基于方向性天線(xiàn)的中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源復(fù)用方案

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的蜂窩的缺點(diǎn)，中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)通過(guò)在基站和移動(dòng)臺(tái)之間引入若干中繼節(jié)點(diǎn)，縮短了收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的通信距離，降低了傳輸衰落，提高了鏈路通信質(zhì)量。基于方向性天線(xiàn)的中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)采用合理的區(qū)域劃分以及資源分配方案，提高了資源的利用率，減少了系統(tǒng)同頻干擾；系用過(guò)對(duì)系統(tǒng)干擾進(jìn)行理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，證明了該方案的可行性。
關(guān)鍵詞：中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)；資源分配；方向性天線(xiàn)；路徑損耗

0 引言
    盡管第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)較第二代(2G)移動(dòng)通信系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)，但它還存在網(wǎng)絡(luò)容量相對(duì)較小、傳輸速率不夠高、因特網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)困難、費(fèi)用相對(duì)昂貴等缺陷，因此，業(yè)界對(duì)第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G)的研究便應(yīng)運(yùn)而生了。
    在傳統(tǒng)的3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)臺(tái)與基站之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接直接完成的，也就是采用“單跳”方式傳輸數(shù)據(jù)的。如果第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)數(shù)字蜂窩系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，就不可能滿(mǎn)足系統(tǒng)高速率的要求，因?yàn)闊o(wú)線(xiàn)信號(hào)的傳輸損耗與傳輸速率呈線(xiàn)性遞減關(guān)系，如此高的速率勢(shì)必對(duì)發(fā)射機(jī)的功率提出更高的要求，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的；同時(shí)，由于4G系統(tǒng)必將使用2G頻段以上的頻譜資源，而這些頻譜資源的無(wú)線(xiàn)信號(hào)均為非視距傳輸，顯著的信號(hào)衰減勢(shì)必導(dǎo)致十分明顯得遠(yuǎn)近效應(yīng)。
    為了克服3G系統(tǒng)的缺點(diǎn)，必須對(duì)原有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。在此背景下，一種基于“多跳”技術(shù)的中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)得到業(yè)界廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。中繼技術(shù)是在基站與移動(dòng)臺(tái)之間增加了一個(gè)或多個(gè)中繼站(RS)，中繼站負(fù)責(zé)將無(wú)線(xiàn)信號(hào)做一次或多次轉(zhuǎn)發(fā)。

1 系統(tǒng)模型
1．1 網(wǎng)絡(luò)模型
    “兩跳”中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)模型與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)的差別在于每個(gè)小區(qū)內(nèi)增加了6個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)分布在小區(qū)中心與頂點(diǎn)的連線(xiàn)上，距離小區(qū)中心距離為2R／3(R為小區(qū)半徑)。如圖1所示為小區(qū)的模型示意圖，該系統(tǒng)移動(dòng)臺(tái)和中繼節(jié)點(diǎn)使用全向天線(xiàn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行發(fā)射和接收，為了對(duì)整個(gè)小區(qū)完全覆蓋，每個(gè)小區(qū)的基站使用3個(gè)120°的定向天線(xiàn)，這樣，小區(qū)便被劃成3個(gè)扇區(qū)，分別用S1，S2，S3表示。

1．2 天線(xiàn)系統(tǒng)
    天線(xiàn)作為無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的基本設(shè)備之一，它是通過(guò)饋線(xiàn)與收發(fā)信機(jī)連接起來(lái)，主要承擔(dān)發(fā)射或者接收無(wú)線(xiàn)電磁波的任務(wù)，實(shí)質(zhì)是完成了電磁波和高頻電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換任務(wù)。根據(jù)天線(xiàn)的接收和發(fā)射方向來(lái)區(qū)分，天線(xiàn)可以分為全向天線(xiàn)和定向天線(xiàn)。
    全向天線(xiàn)在水平方向圖上表現(xiàn)為360°都均勻輻射，全向天線(xiàn)在移動(dòng)通信系統(tǒng)中一般應(yīng)用于郊縣大區(qū)制的基站，覆蓋范圍大頻率利用率低，用戶(hù)密度相對(duì)較小的情況；定向天線(xiàn)在水平方向圖上表現(xiàn)為有一定角度范圍輻射和一定寬度的波束，定向天線(xiàn)在移動(dòng)通信系統(tǒng)中一般應(yīng)用城區(qū)小區(qū)制的基站，覆蓋范圍小，頻率利用率高，用戶(hù)密度較大的情況。
    不同類(lèi)型的收發(fā)設(shè)備根據(jù)通信的需要可選擇不同類(lèi)型的天線(xiàn)。該方案的中繼蜂窩系統(tǒng)，基站采用120°的定向天線(xiàn)進(jìn)行信號(hào)覆蓋，移動(dòng)臺(tái)和中繼節(jié)點(diǎn)采用全向天線(xiàn)。
1．3 資源分配
    中繼節(jié)點(diǎn)的引入和基站方向性天線(xiàn)的使用，使系統(tǒng)的鏈路分布要比傳統(tǒng)的蜂窩系統(tǒng)更為復(fù)雜，中繼蜂窩系統(tǒng)中的每個(gè)小區(qū)有如下15條鏈路：
    鏈路L1～L3分別為扇區(qū)S1，S2，S3內(nèi)BS-MS之間的通信鏈路；
    鏈路L4～L9分別對(duì)應(yīng)BS和6個(gè)RS之間的通信鏈路；
    鏈路L10～L15分別對(duì)應(yīng)MS和6個(gè)RS之間的通信鏈路。
    系統(tǒng)的時(shí)頻資源被劃分為6部分，如圖2所示為系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)示意圖。

    時(shí)頻資源與15條鏈路之間的分配關(guān)系為：
    P1分配給鏈路L1，同時(shí)被鏈路L6和L7復(fù)用；P2分配給鏈路L2，同時(shí)被鏈路L8和L9復(fù)用；P3分配給鏈路L3，同時(shí)被鏈路L4和L5復(fù)用；P4分配給鏈路L10和L11；P5分配給鏈路L12和L13；P6分配給鏈路L14和L15。本文不研究T1和T2的最佳比例，為了討論方便，這里將時(shí)隙均分，即T1=T2。
    由于移動(dòng)臺(tái)在小區(qū)的分布有可能是非均勻的，因此小區(qū)中不同區(qū)域的話(huà)務(wù)量會(huì)有差別，在話(huà)務(wù)量大的區(qū)域會(huì)因資源緊張導(dǎo)致部分移動(dòng)臺(tái)無(wú)法接入網(wǎng)絡(luò)，而話(huà)務(wù)量小的區(qū)域會(huì)造成部分系統(tǒng)資源閑置浪費(fèi)。為提高資源利用率，在采用以上資源分配的同時(shí)，同一扇區(qū)的兩個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)采用柔性資源分配方式，如圖1所示，S1扇區(qū)的RS1和RS2共用一份時(shí)頻資源，當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)有移動(dòng)用戶(hù)接入時(shí)，該節(jié)點(diǎn)的時(shí)頻資源由它服務(wù)區(qū)域的業(yè)務(wù)量動(dòng)態(tài)分配。
    通過(guò)資源的有效劃分，以及采用鏈路BS-RS復(fù)用鏈路BS-MS的方式，有效節(jié)約了中繼節(jié)點(diǎn)的資源開(kāi)銷(xiāo)；同一扇區(qū)的兩個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)話(huà)務(wù)量的狀況采用了柔性資源分配方式，從而使系統(tǒng)資源的利用率得到進(jìn)一步提高。同時(shí)，由于基站使用了定向天線(xiàn)，在資源分配時(shí)，原始鏈路與復(fù)用鏈路在不同扇區(qū)，因此避免了資源復(fù)用而導(dǎo)致的同頻干擾。

2 系統(tǒng)干擾分析
2．1 路由選擇
    為比較系統(tǒng)在不同路由選擇下的性能指標(biāo)，系統(tǒng)采用信噪比準(zhǔn)則和距離準(zhǔn)：
    (1)信噪比準(zhǔn)則
    信噪比準(zhǔn)則是系統(tǒng)計(jì)算出離移動(dòng)臺(tái)最近的兩個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)以及基站所收到的接收信號(hào)的信噪比(SIR)，然后將3個(gè)信噪比進(jìn)行比較，移動(dòng)臺(tái)選擇三者中信噪比最大者進(jìn)行通信。
    (2)距離準(zhǔn)則
    距離準(zhǔn)則是指系統(tǒng)測(cè)量出移動(dòng)臺(tái)到基站以及小區(qū)中6個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的距離，如果移動(dòng)臺(tái)到基站的距離最小，則移動(dòng)臺(tái)以“單跳”方式直接與基站進(jìn)行通信，否則移動(dòng)臺(tái)通過(guò)離它最近的中繼節(jié)點(diǎn)以“兩跳”方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給基站進(jìn)行通信。
2．2 系統(tǒng)干擾分析
2．2．1 鏈路BS-MS干擾
    根據(jù)小區(qū)的扇區(qū)劃分以及頻譜資源的分配方案，鏈路BS-MS干擾產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè)方面：其他小區(qū)中同一扇區(qū)的與MS進(jìn)行通信的BS；其他小區(qū)中相鄰扇區(qū)與RS進(jìn)行通信的BS。經(jīng)過(guò)分析不難得到鏈路BS-MS的信噪比為：
   
    式中：PBS為基站的發(fā)射功率；L為移動(dòng)臺(tái)到所接收基站的路徑損耗；LK為移動(dòng)臺(tái)到各個(gè)干擾源基站的路徑損耗。
2．2．2 鏈路BS-RS干擾
    由于鏈路BS-RS與鏈路BS-RS復(fù)用了相同的資源，其干擾情況也相似。鏈路的干擾源主要來(lái)自于兩個(gè)方面：其他小區(qū)中同一扇區(qū)與RS進(jìn)行通信的BS；其他小區(qū)中相鄰扇區(qū)與RS進(jìn)行通信的BS?？傻玫芥溌稡S-MS的信噪比為：
   
    式中：PBS為基站的發(fā)射功率；L為RS到所接收MS的路徑損耗；LK為RS到各個(gè)干擾源BS的路徑損耗。
2．2．3 鏈路BS-RS干擾
    為了提高資源的利用率，同一扇區(qū)的兩個(gè)中介節(jié)點(diǎn)采用柔性資源分配方式，因此RS-MS得干擾源處于不定狀態(tài)，當(dāng)所有相鄰小區(qū)中的RS1使用的資源與中心小區(qū)內(nèi)的RS2使用的資源相同時(shí)，鏈路BS-RS干擾的干擾最大。得到此時(shí)的信噪比為：
   
    式中：PRS為中繼節(jié)點(diǎn)RS的發(fā)射功率；L為MS到所接收RS的路徑損耗；LK為MS到各個(gè)干擾源RS的路徑損耗。

3 系統(tǒng)性能仿真
3．1 仿真條件
    依上述方案和算法，就移動(dòng)臺(tái)均勻分布的典型小區(qū)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，仿真條件為：
    鏈路BS-RS路徑損耗模型采用WINNER B5a視距傳輸模型，陰影衰落為標(biāo)準(zhǔn)差為3．4 dB的對(duì)數(shù)高斯分布隨機(jī)變量，表達(dá)式為：
   
    其他鏈路的路徑損耗模型采用WINNER C1非視距傳輸模型，陰影衰落為標(biāo)準(zhǔn)差為8．0 dB的對(duì)數(shù)高斯分布隨機(jī)變量，表達(dá)式為：
   
    系統(tǒng)的其他參數(shù)為：小區(qū)半徑R=500m；基站發(fā)射功率PBS=10W；中繼發(fā)射功率PRS=1W；幀長(zhǎng)T=10ms；系統(tǒng)帶寬B=25．6MHz，載頻f=5GHz。
3．2 系統(tǒng)性能仿真和分析
    圖3為移動(dòng)臺(tái)SIR的累積分布曲線(xiàn)(CDF)圖，仿真中選取RRP資源分配方案作為參考比較方案。在計(jì)算鏈路RS-MS的鏈路SIR時(shí)，取干擾最大的情況。從圖3可以看出，由于SIR準(zhǔn)則綜合考慮了基站、中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，通信距離和路徑損耗等因素，因此，采用該準(zhǔn)則所得到的系統(tǒng)性能要優(yōu)于通信距離準(zhǔn)則的方案。

    由于方案中BS-MS鏈路和BS-RS鏈路中基站采用了方向性天線(xiàn)，它們受到的干擾要小于RRP方案，因此，本文提出的基于方向性天線(xiàn)的資源分配方案中得以動(dòng)態(tài)的SIR整體上要優(yōu)于RRP方案。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文介紹一種基于方向性天線(xiàn)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的資源復(fù)用方案，通過(guò)在基站和移動(dòng)臺(tái)之間引入中繼節(jié)點(diǎn)，縮短了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信距離，減小了系統(tǒng)的陰影效應(yīng)，提高了鏈路的通信質(zhì)量?；臼褂枚ㄏ?strong>天線(xiàn)，合理的分配頻譜資源，提高了頻譜復(fù)用度，減小了系統(tǒng)干擾，提高了系統(tǒng)容量，通過(guò)理論分析和計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)性能的仿真，驗(yàn)證了該方案的可行性和有效性。