OFDMA多跳中繼蜂窩網絡空間復用干擾協調策略

楊亞讓，趙 越

(1. 喀什大學物理與電氣工程學院，新疆 喀什 844006；2. 西南交通大學，四川 成都 610031)

1 引言

未來的無線和移動通信系統將對高速覆蓋、系統設計和規劃以及信號處理提出更高的要求。相關研究表明：在一個或多個基站和移動臺之間增加一個或多個中繼站能夠有效擴大網絡覆蓋范圍。而OFDMA是一種有效的寬帶傳輸和調制過程，可以有效地干擾符號，減少選擇性頻率著色，實現高頻使用。中繼網絡與OFDMA技術的結合是無線網絡未來發展的一個重要的發展方向。

對于多跳中繼蜂窩網絡來說，若其連接接口的負載過度增加，空間覆蓋率將降低到計劃值以下，并且現有連接的質量也會降低。因此，有必要在無線接入網中使用有效的訪問控制來評估來自移動用戶的新的訪問、導出、接受或拒絕請求。為了使用戶連接過程中具有較高的服務質量，提升網絡資源的利用率，需實現多跳中繼蜂窩網絡空間復用干擾協調處理。

文獻[1]提出一種基于效用函數優化模型的功率分配方案實現空間干擾處理，并采用分層交替迭代算法求解最優功率分配。首先將原問題分解為功率分配和虛擬功率分配兩個子問題，然后將拉格朗日函數引入高層功率分配中，求解基于均衡策略的最優功率分配算法。虛擬功率用于在底層完成進一步的功率分配。由于功率分配系數采用信號干擾泄漏比最大化的特征向量形式，實現了信號增強和干擾抑制的均衡。

文獻[2]提出一種基于干擾協調的資源分配方案來實現空間干擾處理。該方案分為兩個模塊：第一個模塊根據接入點FAP(femtocell access points)之間的干擾程度，將干擾FAP劃分為不同的簇，FAP與簇共享頻帶資源。通過FAP之間的協作，實現了不同簇之間的頻譜復用。第二個模塊根據最大功率和最小速率公平準則進行最優功率分配，并動態分配資源。

然而上述兩種方法都忽略了中繼選擇問題，也沒有充分考慮用戶間接入競爭的復雜性。為解決這一問題，本文提出一種OFDMA多跳中繼蜂窩網絡空間復用干擾協調策略。通過建立系統模型獲取鏈路的信干燥比，通過調制方式和編碼速率合理調節鏈路。集合空間間頻率資源的預先規劃能夠對區間的干擾進行協調，防止同頻干擾對邊緣用戶性能帶來的影響。結合STBC編碼的干擾協調策略，在一定程度上降低了外界因素帶來的干擾，同時也提高了系統的吞吐量和速率。

2 OFDMA多跳中繼蜂窩網絡模型建立

在多跳中繼蜂窩網絡網絡內，通信質量好的用戶可以直接與基站進行通信[3]。用戶一般為單跳用戶，在小區邊界的通信質量較差，必須借助基站間接邊緣的用戶與周圍質量較好的信道通信。繼電器包括移動式繼電器和固定式繼電器。移動中繼的位置隨時間而變化。由于中繼使用的是信道質量好的空終端用戶，而信道質量較差的用戶將只能夠完成通信任務。因此，多跳用戶與基站之間的連接是直接連接的。

多跳中繼通信網絡被認為是在有利條件下擴大小區覆蓋范圍、降低傳輸性能或網絡連接的高效措施。多跳通信是指在通信網絡的源節點和匯聚節點之間再額外設置一個中繼節點，利用這一節點優化源節點與目標節點之間的連接環境。基于此，可實現數據流的高效傳輸。但在這一過程中，中繼節點易造成信道資源的額外消耗。因此，源節點和目標節點之間中繼節點的數量應保持在合理范圍內[4]。根據OFDMA多跳中繼蜂窩網絡，建立了系統模型，如圖1所示。

圖1 多跳中繼蜂窩網絡的結構

圖1通過設定19個蜂窩單元構成了多跳中繼蜂窩網絡模型，每一個單元可分為三個扇形區域，且每個扇形區域中包含兩個中繼站。為了方便對整體小區及其站點進行描述，利用NB(i，j)代表第i小區的第j扇區基站，其中i=1，2，…19。NB(i，j，k)代表第i小區第j扇區中的第k個中繼站，其中k=1，2。NM代表中心小區第一扇區中的移動臺，NB(i，j)和NB(i，j，k)分別代表NM的兩個備選接入點。基于上述過程可得出不同時間域中每一條鏈路上的信干燥比，其表達式為

(1)

(2)

(3)

(4)

在上述公式中，Γrz-br表示中繼域內BS-RS鏈路，Γrz-bm表示中繼域內BS-MS鏈路的信干燥比，Γaz-br表示接入中繼域內BS-MS鏈路的信干燥比，Γaz-rm表示中繼域內RS-MS鏈路的信干燥比。Irz-br、Irz-bm、Iaz-bm、Iaz-rm分別表示各個對應鏈路所遭遇的同頻干擾，N0表示加性高斯白噪聲功率。

多跳蜂窩網絡允許用戶利用蜂窩系統的自組織網絡通過多跳轉發進行通信[5]。信道質量好的節點直接與基站通信，而信道質量較差的用戶，尤其是邊緣用戶，需要選取較高質量信道質量，用戶作為中繼與基站實施間接通信。

在OFDMA子系統的頻率范圍內形成一個特定的順序子信道，當OFDMA系統采用可定制編碼(適當的不同調制方式)時，可以在每個時間間隔發送這些信息和編碼策略。調制編碼策略內容如表1所示，其顯示了調制與編碼策略、SINR和時隙效率之間的映射關系。

表1 調制編碼策略

3 頻率復用策略和干擾分析

多跳中繼蜂窩網絡中，小區間干擾協調的方式很多，但基本原則均是對資源管理進行相應的限制[6]。協調多個基站的工作，避免區域間的嚴重干擾，可能會限制資源的流動。例如避免使用可能對小區造成嚴重干擾的資源塊或限制資源塊內的傳輸功率、避免小區在資源塊中發射可能造成干擾的功率。上述限制可以提高接收機的載波干擾比，從而提高業務小區的邊緣數據速率和覆蓋率。而資源調度的局限性可以看作是一種軟頻率復用。發射功率的限制可以看作是一種“功率控制分配”。

3.1 蜂窩網絡空間頻率復用

設定系統帶寬為W，其可分為W1、W2、W3三個子頻帶，可通過將BS和RS功率平均分配給子信道來解決策略的執行和下行鏈路資源的分配問題[7]。

在中繼域中，中繼器總是顯示接收信號。在這種情況下，系統不需要中繼器來分配頻率資源。總頻帶以1×3×1的復用方式分配給空間中每個扇區。由于RS在扇區邊緣的地理優勢，MS能夠接入域中的RS，獲取到最優質量的鏈路。同樣，分布在扇區中心的MS能夠直接接入BS。由于相鄰空間中的基站與該空間中用戶之間的直接距離相對較寬，因此提高對同一區域的連通性可以直接到達分布在扇區中心的用戶處，系統受到的干擾也會伴隨干擾距離的增加而增大[8]。

3.2 結合STBC干擾協調策略

蜂窩網絡空間復用干擾協調策略支持多個區域，在區域邊緣使用同一頻率源，為用戶提供服務。然后分析了以下幾個鏈路的實現和性能。

讓塊組中的K個小區同時向移動臺發送信號[9]。K空間對移動臺的信道衰落為：h1，h2，…，hK，發射信號為s1，s2，…，sK，發射功率分別為P1，P2，…，PK，接收端噪聲為n0，K空間以外的空間干擾為I0，則移動臺接收信號為

(5)

通過式(5)可得出接收端信干燥比SINR的運算公式為

(6)

式(6)中，Pn0+I0表示噪聲和干擾的功率。由于h1，h2，…，hK不存在相關性，則相對于單天線而言，K信道同時衰落的可能性大大降低。因此，接收到的信號頻率高于單個天線的頻率。

在此基礎上，充分考慮以三個主站空間為集群的分布式單元體系結構。如果移動臺處于兩個基站同時服務的狀態，來自主站3的信號和來自移動臺的干擾信號始終處于工作狀態，那么兩個天線的輻射功率等于輻射功率P0[10]，那么可知兩個天線上的兩個連續接收信號為

(7)

式(7)中，n01和n02表示到達接收天線的信號的等效噪聲。通過處理后的表達式為

(8)

(9)

信號接收信噪比運算式為

(10)

信道容量公式即

(11)

然后利用分集增益的思想，得出系統分集增益運算式即

(12)

倘若|h1|≥|h2|，假設|h1|-|h2|=c，那么可得出0≤c≤|h1|。

當用戶接收到來自主控制空間的信息時，空間的邊緣用戶的頻率信號強度在大部分時間都會低于正常值。如果高于正常值則其為中心用戶[11]。

當已知用戶是空間邊緣用戶，測量控制頻率信號的強度，從三個相鄰空間接收到的信號強度按降序確定，即CSI1、CSI2、CSI3，其對應的空間為π(1)、π(2)、π(3)。它們之間相應的間隔取決于信號強度的大小。此外，用戶可以識別兩個或三個空間的邊界，并設置用戶可用的頻率范圍。

若CSI1-CSI2

在此基礎上，基站通過聯合檢測技術將不同小區的用戶干擾信息轉化為有用信息，并對小區邊緣的用戶進行聯合處理。這樣不僅避免了小區間干擾，還提高了小區邊緣吞吐量。

4 實驗與結果分析

為驗證本文設計的OFDMA多跳中繼蜂窩網絡空間復用干擾協調策略的有效性，設計如下實驗。實驗參數如表2所示。

表2 實驗主要參數表

隨著多跳中繼蜂窩網絡負載的增加，當每個中繼對應的用戶確定后，對用戶采用隨機接入，接入的子載波數達到中繼負載的性能。設定單小區用戶數為32個，用戶移動速率為3km/h，固定中繼節點數為6個，載波頻率為5.2GHz，組數據長度為424個，ID序列采用Hadamard碼，誤碼率設置為不超過0.02。然后將本文方法與文獻[1]方法、文獻[2]方法進行性能對比，從信道吞吐量和干擾協調功率兩個角度驗證不同方法的有效性。

不同方法的信道吞吐量對比結果如圖2所示。

圖2 吞吐量性能對比圖

根據圖2可知，隨著歸一化業務量的增加，固定中繼節點支持的隨機接入協議的吞吐量略有提高。但在低數據傳輸速率下，本文方法的信道吞吐量性能明顯優于另外兩種方法。

為進一步突出本文方法的有效性，以干擾協調功率為檢驗指標，驗證不同方法的應用性能，其結果如圖3所示。

圖3 不同方法的干擾協調性能比較

隨著系統負載的增加，蜂窩網絡空間復用中心的用戶數量增加，信道中采用協作中繼，可以獲得空間分集增益。而且直接中繼路由通過中繼的跳數最多，誤差積累也較大。分析圖3可知，本文策略具有最佳的協調性能，文獻[1]策略的性能優于文獻[2]策略，但低于本文提出的策略。這是因為在本文所提出的策略中，即增加了可以復用的資源，又提高了系統頻譜效率。如果接收功率穩定，輔助中繼節點會將正確的信息發送到目的節點；如果接收功率不穩定，接收到的信息將被放大并轉發到目的節點，目標節點具有最小的失真和最佳的干擾性能。

在多跳網絡中，當信道容量較大且僅考慮信道容量時，其它兩種策略的輔助中繼節點的能量消耗基本相同較為浪費。相比之下，本文策略的性能明顯高于其它兩種策略。

5 結束語

本研究提出了一種適用于OFDMA多跳中繼移動網絡的空間多路干擾協調策略。采用STBC編碼的干擾協調策略，在減少邊緣用戶干擾的同時，提高系統吞吐率，改善小區邊緣區域覆蓋情況，也實現了頻譜資源的充分利用。仿真結果表明：所提策略能夠協調與其他用戶的干擾，提高系統性能和速度。另外，該算法在大格式MIMO和端到端通信應用中具有很大的潛力，可在今后作進一步研究。