洪瑋

（北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

一種基于無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的共享中繼模型

洪瑋

（北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

對(duì)于3G（第三代移動(dòng)通信，The 3rdGeneration Telecommunication）來說，其傳輸速率已經(jīng)無法滿足當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用中的視頻在線瀏覽、視頻聊天等高速率高即時(shí)性的業(yè)務(wù)需求。該文主要研究了無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點(diǎn)的幾種分類，并提出了一種共享中繼的網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)該模型中的小區(qū)切換問題和資源分配進(jìn)行了分析。

共享中繼 無線蜂窩網(wǎng)絡(luò) 通信模型

1 概述

中繼，簡單的來說就是一種信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備，其最基本的功能就是接收來自基站或移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)目標(biāo)設(shè)備中去。其最基礎(chǔ)的作用就是拓展基站的覆蓋范圍，以及基站在邊緣地區(qū)的覆蓋率和信號(hào)強(qiáng)度。而傳統(tǒng)的中繼部署結(jié)構(gòu)，在兩個(gè)相鄰小區(qū)間用戶移動(dòng)臺(tái)往往需要進(jìn)行復(fù)雜的路由切換，以及信令切換過程，這會(huì)帶來巨大的通信時(shí)延，因而降低了通信質(zhì)量。

該文主要研究了無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，中繼節(jié)點(diǎn)的幾種主要類型，并選用了其中一種中繼節(jié)點(diǎn)，提出了一種共享中繼的網(wǎng)絡(luò)模型，并對(duì)模型所需要的關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析。

2 中繼的類型

中繼可以按照很多不同的范疇進(jìn)行分類。一般來說，可以按以下幾種方式分類：

2.1 按移動(dòng)性分類

按移動(dòng)性分類，可分為固定中繼和移動(dòng)中繼兩類。顧名思義，固定中繼就是指中繼節(jié)點(diǎn)的部署位置是固定不變的，而移動(dòng)中繼本身是一個(gè)移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)，它可能會(huì)在部署位置一定范圍內(nèi)做有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。

2.2 按信號(hào)處理的方式分類

按信號(hào)處理的方式來說，有AF中繼和DF中繼兩類。AF中繼既是指放大轉(zhuǎn)發(fā)（Amplify Forward）中繼，信號(hào)在經(jīng)過中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)只是被中繼節(jié)點(diǎn)做簡單的放大，而傳輸?shù)较乱粋€(gè)節(jié)點(diǎn)；DF中繼是指解碼轉(zhuǎn)發(fā)（Decode Forward），信號(hào)會(huì)被中繼節(jié)點(diǎn)做解碼操作，然后再重新編碼，最后發(fā)至下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.3 按中繼功能分類

按中繼的功能分類，有層一、層二、層三中繼三類。層一中繼僅僅做了數(shù)據(jù)放大和轉(zhuǎn)發(fā)的作用，這樣信號(hào)傳輸時(shí)延較低，同時(shí)也滿足了基本的需求。層二中繼在層一的基礎(chǔ)上，包含了RLC（鏈路控制）的功能，可以和基站之間進(jìn)行協(xié)調(diào)，對(duì)中繼和移動(dòng)臺(tái)的無線資源進(jìn)行分配。層三中繼在功能上更加接近基站，相比與層一和層二中繼功能更復(fù)雜，但是成本也更高。

2.4 按信令傳遞方式分類

圖3-1 共享中繼模型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在中繼的信令傳遞方式中，主要有透明傳輸和非透明傳輸兩類。透明傳輸是指在信號(hào)傳輸過程中，用戶的移動(dòng)臺(tái)直接和基站進(jìn)行信令交互，而傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過中繼進(jìn)行傳遞；非透明傳輸是指移動(dòng)臺(tái)的數(shù)據(jù)信息和信令信息都經(jīng)過中繼進(jìn)行傳輸，相對(duì)來說會(huì)產(chǎn)生更多的通信時(shí)延。但是，此時(shí)移動(dòng)臺(tái)又可以獲得中繼更多的服務(wù)功能。

2.5 共享中繼的選擇

該文所選取的共享中繼節(jié)點(diǎn)，主要選擇的是層二中繼，因?yàn)樾枰弥欣^節(jié)點(diǎn)本身進(jìn)行一定的信令調(diào)度。另外由于我們的中繼被相鄰的小區(qū)所共享，因此部署區(qū)域是在小區(qū)邊緣地區(qū)。

3 一種共享中繼模型

3.1 模型概述

如圖3-1所示。是該文提出的共享中繼模型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在圖中大的六邊形區(qū)域表示基站以及其覆蓋范圍，這是一個(gè)傳統(tǒng)的無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；在每三個(gè)相鄰小區(qū)的交界處，部署一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)將被相鄰的三個(gè)小區(qū)所共享。為了保證基站和中繼節(jié)點(diǎn)之間的通信質(zhì)量，基站和中介節(jié)點(diǎn)之間采用LOS傳輸，并且利用了波束賦型，多入多出（MIMO）技術(shù)等保障信號(hào)質(zhì)量。

3.2 共享中繼模型下的小區(qū)切換

切換，指的是用戶移動(dòng)臺(tái)MS在兩個(gè)相鄰小區(qū)間移動(dòng)時(shí)，用戶所接入的基站路由發(fā)生變化的過程。一般來說，切換可分為三個(gè)步驟：切換測(cè)量、切換判決、執(zhí)行切換。

在一個(gè)傳統(tǒng)的無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，小區(qū)切換以下述流程描述：

（1）用戶MS向目標(biāo)基站BS發(fā)起導(dǎo)頻測(cè)量；（2）MS向BS發(fā)送測(cè)量報(bào)告；（3）源基站向目標(biāo)基站發(fā)送準(zhǔn)備切換請(qǐng)求Prepare_Req；（4）目標(biāo)基站向目標(biāo)中繼和源基站返回Prepare_Response；（5）源基站轉(zhuǎn)發(fā)Prepare_Response；（6）源中繼和MS完成HARQ過程，開始切換；（7）源基站向目標(biāo)基站，再由目標(biāo)中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，切換結(jié)束。

在這個(gè)流程中，由于移動(dòng)設(shè)備會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)不同中繼的切換，導(dǎo)致信令鏈路中需要經(jīng)過從源中繼、源基站、目標(biāo)基站、目標(biāo)中繼這樣一個(gè)復(fù)雜的過程，信令的開銷和相應(yīng)的時(shí)延都比較高。而在共享中繼網(wǎng)絡(luò)模型中，源中繼和目標(biāo)中繼轉(zhuǎn)化為同一個(gè)中繼，用戶MS并沒有改變與之連接的中繼路由，僅僅是改變了中繼節(jié)點(diǎn)所使用的信號(hào)頻段。因此，在上述流程中的4、6、7步驟中，就節(jié)省了源基站和目標(biāo)基站的信令傳輸，降低了通信時(shí)延。

3.3 共享中繼模型的資源分配

由于在共享中繼模型中，中繼節(jié)點(diǎn)的位置處于三個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間，那么在這個(gè)位置會(huì)有強(qiáng)烈的同頻干擾。為了避免小區(qū)間干擾的問題，可以將頻域分成三個(gè)部分，小區(qū)中心的用戶使用一個(gè)頻段，而小區(qū)邊緣的中繼使用另外兩個(gè)頻段。這樣，無線資源分配就轉(zhuǎn)化為信號(hào)頻段的分配，為了防止同頻干擾，還需要使用TDD進(jìn)行上下行鏈路的時(shí)域分割。

4 結(jié)語

該文對(duì)無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點(diǎn)的分類及相應(yīng)功能進(jìn)行了研究，提出了一種共享中繼的網(wǎng)絡(luò)模型。針對(duì)模型中所需要解決的小區(qū)切換以及頻率分配問題，提出了相應(yīng)的解決方案并進(jìn)行了分析。分析證明，共享中繼模型對(duì)于提高小區(qū)邊緣的通信質(zhì)量有很大提升作用。

［1］呂紅芳.協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)資源分配控制算法研究.儀器儀表學(xué)報(bào)［J］，2014.

［2］朱國暉.LTE-Advanced中繼系統(tǒng)切換優(yōu)化算法.西安郵電大學(xué)學(xué)報(bào)［D］，2014.