楊亞讓，趙 越

(1. 喀什大學(xué)物理與電氣工程學(xué)院，新疆 喀什 844006；2. 西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

1 引言

未來(lái)的無(wú)線和移動(dòng)通信系統(tǒng)將對(duì)高速覆蓋、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和規(guī)劃以及信號(hào)處理提出更高的要求。相關(guān)研究表明：在一個(gè)或多個(gè)基站和移動(dòng)臺(tái)之間增加一個(gè)或多個(gè)中繼站能夠有效擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。而OFDMA是一種有效的寬帶傳輸和調(diào)制過(guò)程，可以有效地干擾符號(hào)，減少選擇性頻率著色，實(shí)現(xiàn)高頻使用。中繼網(wǎng)絡(luò)與OFDMA技術(shù)的結(jié)合是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要的發(fā)展方向。

對(duì)于多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，若其連接接口的負(fù)載過(guò)度增加，空間覆蓋率將降低到計(jì)劃值以下，并且現(xiàn)有連接的質(zhì)量也會(huì)降低。因此，有必要在無(wú)線接入網(wǎng)中使用有效的訪問(wèn)控制來(lái)評(píng)估來(lái)自移動(dòng)用戶的新的訪問(wèn)、導(dǎo)出、接受或拒絕請(qǐng)求。為了使用戶連接過(guò)程中具有較高的服務(wù)質(zhì)量，提升網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，需實(shí)現(xiàn)多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)空間復(fù)用干擾協(xié)調(diào)處理。

文獻(xiàn)[1]提出一種基于效用函數(shù)優(yōu)化模型的功率分配方案實(shí)現(xiàn)空間干擾處理，并采用分層交替迭代算法求解最優(yōu)功率分配。首先將原問(wèn)題分解為功率分配和虛擬功率分配兩個(gè)子問(wèn)題，然后將拉格朗日函數(shù)引入高層功率分配中，求解基于均衡策略的最優(yōu)功率分配算法。虛擬功率用于在底層完成進(jìn)一步的功率分配。由于功率分配系數(shù)采用信號(hào)干擾泄漏比最大化的特征向量形式，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)增強(qiáng)和干擾抑制的均衡。

文獻(xiàn)[2]提出一種基于干擾協(xié)調(diào)的資源分配方案來(lái)實(shí)現(xiàn)空間干擾處理。該方案分為兩個(gè)模塊：第一個(gè)模塊根據(jù)接入點(diǎn)FAP(femtocell access points)之間的干擾程度，將干擾FAP劃分為不同的簇，F(xiàn)AP與簇共享頻帶資源。通過(guò)FAP之間的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了不同簇之間的頻譜復(fù)用。第二個(gè)模塊根據(jù)最大功率和最小速率公平準(zhǔn)則進(jìn)行最優(yōu)功率分配，并動(dòng)態(tài)分配資源。

然而上述兩種方法都忽略了中繼選擇問(wèn)題，也沒(méi)有充分考慮用戶間接入競(jìng)爭(zhēng)的復(fù)雜性。為解決這一問(wèn)題，本文提出一種OFDMA多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)空間復(fù)用干擾協(xié)調(diào)策略。通過(guò)建立系統(tǒng)模型獲取鏈路的信干燥比，通過(guò)調(diào)制方式和編碼速率合理調(diào)節(jié)鏈路。集合空間間頻率資源的預(yù)先規(guī)劃能夠?qū)^(qū)間的干擾進(jìn)行協(xié)調(diào)，防止同頻干擾對(duì)邊緣用戶性能帶來(lái)的影響。結(jié)合STBC編碼的干擾協(xié)調(diào)策略，在一定程度上降低了外界因素帶來(lái)的干擾，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的吞吐量和速率。

2 OFDMA多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)模型建立

在多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，通信質(zhì)量好的用戶可以直接與基站進(jìn)行通信[3]。用戶一般為單跳用戶，在小區(qū)邊界的通信質(zhì)量較差，必須借助基站間接邊緣的用戶與周圍質(zhì)量較好的信道通信。繼電器包括移動(dòng)式繼電器和固定式繼電器。移動(dòng)中繼的位置隨時(shí)間而變化。由于中繼使用的是信道質(zhì)量好的空終端用戶，而信道質(zhì)量較差的用戶將只能夠完成通信任務(wù)。因此，多跳用戶與基站之間的連接是直接連接的。

多跳中繼通信網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是在有利條件下擴(kuò)大小區(qū)覆蓋范圍、降低傳輸性能或網(wǎng)絡(luò)連接的高效措施。多跳通信是指在通信網(wǎng)絡(luò)的源節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間再額外設(shè)置一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，利用這一節(jié)點(diǎn)優(yōu)化源節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的連接環(huán)境?；诖?，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的高效傳輸。但在這一過(guò)程中，中繼節(jié)點(diǎn)易造成信道資源的額外消耗。因此，源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)量應(yīng)保持在合理范圍內(nèi)[4]。根據(jù)OFDMA多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)，建立了系統(tǒng)模型，如圖1所示。

圖1 多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

圖1通過(guò)設(shè)定19個(gè)蜂窩單元構(gòu)成了多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)模型，每一個(gè)單元可分為三個(gè)扇形區(qū)域，且每個(gè)扇形區(qū)域中包含兩個(gè)中繼站。為了方便對(duì)整體小區(qū)及其站點(diǎn)進(jìn)行描述，利用NB(i，j)代表第i小區(qū)的第j扇區(qū)基站，其中i=1，2，…19。NB(i，j，k)代表第i小區(qū)第j扇區(qū)中的第k個(gè)中繼站，其中k=1，2。NM代表中心小區(qū)第一扇區(qū)中的移動(dòng)臺(tái)，NB(i，j)和NB(i，j，k)分別代表NM的兩個(gè)備選接入點(diǎn)?；谏鲜鲞^(guò)程可得出不同時(shí)間域中每一條鏈路上的信干燥比，其表達(dá)式為

(1)

(2)

(3)

(4)

在上述公式中，Γrz-br表示中繼域內(nèi)BS-RS鏈路，Γrz-bm表示中繼域內(nèi)BS-MS鏈路的信干燥比，Γaz-br表示接入中繼域內(nèi)BS-MS鏈路的信干燥比，Γaz-rm表示中繼域內(nèi)RS-MS鏈路的信干燥比。Irz-br、Irz-bm、Iaz-bm、Iaz-rm分別表示各個(gè)對(duì)應(yīng)鏈路所遭遇的同頻干擾，N0表示加性高斯白噪聲功率。

多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)允許用戶利用蜂窩系統(tǒng)的自組織網(wǎng)絡(luò)通過(guò)多跳轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行通信[5]。信道質(zhì)量好的節(jié)點(diǎn)直接與基站通信，而信道質(zhì)量較差的用戶，尤其是邊緣用戶，需要選取較高質(zhì)量信道質(zhì)量，用戶作為中繼與基站實(shí)施間接通信。

在OFDMA子系統(tǒng)的頻率范圍內(nèi)形成一個(gè)特定的順序子信道，當(dāng)OFDMA系統(tǒng)采用可定制編碼(適當(dāng)?shù)牟煌{(diào)制方式)時(shí)，可以在每個(gè)時(shí)間間隔發(fā)送這些信息和編碼策略。調(diào)制編碼策略內(nèi)容如表1所示，其顯示了調(diào)制與編碼策略、SINR和時(shí)隙效率之間的映射關(guān)系。

表1 調(diào)制編碼策略

3 頻率復(fù)用策略和干擾分析

多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的方式很多，但基本原則均是對(duì)資源管理進(jìn)行相應(yīng)的限制[6]。協(xié)調(diào)多個(gè)基站的工作，避免區(qū)域間的嚴(yán)重干擾，可能會(huì)限制資源的流動(dòng)。例如避免使用可能對(duì)小區(qū)造成嚴(yán)重干擾的資源塊或限制資源塊內(nèi)的傳輸功率、避免小區(qū)在資源塊中發(fā)射可能造成干擾的功率。上述限制可以提高接收機(jī)的載波干擾比，從而提高業(yè)務(wù)小區(qū)的邊緣數(shù)據(jù)速率和覆蓋率。而資源調(diào)度的局限性可以看作是一種軟頻率復(fù)用。發(fā)射功率的限制可以看作是一種“功率控制分配”。

3.1 蜂窩網(wǎng)絡(luò)空間頻率復(fù)用

設(shè)定系統(tǒng)帶寬為W，其可分為W1、W2、W3三個(gè)子頻帶，可通過(guò)將BS和RS功率平均分配給子信道來(lái)解決策略的執(zhí)行和下行鏈路資源的分配問(wèn)題[7]。

在中繼域中，中繼器總是顯示接收信號(hào)。在這種情況下，系統(tǒng)不需要中繼器來(lái)分配頻率資源。總頻帶以1×3×1的復(fù)用方式分配給空間中每個(gè)扇區(qū)。由于RS在扇區(qū)邊緣的地理優(yōu)勢(shì)，MS能夠接入域中的RS，獲取到最優(yōu)質(zhì)量的鏈路。同樣，分布在扇區(qū)中心的MS能夠直接接入BS。由于相鄰空間中的基站與該空間中用戶之間的直接距離相對(duì)較寬，因此提高對(duì)同一區(qū)域的連通性可以直接到達(dá)分布在扇區(qū)中心的用戶處，系統(tǒng)受到的干擾也會(huì)伴隨干擾距離的增加而增大[8]。

3.2 結(jié)合STBC干擾協(xié)調(diào)策略

蜂窩網(wǎng)絡(luò)空間復(fù)用干擾協(xié)調(diào)策略支持多個(gè)區(qū)域，在區(qū)域邊緣使用同一頻率源，為用戶提供服務(wù)。然后分析了以下幾個(gè)鏈路的實(shí)現(xiàn)和性能。

讓塊組中的K個(gè)小區(qū)同時(shí)向移動(dòng)臺(tái)發(fā)送信號(hào)[9]。K空間對(duì)移動(dòng)臺(tái)的信道衰落為：h1，h2，…，hK，發(fā)射信號(hào)為s1，s2，…，sK，發(fā)射功率分別為P1，P2，…，PK，接收端噪聲為n0，K空間以外的空間干擾為I0，則移動(dòng)臺(tái)接收信號(hào)為

(5)

通過(guò)式(5)可得出接收端信干燥比SINR的運(yùn)算公式為

(6)

式(6)中，Pn0+I0表示噪聲和干擾的功率。由于h1，h2，…，hK不存在相關(guān)性，則相對(duì)于單天線而言，K信道同時(shí)衰落的可能性大大降低。因此，接收到的信號(hào)頻率高于單個(gè)天線的頻率。

在此基礎(chǔ)上，充分考慮以三個(gè)主站空間為集群的分布式單元體系結(jié)構(gòu)。如果移動(dòng)臺(tái)處于兩個(gè)基站同時(shí)服務(wù)的狀態(tài)，來(lái)自主站3的信號(hào)和來(lái)自移動(dòng)臺(tái)的干擾信號(hào)始終處于工作狀態(tài)，那么兩個(gè)天線的輻射功率等于輻射功率P0[10]，那么可知兩個(gè)天線上的兩個(gè)連續(xù)接收信號(hào)為

(7)

式(7)中，n01和n02表示到達(dá)接收天線的信號(hào)的等效噪聲。通過(guò)處理后的表達(dá)式為

(8)

(9)

信號(hào)接收信噪比運(yùn)算式為

(10)

信道容量公式即

(11)

然后利用分集增益的思想，得出系統(tǒng)分集增益運(yùn)算式即

(12)

倘若|h1|≥|h2|，假設(shè)|h1|-|h2|=c，那么可得出0≤c≤|h1|。

當(dāng)用戶接收到來(lái)自主控制空間的信息時(shí)，空間的邊緣用戶的頻率信號(hào)強(qiáng)度在大部分時(shí)間都會(huì)低于正常值。如果高于正常值則其為中心用戶[11]。

當(dāng)已知用戶是空間邊緣用戶，測(cè)量控制頻率信號(hào)的強(qiáng)度，從三個(gè)相鄰空間接收到的信號(hào)強(qiáng)度按降序確定，即CSI1、CSI2、CSI3，其對(duì)應(yīng)的空間為π(1)、π(2)、π(3)。它們之間相應(yīng)的間隔取決于信號(hào)強(qiáng)度的大小。此外，用戶可以識(shí)別兩個(gè)或三個(gè)空間的邊界，并設(shè)置用戶可用的頻率范圍。

若CSI1-CSI2

在此基礎(chǔ)上，基站通過(guò)聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)將不同小區(qū)的用戶干擾信息轉(zhuǎn)化為有用信息，并對(duì)小區(qū)邊緣的用戶進(jìn)行聯(lián)合處理。這樣不僅避免了小區(qū)間干擾，還提高了小區(qū)邊緣吞吐量。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的OFDMA多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)空間復(fù)用干擾協(xié)調(diào)策略的有效性，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)表

隨著多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，當(dāng)每個(gè)中繼對(duì)應(yīng)的用戶確定后，對(duì)用戶采用隨機(jī)接入，接入的子載波數(shù)達(dá)到中繼負(fù)載的性能。設(shè)定單小區(qū)用戶數(shù)為32個(gè)，用戶移動(dòng)速率為3km/h，固定中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)為6個(gè)，載波頻率為5.2GHz，組數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為424個(gè)，ID序列采用Hadamard碼，誤碼率設(shè)置為不超過(guò)0.02。然后將本文方法與文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法進(jìn)行性能對(duì)比，從信道吞吐量和干擾協(xié)調(diào)功率兩個(gè)角度驗(yàn)證不同方法的有效性。

不同方法的信道吞吐量對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

圖2 吞吐量性能對(duì)比圖

根據(jù)圖2可知，隨著歸一化業(yè)務(wù)量的增加，固定中繼節(jié)點(diǎn)支持的隨機(jī)接入?yún)f(xié)議的吞吐量略有提高。但在低數(shù)據(jù)傳輸速率下，本文方法的信道吞吐量性能明顯優(yōu)于另外兩種方法。

為進(jìn)一步突出本文方法的有效性，以干擾協(xié)調(diào)功率為檢驗(yàn)指標(biāo)，驗(yàn)證不同方法的應(yīng)用性能，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方法的干擾協(xié)調(diào)性能比較

隨著系統(tǒng)負(fù)載的增加，蜂窩網(wǎng)絡(luò)空間復(fù)用中心的用戶數(shù)量增加，信道中采用協(xié)作中繼，可以獲得空間分集增益。而且直接中繼路由通過(guò)中繼的跳數(shù)最多，誤差積累也較大。分析圖3可知，本文策略具有最佳的協(xié)調(diào)性能，文獻(xiàn)[1]策略的性能優(yōu)于文獻(xiàn)[2]策略，但低于本文提出的策略。這是因?yàn)樵诒疚乃岢龅牟呗灾?，即增加了可以?fù)用的資源，又提高了系統(tǒng)頻譜效率。如果接收功率穩(wěn)定，輔助中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)將正確的信息發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)；如果接收功率不穩(wěn)定，接收到的信息將被放大并轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)具有最小的失真和最佳的干擾性能。

在多跳網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)信道容量較大且僅考慮信道容量時(shí)，其它兩種策略的輔助中繼節(jié)點(diǎn)的能量消耗基本相同較為浪費(fèi)。相比之下，本文策略的性能明顯高于其它兩種策略。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出了一種適用于OFDMA多跳中繼移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的空間多路干擾協(xié)調(diào)策略。采用STBC編碼的干擾協(xié)調(diào)策略，在減少邊緣用戶干擾的同時(shí)，提高系統(tǒng)吞吐率，改善小區(qū)邊緣區(qū)域覆蓋情況，也實(shí)現(xiàn)了頻譜資源的充分利用。仿真結(jié)果表明：所提策略能夠協(xié)調(diào)與其他用戶的干擾，提高系統(tǒng)性能和速度。另外，該算法在大格式MIMO和端到端通信應(yīng)用中具有很大的潛力，可在今后作進(jìn)一步研究。