中繼蜂窩網中基于功率控制的頻譜分配方案

靳麗君

（西安鐵路職業技術學院 評估與建設辦公室，陜西 西安710014）

盡管第三代移動通信系統（3 G）可以與互聯網等多媒體通信相結合的新一代移動通信系統，但由于它還存在因特網協議實現困難、不支持較高的通信速率、網絡容量相對較小、用戶費用相對昂貴以及商業模型不確定等難以逾越的困難和缺陷，因此，隨著市場需求和通信技術的不斷發展，第四代移動通信系統（4 G）的研究便應運而生了。

4 G移動通信系統同3 G系統相比具有傳輸速率高，系統容量大且成本低、多業務融合、提供更高質量的多媒體通信服務、具有更高的兼容性等特點[1]。但如果4G繼續沿用傳統蜂窩系統的網絡構架，根本不可能滿足系統高速率的要求，因為無線信號的傳輸損耗同傳輸速率呈線性遞減關系，故而如此高的速率勢必對發射機的功率提出更高的要求，這顯然不現實；同時，由于2 GHz左右的頻帶已經被3 G網絡占用，4 G系統必須使用更高頻段的頻譜資源，而高頻段的頻譜資源的無線信號均為非視距傳輸，嚴重的信號衰減導致遠近效應將十分明顯[2]。

基于以上原因，在不得不使用更高頻段的前提條件下，如何設計下一代無線通信系統保證小區邊沿的移動終端提供高質量的多媒體服務是一個亟待解決的問題。在現有的網絡構架下，解決這一問題的直接方法就是增加基站的密度，但由于投入成本的增加以及小區分裂技術的使用已經接近極限，使得這一方案已不太現實。

一種經濟的、新穎的網絡構建方案亟待提出，在眾多的方案中，一種基于“多跳”技術的中繼蜂窩網絡在此背景下得到廣泛關注，被認為是未來移動通信系統的重要發展方向。

1 中繼蜂窩網絡構架

中繼蜂窩網絡的基本思想是把一跳鏈路分割成多跳鏈路，縮短通信節點間的通信距離，從而顯著提高信道容量和鏈路質量，因此，中繼蜂窩網絡不但能提高小區覆蓋范圍，增加小區容量，有效滿足下一代移動通信對大范圍內的高數據業務的覆蓋需求，而且由于節點間通信距離的縮短，該網絡可以減小終端的發射功率，對抗深度衰落和死區。

中繼蜂窩網絡的構架模型如圖1所示，其主要的構成實體包括基站（BS）、移動臺（MS）和中繼節點（RS），考慮每個區群由3個小區構成，分別用CellA、CellB、CellC標記，每個小區分布6個中繼節點，每個中繼節點位于小區中心到頂點的連線上，距離小區中心為2R/3，基站處于小區中心[3]。

圖1 中繼蜂窩網絡構架Fig.1 Relay cellular network architecture

中繼節點是中繼蜂窩系統新增加的鏈路節點，它主要承擔如下功能：接收基站發送的下行鏈路數據，然后把數據轉發給移動臺；接收移動臺發送的上行鏈路數據，然后把數據轉發給基站。在引入中繼節點以后，移動臺可以通過兩種鏈路建立與基站之間的通信，一種是MS-BS，即移動臺直接將數據發送給基站，這種鏈路與傳統蜂窩系統鏈路相同，適用于移動臺和基站信號質量較好的情況；一種是MS-RS-BS，移動臺首先將數據傳遞給中繼節點，中繼節點再將這些數據轉發給基站，在此過程中，中繼節點并不產生新的數據業務，但會生成相關的控制信令以完成數據業務的傳輸。這種鏈路模式適用于移動臺和基站通信鏈路質量較差的情況。由于中繼設備功能要比基站簡單，覆蓋范圍也比基站小，因此，復雜性就比較小，設備投入成本也比基站少得多。

根據中繼節點在小區中的物理位置不同，可以對中繼節點劃分為：固定中繼節點、移動中繼節點和游牧中繼節點。本文主要以固定中繼節點展開介紹。

中繼蜂窩網絡的應用場景主要適用如下幾種情況：用于延伸基站的服務范圍；用于優化系統容量；用于消除覆蓋陰影區或死區；用于小區間負載平衡[4]。

2 頻譜分配方案

2.1 幀結構

本方案所采用的系統幀結構如圖2所示，單跳鏈路和多跳鏈路通過時分復用避開相互間的干擾，單跳鏈路和兩跳鏈路的發射節點分別占用T1時隙和T2時隙發射信號。為避免相鄰小區的基站和中繼節點對多跳移動臺產生較大的干擾，把兩跳鏈路的頻率資源通過正交頻分均分為3等份，分別分配給處于同一個區群的3個小區中的中繼節點，為充分利用無線時頻資源，系統不再單獨分配資源給鏈路BS-RS。在兩跳鏈路的第一條鏈路中，基站將復用相鄰小區中繼節點的時頻資源來完成鏈路的數據傳輸。具體復用方式如圖2所示，小區B的基站復用小區A中繼節點的時頻資源；小區C基站復用小區B中繼節點的時頻資源；小區A基站復用小區C中繼節點的時頻資源。

圖3為小區A的六個中繼節點和小區B的基站資源復用方式圖，其他幾個小區間基站和中繼節點的資源復用方式與此類似，基站和中繼節點之間共享的時頻資源通過正交頻分方式均分為6份，例如資源1，小區A中的鏈路RsA1-MS和小區B中的鏈路BSB-RSB1，其他5個資源依次類推。

圖2 幀結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the frame

圖3 兩跳鏈路資源共享方式示意圖Fig.3 Two-hop link resource sharing diagram

2.2 頻譜分配

移動臺如果以距離為路由選擇，那么小區將被劃分為兩個區域，即內區域和外區域。如圖1所示，內區域為基站的服務區，區域半徑用R1表示，外區域為6個中繼節點的服務區，在內區域，移動臺直接與基站進行通信，否則它會利用最近的中繼節點通過兩跳方式完成與基站的通信。

假定系統帶寬為B，小區移動臺總數為N，單跳移動臺個數為N1hop，兩跳移動臺個數為N2hop，小區半徑為R，由于移動臺在小區內均勻分布，所以單跳移動臺和兩跳移動臺的分布比例與小區內區域和外區域的面積比例相同[5]，即：

分別給每個單跳移動臺和兩跳移動臺分配等額的頻譜帶寬 B1hop和 B2hop，則：

為保證單跳移動臺和兩跳移動臺之間的的公平性，給單跳移動臺和兩跳移動臺分配相同的時頻資源，即：

由式（1）和式（2），式（3）式（4）可得到：

3 基站功率控制

由于在兩跳鏈路中，相鄰小區的基站復用本小區中繼節點的資源，由于基站的發射功率一般大于中繼節點的發射功率，加之兩跳移動臺多分布在小區邊緣，這必將導致相鄰小區中同頻基站對本小區兩跳移動臺造成過大的同頻干擾，甚至造成移動臺無法同中繼節點之間建立通信。為了解決這一問題，對基站的發射功率進行相應的控制：在T1幀內，基站以大功率PT1發射信號與單跳移動臺通信，而在T2幀內，基站則以小功率PT2發射信號與中繼節點通信[6]。

假定兩跳鏈路中，鏈路BS-RS在一幀內平均傳輸數據量為 RBS-RS，平均頻譜效率為 τBS-MS，如圖 3所示，兩跳鏈路的帶寬均為 B2hop，則有

兩跳鏈路最終的傳輸數據量由傳輸數據量最小的那一跳鏈路決定，即

由于鏈路BS-RS中信號鏈路衰減較小，信號到達中繼節點時仍可保持較高的信號強度，因此即使基站在T2幀內進行功率控制，以較小的功率進行信號的發射也完全可以滿足下一跳鏈路RS-MS的數據傳輸要求，同時由于相鄰小區中基站在T2幀內也是以小功率進行發射，加之它的干擾信號在傳輸過程中有較大的衰落，所以它對本小區鏈路RS-MS的干擾已經下降了很多。

通過以上分析：控制基站在T1和T2時隙內分別采用不同的功率進行發射，可以保證兩跳鏈路的鏈路吞吐量的條件下，有效緩解系統在資源復用方案帶來的系統干擾過大的問題。

[1]郭俊強，李成.移動通信[M].北京：北京大學出版社，2008.

[2]蔡躍明.現代移動通信[M].北京：機械工業出版社，2010.

[3]張翰峰.寬帶OFDMA系統無線資源管理技術研究[D].北京：北京郵電大學，2007.

[4]劉濤,戎蒙恬,史宏逵.中繼蜂窩網中小區間和小區內的資源分配 [J].信息安全與通信保密,2007（3）：30-31.LIU Tao,RONG Meng-tian,SHI Hong-kui.Repeater small range of cellular and allocation of resources within the district[J].Information Security,2007（3）：30-31.

[5]席志紅，晉野，李婭.認知無線電的頻譜分配算法 [J].應用科技， 2010(2)：27-28.XI Zhi-hong,JIN Ye,LI Ya.Cognitive radio spectrum allocation algorithm[J].Applied Science and Technology,2010（2）：27-28.

[6]李平，戎蒙恬，薛義生.基于復用分割技術的兩跳蜂窩網的頻譜分配方案[J].東南大學學報：英文版，2007（2）：39-40.LI Ping,RONG Meng-tian,XUE Yi-sheng.Segmentation based on reuse of the two hop cellular spectrum allocation plan[J].Journal of Southeast University，2007（2） ：39-40.