基于中繼技術的８０２．１６ｊ標準展望

摘要：目前各大通信設備商正在積極參與制定的802.16j標準是以中繼技術為核心、以802.16e(WiMAX)標準為基礎架構的新一帶無線城域網標準。它的目標是通過在基站的覆蓋小區內布放中繼站來降低WiMAX系統的整體建設成本，并提高系統的柔韌性。中繼技術是指在基站與移動臺之間轉發信號，通過擴大基站覆蓋和增大系統容量來達到以較低代價獲取系統性能提升的目的。通過系統仿真可以看出中繼技術的應用有效地提升了WiMAX系統的性能。

關鍵詞：中繼技術；中繼站；無線城域網；WiMAX

Abstract: The 802.16j standard， which focuses on Relay and is based on 802.16e standard (WiMAX)， is under rigid research and development. It aims at decreasing the cost of system building by deploying relay stations and raising the flexibility of the system. Relay forwards signal between base stations and mobile stations; it extends coverage and enlarges capacity at a lower cost. The results of the system simulation show that the relay technology improves the performance of IEEE 802.16 system.

Key words:relay; relay station; WMAN; WiMAX

隨著用戶對于無線互連網絡需求的日益增長，新一代的無線通信系統需要提供更高速的傳輸率、更好的信號覆蓋和更強的移動性，以便在不久的將來讓用戶通過無線傳輸得到能夠與有線寬帶網絡相媲美甚至更好的接入服務。以IEEE 802.16e[1]技術標準為基礎的WiMAX系統近年來受到廣泛市場關注，但WiMAX基站在市區覆蓋半徑僅為幾公里，而且數據傳輸速率隨著與基站距離增加而遞減，尤其處于基站覆蓋邊緣的用戶信號較差，影響了該系統商用的普及。傳統的移動網絡主要通過安裝微蜂窩基站或直放站[2]來改善覆蓋問題，但前者成本較高而后者則會把干擾信號一同放大，缺乏智能控制，難以達到最優效果。為此，IEEE 802.16標準制定組織于2006年3月成立移動多跳中繼技術[3]小組以研究在802.16系統中采用中繼技術的可行性。多家通信企業及研究機構已參與其中并積極提案，使得新標準IEEE 802.16j呈現出勃勃生機。

1 中繼技術簡介

在傳統的蜂窩通信系統中，基站的覆蓋范圍一般為2~5 km，如圖1(a)所示，如果僅僅依靠視距路徑(LOS)傳輸，由于存在高大建筑物，信道的陰影衰落會非常明顯，信號的質量和速率都會降低；在圖1(b)中，由于安裝了中繼站，在移動臺與基站之間建立了一條速率高衰落小的信息通道，通信質量會得到非常大的提升。

中繼站的成本相對微蜂窩基站會低廉很多[4]，在布放中繼站時，最典型的兩種情況如圖2所示。

圖2(a)情況下通常將中繼站安裝在基站覆蓋邊緣或者陰影效應[5]嚴重的區域，以達到改善信號傳輸質量進而提高傳輸速率的目的。從系統角度來看，這種布放可使基站為其覆蓋區域內不同位置用戶提供公平的服務調度和均衡的傳輸速率。

圖2(b)的情況下控制信息和用戶數據都通過中繼到達接收端，可以看出基站覆蓋范圍得到擴大，這就使得運營商在不易布放基站的地區(如缺乏核心網接入點或者空間較小)通過中繼站的轉發提供有效的接入服務。從用戶角度來看，這種布放改善了接收端的信號質量，服務質量和用戶滿意度得到提升；同時傳輸速率和系統覆蓋范圍都有所增大。

2 中繼關鍵技術

(1) 中繼站對信號的處理模式

中繼站對接收信號的處理方式是影響中繼性能的一個重要因素。

最簡單的一種是類似于直放站的“放大轉發”模式，中繼站僅僅把接收到的信號按一定的系數進行放大，這種模式的弊端與直放站的確定也是類似的。還有一種模式叫做“解碼轉發”，中繼站把信號解調并解碼為原始信息，然后再重新編碼調制發送。這種模式在信道條件好的時候能夠增強信號質量，但是如果中繼站解碼出現錯誤，那么轉發的信號將會出現差錯擴散，而且移動臺也無法恢復。最近還提出一種“估計轉發”模式，中繼站對信號只解調但不解碼，然后按照解調后的信號進行量化壓縮產生一個估計值，這個估計值的信號被中繼站轉發出去。這種模式最初是在“解碼轉發”模式不可用的情況下提出來的，它吸收了前面提到兩種模式的優點，但由于轉發的是接收信號的小碼本，所以必須結合直徑信號或者其他路徑的轉發信號，才能完全解碼，具體實現方式還在探討階段。

(2) 中繼站之間的協作和宏分集

在中繼通信系統中，信號可以通過不同的中繼節點到達移動臺，因此通過中繼站之間的協作傳輸，可以達到宏分集的效果。

最常用的分集方式是中繼站與多輸入多輸出(MIMO)結合：來自基站的數據在中繼站處進行相同的空時編碼，每個中繼站選擇編碼后的一路數據并發送出去，在接收端再合并。這種情況下中繼站相當于MIMO中的獨立天線。

另一種分集方式是循環時延分集，需要利用正交頻分復用(OFDM)技術。基站將數據調整在OFDM符號上并發送給m 個中繼站。不同的中繼站分別將接收到的OFDM符號在時域上進行0至m -1次循環移位，然后再發送出去，實現頻率和空間分集。

(3) 無線資源管理

無線資源管理包括基站、信道和傳輸功率的分配。當存在中繼傳輸時，轉發的信號傳輸需要額外的時頻信道，選取恰當的中繼站，中繼信道或者轉發功率進行傳輸將會大大增強高速數據信號的覆蓋效果。在如下情況下尤其顯著：

要求服務的移動臺大幅增多；

采用功率控制進一步改善性能，特別是蜂窩很小時，臨道干擾也相應變小；

蜂窩尺寸的大小決定了中繼傳輸功率的大?。灰虼耍苿优_的電池容量將不構成瓶頸；

傳輸性能對中繼選擇機制的衡量標準也很敏感：如果隨機選擇，可能性能甚至不如無中繼系統，而一個次最優的機制但卻簡單易行，也許會使系統性能得到更大的提升；

一旦選定了恰當的中繼站，性能增益將對中繼信道的選擇標準變得不那么敏感。因此，中繼站選擇的優先級因該高于中繼信道的優先級。

3 系統模型

圖3所示為仿真模型，包括19個基站構成的多蜂窩結構，在各基站覆蓋范圍內分別有14個中繼站。無線傳播環境采用的是曼哈頓城區模型，建筑物非常密集，道路復雜交錯，中繼站位于路口較為空曠的地區，并且與基站之間具有視距路徑。

系統仿真各項功能及參數都以IEEE 802.16e-2005[6]的標準為依據：6 MHz的帶寬與2 048點的快速傅立葉變換(FFT)，載頻為3.5 GHz，每個基站有3個扇區。用戶服從泊松分布，下行鏈路采用自適應編碼調制[7](AMC)，而在上行鏈路則只進行功率控制或者采用自適應資源調度技術。

4 系統仿真及分析

圖4所示為系統下行鏈路仿真結果，仿真過程考慮前述兩種中繼站布放情況：例1、例2分別為基站覆蓋范圍內側和外側；由圖中可觀察到采用中繼技術之后，信號質量都獲得了大幅度提高；而例2信號質量略低于例1，這是因為例2中同一基站覆蓋范圍內中繼站都可以使用任意的子信道，故蜂窩內干擾就會增加，導致信號質量下降。然而結果顯示下降程度并不如預期的嚴重，這是因為在市區建筑物密布的環境中，適當的布放中繼站可大幅降低干擾程度；此外，相同頻帶能夠在同一個蜂窩中復用，從而使得系統容量或者吞吐量大幅提升。

圖5所示為系統上行鏈路仿真結果：根據例1仿真結果表明，采用中繼技術可大幅減少用戶端信號的發射功率，因為用戶端與中繼站之間的傳輸環境獲得了改善，且距離較短；而例2顯示若節省下來的發射功率用于進行高級的編碼調制，盡管會因為接收端信號質量需求提升而增加功率消耗，但所需發射功率仍比未采用中繼技術時要低，且系統容量(可用吞吐率來表征)也可因此而提升。

5 結束語

經過對中繼技術的介紹和仿真結果的數據分析，我們發現采用中繼技術可以使下行接收信號獲得超過20 dB的增益，且使系統容量翻倍；此外，所節省的上行發射功率達10 dB，或者使系統容量增加40%。相信如果應用更先進的調度算法，中繼帶來的增益會更高。

對中國產業界來說，IEEE 802.16j的標準參與以及相關技術開發應該得到充分重視。根據標準規范，中繼技術只會涵蓋物理層(PHY)和媒體接入控制層(MAC)，且正在起步階段，國際大公司投入研發時間并不長，國內廠商如果盡早融入該進程，將在未來巨大的市場中占有一席之地。

6 參考文獻

[1] WiMAX Forum. Mobile WiMAX Part I: A Technical Overview and Performance Evaluation [C]， 2006.2.

[2] 吳偉陵，牛凱. 移動通信原理 [M]， 北京：人民郵電出版社，2004.

[3] I-Kang Fu， Wern-Ho Sheen. Throughput Improvement with Relay-argumented Cellular Architecture [J]， Contribution of IEEE 802.16 Broadband Wireless Access Working Group: IEEE C80216mmr-05/008， 2005， 9.

[4] 王承恕. 通信網新技術 [M]， 北京：人民郵電出版社，2006.

[5] 楊大成. 移動傳播環境 [M]， 北京：機械工業出版社，2003.

[6] IEEE 802.16e-2005. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks， Part 16 [S]， IEEE work group， 2006.

[7] 李立華，王勇，張平. 移動通信中的先進信號處理技術 [M]， 北京：北京郵電大學出版社，2004.

收稿日期：2007-08-27

王大健，畢業于北京郵電大學，高級工程師。現工作于西安財經學院信息與教育技術中心，負責實驗室管理工作。主要研究方向為電視與無線圖像通信，先后公開發表論文10余篇。