基于非專用中繼節(jié)點的雙跳中繼用頻規(guī)劃*

單秋橙，馬東堂?，熊 俊，張曉瀛，周嘯天

（1.國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，長沙 410073；2.解放軍75833 部隊，廣州 510080）

0 引言

聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)通信背景下，通信節(jié)點的部署隨作戰(zhàn)需求的變化而變化，節(jié)點的通信環(huán)境也隨節(jié)點的部署位置不斷變化。在預(yù)先配置的單跳指揮通信網(wǎng)中，指揮節(jié)點與下轄的某些通信節(jié)點之間可能由于地理阻隔發(fā)生通信中斷，導(dǎo)致指揮通信網(wǎng)無法正常運轉(zhuǎn)。

無線中繼技術(shù)作為一種克服信道惡化的手段，可有效拓展通信覆蓋范圍，已在民用蜂窩通信領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。而基于認(rèn)知中繼節(jié)點的頻譜資源優(yōu)化與規(guī)劃，可以提高頻譜利用率、緩解用頻矛盾，最大程度發(fā)揮認(rèn)知無線電的認(rèn)知和重構(gòu)能力。

文獻［1］系統(tǒng)介紹了一種蜂窩中繼網(wǎng)絡(luò)的無線資源管理方案，明確了蜂窩中繼通信中存在的3 種鏈路：基站與用戶間的直連鏈路（Direct Link）、基站與中繼間的回程鏈路（Backhaul Link）以及中繼與用戶間的接入鏈路（Access Link）。不同的鏈路占用不同的時頻資源，文章中介紹了兩種時頻資源分配方式——分割法（Partitioned）和復(fù)用法（Reused），并且給出了具體時頻上的幀結(jié)構(gòu)形式，如圖1 所示，中繼節(jié)點根據(jù)自身的地理位置以及周圍直連基站的用戶用頻情況自主地選擇相應(yīng)的中繼頻率。該文獻研究的是復(fù)用體制下的資源分配，但是在該體制下，中繼節(jié)點不承擔(dān)原先的網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)，屬于專用的中繼節(jié)點。且從幀結(jié)構(gòu)上看，不同鏈路的節(jié)點處在同一時隙資源的分配體制之下，因此，全網(wǎng)通信就需要精確的時間同步保障。

文獻［2］研究了認(rèn)知MIMO 天線下的雙路中繼網(wǎng)絡(luò)（Two-Way Relay Network，TWRN）的資源分配問題。在該中繼網(wǎng)絡(luò)中，中繼節(jié)點在承擔(dān)一對節(jié)點的中繼轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)的同時還可以進行其他信息的收發(fā)，也就是說，中繼節(jié)點不是專用的節(jié)點，而是利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中的通信節(jié)點承擔(dān)中繼任務(wù)。文獻［3］也指出，在蜂窩通信中，單純依靠增加中繼節(jié)點，擴大基站通信范圍，提升蜂窩通信質(zhì)量，效費比比較低，且存在中繼選擇及位置的優(yōu)化問題，無疑增添了蜂窩中繼資源優(yōu)化問題的難度。

此外，文獻［4-6］研究了借助D2D 通信實現(xiàn)信息的中繼轉(zhuǎn)發(fā)。這也可以看作是非專用中繼節(jié)點在承擔(dān)原通信任務(wù)的同時，以D2D 的方式實現(xiàn)中繼轉(zhuǎn)發(fā)的一種中繼策略。

但是實際的戰(zhàn)術(shù)通信和蜂窩通信還有明顯的不同。以超短波戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)為例，上下級通信節(jié)點一般采用相同頻率，各單位通過呼號或者時分多址接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信息的共享。如何實現(xiàn)上級指揮節(jié)點對下轄通信節(jié)點的全覆蓋是戰(zhàn)術(shù)通信保障任務(wù)的核心。在戰(zhàn)術(shù)通信中，不可能和蜂窩通信一樣預(yù)先布置服務(wù)于某些節(jié)點用戶的專用中繼節(jié)點，而更多的是利用本單位的通信節(jié)點之間的信息互傳，實現(xiàn)上級指揮節(jié)點對下轄的邊緣通信節(jié)點的通信覆蓋。

圖1 時頻資源分割及復(fù)用方法下的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文旨在建立一個可以有效反映戰(zhàn)術(shù)通信背景，借助同級通信節(jié)點，實現(xiàn)基于非專用中繼節(jié)點的中繼頻率規(guī)劃模型，綜合考慮中繼用頻需求，中繼用頻對原通信體系的干擾以及全頻段的頻率復(fù)用等問題。

1 系統(tǒng)模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)場景

本文主要考慮一個包含三級通信節(jié)點的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)，一級節(jié)點和二級節(jié)點之間由于通信距離過大或者地理障礙物的阻隔無法實現(xiàn)單跳通信，需要以某一二級節(jié)點為中繼，拓展一級節(jié)點的通信范圍，實現(xiàn)一級節(jié)點和遠(yuǎn)端二級節(jié)點的雙跳中繼通信。這種借助地面二級節(jié)點的中繼方式雖然在頻譜規(guī)劃難度、中繼通信速率等方面不及無人機中繼通信，但是這種中繼方式下的通信以地波傳播為主，因此，相較于無人機中繼，具有隱蔽性好、維護成本低等優(yōu)勢，具體的規(guī)劃場景如圖2 所示：

圖2 基于同級別節(jié)點的戰(zhàn)術(shù)中繼頻譜規(guī)劃場景圖

在圖2 中，一級節(jié)點下轄多個二級通信指揮節(jié)點，二級節(jié)點和單兵單車之間組成單跳集中式的二級網(wǎng)絡(luò)。具體地，二級節(jié)點作為信息融合節(jié)點，管控著整個二級網(wǎng)絡(luò)。上下行鏈路采用時分雙工模式，單兵單車通過碼分多址或者時分多址接入二級節(jié)點。二級網(wǎng)絡(luò)內(nèi)同頻建網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)同步，不同二級網(wǎng)絡(luò)間采用不同頻率且無需時間同步。由于二級網(wǎng)絡(luò)節(jié)點有明確的從屬關(guān)系，且通信范圍重疊的可能性較小，和蜂窩網(wǎng)相類似，因此，當(dāng)以二級網(wǎng)絡(luò)為中心的二級網(wǎng)絡(luò)之間的距離足夠大，或者信道衰落明顯時，可以考慮頻率的復(fù)用。

而對于一級節(jié)點來說，其所需要覆蓋的通信范圍無疑要比二級節(jié)點覆蓋范圍廣得多。在超短波戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)中，采用地波傳播方式的超短波，傳輸范圍一般也就是十幾公里，當(dāng)?shù)貏萜鸱^大時，通信范圍會進一步縮小，一般為5 km 左右。另外，地面障礙物的阻擋也會使信道衰落更為嚴(yán)重，所以傳統(tǒng)的以一級節(jié)點為中心的單跳超短波組網(wǎng)方式已經(jīng)無法滿足通信需求。以圖2 為例，二級節(jié)點1 距離一級節(jié)點較遠(yuǎn)，導(dǎo)致該節(jié)點無法正確接收來自一級節(jié)點的信息，也無法向一級節(jié)點匯報自身情況。二級節(jié)點2 此時距離二級節(jié)點1 最近，且可以收到來自一級節(jié)點的指揮信息，所以二級節(jié)點2 就可以充當(dāng)二級節(jié)點1 和一級節(jié)點之間的通信中繼。不妨將一級節(jié)點和二級節(jié)點之間的通信網(wǎng)絡(luò)稱為骨干網(wǎng)，單兵單車和對應(yīng)二級節(jié)點組成的通信網(wǎng)稱為接入網(wǎng)，參與中繼通信的二級節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)稱為中繼網(wǎng)。本文在超短波頻段，針對3 種通信網(wǎng)提出一整套頻率的劃分及復(fù)用方案，并在骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)用頻既定的情況下，基于已知的中繼網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，研究中繼節(jié)點處的中繼用頻規(guī)劃問題，實現(xiàn)最大化中繼通信效能和最小化中繼通信網(wǎng)絡(luò)對骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)的影響。

1.2 問題描述

在圖2 的規(guī)劃場景中，頻率規(guī)劃需要考慮幾個超短波通信網(wǎng)的網(wǎng)間干擾，而網(wǎng)間干擾最嚴(yán)重的地方就是網(wǎng)間共用二級節(jié)點處的共址干擾，出現(xiàn)的主要原因是由于該節(jié)點處的不同網(wǎng)絡(luò)接收和發(fā)射天線布置距離較近，且收發(fā)電平差距懸殊，天線間的耦合會使接收天線出現(xiàn)減敏現(xiàn)象。在實際的頻譜規(guī)劃場景中，天線間的耦合在車載天線距離和極化固定的情況下一般很難調(diào)整，而且接收機處的濾波器性能有限，最大限度地增大收發(fā)天線間的頻譜間隔，也就是兩個通信網(wǎng)絡(luò)間的頻譜間隔，一定程度上會改善網(wǎng)間的干擾程度。避免共址干擾的最小頻譜間隔被稱為共址干擾下的安全帶寬。

Jacques J.Gavan 課題組通過實驗建立了接收端射頻濾波器對臨近信號的衰減量與頻率間隔之間的半經(jīng)驗計算公式［7］

在圖2 所述的通信場景下，對于骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)兩個網(wǎng)絡(luò)層次，由于在所有二級節(jié)點處都存在共址干擾，所以這兩個層次網(wǎng)絡(luò)使用的頻率間隔至少為5 MHz。接入網(wǎng)由于二級節(jié)點和單兵單車的距離較近，單跳傳輸，所以可以選用超短波頻段中較高的頻段，且由于該層次通信用戶密集，所分得的頻段資源也相對豐富［10-13］。另外，中繼網(wǎng)用頻只在參與中繼的二級節(jié)點處與該節(jié)點的接入網(wǎng)用頻產(chǎn)生共址干擾，所以中繼網(wǎng)用頻也只需要和中繼網(wǎng)中二級節(jié)點處的接入網(wǎng)用頻間隔5 MHz，而對于其他不參與中繼的二級節(jié)點來說，由于滿足遠(yuǎn)區(qū)傳輸特性，不在近區(qū)共址干擾的考慮范圍之內(nèi)，所以中繼用頻也就不需要和這些二級節(jié)點的接入網(wǎng)用頻間隔5 MHz。一定條件下中繼網(wǎng)絡(luò)用頻可以復(fù)用非中繼網(wǎng)絡(luò)二級節(jié)點的接入網(wǎng)用頻。所以，當(dāng)中繼網(wǎng)絡(luò)節(jié)點已知時，中繼二級節(jié)點根據(jù)實際的中繼任務(wù)需求，復(fù)用接入網(wǎng)頻段。一種可行的規(guī)劃方案如圖3所示：

圖3 考慮復(fù)用情況的頻譜分配方案

在圖3 中，中繼網(wǎng)絡(luò)用頻為橫陰影部分，中繼網(wǎng)絡(luò)由二級節(jié)點1 和2 組成，所以中繼用頻需和這兩個二級節(jié)點的接入網(wǎng)用頻間隔5 MHz 以上。另外，由于二級節(jié)點3 不參與中繼，所以中繼網(wǎng)絡(luò)用頻一定條件下可以復(fù)用二級節(jié)點3 的接入網(wǎng)用頻。對于參與中繼的二級節(jié)點，中繼用頻的選擇需考慮：

1）避免與骨干網(wǎng)的共址干擾（由于復(fù)用的是接入網(wǎng)頻率，所以該項已滿足）；

2）避免與參與中繼的二級節(jié)點的接入網(wǎng)之間的共址干擾；

3）避免對其他不參與中繼的二級節(jié)點的接入網(wǎng)用頻的干擾；

4）滿足中繼帶寬需求。

1.3 模型設(shè)計

C1保證了中繼用頻和參與中繼的二級節(jié)點的接入網(wǎng)用頻之間的頻譜間隔大于5 MHz，消除了共址干擾，C2保證了規(guī)劃的中繼用頻帶寬需求滿足最低中繼帶寬需求，B 為需要滿足的最低中繼帶寬需求。

2 算法設(shè)計

在該場景中，中繼用頻策略只需要滿足最低中繼帶寬的需求即可，而不能通過干擾不參與中繼網(wǎng)絡(luò)的二級節(jié)點的接入網(wǎng)通信來換取中繼的帶寬。但是在對不參與中繼網(wǎng)絡(luò)的二級節(jié)點的總干擾沒有增大的情況下，增大中繼的通信帶寬也是提高中繼通信效率的有效方式。在本文所提算法中設(shè)置干擾的累積函數(shù)的倒數(shù)作為算法中的效益函數(shù)U，表示如下：

在上述優(yōu)化思想的指導(dǎo)下，具體的優(yōu)化流程如圖4 所示，算法首先將中繼帶寬設(shè)置為最低需求值，并在可規(guī)劃頻段內(nèi)尋找是否存在滿足共址干擾條件，即距離中繼網(wǎng)絡(luò)中二級節(jié)點的接入網(wǎng)用頻5 MHz 以上的連續(xù)頻帶。若不存在，則結(jié)束算法，說明通過地面二級節(jié)點為中繼的中繼方案已不適用，應(yīng)采用無人機中繼方案。若存在，則計算在該中繼帶寬下所有可用中繼頻帶下的效用值U，選出最大值和相應(yīng)的中繼用頻策略。之后將中繼帶寬增加一個頻譜粒度，繼續(xù)利用共址約束條件進行判斷，若依然存在可用的中繼用頻策略，只要該策略下U值未下降，應(yīng)更新中繼策略。

圖4 頻譜規(guī)劃流程圖

3 仿真及分析

為了驗證所提算法性能，本文基于Matlab 平臺進行算法仿真實現(xiàn)。為了更加清晰地展現(xiàn)不同的最低中繼帶寬下的中繼策略的更新，仿真的總體思路是給出不同中繼帶寬下的最大效用值的比較以及中繼策略。

3.1 仿真環(huán)境及參數(shù)設(shè)置

仿真中，一級節(jié)點位于仿真區(qū)域的中心，在仿真區(qū)域內(nèi)隨機分布著15 個二級通信節(jié)點，仿真中假設(shè)距離一級節(jié)點最遠(yuǎn)的1 個二級節(jié)點需要中繼服務(wù)，距離該二級節(jié)點最近的二級節(jié)點為中繼節(jié)點，提供中繼轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。具體的仿真環(huán)境如圖5 所示：

圖5 仿真環(huán)境節(jié)點分布圖

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

3.2 仿真結(jié)果分析

對于可規(guī)劃頻段，各二級節(jié)點接入網(wǎng)用頻存在著分頻和復(fù)用。具體應(yīng)根據(jù)地勢及信道衰落狀況合理分配，這不是本文的研究重點，所以在仿真分析時采用隨機占用的原則。為了體現(xiàn)頻率分配的合理性，每個二級節(jié)點也不宜占用過多的頻率資源，在該仿真中，每個二級節(jié)點的接入網(wǎng)用頻可以分配到2～3 個頻譜粒度資源。

隨著中繼帶寬限制的不同，所采取的頻率規(guī)劃方案的最大效益函數(shù)值也不盡相同。圖6 給出了不同的中繼帶寬下，滿足條件的中繼用頻規(guī)劃方案所能產(chǎn)生的最大效益函數(shù)值：

圖6 不同中繼帶寬下的最大效益值比較

在圖6 圓圈所展示的區(qū)域中，中繼帶寬設(shè)置為3 MHz～5 MHz 時所獲得的效益函數(shù)值相等，所以如果中繼最低帶寬需求是3 MHz 或者4 MHz 時，都應(yīng)該采用5 MHz 所對應(yīng)的中繼用頻策略以最大化中繼傳輸速率；而圖6 中矩形所圈出的部分也就是對應(yīng)的中繼帶寬設(shè)置為9 MHz～11 MHz 時，不同的中繼帶寬對應(yīng)著不同的效益值，所以當(dāng)中繼最低帶寬需求為這3 個數(shù)值時，為了不對原先的接入網(wǎng)通信造成新的干擾，中繼規(guī)劃用頻在滿足最低帶寬需求的同時，不宜為了優(yōu)化中繼速率進一步增加中繼帶寬；圖中圓角矩形圓圈圈出的部分則是由于中繼帶寬需求過大，使得在原先的規(guī)劃頻段內(nèi)無法找到滿足共址干擾約束條件的頻段，所以規(guī)劃的效益值為0，這種情況說明通過地面二級節(jié)點為中繼已不適用，需要借助無人機等中繼手段實現(xiàn)中繼轉(zhuǎn)發(fā)。不同中繼帶寬下的最優(yōu)中繼頻率規(guī)劃方案如下頁圖8所示。

圖7 圖6 的局部放大

4 結(jié)論

圖8 不同中繼帶寬下的中繼頻率規(guī)劃方案

本文分析了戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)中超短波頻段的分配問題，針對不同層級的網(wǎng)絡(luò)給出了頻譜的劃分策略，并在該策略下，綜合考慮了共址干擾、鄰頻干擾等問題，提出了基于非專用中繼節(jié)點的頻率復(fù)用方案。從仿真結(jié)果可以看出，本文所提出的中繼頻率的復(fù)用方案可以在滿足中繼最低帶寬需求的基礎(chǔ)上，最小化對原通信網(wǎng)絡(luò)的干擾影響，且在總的干擾效益不降低的情況下，最大化中繼傳輸帶寬，以實現(xiàn)最快的中繼數(shù)據(jù)傳送。提高了戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的用頻效率，降低了中繼通信網(wǎng)絡(luò)對原通信網(wǎng)絡(luò)的影響，提升了通信質(zhì)量。