林曉冬

（南京市廣播電視大學(xué)，江蘇 南京 210002）

0 引言

基于傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的WiMAX網(wǎng)絡(luò)存在著一定的覆蓋問題，基站(BS，Base Station)的覆蓋范圍一般僅為2～5 km，且有效數(shù)據(jù)的傳輸速率隨著用戶與基站BS之間距離的增加而遞減，因此,那些位于BS覆蓋邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量很難得到保障，影響了系統(tǒng)的商用普及。目前無線網(wǎng)絡(luò)中采取的主要方法是增加基站密度或是在小區(qū)內(nèi)部署直放站的方法來改善覆蓋問題，然而前者成本較高而后者存在著有用信號和干擾信號被同時放大的問題。因此，需要一種新的部署方法來根本解決這些問題。

為了滿足短距離和廣覆蓋范圍的低損耗無線網(wǎng)絡(luò)的這一目標(biāo)，基于第二層（多跳）中繼節(jié)點(IEEE 806.16j)的部署概念似乎是最有前途的解決方案之一。

1 中繼技術(shù)簡介

多跳中繼技術(shù)就是通過利用結(jié)構(gòu)相對簡單、成本相對低廉的一個或多個中繼站(RS，Relay Station)在BS到用戶之間建立一條或多條輔助鏈路的方法，來對抗衰落，拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋，達(dá)到改善服務(wù)質(zhì)量，有效提高小區(qū)吞吐量，改善運營商網(wǎng)絡(luò)信號傳輸質(zhì)量的目的。

IEEE802.16j標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種不同的中繼模式：透明中繼模式和非透明中繼模式[1]。

針對這兩種不同的中繼模式可以有兩種不同的調(diào)度模式：集中式調(diào)度模式和分布式調(diào)度模式。在集中式調(diào)度模式下，系統(tǒng)中所有用戶的資源分配和管理都是由BS完成；在分布式調(diào)度模式下，RS具有一定的自主權(quán)，能夠調(diào)度與其相關(guān)聯(lián)的移動臺(MS，Mobile Station)，但網(wǎng)絡(luò)中 MS的接入鑒權(quán)和許可仍然需要BS協(xié)助。

在圖1(a)的透明中繼模式中，RS安裝在基站覆蓋范圍邊緣或陰影效應(yīng)嚴(yán)重的區(qū)域，MS在基站的覆蓋范圍之內(nèi)，中繼不轉(zhuǎn)發(fā)幀信息（包括前綴，幀控制頭，下行/上行鏈路映射管理消息），只起放大和轉(zhuǎn)發(fā)所接收的信號的作用，MS感覺不到中繼的存在。透明中繼還必須與上行的基站同步。由于上述這些特征，這種中繼模式可以提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸速率，提升系統(tǒng)容量，為位于基站覆蓋邊緣和陰影效應(yīng)嚴(yán)重區(qū)域用戶提供具有一定服務(wù)質(zhì)量(QoS，Quality of Service)保障的服務(wù)。這種中繼結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜，只能運行在集中調(diào)度模式中。

在圖1(b)的非透明中繼模式中，MS在基站的覆蓋范圍之外，而在中繼覆蓋范圍之內(nèi)，RS不僅放大和轉(zhuǎn)發(fā)所接收的信號，還和基站一樣轉(zhuǎn)發(fā)幀信息，MS把中繼當(dāng)作基站。因此，這種中繼模式可以擴(kuò)大覆蓋范圍，但是，發(fā)送幀信息會導(dǎo)致相鄰中繼的干擾，所以使用這種中繼來增加系統(tǒng)容量是有限的。非透明中繼可以運行在集中式或者分布式調(diào)度模式，其結(jié)構(gòu)比透明中繼復(fù)雜。

圖1 中繼模式

中繼對信號的處理模式有三種轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制：放大轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制、解碼轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制和估計轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。

2 系統(tǒng)模型和協(xié)議棧

2.1 寬帶接入網(wǎng)絡(luò)模型

圖2是基于IEEE802.16j的WiMAX的網(wǎng)絡(luò)參考模型[2]。由邏輯實體MS、RS、接入業(yè)務(wù)網(wǎng)(ASN，Access Service Network）和連接業(yè)務(wù)網(wǎng)（CSN，Connect Services Network）組成。其中CSN是WiMAX網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)絡(luò)，可以由AAA代理器、SERVER或者Internet網(wǎng)關(guān)等組成，CSN通過ASN- GW(網(wǎng)關(guān),GateWay)接入到ASN。ASN的主要作用是為網(wǎng)絡(luò)提供無線接入，ASN由ASN-GW和BS組成。圖中的移動臺MS可以直接通過ASN中的BS接入到網(wǎng)絡(luò)中，或者通過RS接入到網(wǎng)絡(luò)中。

與傳統(tǒng)的WiMAX網(wǎng)絡(luò)參考模型相比，此模型在MS和ASN功能實體中增加了RS模塊。其中，RS功能實體由中繼站組成，對ASN所發(fā)送的下行信號和MS所發(fā)送的上行信號作放大和轉(zhuǎn)發(fā)作用；R10參考點是由MS和RS之間相互連接的邏輯接口。主要負(fù)責(zé)RS和MS之間的信號傳輸；R9參考點是RS和ASN之間相互連接的邏輯接口。主要負(fù)責(zé)RS和ASN的信號傳輸。

圖2 基于IEEE 802.16j的WiMAX網(wǎng)絡(luò)參考模型

2.2 協(xié)議棧

WiMAX網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧如圖 3所示[3-4]，它由Data/Control Plane（數(shù)據(jù)控制平面）、Management Plane（管理平面）和Network Management System（網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)）組成。

數(shù)據(jù)控制平面的功能主要是保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。因此，數(shù)據(jù)控制平面除了要定義必要的傳輸外，還要定義一些控制機(jī)制來保障傳輸?shù)捻樌M(jìn)行。

管理平面與數(shù)據(jù)控制平面的功能實體相對應(yīng)。通過與數(shù)據(jù)控制平面實體的交互，管理實體可以協(xié)助外部的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)完成有關(guān)的管理功能。

圖3 WiMAX的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

其中，特定業(yè)務(wù)會聚子層:包括連接到上層的接口，主要功能是：

①分類和映射媒體訪問控制（MAC，Media Access Control）服務(wù)數(shù)據(jù)單元到合適的連接標(biāo)識符，用來服務(wù)質(zhì)量管理、路由和發(fā)送；

②基于分類處理高層協(xié)議數(shù)據(jù)單元；

③傳送會聚子層協(xié)議數(shù)據(jù)單元到合適的訪問點和接收來自于同等實體的會聚子層協(xié)議數(shù)據(jù)單元；

④凈荷頭抑制，在各自發(fā)送部分處理壓縮凈荷頭,在接收端恢復(fù)這些凈荷頭。

媒體訪問層公共部分子層：主要功能是兩個同等實體間的連接建立和管理、中繼信道管理和路由、網(wǎng)絡(luò)接入和初始化、上行/下行混合自動重傳請求、切換過程、組播和廣播服務(wù)、相鄰中繼站發(fā)現(xiàn)、帶寬分配調(diào)度和服務(wù)質(zhì)量管理。

安全子層：負(fù)責(zé)鑒權(quán),安全密鑰交換,和加密。

基于IEEE 802.16j的寬帶網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧在BS和MS之間增加了中繼，中繼新增加的作用是MS的接入和密鑰管理都是由中繼來完成。此協(xié)議棧在WiMAX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，在下兩層增加了中繼媒體訪問層和中繼物理層兩個功能實體，如圖4所示。

中繼媒體訪問層: 負(fù)責(zé)發(fā)送MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元的串聯(lián)和控制功能，例如調(diào)度、路由和服務(wù)流控制。也支持一般的MAC頭的使用。

中繼物理層:完成所有物理層的功能和過程。例如子信道化、解調(diào)、和對在基站和中繼之間或者中繼之間的連接的解碼。

圖4 基于 IEEE 802.16j的協(xié)議棧

3 仿真分析

設(shè)想在一個蜂窩小區(qū)中，蜂窩網(wǎng)絡(luò)的半徑為1 000 m，在特定的某個點處有個移動臺，移動臺移動速度為1～25 m/s,現(xiàn)采用圖5的多跳中繼接入和單跳直接連接兩種方式進(jìn)行連接，中繼半徑為100 m，用戶符合泊松分布，每人通話時間為100 s，每人重復(fù)5次，每次人數(shù)按50人遞增，仿真時間為300 s，切換次數(shù)仿真5次，比較其掉話率。

圖5 兩種小區(qū)接入模型

圖6為選用了十個點做仿真的用戶數(shù)和掉話率的仿真結(jié)果。

結(jié)果顯示：有中繼接入的掉話率明顯較無中繼的小，且隨著系統(tǒng)用戶數(shù)量的增加，有中繼的掉話率呈下降趨勢，從0.02下降為0.01，和無中繼掉話率的差值也越來越大，只有無中繼的1/4左右?？梢?，中繼接入和單跳接入相比，掉話率得到了很大的改善。所以中繼接入提供了較好的用戶服務(wù)質(zhì)量，具有普通的單跳接入所不具有的優(yōu)勢。中繼接入還具有低成本、能擴(kuò)大覆蓋范圍和系統(tǒng)容量的優(yōu)點。由此可見，在傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中加入中繼站是切實可行的，有著較好的發(fā)展前景。

圖6 掉話率仿真結(jié)果比較

4 結(jié)語

經(jīng)過對中繼技術(shù)的分析和進(jìn)行仿真對比，可以看出，基于IEEE802.16j的無線中繼寬帶網(wǎng)絡(luò)接入模型，不僅可以擴(kuò)展系統(tǒng)的范圍，增加系統(tǒng)的容量，提升系統(tǒng)性能和服務(wù)質(zhì)量，而且可以降低系統(tǒng)的安裝和維護(hù)成本，是一種非常有前途的無線網(wǎng)絡(luò)部署的方法之一。但是,新技術(shù)的發(fā)展業(yè)面臨著許多新的問題,如與單跳系統(tǒng)相比，切換變得更加復(fù)雜；中繼增加了網(wǎng)絡(luò)新的時延；運行在集中調(diào)度模式的透明和非透明中繼需要很復(fù)雜的基站；運行在分布調(diào)度模式的非透明中繼結(jié)構(gòu)也相當(dāng)復(fù)雜；如何對小區(qū)的頻譜資源進(jìn)行更加公平合理的分配等問題，都需要在以后的實踐中去不斷研究和解決。

[1] PETERS S W,HEATH R W.The Future of WiMAX: Multihop Relaying with IEEE 802.16j[J].Communications Magazine IEEE,2009,47(01): 104-111.

[2] GENC V,MURPHY S,YANG Yu,et al.IEEE 802.16J Relay-Based Wireless Access Networks: an Overview[J].Wireless Communications IEEE, 2008,(15)05: 56-63.

[3] IEEE Std 802.16-2009:C1-2004.IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16: Air Interface for Broadband Wireless Access Systems[S].

[4] WALKE B H,WIJAYA H,SCHULTZ D C.Layer 2 Relays in Cellular Mobile Radio Networks[C].Melbourne: IEEE Vehicular Technology Conference, 2006:81-85.