种模式在信道条 件好的时候能明显的增强信号的质量，但是在信道质量较差的时候，中 继节点解码所得的原始数据可能存在较多的错误信息，所以转发后的数 据将会出现误码扩散现象，而且下一级的接收节点无法进行恢复； _ 估计转发型：中继节点对信号进行解调，但是不进行解码，然后按照解 调后的信号进行量化压缩，产生一个估计值，这个估计值的信号将被中 继节点转发出去。这种模式是最初在“解码转发”模式无法实现的情况 下提出来的，它吸收了前面提出的两种模式的优点，但由于转发的信号 是接收信号的小码本，所以必须结合直径信号或者其它路径的转发信号 才能完全解码，具体实现方式尚处在探讨阶段。 7 北京邮电大学硕士毕业论文中继蜂窝网络的资源分配 除了可以按照上述方式对中继节点进行分类外，还可以根据中继节点在小区 中的物理位置，对中继节点进行划分【6 】： _ 固定中继节点：固定中继节点和基站所构成的无线网络拓扑是固定不变 的，每个中继节点只负责转发某个特定基站的信号，这是目前中继蜂窝 系统中最主要的中继应用方式。通过在小区的覆盖范围内，特别是在小 区的边缘地区增加适当数量的中继节点，可以改善小区边缘的覆盖性能， 提高小区边缘的服务质量。另外，也可以在原小区的覆盖范围之外设置 若干个中继节点，将来自基站的信号进行转发，扩大小区的覆盖范围。 由于中继节点的成本通常比基站的成本低，所以这种扩大覆盖范围的方 式可以降低建网的成本； - 移动中继节点：虽然固定中继节点在覆盖和容量等方面有着巨大的优势， 但在未来的无线网络中，可能存在一些应用场景需要使用可移动的中继 节点。相对于固定中继节点，可移动中继节点适合一些更加特殊的场合， 比如对高速移动的列车进行信号覆盖。由于移动用户始终由列车上的一 个中继节点提供服务，无需进行切换，所以切换只需在基站和中继节点 之间进行。这就避免了数量庞大的移动台在同时进行切换操作时，带来 大量的突发信令，提高了切换的成功率，改善了服务质量； - 游牧中继节点：游牧中继节点的作用介于固定中继节点和移动中继节点 之间。游牧中继节点体积一般较小，便于携带，所以可以用于许多通信 场合，而且放置后短时间内一般不再更改放置的位置。游牧中继节点非 常适用于应对突发的话音业务。例如在重大事故发生的现场，可能会产 生大量的话务量，这时便需要游牧中继节点这种功能简单、价格较低、 便于安装的系统迅速建立服务网络。 由于固定中继节点同移动和游牧中继节点相比，具有数据处理量大、路由选 择算法简单、信令负荷小等优点，所以业界普遍认为至少在4 g 移动通信系统的 早期，为用户提供服务的中继网络应该是基于固定中继的网络【_ 7 1 。再加上固定中 继网络的研究成果及商用价值也是业界和商界期盼得到和看得到的，因此固定中 继网络成为了中继网络研究的热点，本文所做的全部研究工作也将针对固定中继 蜂窝网络展开。 2 2 蜂窝中继网络应用场景 在传统蜂窝网络中引入中继节点可以用于不同的网络需求，如覆盖范围的改 善，系统容量的提高等等。根据不同的目的可以实现不同的应用场景，下面介绍 几种主要的蜂窝中继网络的应用场景【10 1 。 北京邮电大学硕士毕业论文中继蜂窝网络的资源分配 2 2 1 用于延伸基站的服务范围 在传统蜂窝网络中引入中继节点可以延伸基站的服务范围，以比较经济的方 式达到增强系统无线覆盖的目的，图2 2 给出了这种场景的一个应用例子。图2 2 ( a ) 代表了传统蜂窝网中一个基站的覆盖范围，在这个覆盖范围内移动台通过无 线链路与之通信。在图2 2 ( b ) 中，在基站覆盖范围不变的情况下，通过在基站覆 盖范围之外合理布置六个固定中继节点，延伸了基站的覆盖范围。这样以前位于 基站覆盖范围外的移动终端，可以通过这些中继节点与基站建立通信，如图中 m s 2 就是通过中继节点与基站进行通信。通过这样方式配置中继网络，一方面可 以让尽量多的用户接入网络，另一方面还可以减少布网时所需的基站的数目，节 省网络投入成本【l 叫。 为了保证中继的性能，这种场景下可能需要在基站和中继节点间链路引入天 线增益，如在基站和中继节点的链路间使用定向天线技术。基站和中继节点间链 路的天线增益越高，中继增强网络的容量就越大。 ( a ) 传统蜂窝系统 ( b ) 中继蜂窝系统 图2 2 中继应用场景一：延伸基站的覆盖范围 9 北京邮电大学硕士毕业论文中继蜂窝网络的资源分配 2 2 2 用于优化系统容量及减小终端发射功率 在传统蜂窝网中引入中继节点可以用于减小终端发射功率及优化系统容量。 如图2 - 3 ( a ) c p ，在传统没有中继的情况下，处于小区边缘的移动终端m s 2 和基站 间的通信链路，由于移动终端m s 2 距离基站较远，路径损耗比较大，因此需要 很大的发射功率才能保证与基站连接的链路质量，其端到端的吞吐量也比较小。 在图2 3 ( b ) 中有中继增强的情况下，通过在基站覆盖范围内合理布置中继节点， 可以打断处于小区边缘用户( 如m s 2 ) 与基站间较长的通信链路，这些移动终端通 过两跳链路与基站建立通信。对于两跳链路的每一跳，其通信距离都比直传链路 的要小，其路径损耗也相对比较小，移动终端以很小的发射功率就能与中继节点 建立很好的连接。因此这种场景可以节省移动终端的功率，明显增加移动终端电 池的使用时间。另外，由于移动终端发射功率的减小，整个网络的干扰水平也随 之下降，可以采取更紧密的频谱复用距离，加上缩短的两跳链路的链路质量的提 升，小区容量能得到很大提高。 ( a ) 传统蜂窝系统( b ) 中继蜂窝系统 图2 3 中继应用场景二：用于减小终端发射功率及优化系统容量 2 2 3 用于消除覆盖阴影区域或者死区 在传统蜂窝网中引入中继节点可以消除覆盖阴影区域或者死区。图2 4 是一 种常见的街区分布情况，在马路的两边有高大的建筑物群，移动终端处于建筑物 群的背后的阴影区域甚至是死区中，无法直接与基站通信。在有中继增强网络的 情况下，可以在如图2 4 所示的位置布置一个中继节点，消除阴影区或者死区， 这样移动终端就可以通过中继节点经过两跳链路与基站建立很好的通信。 1 0 北京邮电大学硕士毕业论文中继蜂窝网络的资源分配 图2 - 4 中继应用场景三：用于消除覆盖阴影区域或者死区 2 2 4 用于小区间负载平衡 图2 - 5 中继应用场景四：用于小区间负载平衡 北京邮电大学硕士毕业论文中继蜂窝网络的资源分配 在传统蜂窝网中引入中继节点可以用于小区间的负载平衡。如图2 5 所示， 中心基站由于某些原因成为了一个热点小区( 比如周围建起了一些新的居民区 等) ，而周围的一些基站的移动终端用户相对比较少，那么可以在两个基站间增 加一些新的中继站，用来构建中继网络，把热点小区的一些用户引入到用户相对 少的小区中，达到在小区之间进行负载平衡的目的。 2 3 中继蜂窝网络关键技术 作为一种新型的无线网络技术，中继技术实际还处于理论研究阶段，具体的 接口和协议还没有完全定义，很多关键技术仍然处于讨论过程中【6 】。 - 中继间的协作和宏分集 在中继系统中，信号可以通过不同的中继节点到达用户终端，因此，通过中 级节点之间的协作，可以提供宏分集的效果。 最常用的分集方式是中继节点与多输入多输出( m i m o ) 结合：来自基站的 数据在中继节点处进行相同的空时编码，每个中继节点选择编码后的一路数据发 送出去，在接收端再合并。这种情况下中继节点相当于m i m o 中的独立天线。 另一种分集方式是循环时延分集，需要利用正交频分复用( o f d m ) 技术。 基站将数据调整在o f d m 符号上并发送给m 个中继节点。不同的中继节点分别 将接收到的o f d m 符号在时域上进行0 至i n 1 次循环移位，然后再发送出去， 实现频率和空间分集。 以上两种宏分集技术会占用小区额外的时频资源，需要高层信令配合，因此 通常只是可选的传输方式，用于满足特殊情况下的通信需求【6 】【1 2 1 。 - 无线资源管理 无线资源管理包括中继节点、信道和传输功率的选择分配。当存在中继传输 时，需要额外的时频信道转发信号。如果选取恰当的中继节点、中继信道和转发 功率进行传输将会大大增强信号的覆盖效果，在如下情况下尤其显著【6 】： 1 ) 服务的移动台大幅增多； 2 ) 采用功率控制进一步改善性能，特别蜂窝很小时，临道干扰也相应变小； 3 ) 蜂窝尺寸的大小决定了中继传输功率的大小，因此移动台的电池容量将 不构成瓶颈； 4 ) 传输性能对中继选择机制的衡量标准也很敏感，如果随机选择，也许性 能甚至不如无中继系统，而一个简单易行的次最优机制也许会使系统性 能得到更大的提升； 5 ) 一旦选定了恰当的中继站，性能增益将对中继信道的选择标准变得不那 么敏感。因此，中继站选择的优先级应该高于中继信道的优先级。 1 2 北京邮电大学硕士毕业论文中继蜂窝网络的资源分配 一 满足中继要求的帧结构 在中继系统中，由于增加了中继节点，所以可能会增加额外的时延。理想的 情况是：中继节点在接收到信号之后，立即转发出去，尽量减少处理时延，因此 需要对现有的系统帧结构做适当的调整。 图2 - 6 为目前一种常用的中继蜂窝系统帧结构，它将系统帧划分为三个子时 隙，链路b s m s 、链路b s r s 和链路r s m s 分别占用其中一个。采用这种帧结 构，两跳链路可以在一帧之内完成整个链路的传输，所以在中继节点处产生的时 延最小，可是这种帧结构对系统的同步要求较高。 f r e q u e n c y 图2 _ 6 基于t d m a 的中继帧结构 t i m e 图2 7 为另外一种目前较为常用的中继系统帧结构。同上一种中继帧结构不 同，这种帧结构通过f d m a 来划分基站链路和中继链路，将系统的频谱资源划 分为三大部分，分别分配给链路b s m s 、链路b s r s 和链路r s m s 。这种帧结 构对系统的同步要求较低，可是由于两跳链路无法在一帧之内完成整个链路的数 据传输，所以存在系统时延较大的问题。 t i m e 2 4 资源分配 图2 - 7 基于f d m a 的中继帧结构 f r e q u e n c y 在2 0 世纪7 0 年代，贝尔实验室提出了蜂窝概念，在频率不足和用户容量过 小的问题上有了一个重大的突破。由于引入了小区覆盖和频率复用的概念，满足 了无线蜂窝网络利用有限的频谱资源为更多用户服务的要求，使移动通信的容量 问题在一定的程度上得到了解决。然而频率复用会带来通信系统中使用同频段的 移动终端间的相互干扰，过大的干扰将导致接收端无法正确接收数据( 1 0 1 ，所以 北京邮电大学硕士毕业论文中继蜂窝网络的资源分配 资源分配是无线通信系统中一个十分关键的问题，通过合理的资源分配可以尽量 减小移动终端之间的相互干扰，提高系统的容量和服务质量。 同传统的蜂窝结构相比，由于中继蜂窝网络引入了中继节点，它需要分配额 外的资源给中继节点，所以中继蜂窝系统在进行资源分配时需要考虑的因素更 多，规划的方案更加复杂。如果所采用的资源分配方案不恰当，在引入中继节点 后，反而会降低中继蜂窝系统的容量。在现有的研究中，有如下两种主流的频谱 资源规划策略： - 使用非注册频段：基站使用注册的频段与中继节点或移动台通信，而中 继节点则使用非注册的频段同基站或者移动台进行通信。使用这种频谱 规划策略，不但可以保证基站、移动台和中继节点之间频率的正交性， 还可以避免昂贵的频谱资源注册费。此外，当中继信道出错时，只有通 过中继的两跳移动台会被影响，而使用注册频段的单跳移动台则不会受 到任何影响。可是它也存在较多的缺点：使用未注册频段会带来中继节 点和移动台设备复杂度的增加；由于非注册频段的使用方式和使用者都 处在无法预知状态，所以系统性能可能存在较大的波动性，网络优化难 度较大；由于基站和移动台需要在注册频段和非注册频段间频繁的切换， 所以必然会增大网络控制难度，而且同现有通信系统不兼容，提高系统 设备的复杂度，增大系统构建成本； - 使用注册频段：基站、移动台和中继节点都使用注册频段，然后通过采 用一些关键技术降低引入中继节点后造成的干扰。采用这种频谱规划方 式，对于移动台来说，中继节点完全是透明的，不需要对现有的移动台 进行任何的改造，系统兼容性较好，所以这种频谱规划方式成为了当今 通信领域研究的重点。但是由于中继节点和原有网络的节点使用相同频 段的频谱资源，网络链路增加了新的干扰源，所以需要有很好的资源分 配方案支持； 根据网络的优化目标不同，制定的系统资源分配方案也必然不同。在现有的 研究中，中继蜂窝系统资源分配的优化目标主要有如下几种【6 】： 基于复用划分：“基于复用划分”资源配方案的基本思想是将蜂窝系统中 的复用划分的概念引入到中继网络的频谱分配中，链路b s m s 、链路 b s r s 和链路r s m s 使用不同的频率复用因子以提高频谱利用效率，同 时进行有效的小区间干扰管理。通过理论分析和仿真结果表明，在不同 的频率复用因子的组合方案中，最佳的复用划分的方案是将三个小区组 成一个簇，在每个簇中系统可用频带分成正交的四部分，第一部分用于 链路b s m s 以及b s r s 的通信，另外三个部分分别用于不同小区中链路 1 4 北京邮电大学硕士毕业论文中继蜂窝网络的资源分配 r s m s 间的通信； - 基于覆盖范围：“基于覆盖范围 资源分配方案的主要目的是增加对高速 率用户的覆盖范围。三个小区组成一个簇，其中链路b s m s 和链路 r s m s 所用的频率复用因子为3 。由于在进行网络建设的过程中，运营 商可以对中继节点进行网络规划，选择链路b s r s 间无线链路比较好的 地点安装中继节点，并可以在基站上采用波束成型等技术改善链路质量。 因此，可以假定链路b s r s 的链路通信质量较好，对于链路b s r s 的频 率复用因子可以选定为1 ； - 基于频谱效率：“基于频谱效率 资源分配方案主要的目的是增大面积频 谱利用率。两个小区组成一个簇，其中链路b s m s 和链路r s m s 所用 的频率复用因子为2 ；同样假设链路b s r s 的链路通信质量较好，它的 频率复用因子为1 ； 灵活的资源分配和复用划分概念的引入，可以显著地提高中继蜂窝网络的系 统性能。将复用划分技术应用到中继加强的蜂窝系统中，可进行灵活的干扰管理 从而提高系统性能。根据优化目标的不同，可以采用不同的资源分配方案，改善 系统的覆盖或者提高系统的频谱利用率。 文献 1 3 】中提出了一种基于信道复用的频谱分配方案，将其它小区中基站所 使用的频谱资源再次分配给本小区的中继节点，然后通过制定相应的频谱复用准 则，降低系统的同频干扰。 图2 - 8 小区模型示意图 图2 8 为文献采用的小区模型示意图。如图所示，与传统数字蜂窝网络设备 部署的方式相似，基站被安置在小区的中心，可是小区中新增了六个中继节点， 北京邮电大学硕士毕业论文中继蜂窝网络的资源分配 分别部署在小区中心和顶点的连线上，中继节点到小区中心的距离为小区半径的 2 3 。采用如上的部署方式，可是使得中继节点和基站均匀分布在小区内【1 0 3 1 3 】。 如图2 - 9 所示，信道复用频谱分配方案中考虑的是频率复用因子为4 的中继 蜂窝系统。该方案将系统的频谱资源正交均分为a 、b 、c 和d 四部分，分别分 配给同一个簇中的四个小区的基站。对于小区里的中继节点，不再分配新的频谱 资源，而是复用其它小区的基站频谱资源来实现自身链路的传输。例如将频谱资 源a 正交均分为六部分一a l 、a 2 、a 3 、a 5 和凡，然后按照图2 - 9 所示规 则将这些资源分配给处在同一个簇中的其它相邻小区的中继节点。文献通过数学 分析证明：按照图示的频谱复用方式对资源进行复用，不但可以避免小区内的同 频干扰，而且可以将系统的同频干扰降到最低的限度。 图2 - 9 信道复用分配方案频谱复用规则示意图 通过这种频谱资源复用形式，可以节省中继节点的频谱资源耗费。文献通过 理论分析和数学仿真证明，使用上述频谱分配方案，中继蜂窝网络的系统信干比 和平均频谱效率与传统的数字蜂窝网络相比，均有显著的提高。 可是这种基于信道复用的频谱分配方案要求系统必须选取较大的频率复用 因子，比如文献中采用的频率复用因子为4 的情况。当所选取的频率复用因子较 小时，采用这种频谱分配方案将存在小区内的同频干扰过大，导致系统的性能急 剧恶化的问题。在未来的移动通信系统中，系统的频率复用因子选定为1 已经是 大家一致达成的共识，所以这种频谱分配方式显然不能满足未来的移动通信系统 的技术要求。 1 6 北京邮电大学硕士毕业论文中继蜂窝网络的资源分配 受文献 1 3 1 中所提资源复用思想的启发，本文提出两种新的资源复用方案。 假定系统的资源只分配给链路b s m s 和链路r s m s ，而链路b s r s 需要复用这 两种链路中某种链路的时频资源来完成链路传输，则链路b s r s 的资源复用 方式存在复用链路b s m s 或链路r s m s 这两种形式。本文将分别针对这两种复 用形式进行了研究。由于采用资源复用方案后，系统中使用同频资源的终端明显 增多，造成系统的干扰过大。为了解决这个问题，本文针对这两种复用方式自身 的特点，分别提出相应的系统干扰消除方案。在对所提方案的性能进行分析的过 程中，本文将文献 1 1 】中所提出的r r p 方案作为对比方案，比较它们之间的性能 差异。最后通过理论分析和数学仿真表明，本文所提的两种资源分配方案同r r p 方案相比，由于采用了有效的系统干扰消除方案，所以系统的干扰情况非但没有 恶化，反而优于r r p 方案。而且由于引入了资源复用，当系统的时频资源和业 务量相同时，本文所提方案给每条链路提供的时频资源明显大于r r p 方案，因 此采用本文所提复用方案系统的吞吐量显著地大于采用r r p 方案的系统。 2 5 本章小结 本章介绍了中继蜂窝系统采用的网络构架、类型和主要的应用场景，并详细 的阐述了中继蜂窝系统中所采用的多种关键技术。由于中继蜂窝系统中的链路节 点的增多，传统的帧结构已经无法满足中