基于方向性天线的中继蜂窝网络资源复用方案

摘要：针对传统的蜂窝的缺点，中继蜂窝网络通过在基站和移动台之间引入若干中继节点，缩短了收发节点之间的通信距离，降低了传输衰落，提高了链路通信质量。基于方向性天线的中继蜂窝网络采用合理的区域划分以及资源分配方案，提高了资源的利用率，减少了系统同频干扰；系用过对系统干扰进行理论分析和仿真实验，证明了该方案的可行性。
关键词：中继蜂窝网络；资源分配；方向性天线；路径损耗

0 引言
    尽管第三代移动通信系统(3G)较第二代(2G)移动通信系统具有明显优势，但它还存在网络容量相对较小、传输速率不够高、因特网协议实现困难、费用相对昂贵等缺陷，因此，业界对第四代移动通信系统(4G)的研究便应运而生了。
    在传统的3G蜂窝网络中，移动台与基站之间的数据传输是通过无线连接直接完成的，也就是采用“单跳”方式传输数据的。如果第四代移动通信系统仍采用传统数字蜂窝系统的网络构架，就不可能满足系统高速率的要求，因为无线信号的传输损耗与传输速率呈线性递减关系，如此高的速率势必对发射机的功率提出更高的要求，这显然是不现实的；同时，由于4G系统必将使用2G频段以上的频谱资源，而这些频谱资源的无线信号均为非视距传输，显著的信号衰减势必导致十分明显得远近效应。
    为了克服3G系统的缺点，必须对原有的蜂窝网络结构进行改造。在此背景下，一种基于“多跳”技术的中继蜂窝网络得到业界广泛关注，被认为是未来移动通信系统的发展趋势。中继技术是在基站与移动台之间增加了一个或多个中继站(RS)，中继站负责将无线信号做一次或多次转发。

1 系统模型
1．1 网络模型
    “两跳”中继蜂窝网络模型与传统蜂窝网的差别在于每个小区内增加了6个中继节点，中继节点分布在小区中心与顶点的连线上，距离小区中心距离为2R／3(R为小区半径)。如图1所示为小区的模型示意图，该系统移动台和中继节点使用全向天线对信号进行发射和接收，为了对整个小区完全覆盖，每个小区的基站使用3个120°的定向天线，这样，小区便被划成3个扇区，分别用S1，S2，S3表示。

1．2 天线系统
    天线作为无线通信系统的基本设备之一，它是通过馈线与收发信机连接起来，主要承担发射或者接收无线电磁波的任务，实质是完成了电磁波和高频电信号的能量转换任务。根据天线的接收和发射方向来区分，天线可以分为全向天线和定向天线。
    全向天线在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，全向天线在移动通信系统中一般应用于郊县大区制的基站，覆盖范围大频率利用率低，用户密度相对较小的情况；定向天线在水平方向图上表现为有一定角度范围辐射和一定宽度的波束，定向天线在移动通信系统中一般应用城区小区制的基站，覆盖范围小，频率利用率高，用户密度较大的情况。
    不同类型的收发设备根据通信的需要可选择不同类型的天线。该方案的中继蜂窝系统，基站采用120°的定向天线进行信号覆盖，移动台和中继节点采用全向天线。
1．3 资源分配
    中继节点的引入和基站方向性天线的使用，使系统的链路分布要比传统的蜂窝系统更为复杂，中继蜂窝系统中的每个小区有如下15条链路：
    链路L1～L3分别为扇区S1，S2，S3内BS-MS之间的通信链路；
    链路L4～L9分别对应BS和6个RS之间的通信链路；
    链路L10～L15分别对应MS和6个RS之间的通信链路。
    系统的时频资源被划分为6部分，如图2所示为系统帧结构示意图。

    时频资源与15条链路之间的分配关系为：
    P1分配给链路L1，同时被链路L6和L7复用；P2分配给链路L2，同时被链路L8和L9复用；P3分配给链路L3，同时被链路L4和L5复用；P4分配给链路L10和L11；P5分配给链路L12和L13；P6分配给链路L14和L15。本文不研究T1和T2的最佳比例，为了讨论方便，这里将时隙均分，即T1=T2。
    由于移动台在小区的分布有可能是非均匀的，因此小区中不同区域的话务量会有差别，在话务量大的区域会因资源紧张导致部分移动台无法接入网络，而话务量小的区域会造成部分系统资源闲置浪费。为提高资源利用率，在采用以上资源分配的同时，同一扇区的两个中继节点采用柔性资源分配方式，如图1所示，S1扇区的RS1和RS2共用一份时频资源，当中继节点有移动用户接入时，该节点的时频资源由它服务区域的业务量动态分配。
    通过资源的有效划分，以及采用链路BS-RS复用链路BS-MS的方式，有效节约了中继节点的资源开销；同一扇区的两个中继节点根据话务量的状况采用了柔性资源分配方式，从而使系统资源的利用率得到进一步提高。同时，由于基站使用了定向天线，在资源分配时，原始链路与复用链路在不同扇区，因此避免了资源复用而导致的同频干扰。

2 系统干扰分析
2．1 路由选择
    为比较系统在不同路由选择下的性能指标，系统采用信噪比准则和距离准：
    (1)信噪比准则
    信噪比准则是系统计算出离移动台最近的两个中继节点以及基站所收到的接收信号的信噪比(SIR)，然后将3个信噪比进行比较，移动台选择三者中信噪比最大者进行通信。
    (2)距离准则
    距离准则是指系统测量出移动台到基站以及小区中6个中继节点的距离，如果移动台到基站的距离最小，则移动台以“单跳”方式直接与基站进行通信，否则移动台通过离它最近的中继节点以“两跳”方式将数据转发给基站进行通信。
2．2 系统干扰分析
2．2．1 链路BS-MS干扰
    根据小区的扇区划分以及频谱资源的分配方案，链路BS-MS干扰产生的原因主要有两个方面：其他小区中同一扇区的与MS进行通信的BS；其他小区中相邻扇区与RS进行通信的BS。经过分析不难得到链路BS-MS的信噪比为：
   

    式中：PBS为基站的发射功率；L为移动台到所接收基站的路径损耗；LK为移动台到各个干扰源基站的路径损耗。
2．2．2 链路BS-RS干扰
    由于链路BS-RS与链路BS-RS复用了相同的资源，其干扰情况也相似。链路的干扰源主要来自于两个方面：其他小区中同一扇区与RS进行通信的BS；其他小区中相邻扇区与RS进行通信的BS。可得到链路BS-MS的信噪比为：
   

    式中：PBS为基站的发射功率；L为RS到所接收MS的路径损耗；LK为RS到各个干扰源BS的路径损耗。
2．2．3 链路BS-RS干扰
    为了提高资源的利用率，同一扇区的两个中介节点采用柔性资源分配方式，因此RS-MS得干扰源处于不定状态，当所有相邻小区中的RS1使用的资源与中心小区内的RS2使用的资源相同时，链路BS-RS干扰的干扰最大。得到此时的信噪比为：
   

    式中：PRS为中继节点RS的发射功率；L为MS到所接收RS的路径损耗；LK为MS到各个干扰源RS的路径损耗。

3 系统性能仿真
3．1 仿真条件
    依上述方案和算法，就移动台均匀分布的典型小区进行了仿真试验，仿真条件为：
    链路BS-RS路径损耗模型采用WINNER B5a视距传输模型，阴影衰落为标准差为3．4 dB的对数高斯分布随机变量，表达式为：
   

    其他链路的路径损耗模型采用WINNER C1非视距传输模型，阴影衰落为标准差为8．0 dB的对数高斯分布随机变量，表达式为：
   

    系统的其他参数为：小区半径R=500m；基站发射功率PBS=10W；中继发射功率PRS=1W；帧长T=10ms；系统带宽B=25．6MHz，载频f=5GHz。
3．2 系统性能仿真和分析
    图3为移动台SIR的累积分布曲线(CDF)图，仿真中选取RRP资源分配方案作为参考比较方案。在计算链路RS-MS的链路SIR时，取干扰最大的情况。从图3可以看出，由于SIR准则综合考虑了基站、中继节点的发射功率，通信距离和路径损耗等因素，因此，采用该准则所得到的系统性能要优于通信距离准则的方案。

    由于方案中BS-MS链路和BS-RS链路中基站采用了方向性天线，它们受到的干扰要小于RRP方案，因此，本文提出的基于方向性天线的资源分配方案中得以动态的SIR整体上要优于RRP方案。

4 结语
    本文介绍一种基于方向性天线的移动通信网络的资源复用方案，通过在基站和移动台之间引入中继节点，缩短了网络节点之间的通信距离，减小了系统的阴影效应，提高了链路的通信质量。基站使用定向天线，合理的分配频谱资源，提高了频谱复用度，减小了系统干扰，提高了系统容量，通过理论分析和计算机对系统性能的仿真，验证了该方案的可行性和有效性。