中繼蜂窩網(wǎng)中基于功率控制的頻譜分配方案

靳麗君

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 評(píng)估與建設(shè)辦公室，陜西 西安710014）

盡管第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3 G）可以與互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信相結(jié)合的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，但由于它還存在因特網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)困難、不支持較高的通信速率、網(wǎng)絡(luò)容量相對(duì)較小、用戶費(fèi)用相對(duì)昂貴以及商業(yè)模型不確定等難以逾越的困難和缺陷，因此，隨著市場(chǎng)需求和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4 G）的研究便應(yīng)運(yùn)而生了。

4 G移動(dòng)通信系統(tǒng)同3 G系統(tǒng)相比具有傳輸速率高，系統(tǒng)容量大且成本低、多業(yè)務(wù)融合、提供更高質(zhì)量的多媒體通信服務(wù)、具有更高的兼容性等特點(diǎn)[1]。但如果4G繼續(xù)沿用傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，根本不可能滿足系統(tǒng)高速率的要求，因?yàn)闊o(wú)線信號(hào)的傳輸損耗同傳輸速率呈線性遞減關(guān)系，故而如此高的速率勢(shì)必對(duì)發(fā)射機(jī)的功率提出更高的要求，這顯然不現(xiàn)實(shí)；同時(shí)，由于2 GHz左右的頻帶已經(jīng)被3 G網(wǎng)絡(luò)占用，4 G系統(tǒng)必須使用更高頻段的頻譜資源，而高頻段的頻譜資源的無(wú)線信號(hào)均為非視距傳輸，嚴(yán)重的信號(hào)衰減導(dǎo)致遠(yuǎn)近效應(yīng)將十分明顯[2]。

基于以上原因，在不得不使用更高頻段的前提條件下，如何設(shè)計(jì)下一代無(wú)線通信系統(tǒng)保證小區(qū)邊沿的移動(dòng)終端提供高質(zhì)量的多媒體服務(wù)是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架下，解決這一問(wèn)題的直接方法就是增加基站的密度，但由于投入成本的增加以及小區(qū)分裂技術(shù)的使用已經(jīng)接近極限，使得這一方案已不太現(xiàn)實(shí)。

一種經(jīng)濟(jì)的、新穎的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案亟待提出，在眾多的方案中，一種基于“多跳”技術(shù)的中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)在此背景下得到廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

1 中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基本思想是把一跳鏈路分割成多跳鏈路，縮短通信節(jié)點(diǎn)間的通信距離，從而顯著提高信道容量和鏈路質(zhì)量，因此，中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)不但能提高小區(qū)覆蓋范圍，增加小區(qū)容量，有效滿足下一代移動(dòng)通信對(duì)大范圍內(nèi)的高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的覆蓋需求，而且由于節(jié)點(diǎn)間通信距離的縮短，該網(wǎng)絡(luò)可以減小終端的發(fā)射功率，對(duì)抗深度衰落和死區(qū)。

中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架模型如圖1所示，其主要的構(gòu)成實(shí)體包括基站（BS）、移動(dòng)臺(tái)（MS）和中繼節(jié)點(diǎn)（RS），考慮每個(gè)區(qū)群由3個(gè)小區(qū)構(gòu)成，分別用CellA、CellB、CellC標(biāo)記，每個(gè)小區(qū)分布6個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)位于小區(qū)中心到頂點(diǎn)的連線上，距離小區(qū)中心為2R/3，基站處于小區(qū)中心[3]。

圖1 中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架Fig.1 Relay cellular network architecture

中繼節(jié)點(diǎn)是中繼蜂窩系統(tǒng)新增加的鏈路節(jié)點(diǎn)，它主要承擔(dān)如下功能：接收基站發(fā)送的下行鏈路數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給移動(dòng)臺(tái)；接收移動(dòng)臺(tái)發(fā)送的上行鏈路數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給基站。在引入中繼節(jié)點(diǎn)以后，移動(dòng)臺(tái)可以通過(guò)兩種鏈路建立與基站之間的通信，一種是MS-BS，即移動(dòng)臺(tái)直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站，這種鏈路與傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)鏈路相同，適用于移動(dòng)臺(tái)和基站信號(hào)質(zhì)量較好的情況；一種是MS-RS-BS，移動(dòng)臺(tái)首先將數(shù)據(jù)傳遞給中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)再將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給基站，在此過(guò)程中，中繼節(jié)點(diǎn)并不產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，但會(huì)生成相關(guān)的控制信令以完成數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸。這種鏈路模式適用于移動(dòng)臺(tái)和基站通信鏈路質(zhì)量較差的情況。由于中繼設(shè)備功能要比基站簡(jiǎn)單，覆蓋范圍也比基站小，因此，復(fù)雜性就比較小，設(shè)備投入成本也比基站少得多。

根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)在小區(qū)中的物理位置不同，可以對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)劃分為：固定中繼節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)中繼節(jié)點(diǎn)和游牧中繼節(jié)點(diǎn)。本文主要以固定中繼節(jié)點(diǎn)展開(kāi)介紹。

中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景主要適用如下幾種情況：用于延伸基站的服務(wù)范圍；用于優(yōu)化系統(tǒng)容量；用于消除覆蓋陰影區(qū)或死區(qū)；用于小區(qū)間負(fù)載平衡[4]。

2 頻譜分配方案

2.1 幀結(jié)構(gòu)

本方案所采用的系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，單跳鏈路和多跳鏈路通過(guò)時(shí)分復(fù)用避開(kāi)相互間的干擾，單跳鏈路和兩跳鏈路的發(fā)射節(jié)點(diǎn)分別占用T1時(shí)隙和T2時(shí)隙發(fā)射信號(hào)。為避免相鄰小區(qū)的基站和中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)多跳移動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生較大的干擾，把兩跳鏈路的頻率資源通過(guò)正交頻分均分為3等份，分別分配給處于同一個(gè)區(qū)群的3個(gè)小區(qū)中的中繼節(jié)點(diǎn)，為充分利用無(wú)線時(shí)頻資源，系統(tǒng)不再單獨(dú)分配資源給鏈路BS-RS。在兩跳鏈路的第一條鏈路中，基站將復(fù)用相鄰小區(qū)中繼節(jié)點(diǎn)的時(shí)頻資源來(lái)完成鏈路的數(shù)據(jù)傳輸。具體復(fù)用方式如圖2所示，小區(qū)B的基站復(fù)用小區(qū)A中繼節(jié)點(diǎn)的時(shí)頻資源；小區(qū)C基站復(fù)用小區(qū)B中繼節(jié)點(diǎn)的時(shí)頻資源；小區(qū)A基站復(fù)用小區(qū)C中繼節(jié)點(diǎn)的時(shí)頻資源。

圖3為小區(qū)A的六個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和小區(qū)B的基站資源復(fù)用方式圖，其他幾個(gè)小區(qū)間基站和中繼節(jié)點(diǎn)的資源復(fù)用方式與此類(lèi)似，基站和中繼節(jié)點(diǎn)之間共享的時(shí)頻資源通過(guò)正交頻分方式均分為6份，例如資源1，小區(qū)A中的鏈路RsA1-MS和小區(qū)B中的鏈路BSB-RSB1，其他5個(gè)資源依次類(lèi)推。

圖2 幀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the frame

圖3 兩跳鏈路資源共享方式示意圖Fig.3 Two-hop link resource sharing diagram

2.2 頻譜分配

移動(dòng)臺(tái)如果以距離為路由選擇，那么小區(qū)將被劃分為兩個(gè)區(qū)域，即內(nèi)區(qū)域和外區(qū)域。如圖1所示，內(nèi)區(qū)域?yàn)榛镜姆?wù)區(qū)，區(qū)域半徑用R1表示，外區(qū)域?yàn)?個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的服務(wù)區(qū)，在內(nèi)區(qū)域，移動(dòng)臺(tái)直接與基站進(jìn)行通信，否則它會(huì)利用最近的中繼節(jié)點(diǎn)通過(guò)兩跳方式完成與基站的通信。

假定系統(tǒng)帶寬為B，小區(qū)移動(dòng)臺(tái)總數(shù)為N，單跳移動(dòng)臺(tái)個(gè)數(shù)為N1hop，兩跳移動(dòng)臺(tái)個(gè)數(shù)為N2hop，小區(qū)半徑為R，由于移動(dòng)臺(tái)在小區(qū)內(nèi)均勻分布，所以單跳移動(dòng)臺(tái)和兩跳移動(dòng)臺(tái)的分布比例與小區(qū)內(nèi)區(qū)域和外區(qū)域的面積比例相同[5]，即：

分別給每個(gè)單跳移動(dòng)臺(tái)和兩跳移動(dòng)臺(tái)分配等額的頻譜帶寬 B1hop和 B2hop，則：

為保證單跳移動(dòng)臺(tái)和兩跳移動(dòng)臺(tái)之間的的公平性，給單跳移動(dòng)臺(tái)和兩跳移動(dòng)臺(tái)分配相同的時(shí)頻資源，即：

由式（1）和式（2），式（3）式（4）可得到：

3 基站功率控制

由于在兩跳鏈路中，相鄰小區(qū)的基站復(fù)用本小區(qū)中繼節(jié)點(diǎn)的資源，由于基站的發(fā)射功率一般大于中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，加之兩跳移動(dòng)臺(tái)多分布在小區(qū)邊緣，這必將導(dǎo)致相鄰小區(qū)中同頻基站對(duì)本小區(qū)兩跳移動(dòng)臺(tái)造成過(guò)大的同頻干擾，甚至造成移動(dòng)臺(tái)無(wú)法同中繼節(jié)點(diǎn)之間建立通信。為了解決這一問(wèn)題，對(duì)基站的發(fā)射功率進(jìn)行相應(yīng)的控制：在T1幀內(nèi)，基站以大功率PT1發(fā)射信號(hào)與單跳移動(dòng)臺(tái)通信，而在T2幀內(nèi)，基站則以小功率PT2發(fā)射信號(hào)與中繼節(jié)點(diǎn)通信[6]。

假定兩跳鏈路中，鏈路BS-RS在一幀內(nèi)平均傳輸數(shù)據(jù)量為 RBS-RS，平均頻譜效率為 τBS-MS，如圖 3所示，兩跳鏈路的帶寬均為 B2hop，則有

兩跳鏈路最終的傳輸數(shù)據(jù)量由傳輸數(shù)據(jù)量最小的那一跳鏈路決定，即

由于鏈路BS-RS中信號(hào)鏈路衰減較小，信號(hào)到達(dá)中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)仍可保持較高的信號(hào)強(qiáng)度，因此即使基站在T2幀內(nèi)進(jìn)行功率控制，以較小的功率進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射也完全可以滿足下一跳鏈路RS-MS的數(shù)據(jù)傳輸要求，同時(shí)由于相鄰小區(qū)中基站在T2幀內(nèi)也是以小功率進(jìn)行發(fā)射，加之它的干擾信號(hào)在傳輸過(guò)程中有較大的衰落，所以它對(duì)本小區(qū)鏈路RS-MS的干擾已經(jīng)下降了很多。

通過(guò)以上分析：控制基站在T1和T2時(shí)隙內(nèi)分別采用不同的功率進(jìn)行發(fā)射，可以保證兩跳鏈路的鏈路吞吐量的條件下，有效緩解系統(tǒng)在資源復(fù)用方案帶來(lái)的系統(tǒng)干擾過(guò)大的問(wèn)題。

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[6]李平，戎蒙恬，薛義生.基于復(fù)用分割技術(shù)的兩跳蜂窩網(wǎng)的頻譜分配方案[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)：英文版，2007（2）：39-40.LI Ping,RONG Meng-tian,XUE Yi-sheng.Segmentation based on reuse of the two hop cellular spectrum allocation plan[J].Journal of Southeast University，2007（2） ：39-40.