多跳回程網絡和接入網絡的資源分配方案研究

楊洪濤，劉業輝，宋玉娥，孫社文，劉 麟

（1.北京工業職業技術學院電氣與信息工程學院 北京 100042；2.石家莊郵電職業技術學院 石家莊 050021）

1 引言

無線多跳網絡作為無線數據網絡的下一個演進方向，得到了業界的重視。多跳網絡與其他基于非競爭的無線網絡網狀結構相比，具有更加可行和有效的優勢。非競爭的無線網絡包括WiMAX（worldwide interoperability for microwave access，全球微波互聯接入）[1]、LTE（long term evolution，長 期 演 進）[2]、HSPA（high speed uplink packet access，高速上行鏈路分組接入）[3]等，這類網絡有很好的無線資源管理機制來避免干擾，并且可以更加有效地利用無線資源。由于同步和其他干擾等因素，單純的網狀結構很難在這類網絡中實現。

WiMAX和LTE都已經建立了中繼工作組，研究如何在接入小區中建立多跳回程網絡。服務提供商也在部署WiMAX，以便更好地提供無線寬帶連接。IEEE 802.16j標準工作組也在重點關注多跳中繼網絡，以便在WiMAX移動網絡中進行多跳通信。在非競爭無線網絡中，用戶與中繼通信，而不直接與基站通信[4,5]。

LTE-A的中繼系統也是采用類似方式[6,7]，中繼實現的功能基本上是節點的回程功能和接入功能。基于無線回程的LTE方案有兩種——帶內回程和帶外回程。帶內回程網絡與接入網絡共享無線網絡資源，如LTE帶內中繼和IEEE 802.16j。帶外回程網絡不與接入網絡共享資源，而是使用獨立的無線資源。本文將對帶內多跳中繼網絡進行研究。

[8]對市區的帶內中繼的覆蓋和容量進行了仿真，基于此，本文深入地闡述了不同業務量密度下小區真實的吞吐量和小區半徑的關系。參考文獻[9]闡述了郊區的中繼實際性能，基于該參考文獻的參數設置，本文詳細地描述了低業務量密度區域的中繼情況。

本文構建了OFDM（orthogonal frequency division multiplexing，正交頻分復用）兩跳中繼網絡，這種方式可以覆蓋LTE、WiMAX等無線網絡；研究了不同的小區半徑、信道狀態和中繼方案下的回程網絡和接入網絡之間無線資源分配方法；比較了帶內中繼和帶外中繼的性能。

2 系統模型

接入網絡和回程網絡共享無線網絡資源，為了避免網絡擁塞，高效的無線網絡資源管理是非常必要的。無線網絡資源分配方法通常包括動態分配方法和靜態分配方法兩種，相比較而言，動態分配網絡資源更有效。在動態分配方法中，系統獲得接入網絡/回程網絡參數和信道的統計信息后，計算接入網絡和回程網絡的無線網絡資源。為了避免擁塞，減少回程網絡和接入網絡分配資源的不平衡，假設采用一個理想的無線資源動態分配方案。在此方案中，基站可以實時獲取所有鏈路的瞬時信道信息，根據實時鏈路狀態調整無線資源分配粒度。

本文研究兩跳中繼網絡的配置方案。中繼方案1是傳統方案，不同的中繼回程鏈路使用正交資源；中繼方案2的中繼回程鏈路利用SDMA（space division multiple access，空分復用接入）技術節省無線資源，即同一個無線資源在不同回程鏈路上被空間復用。

2.1 中繼方案1

圖1為中繼方案1的小區部署架構，所有基站或中繼都位于六邊形小區的中心，中心小區為出口小區，出口小區周圍的6個小區被稱為第一層小區，第一層小區周圍的12個小區組成第二層小區。連接出口小區和第一層小區的回程鏈路為第一跳回程，連接第一層小區和第二層小區的回程鏈路為第二跳回程。為了有更多的回程流量，第一跳回程鏈路比第二跳回程鏈路占用更多的無線網絡資源，圖中較粗的回程線條代表占用更多的無線資源。19個小區的接入業務量集中回傳給出口小區。通常，這個無線回程網絡出口小區通過光纖繼續回傳網絡流量給核心網絡。接入網絡和回程網絡分別有3個子載波，該方案的OFDM子載波分配情況如圖2所示，不同的回程鏈路使用正交的無線資源。

圖1 中繼方案1的小區結構

圖2 中繼方案1的OFDM子載波分配情況

2.2 中繼方案2

圖3 為中繼方案2的小區部署構架，與圖1的區別是不同的回程鏈路通過空分復用，共享相同的OFDM子載波資源，中繼方案2的OFDM子載波分配情況如圖4所示。

2.3 系統模型分析

假設每個小區具有相同的用戶密度，每個用戶有相同的業務量密度要求（通過香農容量計算），所有小區都滿負荷。顯然，越是接近出口小區的小區，對回程鏈路的要求越高，因為該小區不僅要回傳自身的業務量，還要回傳其子節點的業務量。因此，越是靠近出口小區的小區越會消耗更多的無線網絡資源。

圖3 中繼方案2的小區結構

圖4 中繼方案2的OFDM子載波分配

假設所有小區的小區半徑為r，接入鏈路和回程鏈路的路徑損耗指數分別為γA和γBH，載波頻率為fc。d是發射機和接收機之間的距離，d0是參考距離，Xσ為一個零均值的高斯分布隨機變量。

則接入網絡的路徑損耗為：

回程網絡的路徑損耗為：

仿真分析采用的系統參數見表1。

由于下行鏈路總會有較高的功率和吞吐量，因此本文只針對下行鏈路展開分析。

3 仿真結果分析

本文搭建了一個靜態的系統級仿真平臺，并用蒙特卡洛方法進行仿真[10]。利用香農信道容量公式，計算接入網絡和回程網絡的吞吐量。

表1 仿真分析的系統參數

3.1中繼方案1的仿真結果

假設接入鏈路發射功率和回程鏈路發射功率分別為PA和PBH，噪聲功率為N，接入帶寬為BA，第二層小區的回程帶寬為BBH，接入鏈路天線增益和回程鏈路天線增益分別為GA和GBH。第二層小區中，為了平衡接入網絡和回程網絡的資源，需要滿足：

由圖1可知，第一層的回程鏈路將傳送自身業務和其子小區的業務，即它要回傳3個小區的業務量，因此第一層小區的回程帶寬為3BBH。

假定總帶寬為B，則：

由于很難得到式（3）左側表達式的結果，因此本文采用靜態系統級仿真器進行蒙特卡洛仿真[10]。當B=10 MHz時，根據蒙特卡洛仿真有：

則接入帶寬和第二層回程帶寬滿足：

根據式（4），可以得到BA=2.18 MHz和BBH=0.692 2 MHz。

出口小區、第一層小區和第二層小區的接入資源相同，均為BA。從第一層小區到出口小區的第一跳回程鏈路需要帶寬3BBH。從第二層到第一層的第二跳回程鏈路需要帶寬BBH。由此，計算出不同參數下的接入帶寬和回程帶寬。

圖5比較了中繼方案1在不同接入路徑損耗指數情況下，小區半徑與總接入帶寬在總帶寬中占比的關系。從圖5可以看出，隨著接入路徑損耗指數的增大，總接入帶寬在總帶寬中的占比變大，即接入資源的需求變大。

圖5 中繼方案1中總接入帶寬在總帶寬中的占比

3.2 中繼方案2的仿真結果

在第二層小區中，為了獲得接入鏈路和回程鏈路的資源平衡，需要滿足：

根據圖3可得：

類似地，使用蒙特卡洛仿真，得到式（8）左側表達式的結果。

由式（9）中的等號得到BA=2.53 MHz，BBH=0.803 47 MHz。

圖6比較了中繼方案2在不同接入路徑損耗指數情況下，小區半徑與總接入帶寬在總帶寬中占比的關系，圖6得到與圖5相似的結論。

3.3 仿真結果分析

從圖5和圖6可以看出，接入網絡的信道狀態越差（即路徑損耗指數越大），接入帶寬在總帶寬的占比越多，回程網絡所占帶寬越少。如果小區半徑很大，接入帶寬幾乎占據帶寬的全部。

圖6 中繼方案2中總接入帶寬在總帶寬中的占比

如果接入鏈路狀態較好（γA=3），即路徑損耗指數較低，隨著小區半徑的增大，接入帶寬和總帶寬的占比也會增加，達到峰值后，該占比將減小。這是因為小區半徑越大，多跳回程路徑損耗增加得越快，同時需要的帶寬越多。中繼方案1中的峰值出現在小區半徑為4 km處，峰值為0.46；中繼方案2的峰值出現在小區半徑為4.5 km處，峰值為0.6。在不同信道狀況下，多跳回程網絡和接入網絡之間的無線網絡資源分配結果也不同。

若接入網絡的業務量密度是D，則每個小區的接入業務量需求為圖7給出了不同業務量密度和不同方案的小區容量與小區半徑的關系。無帶內回程的傳統小區可以是帶外無線回程網絡，也可以是有線回程網絡，傳輸可以采用光纖、ATM等。只有小區吞吐量比真實的業務量大時，用戶通信才可以得到滿足。因此，D取不同值時的仿真曲線與其他3個方案的小區容量曲線的交點，即為不同方案下的小區最大覆蓋半徑，具體值見表2。

圖7 吞吐量和小區半徑的關系

表2 不同業務量密度的最大覆蓋半徑

表3 覆蓋100 km2的特定區域需要的基站數量

在不同的業務量密度下，覆蓋100 km2的特定區域需要的基站或中繼數量見表3。

從表3可以看出，中繼方案1和中繼方案2（帶內回程網絡）更適合農村或業務量密度較低的區域，接入點數量也與傳統小區相近。在市區/城鎮，中繼方案1和中繼方案2對基站數量的要求比傳統小區多，成本和切換開銷也會相應地增多，但是中繼方案2對基站需求的數量比中繼方案1少，這說明多跳回程網絡中的空分多址技術是節省無線網絡資源的有效方法。空分多址技術可以顯著提高天線增益，使得功率控制更加合理、有效，從而提升系統容量。在農村或半鄉村地區，空分多址技術的作用不明顯，中繼方案2甚至和傳統小區需要的基站數量相同。

4 結束語

本文以OFDM非競爭的頻帶內多跳系統為研究對象，分析了兩個中繼方案的多跳回程網絡和接入網絡的資源分配方案。仿真表明，如果接入網絡的信道狀態比回程網絡更差，則接入網絡將隨著小區半徑的增加而占有更多資源。如果回程網絡與接入網絡有類似的信道狀態，則隨著小區半徑的增加，接入網絡會占用更多資源，但是到達峰值后其占用的資源將隨著小區半徑的增加而持續減少。

多跳回程網絡應用空分多址技術將節省無線網絡資源，并通過中繼可以覆蓋更大的區域，該技術在城市地區比在農村地區更有效。研究表明，帶內中繼更適合低業務量密度的區域。

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