中继增强蜂窝网络中的频谱分配及复用划分技术

1、Communications 中继增强蜂窝网络中的 频谱分配及复用划分技术 介绍 基本假设及系统模型: 在每个小区放置六个固定中继节点 (FRN)，其到基站(BS) 的距离为优化目标 移动终端(MS)可以直接和BS通信，也可以通过中继节点经 过两跳和BS通信 同构的固定中继节点，即MS和FRN，MS和BS ，FRN和BS之 间的链路共享所有可用的频谱带宽 在系统级仿真平台中采用19个蜂窝小区场景 BS和FRN都采用全向天线 MS 在每个小区均匀分布，且系统满负载 主要目标主要目标: 研究中继蜂窝小区中的频谱分配方案及其对系统性能的影响 优化不同设计目标下中继节点的放置位置 论证基站和中继节点之

2、间的链路质量对整个系统性能的重要性 基于复用划分的频率分配 基本思想是将复用划分的概念引入到中继蜂窝网络的基本思想是将复用划分的概念引入到中继蜂窝网络的 频谱分配中频谱分配中 即用于即用于BS-MS，BS-FRN链路和用于链路和用于FRN-MS链路的链路的 频带使用不同的复用因子，以提高频谱利用效率同时频带使用不同的复用因子，以提高频谱利用效率同时 进行有效的小区间干扰管理进行有效的小区间干扰管理 对不同的复用因子的组合方案进行理论分析和仿真结对不同的复用因子的组合方案进行理论分析和仿真结 果表明，最佳的复用划分的方案如左图所示果表明，最佳的复用划分的方案如左图所示 三个小区组成一簇，在每簇中

3、系统可用频带分成正交三个小区组成一簇，在每簇中系统可用频带分成正交 的四部分的四部分 图中的图中的FBS部分在每个小区被用于部分在每个小区被用于BS-MS及及BS- FRN 链路的通信链路的通信 图中的图中的FFRNA，FFRNB，FFRNC部分被小区部分被小区A，B，C用用 于各自于各自FRN-MS链路间的通信链路间的通信 基于复用划分的频率分配 仿真结果显示，我们所提出的基于复用划分的方案仿真结果显示，我们所提出的基于复用划分的方案(RRP)在中继节点放置在在中继节点放置在0.6R时获得最高时获得最高 的小区容量的小区容量 RRP方案相对于传统的复用划分方案方案相对于传统的复用划分方案(T

4、RP)(没有配置中继节点没有配置中继节点),以及传统的蜂窝小区，小区以及传统的蜂窝小区，小区 容量容量(Mbits/s) 可获得约可获得约30%和和45%的增益的增益 0.10.150.20.250.30.350.40.450.50.550.6 50 55 60 65 70 75 80 85 R1/R Cell Capacity (Mbits/s) RRP scheme: 1,1,3 TRP scheme conventional cellular network 基于复用划分的频率分配 同时，对于小区边缘的移动终端，其信干比同时，对于小区边缘的移动终端，其信干比(SIR)在在RRP方案中相比

5、方案中相比TRP和传统蜂窝网络增和传统蜂窝网络增 加约加约8-12dB 00.20.40.60.81 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 r/R SIR (dB) RRP-0.4R scheme RRP-0.6R scheme TRP scheme conventional cellular network B C A B A C A B B C A C A B C C A B C 7 8 9 12 1314 1 2 63 54 11 10 15 17 18 19 20 21 16 12 63 54 23 24 25 26 27 22 12 63 54 B B B

6、 B B B B B B B B A A A A A A A A 7 11 12 13 12 63 54 10 9 14 8 16 17 18 19 20 15 12 63 54 “基于覆盖面积”和“基于频谱效率”的 频率分配 “基于覆盖面积”的频谱分配方案(如左 图所示)主要目的是增加高速率用户的覆 盖范围 三个小区组成一簇，其中BS-MS及FRN-MS 链路所用的频率复用因子为3，而BS-FRN 链路所用的频率复用因子为1 假设BS-FRN链路通信质量较好，为视距 (LOS)传输 “基于频谱效率”的频谱分配方案(如右图所 示)主要目的是增加面积频谱利用效率 两个小区两个小区组成一簇，其中B

7、S-MS及FRN- MS链路所用的频率复用因子为频率复用因子为2，而BS- FRN链路所用的频率复用因子为1 假设BS-FRN链路通信质量较好，为视距为视距 (LOS)传输传输 “基于覆盖面积”和“基于频谱效率”的 频率分配 仿真结果显示，仿真结果显示，“基于覆盖面积基于覆盖面积”的分配方案相比于其他频率分配方案或传统的无中继网的分配方案相比于其他频率分配方案或传统的无中继网 络，移动终端具有最好的信干比络，移动终端具有最好的信干比(SIR)表现，即在给定表现，即在给定SIR要求下，该方案可以提供最大的要求下，该方案可以提供最大的 覆盖面积覆盖面积 1.522.533.544.55 0 0.1

8、 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 ASE(Bits/Sec/Hz/Km2) CDF channel-borrowing based scheme coverage-oriented scheme efficiency-oriented scheme conventional system without relaying “基于覆盖面积”和“基于频谱效率”的 频率分配 而而“基于频谱效率基于频谱效率”的频率分配方案，相比于其他方案和传统网络，可以获得更大的面积的频率分配方案，相比于其他方案和传统网络，可以获得更大的面积 频谱利用效率（如右图所示）频谱利用效率

9、（如右图所示） 同时，虽然同时，虽然“基于覆盖面积基于覆盖面积”的分配方案定位于增加高速率的覆盖范围，但相比于其他分的分配方案定位于增加高速率的覆盖范围，但相比于其他分 配方案（如频带借用方案）和传统网络，其频谱效率也获得了极大的增加配方案（如频带借用方案）和传统网络，其频谱效率也获得了极大的增加 BS-FRN链路在链路在NLOS信道条件下的频率分配信道条件下的频率分配 D B D B D D B D D B D C A C A A C A C 1 7 6 5 15 14 1619 1718 2 3 4 1 2 7 6 5 4 3 98 1013 11 12 7 6 5 2726 2831 2

10、9 30 2 3 4 7 6 5 21 20 2225 23 24 2 3 4 1 1 C A B C B A B C C A B A B C A A B C A 1 1 1 7 65 15 14 1619 1718 2 3 4 2 7 65 4 3 21 20 2225 23 24 2 7 65 4 3 98 1013 11 12 方案1 (如左图所示) 四个小区组成一簇，其中BS-MS及FRN-MS 链路所用的频率复用因子为1，而BS-FRN 链路所用的频率复用因子为频率复用因子为4 假设BS-FRN链路通信为非视距非视距(NLOS)传传 输输 方案方案2 (如右图所示如右图所示) 三个小

11、区组成一簇，其中三个小区组成一簇，其中BS-MS及及FRN- MS链路所用的频率复用因子为链路所用的频率复用因子为1，而，而BS- FRN链路所用的频率复用因子为链路所用的频率复用因子为3 假设假设BS-FRN链路通信为非视距链路通信为非视距(NLOS)传传 输输 010203040 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 SIR(dB) CDF our scheme I our scheme II conventional system without relaying channel-borrowing based scheme BS-FRN链路在链路在NLOS信道条件下的频率分配信道条件

12、下的频率分配 仿真结果显示，当仿真结果显示，当BS-FRN链路质量得不到保证，如处于链路质量得不到保证，如处于NLOS信道条件，中继蜂窝网络的信道条件，中继蜂窝网络的 系统性能将收到极大影响系统性能将收到极大影响 我们的分配方案我们的分配方案1和方案和方案2，相比于传统无中继网络，小区边界用户的，相比于传统无中继网络，小区边界用户的SIR（参考左图（参考左图5%的的 CDF点）获得少量增益点）获得少量增益 11.522.53 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Area spectral efficiency (Bits/Sec/Hz/Km 2) CDF conventional syst

13、em without relaying channel-borrowing based scheme our scheme I our scheme II BS-FRN链路在链路在NLOS信道条件下的频率分配信道条件下的频率分配 我们的分配方案我们的分配方案1和方案和方案2，平均面积频谱效率均低于传统蜂窝网络（如右图所示），平均面积频谱效率均低于传统蜂窝网络（如右图所示） 因此，为保证中继增强蜂窝网络的系统信能，必须采用一些措施或技术来保证因此，为保证中继增强蜂窝网络的系统信能，必须采用一些措施或技术来保证BS-FRN链路链路 的质量，如把的质量，如把FRN的天线放在高处以保证的天线放在高处以

14、保证BS-FRN之间的之间的LOS信道条件或采用定向天线等信道条件或采用定向天线等 结论 灵活的频率域资源分配和复用划分概念的引入可以显著的提高灵活的频率域资源分配和复用划分概念的引入可以显著的提高 中继蜂窝网络的系统性能中继蜂窝网络的系统性能 对小区间干扰的控制是在多小区环境下研究无线资源划分以支对小区间干扰的控制是在多小区环境下研究无线资源划分以支 持中继站运作的一个重要方面，而将复用划分技术应用到中继持中继站运作的一个重要方面，而将复用划分技术应用到中继 加强的蜂窝系统中，可以进行灵活的干扰管理从而提高系统性加强的蜂窝系统中，可以进行灵活的干扰管理从而提高系统性 能能 根据优化目标的不同

15、，可以采取不同的频谱分配方案，从而改根据优化目标的不同，可以采取不同的频谱分配方案，从而改 善系统的覆盖或提高系统的频谱利用效率善系统的覆盖或提高系统的频谱利用效率 基站到中继节点的链路质量对中继蜂窝网络的性能影响极大，基站到中继节点的链路质量对中继蜂窝网络的性能影响极大， 需要在系统设计和规划中考虑如何对基站和中继站链路实施加需要在系统设计和规划中考虑如何对基站和中继站链路实施加 强，如将中继站布置到可与基站实现直达波连接的位置强，如将中继站布置到可与基站实现直达波连接的位置 THANK YOU! THE END 参考文献 1 T. Liu, M. Rong, H. Shi, D. Yu, Y. Xue and E. Schulz, “Reuse partitioning in fixed two-hop cellular relaying network”, In Proc. IEEE WCNC06. 2 P. Li, M. Rong, T. Liu, Y. Xue, D. Yu and E. Schulz, “Reuse partitioning based frequency planning for cellular network w