一種基于無線蜂窩網絡的共享中繼模型

洪瑋

（北京工業大學，北京 100124）

一種基于無線蜂窩網絡的共享中繼模型

洪瑋

（北京工業大學，北京 100124）

對于3G（第三代移動通信，The 3rdGeneration Telecommunication）來說，其傳輸速率已經無法滿足當前實際應用中的視頻在線瀏覽、視頻聊天等高速率高即時性的業務需求。該文主要研究了無線蜂窩網絡中的中繼節點的幾種分類，并提出了一種共享中繼的網絡模型，對該模型中的小區切換問題和資源分配進行了分析。

共享中繼 無線蜂窩網絡 通信模型

1 概述

中繼，簡單的來說就是一種信號轉發的設備，其最基本的功能就是接收來自基站或移動臺的信號，并將信號轉發到下一個目標設備中去。其最基礎的作用就是拓展基站的覆蓋范圍，以及基站在邊緣地區的覆蓋率和信號強度。而傳統的中繼部署結構，在兩個相鄰小區間用戶移動臺往往需要進行復雜的路由切換，以及信令切換過程，這會帶來巨大的通信時延，因而降低了通信質量。

該文主要研究了無線蜂窩網絡中，中繼節點的幾種主要類型，并選用了其中一種中繼節點，提出了一種共享中繼的網絡模型，并對模型所需要的關鍵技術和優勢進行了分析。

2 中繼的類型

中繼可以按照很多不同的范疇進行分類。一般來說，可以按以下幾種方式分類：

2.1 按移動性分類

按移動性分類，可分為固定中繼和移動中繼兩類。顧名思義，固定中繼就是指中繼節點的部署位置是固定不變的，而移動中繼本身是一個移動的節點，它可能會在部署位置一定范圍內做有規律的運動。

2.2 按信號處理的方式分類

按信號處理的方式來說，有AF中繼和DF中繼兩類。AF中繼既是指放大轉發（Amplify Forward）中繼，信號在經過中繼節點時只是被中繼節點做簡單的放大，而傳輸到下一個節點；DF中繼是指解碼轉發（Decode Forward），信號會被中繼節點做解碼操作，然后再重新編碼，最后發至下一個節點。

2.3 按中繼功能分類

按中繼的功能分類，有層一、層二、層三中繼三類。層一中繼僅僅做了數據放大和轉發的作用，這樣信號傳輸時延較低，同時也滿足了基本的需求。層二中繼在層一的基礎上，包含了RLC（鏈路控制）的功能，可以和基站之間進行協調，對中繼和移動臺的無線資源進行分配。層三中繼在功能上更加接近基站，相比與層一和層二中繼功能更復雜，但是成本也更高。

2.4 按信令傳遞方式分類

圖3-1 共享中繼模型網絡結構

在中繼的信令傳遞方式中，主要有透明傳輸和非透明傳輸兩類。透明傳輸是指在信號傳輸過程中，用戶的移動臺直接和基站進行信令交互，而傳輸的數據通過中繼進行傳遞；非透明傳輸是指移動臺的數據信息和信令信息都經過中繼進行傳輸，相對來說會產生更多的通信時延。但是，此時移動臺又可以獲得中繼更多的服務功能。

2.5 共享中繼的選擇

該文所選取的共享中繼節點，主要選擇的是層二中繼，因為需要利用中繼節點本身進行一定的信令調度。另外由于我們的中繼被相鄰的小區所共享，因此部署區域是在小區邊緣地區。

3 一種共享中繼模型

3.1 模型概述

如圖3-1所示。是該文提出的共享中繼模型網絡結構。在圖中大的六邊形區域表示基站以及其覆蓋范圍，這是一個傳統的無線蜂窩網絡結構；在每三個相鄰小區的交界處，部署一個中繼節點，這個節點將被相鄰的三個小區所共享。為了保證基站和中繼節點之間的通信質量，基站和中介節點之間采用LOS傳輸，并且利用了波束賦型，多入多出（MIMO）技術等保障信號質量。

3.2 共享中繼模型下的小區切換

切換，指的是用戶移動臺MS在兩個相鄰小區間移動時，用戶所接入的基站路由發生變化的過程。一般來說，切換可分為三個步驟：切換測量、切換判決、執行切換。

在一個傳統的無線蜂窩網絡中，小區切換以下述流程描述：

（1）用戶MS向目標基站BS發起導頻測量；（2）MS向BS發送測量報告；（3）源基站向目標基站發送準備切換請求Prepare_Req；（4）目標基站向目標中繼和源基站返回Prepare_Response；（5）源基站轉發Prepare_Response；（6）源中繼和MS完成HARQ過程，開始切換；（7）源基站向目標基站，再由目標中繼轉發數據包，切換結束。

在這個流程中，由于移動設備會經歷兩個不同中繼的切換，導致信令鏈路中需要經過從源中繼、源基站、目標基站、目標中繼這樣一個復雜的過程，信令的開銷和相應的時延都比較高。而在共享中繼網絡模型中，源中繼和目標中繼轉化為同一個中繼，用戶MS并沒有改變與之連接的中繼路由，僅僅是改變了中繼節點所使用的信號頻段。因此，在上述流程中的4、6、7步驟中，就節省了源基站和目標基站的信令傳輸，降低了通信時延。

3.3 共享中繼模型的資源分配

由于在共享中繼模型中，中繼節點的位置處于三個相鄰節點之間，那么在這個位置會有強烈的同頻干擾。為了避免小區間干擾的問題，可以將頻域分成三個部分，小區中心的用戶使用一個頻段，而小區邊緣的中繼使用另外兩個頻段。這樣，無線資源分配就轉化為信號頻段的分配，為了防止同頻干擾，還需要使用TDD進行上下行鏈路的時域分割。

4 結語

該文對無線蜂窩網絡中的中繼節點的分類及相應功能進行了研究，提出了一種共享中繼的網絡模型。針對模型中所需要解決的小區切換以及頻率分配問題，提出了相應的解決方案并進行了分析。分析證明，共享中繼模型對于提高小區邊緣的通信質量有很大提升作用。

［1］呂紅芳.協作中繼網絡資源分配控制算法研究.儀器儀表學報［J］，2014.

［2］朱國暉.LTE-Advanced中繼系統切換優化算法.西安郵電大學學報［D］，2014.