楊洪濤，劉業(yè)輝，宋玉娥，孫社文，劉 麟

（1.北京工業(yè)職業(yè)技術學院電氣與信息工程學院 北京 100042；2.石家莊郵電職業(yè)技術學院 石家莊 050021）

1 引言

無線多跳網(wǎng)絡作為無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的下一個演進方向，得到了業(yè)界的重視。多跳網(wǎng)絡與其他基于非競爭的無線網(wǎng)絡網(wǎng)狀結構相比，具有更加可行和有效的優(yōu)勢。非競爭的無線網(wǎng)絡包括WiMAX（worldwide interoperability for microwave access，全球微波互聯(lián)接入）[1]、LTE（long term evolution，長 期 演 進）[2]、HSPA（high speed uplink packet access，高速上行鏈路分組接入）[3]等，這類網(wǎng)絡有很好的無線資源管理機制來避免干擾，并且可以更加有效地利用無線資源。由于同步和其他干擾等因素，單純的網(wǎng)狀結構很難在這類網(wǎng)絡中實現(xiàn)。

WiMAX和LTE都已經(jīng)建立了中繼工作組，研究如何在接入小區(qū)中建立多跳回程網(wǎng)絡。服務提供商也在部署WiMAX，以便更好地提供無線寬帶連接。IEEE 802.16j標準工作組也在重點關注多跳中繼網(wǎng)絡，以便在WiMAX移動網(wǎng)絡中進行多跳通信。在非競爭無線網(wǎng)絡中，用戶與中繼通信，而不直接與基站通信[4,5]。

LTE-A的中繼系統(tǒng)也是采用類似方式[6,7]，中繼實現(xiàn)的功能基本上是節(jié)點的回程功能和接入功能?；跓o線回程的LTE方案有兩種——帶內回程和帶外回程。帶內回程網(wǎng)絡與接入網(wǎng)絡共享無線網(wǎng)絡資源，如LTE帶內中繼和IEEE 802.16j。帶外回程網(wǎng)絡不與接入網(wǎng)絡共享資源，而是使用獨立的無線資源。本文將對帶內多跳中繼網(wǎng)絡進行研究。

[8]對市區(qū)的帶內中繼的覆蓋和容量進行了仿真，基于此，本文深入地闡述了不同業(yè)務量密度下小區(qū)真實的吞吐量和小區(qū)半徑的關系。參考文獻[9]闡述了郊區(qū)的中繼實際性能，基于該參考文獻的參數(shù)設置，本文詳細地描述了低業(yè)務量密度區(qū)域的中繼情況。

本文構建了OFDM（orthogonal frequency division multiplexing，正交頻分復用）兩跳中繼網(wǎng)絡，這種方式可以覆蓋LTE、WiMAX等無線網(wǎng)絡；研究了不同的小區(qū)半徑、信道狀態(tài)和中繼方案下的回程網(wǎng)絡和接入網(wǎng)絡之間無線資源分配方法；比較了帶內中繼和帶外中繼的性能。

2 系統(tǒng)模型

接入網(wǎng)絡和回程網(wǎng)絡共享無線網(wǎng)絡資源，為了避免網(wǎng)絡擁塞，高效的無線網(wǎng)絡資源管理是非常必要的。無線網(wǎng)絡資源分配方法通常包括動態(tài)分配方法和靜態(tài)分配方法兩種，相比較而言，動態(tài)分配網(wǎng)絡資源更有效。在動態(tài)分配方法中，系統(tǒng)獲得接入網(wǎng)絡/回程網(wǎng)絡參數(shù)和信道的統(tǒng)計信息后，計算接入網(wǎng)絡和回程網(wǎng)絡的無線網(wǎng)絡資源。為了避免擁塞，減少回程網(wǎng)絡和接入網(wǎng)絡分配資源的不平衡，假設采用一個理想的無線資源動態(tài)分配方案。在此方案中，基站可以實時獲取所有鏈路的瞬時信道信息，根據(jù)實時鏈路狀態(tài)調整無線資源分配粒度。

本文研究兩跳中繼網(wǎng)絡的配置方案。中繼方案1是傳統(tǒng)方案，不同的中繼回程鏈路使用正交資源；中繼方案2的中繼回程鏈路利用SDMA（space division multiple access，空分復用接入）技術節(jié)省無線資源，即同一個無線資源在不同回程鏈路上被空間復用。

2.1 中繼方案1

圖1為中繼方案1的小區(qū)部署架構，所有基站或中繼都位于六邊形小區(qū)的中心，中心小區(qū)為出口小區(qū)，出口小區(qū)周圍的6個小區(qū)被稱為第一層小區(qū)，第一層小區(qū)周圍的12個小區(qū)組成第二層小區(qū)。連接出口小區(qū)和第一層小區(qū)的回程鏈路為第一跳回程，連接第一層小區(qū)和第二層小區(qū)的回程鏈路為第二跳回程。為了有更多的回程流量，第一跳回程鏈路比第二跳回程鏈路占用更多的無線網(wǎng)絡資源，圖中較粗的回程線條代表占用更多的無線資源。19個小區(qū)的接入業(yè)務量集中回傳給出口小區(qū)。通常，這個無線回程網(wǎng)絡出口小區(qū)通過光纖繼續(xù)回傳網(wǎng)絡流量給核心網(wǎng)絡。接入網(wǎng)絡和回程網(wǎng)絡分別有3個子載波，該方案的OFDM子載波分配情況如圖2所示，不同的回程鏈路使用正交的無線資源。

圖1 中繼方案1的小區(qū)結構

圖2 中繼方案1的OFDM子載波分配情況

2.2 中繼方案2

圖3 為中繼方案2的小區(qū)部署構架，與圖1的區(qū)別是不同的回程鏈路通過空分復用，共享相同的OFDM子載波資源，中繼方案2的OFDM子載波分配情況如圖4所示。

2.3 系統(tǒng)模型分析

假設每個小區(qū)具有相同的用戶密度，每個用戶有相同的業(yè)務量密度要求（通過香農(nóng)容量計算），所有小區(qū)都滿負荷。顯然，越是接近出口小區(qū)的小區(qū)，對回程鏈路的要求越高，因為該小區(qū)不僅要回傳自身的業(yè)務量，還要回傳其子節(jié)點的業(yè)務量。因此，越是靠近出口小區(qū)的小區(qū)越會消耗更多的無線網(wǎng)絡資源。

圖3 中繼方案2的小區(qū)結構

圖4 中繼方案2的OFDM子載波分配

假設所有小區(qū)的小區(qū)半徑為r，接入鏈路和回程鏈路的路徑損耗指數(shù)分別為γA和γBH，載波頻率為fc。d是發(fā)射機和接收機之間的距離，d0是參考距離，Xσ為一個零均值的高斯分布隨機變量。

則接入網(wǎng)絡的路徑損耗為：

回程網(wǎng)絡的路徑損耗為：

仿真分析采用的系統(tǒng)參數(shù)見表1。

由于下行鏈路總會有較高的功率和吞吐量，因此本文只針對下行鏈路展開分析。

3 仿真結果分析

本文搭建了一個靜態(tài)的系統(tǒng)級仿真平臺，并用蒙特卡洛方法進行仿真[10]。利用香農(nóng)信道容量公式，計算接入網(wǎng)絡和回程網(wǎng)絡的吞吐量。

表1 仿真分析的系統(tǒng)參數(shù)

3.1中繼方案1的仿真結果

假設接入鏈路發(fā)射功率和回程鏈路發(fā)射功率分別為PA和PBH，噪聲功率為N，接入帶寬為BA，第二層小區(qū)的回程帶寬為BBH，接入鏈路天線增益和回程鏈路天線增益分別為GA和GBH。第二層小區(qū)中，為了平衡接入網(wǎng)絡和回程網(wǎng)絡的資源，需要滿足：

由圖1可知，第一層的回程鏈路將傳送自身業(yè)務和其子小區(qū)的業(yè)務，即它要回傳3個小區(qū)的業(yè)務量，因此第一層小區(qū)的回程帶寬為3BBH。

假定總帶寬為B，則：

由于很難得到式（3）左側表達式的結果，因此本文采用靜態(tài)系統(tǒng)級仿真器進行蒙特卡洛仿真[10]。當B=10 MHz時，根據(jù)蒙特卡洛仿真有：

則接入帶寬和第二層回程帶寬滿足：

根據(jù)式（4），可以得到BA=2.18 MHz和BBH=0.692 2 MHz。

出口小區(qū)、第一層小區(qū)和第二層小區(qū)的接入資源相同，均為BA。從第一層小區(qū)到出口小區(qū)的第一跳回程鏈路需要帶寬3BBH。從第二層到第一層的第二跳回程鏈路需要帶寬BBH。由此，計算出不同參數(shù)下的接入帶寬和回程帶寬。

圖5比較了中繼方案1在不同接入路徑損耗指數(shù)情況下，小區(qū)半徑與總接入帶寬在總帶寬中占比的關系。從圖5可以看出，隨著接入路徑損耗指數(shù)的增大，總接入帶寬在總帶寬中的占比變大，即接入資源的需求變大。

圖5 中繼方案1中總接入帶寬在總帶寬中的占比

3.2 中繼方案2的仿真結果

在第二層小區(qū)中，為了獲得接入鏈路和回程鏈路的資源平衡，需要滿足：

根據(jù)圖3可得：

類似地，使用蒙特卡洛仿真，得到式（8）左側表達式的結果。

由式（9）中的等號得到BA=2.53 MHz，BBH=0.803 47 MHz。

圖6比較了中繼方案2在不同接入路徑損耗指數(shù)情況下，小區(qū)半徑與總接入帶寬在總帶寬中占比的關系，圖6得到與圖5相似的結論。

3.3 仿真結果分析

從圖5和圖6可以看出，接入網(wǎng)絡的信道狀態(tài)越差（即路徑損耗指數(shù)越大），接入帶寬在總帶寬的占比越多，回程網(wǎng)絡所占帶寬越少。如果小區(qū)半徑很大，接入帶寬幾乎占據(jù)帶寬的全部。

圖6 中繼方案2中總接入帶寬在總帶寬中的占比

如果接入鏈路狀態(tài)較好（γA=3），即路徑損耗指數(shù)較低，隨著小區(qū)半徑的增大，接入帶寬和總帶寬的占比也會增加，達到峰值后，該占比將減小。這是因為小區(qū)半徑越大，多跳回程路徑損耗增加得越快，同時需要的帶寬越多。中繼方案1中的峰值出現(xiàn)在小區(qū)半徑為4 km處，峰值為0.46；中繼方案2的峰值出現(xiàn)在小區(qū)半徑為4.5 km處，峰值為0.6。在不同信道狀況下，多跳回程網(wǎng)絡和接入網(wǎng)絡之間的無線網(wǎng)絡資源分配結果也不同。

若接入網(wǎng)絡的業(yè)務量密度是D，則每個小區(qū)的接入業(yè)務量需求為圖7給出了不同業(yè)務量密度和不同方案的小區(qū)容量與小區(qū)半徑的關系。無帶內回程的傳統(tǒng)小區(qū)可以是帶外無線回程網(wǎng)絡，也可以是有線回程網(wǎng)絡，傳輸可以采用光纖、ATM等。只有小區(qū)吞吐量比真實的業(yè)務量大時，用戶通信才可以得到滿足。因此，D取不同值時的仿真曲線與其他3個方案的小區(qū)容量曲線的交點，即為不同方案下的小區(qū)最大覆蓋半徑，具體值見表2。

圖7 吞吐量和小區(qū)半徑的關系

表2 不同業(yè)務量密度的最大覆蓋半徑

表3 覆蓋100 km2的特定區(qū)域需要的基站數(shù)量

在不同的業(yè)務量密度下，覆蓋100 km2的特定區(qū)域需要的基站或中繼數(shù)量見表3。

從表3可以看出，中繼方案1和中繼方案2（帶內回程網(wǎng)絡）更適合農(nóng)村或業(yè)務量密度較低的區(qū)域，接入點數(shù)量也與傳統(tǒng)小區(qū)相近。在市區(qū)/城鎮(zhèn)，中繼方案1和中繼方案2對基站數(shù)量的要求比傳統(tǒng)小區(qū)多，成本和切換開銷也會相應地增多，但是中繼方案2對基站需求的數(shù)量比中繼方案1少，這說明多跳回程網(wǎng)絡中的空分多址技術是節(jié)省無線網(wǎng)絡資源的有效方法?？辗侄嘀芳夹g可以顯著提高天線增益，使得功率控制更加合理、有效，從而提升系統(tǒng)容量。在農(nóng)村或半鄉(xiāng)村地區(qū)，空分多址技術的作用不明顯，中繼方案2甚至和傳統(tǒng)小區(qū)需要的基站數(shù)量相同。

4 結束語

本文以OFDM非競爭的頻帶內多跳系統(tǒng)為研究對象，分析了兩個中繼方案的多跳回程網(wǎng)絡和接入網(wǎng)絡的資源分配方案。仿真表明，如果接入網(wǎng)絡的信道狀態(tài)比回程網(wǎng)絡更差，則接入網(wǎng)絡將隨著小區(qū)半徑的增加而占有更多資源。如果回程網(wǎng)絡與接入網(wǎng)絡有類似的信道狀態(tài)，則隨著小區(qū)半徑的增加，接入網(wǎng)絡會占用更多資源，但是到達峰值后其占用的資源將隨著小區(qū)半徑的增加而持續(xù)減少。

多跳回程網(wǎng)絡應用空分多址技術將節(jié)省無線網(wǎng)絡資源，并通過中繼可以覆蓋更大的區(qū)域，該技術在城市地區(qū)比在農(nóng)村地區(qū)更有效。研究表明，帶內中繼更適合低業(yè)務量密度的區(qū)域。

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