基于智能固定中繼的兩跳蜂窩網(wǎng)絡

摘要　提出一種新的CDMA方式下的兩跳蜂窩結(jié)構(gòu)模型。這種新的結(jié)構(gòu)在特定區(qū)域使用多個非再生固定中繼，并在固定中繼使用智能天線和波束成型技術(shù)，通過移動臺在多個固定節(jié)點的信號功率的最大比合并和移動臺平均發(fā)射功率的調(diào)整，有效地增加了系統(tǒng)的上行容量（25%左右）。研究結(jié)果還表明，這種新的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可以有效降低小區(qū)間干擾，在發(fā)射功率和固定中繼拓撲上都有較大的靈活性，并可根據(jù)實際的網(wǎng)絡需求進行合理調(diào)整。

在多跳蜂窩網(wǎng)（MHCN：Multi-Hop Cellular Network）中，移動臺通過兩種方式到達基站，一種是傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)中的直接連接方式：另一種是移動臺和中繼連接，通過中繼的轉(zhuǎn)接到達基站。通過這兩種靈活的連接方式，可以降低發(fā)射功率和干擾范圍，擴大網(wǎng)絡覆蓋范圍，增強系統(tǒng)性能[1-3]。

多跳蜂窩網(wǎng)中的中繼有兩種：固定中繼和移動中繼。因為移動中繼的體積和成本限制，不可能提供較復雜的功能，因此其中繼能力相對較低。而固定中繼則不受此限制，可以為多個移動臺同時提供轉(zhuǎn)接服務，并可以有較高的復雜度，使用較好的傳輸技術(shù)。根據(jù)另一種分類方法，中繼可以分為再生中繼和非再生中繼。再生中繼不傳遞噪聲，但存在一定的時延；而非再生中繼會傳遞噪聲，但基本不會有時延[4-7]。

CDMA系統(tǒng)是干擾受限的系統(tǒng)。為了降低干擾，并最大限度地使用多跳的優(yōu)勢，文章提出一種新的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，可有效地增強上行系統(tǒng)的容量。為了同時對大范圍的移動臺進行服務，并利用好CDMA系統(tǒng)自身的特點，這種新的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中使用了多個固定非再生中繼。所有的固定中繼被放在特定的區(qū)域以減少小區(qū)間干擾，同時保證移動臺最大的公平性。在固定中繼和基站之間使用智能天線和波束成型技術(shù)以進一步減少小區(qū)間干擾。移動臺發(fā)送的信號被所有的固定站點（包括基站和固定中繼）接收，并在基站處進行最大比合并，從而最大限度地使用移動臺發(fā)射功率。研究結(jié)果表明，這種新的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可以有效降低小區(qū)間干擾，對系統(tǒng)上行容量有較大的提高。

1、增強型兩跳網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

在多跳蜂窩網(wǎng)中，如果跳數(shù)超過2，那么無論路由算法、功率控制還是無線資源管理的復雜度都將大幅提高。并且一般情況下，兩跳對于現(xiàn)實的蜂窩網(wǎng)性能提高已經(jīng)足夠，所以文章的研究主要考慮兩跳。

在CDMA系統(tǒng)中，干擾是上行容量的主要限制。正確接收必須保證[8]：

（1）

其中，Eb/No為基站正確接收的最小信擾比，W為傳輸帶寬，R為數(shù)據(jù)速率，S為移動臺信號在基站處的接收功率，Ii為小區(qū)內(nèi)干擾，Io為小區(qū)間干擾，No為基站接收噪聲。

在CDMA系統(tǒng)中，干擾包括三個方面：小區(qū)內(nèi)干擾、小區(qū)間干擾以及噪聲。因為用戶公平性的限制，即使使用了中繼來到達基站，用戶到達基站的接收功率也需要一致，因此如果不復用任何無線資源的話，小區(qū)內(nèi)干擾往往不容易有太大的降低。而小區(qū)間干擾則不同，如果在特定區(qū)域使用固定中繼，加上多跳的優(yōu)勢，可以大大降低小區(qū)間干擾，從而有效降低總干擾，增加系統(tǒng)的上行容量。為了降低小區(qū)間干擾，使用智能固定非再生中繼是一個非常好的選擇。

1.1　網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

文章提出了一個應用非再生固定中繼來降低小區(qū)間干擾從而提高上行容量的網(wǎng)絡框架。在這個增強型網(wǎng)絡框架中，將智能天線和波束成型技術(shù)用在這些固定中繼中，并把這些固定中繼放在基站和六邊形小區(qū)頂點的連線上，這些固定中繼用全向天線來接收移動臺的信號，并通過定向波束和基站連接，如圖1所示。

圖1　上行增強兩跳蜂窩網(wǎng)框架

因為小區(qū)為正六邊形，在用戶均勻分布的小區(qū)中固定中繼的數(shù)量應該為3或者6或者它們的倍數(shù)。移動臺發(fā)射的信號被所有的固定節(jié)點接收，包括基站和固定中繼。而固定中繼直接將接收到的移動臺信號轉(zhuǎn)發(fā)給基站。最后，移動臺的信號在基站合并為最終的移動臺接收信號。

1.2　小區(qū)間干擾

在這種增強型兩跳蜂窩網(wǎng)中，小區(qū)間干擾的計算會復雜一些，因為臨小區(qū)的固定中繼也會受到本小區(qū)移動臺的干擾。同時，因為多跳蜂窩網(wǎng)中的移動臺發(fā)射功率比傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)要小得多，對第三層及更外層的小區(qū)產(chǎn)生的干擾就更小，因此，為了簡化分析模型，文章只考慮最近的6個小區(qū)間干擾。那么小區(qū)間干擾可以通過下式得到：

（2）

在這種增強型兩跳蜂窩網(wǎng)絡中，移動臺距離某些固定節(jié)點將非常近，甚至可以進行可視傳輸，最后的信號功率在基站合并，這種情況下如果保持信噪比為傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)中的值，移動臺的平均發(fā)射功率將大大降低。而固定中繼和本小區(qū)基站之間通過波束成型技術(shù)進行連接，從而可以基本消除對外小區(qū)的干擾。這些都將大大降低這種蜂窩結(jié)構(gòu)下的小區(qū)間干擾，從而可能提高系統(tǒng)的上行容量。

1.3　發(fā)射功率及功率控制

在增強型兩跳蜂窩網(wǎng)絡中，功率控制的依據(jù)不再是傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)中基站處直接接收到的來自移動臺的信號功率，而必須是移動臺通過各個固定站點最終到達基站的移動臺信號功率的總和。因為固定中繼和基站在小區(qū)中比較分散，用戶在發(fā)射功率上的公平性得到了很大的提高。經(jīng)過這種功率控制，可以讓距離基站遠近不同的移動臺使用大致相同的發(fā)射功率。此外，因為多跳減小了傳輸距離，從而降低了信道的衰落復雜度，信道也更穩(wěn)定，在適當降低功率控制速度的同時，可以更準確地進行功率控制。

1.4　噪聲積累

因為在這種兩跳增強系統(tǒng)中使用的是非再生中繼，所以中繼在轉(zhuǎn)發(fā)用戶信號的同時，還會將接收到的噪聲一起發(fā)送到基站，從而基站處噪聲的積累將是一個不可忽視的問題。如果小區(qū)中有FN個固定中繼，最后在基站處積累的噪聲將是傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)中的FN+1倍。因為在CDMA系統(tǒng)中，信噪比一般比較低（如1 dB），所以這種噪聲積累產(chǎn)生的影響是不可忽略的。

為了降低噪聲積累的影響，必須對移動臺的發(fā)射功率進行一定的調(diào)整。因為多跳和多個固定中繼的原因，可以有效降低移動臺的發(fā)射功率。但為了增加系統(tǒng)性能，即上行系統(tǒng)容量，應該在系統(tǒng)大大降低移動臺發(fā)射功率的基礎(chǔ)上對發(fā)射功率進行一定的提高。這樣，噪聲積累的問題就得到了很好的解決。

2、模型建立

假定R1為固定中繼到本小區(qū)基站的距離，R為小區(qū)半徑。路徑損耗因子為4，N為小區(qū)內(nèi)總的用戶數(shù)，ɑ為移動臺激活率，Scell為小區(qū)覆蓋范圍，ρ為小區(qū)內(nèi)移動臺密度，F(xiàn)N為小區(qū)內(nèi)移動臺的數(shù)目。那么，小區(qū)間干擾將降為：

（3）

其中

最后可以得到小區(qū)間干擾為：

（4）

3、網(wǎng)絡框架性能分析

當固定中繼的數(shù)量為6，移動臺在基站處的接收信噪比保持傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)的大小時，可以得到小區(qū)間干擾的降低情況如圖2所示。

圖2　增強兩跳系統(tǒng)中小區(qū)間干擾的降低情況

從圖2可以看出，這種增強兩跳系統(tǒng)可以有效降低小區(qū)間干擾，并且隨著R1的增加，小區(qū)間干擾的降低也大大增加。從圖中可以看出，當R1=0.65R時，小區(qū)間干擾降低最多，為傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)的42%。當固定中繼接近小區(qū)邊緣時，小區(qū)間干擾又開始增加，這是因為相鄰小區(qū)的固定中繼的距離越來越近，從而增加了固定中繼對小區(qū)間干擾的轉(zhuǎn)發(fā)。因此，在這種增強兩跳系統(tǒng)中，固定中繼的位置不能距離小區(qū)邊緣太近。

圖3是保持移動臺在基站的接收信噪比不變的情況下，移動臺平均發(fā)射功率的降低情況。當R1=0.7R時，移動臺平均發(fā)射功率降低為傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)中的1.6%（18 dB）。

圖3　增強兩跳系統(tǒng)中移動臺平均發(fā)射功率降低情況

在移動臺平均發(fā)射功率保持不變的情況下，系統(tǒng)上行容量的提高如圖4所示。當R1=0.7R時，上行容量最大將有22.5%的提高。

圖4　增強兩跳系統(tǒng)中上行容量增強比例

在這個增強型兩跳蜂窩網(wǎng)絡系統(tǒng)中，不同的固定中繼拓撲將對系統(tǒng)性能有不同的提高，并且相當?shù)仂`活。當更多的固定中繼加入到網(wǎng)絡中時，系統(tǒng)性能將有更大的提高。

文章還分析了12個固定中繼加入到小區(qū)中的情況。把這12個固定中繼分為兩層，每層6個。當外層中繼距離基站為0.75R，并且信噪比保持傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)中的大小時，移動臺平均發(fā)射功率隨內(nèi)層中繼與基站之間距離的變化而變化的情況如圖5所示，總是在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)的1.5%以下。

圖5　不同網(wǎng)絡拓撲產(chǎn)生的移動臺平均發(fā)射功率情況比較

當提高移動臺的平均發(fā)射功率到傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)中的平均發(fā)射功率時，上行容量的增強如圖6所示。可以看出，即使在第二層固定中繼距離基站很近時，系統(tǒng)上行容量也可以有20%以上的提高，而當?shù)诙�層固定中繼非常接近小區(qū)邊緣時系統(tǒng)上行容量的提高也在8%。這更加說明了這種增強型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的靈活性，可以根據(jù)不同的容量需求進行小區(qū)拓撲的變化。這種靈活性在熱點小區(qū)和小區(qū)盲點將十分明顯。

圖6　不同網(wǎng)絡拓撲產(chǎn)生的上行容量比較

4、結(jié)語

文章提出一種新的CDMA系統(tǒng)下的兩跳蜂窩網(wǎng)絡框架，通過使用智能的非再生固定中繼，有效地降低了小區(qū)間的干擾。通過調(diào)整移動臺發(fā)射功率，在消除了噪聲積累造成的影響后，有效地增加了系統(tǒng)的上行容量。這種網(wǎng)絡框架在移動臺發(fā)射功率和固定中繼拓撲方面都有著較好的調(diào)整靈活性，可以根據(jù)實際的網(wǎng)絡需求進行有效調(diào)整，非常適合在無線移動網(wǎng)絡中使用。

參考文獻

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