基于多跳中繼的寬帶接入網組網成本性能分析

(北京郵電大學 電子工程學院， 北京 100876)

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摘 要：

利用成本分析模型及等性能成本比較方法對基于多跳中繼的寬帶無線接入網絡部署進行了量化分析，并與傳統單跳網絡部署進行了仿真比較。結果顯示，基于中繼的網絡部署在保證性能的前提下能有效地降低組網成本，增強網絡邊緣吞吐量，擴大基站覆蓋范圍。進一步分析表明，無線資源配置方法也對網絡的成本增益有一定的影響。復用技術能進一步改善中繼網絡的成本效益，并有效提升網絡性能。

關鍵詞：多跳中繼； 寬帶接入； 成本模型； 等性能曲線； 復用技術

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2009)02-0677-03

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Cost performance analysis of multi-hop relay based broadband access network

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PENG Hai-lan， CAI Jie， YOU Lei， ZHANG Yong， SONG Mei

(School of Electronic Engineering， Beijing University of Posts Telecommunications，Beijing 100876， China)

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Abstract:This paper provided a qualitative performance assessment of relay based broadband wireless access network in comparison to traditional single-hop deployment. Used cost model and iso-performance curve to analyze and simulate the cost of network deployment. The results show that the deployment of relay can provide anopportunity to reduce the network deployment cost substantially， enhance the cell edge throughput and extend the cell range. The qualitative results further prove that the reuse of relay link between the RS and the BS will help to improve the cost efficiency of the relay based network deployment.

Key words：multi-hop relay; broadband access; cost model; iso-performance curve; reuse technology

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0 引言

下一代無線移動通信系統主要目的就是給移動用戶提供無處不在的寬帶無線接入。然而基于傳統蜂窩架構的接入網絡覆蓋范圍卻受到了諸多因素的限制，如載波頻率超過3.4GHz時信號急劇衰減、有限的傳輸功率、不利的無線傳播環境等。因此，傳統的單跳蜂窩無線網絡要達到充分的覆蓋，就需要很高的基站（BS）部署密度。這樣，寬帶無線系統的部署成本（基本建設費用和運營費用）就會急劇增加。此外，網絡中的可用最大吞吐量也取決于距離BS的遠近，處于基站覆蓋邊緣的用戶吞吐量較低，無法達到無線寬帶廣泛覆蓋的目的；另一方面，發送功率一定的用戶（SS或MS），其接收信號的信號干擾噪聲比（SINR）也會隨著與BS間距的增加而降低，所獲得的數據傳輸速率也隨之下降。

為了有效地解決上述問題，需要對網絡結構、部署場景等進行一定的改進。將多跳中繼技術集成到傳統蜂窩架構中，是寬帶無線接入網絡很有潛力的架構改進措施[1]。

IEEE 802.16標準制定組織已成立移動多跳中繼技術[2]小組802.16j，研究在802.16系統中采用多跳中繼技術的可行性。多跳中繼是IEEE 802.16系統擴大覆蓋范圍、提高吞吐量和系統容量的一個有效方案，且中繼基站的復雜性可以遠遠低于傳統接入網絡基站的復雜性。首先，中繼的覆蓋范圍半徑可以是200~500 m，這意味著與基站相比，中繼的發送功率可以大大降低，進而降低中繼功率放大器的成本。其次，中繼與基站是通過無線鏈路連接的，不需要額外的骨干網接入設備，這就降低了安裝費用，縮短了部署周期。再次，中繼的部署位置比BS更靈活，無須像BS那樣為其專門建立發射塔，降低了建設成本和維護成本。在特定性能需求下，覆蓋范圍和吞吐量性能的提升也可以對配置成本的減少起到平衡作用，從而大大改善IEEE 802.16系統的經濟成本。因此，中繼功能使得網絡性能迅速提升，并能降低系統運營成本。這些優點使寬帶無線接入的市場越來越廣闊[3]。 

目前，很少有基于多跳中繼的寬帶接入網絡組網成本性能方面的研究。文獻[4]主要研究了支持多媒體服務的無線基礎架構網絡的成本結構，分析了基礎設施成本及頻譜開銷成本。文獻[5]研究了3G蜂窩通信系統WCDMA中基站特性及成本架構之間的關系，主要是宏基站、微基站、微微基站的選擇與配置，以及如何達到一定的系統容量及覆蓋的問題。文獻[6]研究的是將多跳蜂窩與傳統的單跳蜂窩系統相結合，引入固定中繼，通過定義期望服務水平，在達到該水平的基礎上獲得成本增益，主要研究基于蜂窩的TDMA和集中式STDMA兩種資源配置策略。

本文在以上參考文獻的基礎上，借鑒其成本分析模型，主要研究基于多跳中繼技術的寬帶無線接入網絡，對基于802.16并采用OFDMA多址接入技術的網絡成本性能進行分析，在保證單位面積上吞吐量及覆蓋范圍的前提下，獲得最佳性價比，并與傳統單跳蜂窩接入網絡通過仿真進行成本性能比較。

1 系統模型

1. 1 物理層和傳播模型

對于所有的接入鏈路，即無線接入點（BS或RS）與用戶終端（MS）間的鏈路，本文使用如下非視距信道衰落模型[7，8]：

PL=[44.9-6.55×lg(hBS)]×lg(d[m])+34.46+

5.38×lg(hBS[m])+20×lg(f [GHz]/5)（1）

其中：假設無線接入點的高度hBS=25 m，用戶終端的高度hMS=1.5 m。系統中，物理層采用正交頻分多址技術（OFDMA），帶寬為100 MHz，中心頻率為f=3.95 GHz，系統帶寬被分為104個子載波。

對于基于中繼的寬帶無線接入網絡，假設BS與RS間的中繼鏈路為視距傳輸，且無干擾。其信道衰落模型采用理想的自由空間傳播衰落模型[9]：

Lfs=32.44+20 lg(d[m])+20 lg(f [GHz])（2）

設BS的發送功率為46dBm，RS的發送功率為37 dBm，鏈路水平映射使用低密度奇偶校驗（LDPC）碼，碼字長為288 bit，且有很好的鏈路自適應。

1. 2 中繼和無線資源管理

以兩跳系統為例分析，假設系統中的中繼都只在某個特定的時域收發，因此每個時隙只有一個無線接入點處于活動狀態。已知多跳鏈路的容量可表示為

φmulti-hop=1/(∑Ni=11/φRLi+1/φAL)（3）

其中：φRLi表示中繼鏈路上的容量；φAL表示接入鏈路上的容量。

由式(3)可知，兩跳鏈路容量可以用下式表示：

φ2-hop=1/(1/φRL1+1/φAL)（4）

每跳鏈路容量根據如下香農公式計算得出

φ=B log2(1+SINR)（5）

其中：B為每個子載波的信道帶寬；SINR為該鏈路上的信噪比。對于兩跳中的中繼鏈路，由于相鄰子載波信道帶寬有二分之一相互重疊，子載波帶寬為系統帶寬的2/(N+1)。用系統帶寬來計算中繼鏈路信道容量時，容量公式應為

φRLi=2/（N+1）Bw log2(1+SINRRL)（6）

下層的多址接入技術采用時分多址接入（TDMA），也就是說所有的活動節點在時域上共享頻率資源。另外，假設所有的RS都在同一時隙可用，但是與BS不在同一時隙，也就是說RS與BS之間沒有干擾。如果中繼系統有兩個RS，這種方法允許兩個RS在同一時間為兩個不同的MS服務，但是BS在同一時間卻只能服務于一個MS。

假設BS的復用因子為3，為了分析簡便，同樣假設為時間復用。RS與BS間的中繼鏈路上的資源與BS的資源有關，即中繼鏈路資源的復用系數也為3。中繼鏈路在時域上是相互獨立的。因此，在基于中繼的網絡中，當有N個MS，N個RS，且每個MS與一個RS相連時，其系統容量可以表示為

φsys=N/(∑Ki=11/φRLi+1/φAL)（7）

其中，如果中繼鏈路在時域上沒有復用，即復用因子為1，則K=N；若有三條中繼鏈路可以在時域上復用，則K=[N/3]。因此，該無線資源分配（RRM）方法，對于微節點來說，復用系數只有1；但是對于宏基站來說，復用系數卻是3。在量化的吞吐量計算中，可以看出BS的頻譜效率的換算系數也為3。

在該模型中，從系統負載的角度考慮，MS每次都與最優的無線接入點相連，該接入點既可以是BS也可以是RS。也就是說考慮復用增益，如果MS與RS相連時可以獲得更高的吞吐量，那么它就與RS相連。

1. 3 應用場景

圖1為基于中繼的蜂窩網絡。BS使用全向天線，且配置在小區的中央。六個中繼站均勻分布在BS周圍，且處于蜂窩小區邊緣位置。由此，小區邊緣的用戶獲得的信號干擾噪聲比（SINR）得到了明顯提高，從而提高了用戶的吞吐量。此外，邊緣地區的RS有一定的覆蓋范圍，因此也擴大了整個網絡的小區覆蓋范圍。圖中BS周圍的中繼節點數可以根據仿真場景變化，多個小區BS與BS間距在500~1 000變化。

2 成本分析模型

在成本分析中，通常使用絕對值去估算某個特定系統的成本，但是在比較兩個可選擇的系統時，并不一定要計算出每個系統成本值，相對成本同樣也可以評價兩個系統的優劣。以下的成本分析模型使用相對成本，無須BS和RS的實際成本值，只需要知道單個BS與單個RS成本的比值r即可。

2. 1 成本模型

定義系統單位面積上的平均結構成本為

C=CBS ρBS+CRS ρRS（8）

其中：CBS和CRS分別是單個BS和單個RS的成本；ρBS和ρRS是系統中單位面積上所部署的BS和RS的個數。在該模型中，傳統的蜂窩網絡可被視為無RS的系統，因此其成本可以表示為

C0=CBS ρBS，0



網絡中可以通過不同的部署方案達到同樣的性能，即可以通過BS與RS的不同組合（ρBS，ρRS）來達到同樣的性能。若保證總體性能為定值，以（ρBS，ρRS）組合為變量，在保證一定性能的前提下，可以得到一條連續的曲線，稱之為等性能曲線，如圖2所示。其中點D（ρBS，0，0）和點C（ρBS，ρRS）是曲線上兩個離散的點，前者表示傳統的單跳蜂窩網絡，后者表示基于中繼的多跳網絡。為了比較兩個系統，定義兩者的相對結構成本為

C0/C=CBS×ρBS，0/(CBS ρBS+CRS ρRS)（9）

根據該模型可知，只要對結構成本大于1，即C0/C＞1，就說明基于中繼的多跳網絡在滿足同等性能的前提下成本更低。換言之，只要滿足以下條件即可：

r=CBS/CRS＞ρRS/(ρBS，0-ρBS)（10）

不等式的右邊可以被看做網絡中設備的限制條件，該限制條件取決于無線網絡組網方案。如圖2所示，已知等性能曲線時，當斜率為-CBS/CRS的直線（最低成本線）與等性能曲線相切時，該切點即為成本最低點，即保證最高性價比時BS與RS的最佳配置比例點[4]。從式（10）可以看出，最低成本線斜率的絕對值應大于通過點D（ρBS，0，0）和點C（ρBS，ρRS）所形成的直線的斜率絕對值；否則，根據該成本模型與圖2得到的就是傳統的單跳蜂窩網絡成本效益最高。

2. 2 等性能成本比較

選擇單位面積的頻譜效率（area spectral efficiency， ASE）[bps/ MHz/km2]作為系統的性能標準，不同的組網架構、不同的（ρBS，ρRS）組合可以達到同樣的網絡性能。當然，不同的組網將有不同的組網成本。基于中繼的網絡架構可以增加系統容量，同時還可以擴大網絡的覆蓋面積，因此在減少BS的同時適當地增加RS，可以維持ASE不變。

通過成本模型和圖2可知，最低成本線的斜率可表示為

-r=-CBS/CRS=-ρRS/(ρ′BS-ρBS)（11）

其中：（ρ′BS，0）為最低成本線與x軸的交點；ρ′BS表示在最優中繼配置的成本條件下，傳統單跳蜂窩網絡中BS的密度，該點是根據最低成本線引入的一個虛擬點，用來衡量站點頻譜效率調整，并對獲得的成本收益進行定量分析。

通過成本模型可以得到最佳性價比網絡配置，同時，也可以用式（12）來量化地比較等性能成本，稱之為成本增益。

Cost_Gain=[ρBS，0CBS-(ρBSCBS+ρRSCRS）]/（ρBS，0CBS）=

1-[（ρBS+ρRS/r）]/ρBS，0=1-ρ′BS/ρBS，0（12）

3 仿真分析

根據以上的分析，本章在已知等性能曲線的條件下，與單跳網絡架構進行比較，定量地分析了基于中繼的網絡架構可能獲得的成本增益。等性能曲線的密度歸一化為單跳網絡中單位面積上所需要的BS個數，即BS的密度?？傮w性能值分別取2和1.5 bps/MHz/km2，小區中至少有2 Mbps的可用吞吐量。RS部署在BS與MS中間，起中繼增強作用。

3. 1 等性能曲線

圖3為本文應用場景的等性能曲線。ASE分別取2和1.5 bps/MHz/km2，虛線為最低成本線，設r=CBS/CRS=10，因此最低成本線斜率為-10。根據圖3可知，在已知等性能曲線時，根據r即可確定該場景的最低成本配置。最低成本線一定時，所需的網絡性能不同，等性能曲線也不同，最低成本線與等性能曲線的切點值也不一樣，即ASE越小，r值相同的情況下，所需要的BS和RS的配置密度值越小。

3. 2 吞吐量分析

圖4為中繼增強的蜂窩網絡與傳統蜂窩網絡邊緣吞吐量的比較。其中，基于中繼的網絡中繼鏈路在時域上無復用。據圖可知，只要部署合理，RS可以增強網絡邊緣的吞吐量，使得處于小區邊緣的用戶可以獲得足夠的數據傳輸速率；同時還可以擴大基站的覆蓋范圍。其中，RS可以靈活布置，除了吞吐量較低的邊緣位置，還可以用在基站的陰影區域。

3. 3 基于中繼組網的成本增益

圖5為基于中繼組網的成本增益與性能之間的關系，以及無線資源配置對成本的影響。從圖中可以看出，隨著單位面積上系統容量的增加，成本增益提高，也就是基于中繼組網的網絡成本相對降低。同時，當在中繼鏈路上時域復用時，中繼鏈路容量會增加，整體性能可以得到提升，因此體現在成本上就是成本增益的提高。

4 結束語

本文主要分析了基于多跳中繼的寬帶無線接入網絡的整體網絡性能及成本增益，并與傳統單跳網絡部署進行了比較。通過仿真分析比較可知，基于中繼的部署有利于提升網絡性能，增加網絡邊緣用戶吞吐量，并擴大覆蓋范圍；同時，在保證目標性能的前提下，也可以獲得一定的成本增益。

無線資源分配方法也對成本增益及性能的提高有一定的影響。本文只分析了復用技術對其影響。除此之外，天線技術、協同分集技術、不同的組網策略等必定也會對網絡性能及成本產生一定的影響，這些可以作為下一步的研究方向和內容。

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