基于方向性天線的中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源復(fù)用方案

摘要：針對傳統(tǒng)的蜂窩的缺點，中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)通過在基站和移動臺之間引入若干中繼節(jié)點，縮短了收發(fā)節(jié)點之間的通信距離，降低了傳輸衰落，提高了鏈路通信質(zhì)量?；诜较蛐?strong>天線的中繼蜂窩網(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；系用過對系統(tǒng)干擾進行理論分析和仿真實驗，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；路徑損耗

0 引言
    盡管第三代移動通信系統(tǒng)(3G)較第二代(2G)移動通信系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢，但它還存在網(wǎng)絡(luò)容量相對較小、傳輸速率不夠高、因特網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)困難、費用相對昂貴等缺陷，因此，業(yè)界對第四代移動通信系統(tǒng)(4G)的研究便應(yīng)運而生了。
    在傳統(tǒng)的3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，移動臺與基站之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過無線連接直接完成的，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，就不可能滿足系統(tǒng)高速率的要求，因為無線信號的傳輸損耗與傳輸速率呈線性遞減關(guān)系，如此高的速率勢必對發(fā)射機的功率提出更高的要求，這顯然是不現(xiàn)實的；同時，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線信號均為非視距傳輸，顯著的信號衰減勢必導(dǎo)致十分明顯得遠近效應(yīng)。
    為了克服3G系統(tǒng)的缺點，必須對原有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行改造。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，被認為是未來移動通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。中繼技術(shù)是在基站與移動臺之間增加了一個或多個中繼站(RS)，中繼站負責(zé)將無線信號做一次或多次轉(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)的差別在于每個小區(qū)內(nèi)增加了6個中繼節(jié)點，中繼節(jié)點分布在小區(qū)中心與頂點的連線上，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)移動臺和中繼節(jié)點使用全向天線對信號進行發(fā)射和接收，為了對整個小區(qū)完全覆蓋，每個小區(qū)的基站使用3個120°的定向天線，這樣，小區(qū)便被劃成3個扇區(qū)，分別用S1，S2，S3表示。

1．2 天線系統(tǒng)
    天線作為無線通信系統(tǒng)的基本設(shè)備之一，它是通過饋線與收發(fā)信機連接起來，主要承擔(dān)發(fā)射或者接收無線電磁波的任務(wù)，實質(zhì)是完成了電磁波和高頻電信號的能量轉(zhuǎn)換任務(wù)。根據(jù)天線的接收和發(fā)射方向來區(qū)分，天線可以分為全向天線和定向天線。
    全向天線在水平方向圖上表現(xiàn)為360°都均勻輻射，全向天線在移動通信系統(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，用戶密度相對較小的情況；定向天線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，定向天線在移動通信系統(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，用戶密度較大的情況。
    不同類型的收發(fā)設(shè)備根據(jù)通信的需要可選擇不同類型的天線。該方案的中繼蜂窩系統(tǒng)，基站采用120°的定向天線進行信號覆蓋，移動臺和中繼節(jié)點采用全向天線。
1．3 資源分配
    中繼節(jié)點的引入和基站方向性天線的使用，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分別對應(yīng)BS和6個RS之間的通信鏈路；
    鏈路L10～L15分別對應(yīng)MS和6個RS之間的通信鏈路。
    系統(tǒng)的時頻資源被劃分為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，同時被鏈路L6和L7復(fù)用；P2分配給鏈路L2，同時被鏈路L8和L9復(fù)用；P3分配給鏈路L3，同時被鏈路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，這里將時隙均分，即T1=T2。
    由于移動臺在小區(qū)的分布有可能是非均勻的，因此小區(qū)中不同區(qū)域的話務(wù)量會有差別，在話務(wù)量大的區(qū)域會因資源緊張導(dǎo)致部分移動臺無法接入網(wǎng)絡(luò)，而話務(wù)量小的區(qū)域會造成部分系統(tǒng)資源閑置浪費。為提高資源利用率，在采用以上資源分配的同時，同一扇區(qū)的兩個中繼節(jié)點采用柔性資源分配方式，如圖1所示，S1扇區(qū)的RS1和RS2共用一份時頻資源，當(dāng)中繼節(jié)點有移動用戶接入時，該節(jié)點的時頻資源由它服務(wù)區(qū)域的業(yè)務(wù)量動態(tài)分配。
    通過資源的有效劃分，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)點的資源開銷；同一扇區(qū)的兩個中繼節(jié)點根據(jù)話務(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一步提高。同時，由于基站使用了定向天線，在資源分配時，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)計算出離移動臺最近的兩個中繼節(jié)點以及基站所收到的接收信號的信噪比(SIR)，然后將3個信噪比進行比較，移動臺選擇三者中信噪比最大者進行通信。
    (2)距離準(zhǔn)則
    距離準(zhǔn)則是指系統(tǒng)測量出移動臺到基站以及小區(qū)中6個中繼節(jié)點的距離，如果移動臺到基站的距離最小，則移動臺以“單跳”方式直接與基站進行通信，否則移動臺通過離它最近的中繼節(jié)點以“兩跳”方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給基站進行通信。
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方面：其他小區(qū)中同一扇區(qū)的與MS進行通信的BS；其他小區(qū)中相鄰扇區(qū)與RS進行通信的BS。經(jīng)過分析不難得到鏈路BS-MS的信噪比為：
   
    式中：PBS為基站的發(fā)射功率；L為移動臺到所接收基站的路徑損耗；LK為移動臺到各個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自于兩個方面：其他小區(qū)中同一扇區(qū)與RS進行通信的BS；其他小區(qū)中相鄰扇區(qū)與RS進行通信的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)的兩個中介節(jié)點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，鏈路BS-RS干擾的干擾最大。得到此時的信噪比為：
   
    式中：PRS為中繼節(jié)點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，就移動臺均勻分布的典型小區(qū)進行了仿真試驗，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的對數(shù)高斯分布隨機變量，表達式為：
   
    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的對數(shù)高斯分布隨機變量，表達式為：
   
    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為移動臺SIR的累積分布曲線(CDF)圖，仿真中選取RRP資源分配方案作為參考比較方案。在計算鏈路RS-MS的鏈路SIR時，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，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的資源分配方案中得以動態(tài)的SIR整體上要優(yōu)于RRP方案。

4 結(jié)語
    本文介紹一種基于方向性天線的移動通信網(wǎng)絡(luò)的資源復(fù)用方案，通過在基站和移動臺之間引入中繼節(jié)點，縮短了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的通信距離，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，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，通過理論分析和計算機對系統(tǒng)性能的仿真，驗證了該方案的可行性和有效性。