（信号与信息处理专业论文）固定中继蜂窝网络中的频率规划性能分析.pdf

l 一 本人声明所 成果。尽我所知， 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：历j 丛 日期：塑l ! ：! ：! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在一年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：觅盐日期：垫止：i ：堡 导师签名：盘遣塑日期：丝! ! ：兰：竖 、， 固定中继蜂窝网络中的频率规划性能分析 摘要 本文以无线数字固定中继蜂窝系统为研究背景，研究蜂窝中继网 络中的关键问题，重点对中继部署结构和频率规划方案设计进行了全 面而深入的研究。 本文针对引入中继后的蜂窝系统，设计了一种新型的基于裂向中 继的蜂窝小区结构( c a s r ，c e l l u l a ra r c h i t e c t u r eb a s e do ns e c t o rr e l a y ) 。 该结构将固定中继置于六边形小区的顶点并采用裂向天线实现中继裂 向，使同一中继为三个小区所共用。这样的设计能够为小区边缘用户 提供更好的服务，同时为用户在小区间的切换带来了便利。 同传统的蜂窝结构相比，由于蜂窝中继网络引入了中继节点，它 需要分配额外的资源给中继节点，所以蜂窝中继网络中频率规划方案 的设计是十分重要的。基于c a s r 结构，本文提出了两种频率规划方 案：频率规划单元( f p u ，f r e q u e n c yp l a n n i n gu n i t ) 为1 的频率规划方案 ( f p u 1 ) 和频率规划单元为7 的频率规划方案( f p u 7 ) ，分别对用户 单跳和两跳两种通信情况进行干扰分析和性能评估，将c a s r 下的 f p u 1 方案和f p u 7 方案与传统方案进行系统级仿真比较。仿真结果 表明，本文提出的方案可以有效降低小区间干扰，提高小区吞吐量， 尤其可以有效提高小区边缘用户的性能。 此外，本文基于c a s r 结构，考虑基站采用裂向天线的情况，提 出了一种增强的c a s r 结构( e c a s r ，e n h a n c e dc e l l u l a ra r c h i t e c t u r e b a s e do ns e c t o rr e l a y ) ，并针对该结构提出一种新型的频率规划方案。 仿真结果证明，该方案依然优于传统的m f s r 方案，s i n r 性能与f p u 1 和f p u 7 方案差别不大，但由于提高了频谱利用率，因此小区吞吐量 高于f p u 1 和f p u 7 方案。 关键词：蜂窝中继网络，多跳，小区结构，频率规划，系统级仿真 y ， 、 o 一 北京邮电大 p e r f e r n i a n c ee v a l u a t i o n o f f r e q u e n c y p l a n n i n gi nc e l l u l a ra r c h i t e c t u r e b a s e do nf i x e dr e l a y a b s t r a c t t h i sp a p e rf o c u s e so nw i r e l e s sc e l l u l a rs y s t e mb a s e do nd i g i t a lf i x e d r e l a y , s t u d y st h ek e yi s s u e si nc e l l u l a rr e l a yn e t w o r k ，a n dg i v e sat h o r o u g h a n dc o m p r e h e n s i v es t u d yo nt h ed e s i g n m e n to fc e l l u l a ra r c h i t e c t u r ew i t h f i x e dr e l a y sa n df r e q u e n c yp l a n n i n gs c h e m e s b a s e do nc e l l u l a rs y s t e m sw i t hr e l a y , an o v e lc e l l u l a ra r c h i t e c t u r e ， t e r m e dc e l l u l a ra r c h i t e c t u r eb a s e do ns e c t o rr e l a y ( c a s r ) ，i sp r o p o s e d i n t h i sp a p e r i nc a s r ，f i x e dr e l a y s e q u i p p e dd i r e c t i o n a la n t e n n aa r e l o c a t e da tt h ev e r t e xo ft h eh e x a g o n a lc e l lf o rs e c t o r i z a t i o na n ds h a r e db y t h r e ea d j a c e n tc e l l s b yt h i sm e t h o d ，b e t t e rs e r v i c e sc a nb ep r o v i d e dt o c e l l e d g eu s e r s a n di n t e r c e l lh a n d o v e rp r o c e s sc a nb em o r ec o n v e n i e n t c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lc e l l a r c h i t e c t u r e ，f r e q u e n c yp l a n n i n g s c h e m ei nr e l a y b a s e dc e l la r c h i t e c t u r ei sm o r ei m p o r t a n t b e c a u s ee x t r a f r e q u e n c yr e s o u r c e sa r en e e d e dt oa l l o c a t et or e l a yn o d e s ，w h i c hi sn o t e x i s t e di nt r a d i t i o n a lc e l la r c h i t e c t u r e s b a s e do nc a s rt h ep a p e rh a s p r o p o s e dt w of r e q u e n c yp l a n n i n gs c h e m e s ：f p u - 1 s c h e m ea n df p u - 7 i n t e r f e r e n c e a n a l y s i s a n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na r e i n v e s t i g a t e df o r o n e - h o p a n d t w o h o p c o m m u n i c a t i o ns i t u a t i o n s t h e r e s u l t so f s y s t e m l e v e ls i m u l a t i o n sf o rf p u 1 f p u 7a n dt r a d i t i o n a ls c h e m ep r o v e t h a tt h et w os c h e m e sp r o p o s e di nt h i sp a p e r , c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l s c h e m e ，c a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ei n t e r c e l li n t e r f e r e n c ea n di n c r e a s e s y s t e mt h r o u g h p u t i np a r t i c u l a r , p r o p o s e ds c h e m e sc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo fc e l le d g eu s e r s i na d d i t i o n ，b a s e do nc a s rs t r u c t u r e ，t h i sa r t i c l eh a sc o n s i d e r e dt h e s i t u a t i o nt h a td i r e c t i o n a la n t e n n a sa r eu s e db yb a s es t a t i o n s ，a n dp r o p o s e d a ne n h a n c e dc a s rs t r u c t u r e ( e c a s r ) an o v e l f r e q u e n c yp l a n n i n g s c h e m eb a s e do ne c a s ri sa l s op r o p o s e d t h er e s u l t so fs y s t e m 1 e v e l i i i l l 影一 1 1 研究背景与研究意义。1 1 2 论文的研究内容和创新性一2 1 3 论文的结构安排3 第二章蜂窝中继网络5 2 1j ；i 言! ； 2 2 蜂窝中继网络中的网络节点5 2 3 蜂窝中继网络中继的功能和应用场景6 2 4 蜂窝中继网络的中继分类7 2 5 蜂窝中继网络中的关键技术。9 2 5 1 中继部署结构的设计9 2 5 2 频率规划方案1 2 2 5 3 引入中继后的切换问题1 4 2 5 4 系统帧结构的没计1 6 2 6 本章小结1 6 第三章c a s r 结构的频率规划性能分析1 7 3 1c a s r 结构设计1 7 3 2c a s r 结构的特点1 8 3 2 1 小区边缘用户性能的改善1 8 3 2 2 小区间切换的便利性1 9 3 3c a s r 结构中的频率规划方案2 0 3 3 1 频率复片j 单元为1 的f p u 1 方案2 0 3 3 2 频率复用单元为7 的f p u 1 方案2 1 3 4 干扰分析。2 2 3 4 1 信号与干扰噪声比( s l n r ) 2 2 3 4 2 频谱效率与中断概率2 5 3 4 3 小区吞吐量2 6 3 5 仿真设计2 6 3 5 1 仿真流程。2 6 3 5 2 传播模型2 8 3 5 3 中继选择算法3 0 3 5 4 自适应编码调制技术3 3 3 6 仿真参数与结果分析3 4 3 6 1 仿真参数3 4 i v 北京邮电火学硕：j ：学位论文 目录 3 6 2 仿真结果3 4 3 7 本章小结3 8 第四章e c a s r 结构的频率规划性能分析3 9 4 1e c a s r 结构设计3 9 4 2e c a s r 结构中频率规划方案设计4 0 4 3 干扰分析4 1 4 3 1 单跳用户的干扰分析4 2 4 3 2 两跳用户的干扰分析4 3 4 4 仿真验证4 5 4 4 1 仿真环境与仿真参数4 5 4 4 2 仿真结果4 5 4 5 本章小结4 8 第五章结束语4 9 5 1 论文j ：作总结4 9 5 2 下一步研究方向5 0 参考文献51 致谢5 7 攻读学位期间发表的学术论文5 8 v 参 一 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景与研究意义 随着移动通信系统的发展以及多媒体应用及业务的不断增多，人们对高速数 据业务的需求也在不停的增长【1 儿引。第二代移动通信系统在全球成功应用十年后， 第三代移动通信系统也已经逐渐在全球不断普及。截止到2 0 0 8 年6 月，全球共 部署了1 8 2 个w c d m a 网络，用户数达2 6 亿。当人们正在体验3 g 业务所带来 的更多样化的新业务的同时，b 3 g 移动通信技术的研究也在积极的进行中。 2 0 0 6 年i t u r 将b 3 g 正式命名为i m t - a d v a n c e d 技术。基于其对 i m t - a d v a n c e d 的定义，i m t - a d v a n c e d 技术将支持更高的数据速率和更大的系统 容量。对于处于静止或者低速移动的用户来说，在i m t - a d v a n c e d 的热点覆盖环 境内，应达到1 g b i t s 以上的峰值速率；对于在中高速移动的用户来说， i m t - a d v a n c e d 应提供最高1 0 0 m b i t s 的峰值速率。 然而，传统的蜂窝网络结构要实现i m t - a d v a n c e d 所要求的高速数据速率以 及系统容量目标，是非常困难的。传统的蜂窝网络结构将面临两个理论难题1 3 j ： 一方面，无线电信号的传输损耗会随着传输速率的提高而递减，而i m t - a d v a n c e d 的数据传输速率比传统的蜂窝网络下的数据传输速率高两倍以上，因此如此高速 的数据传输速率对于发射机设备的功率要求非常高，提高了发射机设备实现的难 度；另一方面，2 g h z 及更低的频带已经被3 g 移动通信系统以及其他无线通信 系统所占用，因此i m t - a d v a n c e d 将使用更高频段的频率。然而高频段的频谱资 源在信号传输时不仅路径损耗更快，而且非常不利于非视距环境的传输，无线信 号的衰减将十分严重。 因此如何在高频段的频谱资源上应用i m t - a d v a n c e d 技术，为所有用户尤其 是小区边缘的移动终端提供高速的数据传输速率，并满足系统的高吞吐量要求， 是现有i m t - a d v a n c e d 研究过程中必须解决的问题之一。 在传统的蜂窝网络架构中，通过小区分裂的方式增加基站的部署密度，减小 小区的覆盖面积，以实现吞吐量以及数据速率的提高。然而，这种方法的部署成 本将非常高，只有当通信用户的数目与基站同样数量级的增加的时候才是可行的 【4 1 1 5 】。但是，在许多国家尤其是发达的欧美国家，移动通信业务已高度普及，终 端用户增加的空间已经很小，因此小区分裂所能提供的作用已经达到极限，不再 北京邮i 乜大学硕l ：学位论文第一章绪论 适用于i m t - a d v a n c e d 系统下的要求。例如在北京、上海等城市，基站已经非常 紧密，小区分裂技术已经很难得到进一步使用，只能寻求其他更好的方案来解决 这个问题。 一些先进的无线传输传输技术例如干扰消除算法1 6 l 以及智能天线技术1 7 可 以缓解该问题。然而，仅仅利用这些技术达到i m t - a d v a n c e d 系统所要求的无处 不在的高速率业务以及大系统容量来说，是远远不够的，只能一定程度上缓解该 问题。另外，在阴影环境下，最智能的天线系统也无法解决该问题1 4 j 。 因此，为了满足i m t - a d v a n c e d 系统所要求的高数据传输速率、大系统容量 以及广覆盖的业务要求，不仅要采用先进的无线传输技术和智能天线技术等先 进技术，还需要对现有的蜂窝网络架构进行合理的改进，以提高其系统性能，进 一步提高移动通信系统的传输能力，适应i m t - a d v a n c e d 系统的要求。目前有许 多的蜂窝网络架构被提出，其中基于无线中继的“多跳”技术得到了人们的广泛 关注。将中继通信技术融合到传统的蜂窝网络中，并基于现有的蜂窝网络基础， 构建高效、低成本的蜂窝通信系统，被认为是目前最具发展的景的系统网络构建 方案1 8 1 1 9 】【l o l 。 基于中继的蜂窝网络设计的基本思想是将一跳通信链路拆分为多跳通信链 路，通过缩短通信节点之间的传输距离，改善信道质量的方式，实现通信链路质 量和信道容量提升的效果。因此，在基于中继的蜂窝网络中，用户的发射机可以 用相比单跳通信链路更小的发射功率在较好信道质量的通信链路中进行信号传 输，并能降低对其他通信链路的干扰，潜在的增加了系统的容量f 1 1 1 1 1 2 l i l 3 j 。另外， 基于中继的网络结构还能为处于通信盲点区域或深衰落区域的用户提供可靠的 通信服务，从而实现了小区覆盖范围的延展。 从目前的发展来看，从传统的单跳传输、点对点通信到目前的多跳传输以及 多点合作式通信，基于中继的通信网络技术更符合i m t - a d v a n c e d 的要求，也是 现在移动通信领域的研究热点之一【1 4 】1 1 5 】1 1 翻。在移动通信网络中使用中继技术， 必将被i m t - a d v a n c e d 系统所采纳1 1 7 】【1 8 】【1 9 1 【2 0 1 ，为未来移动通信系统的发展奠定网 络结构基础。 1 2 论文的研究内容和创新性 本文以未来移动通信系统i m t - a d v a n c e d 系统为研究背景，对引入中继技术 后的蜂窝网络小区结构设计和频率舰划等问题进行了全面、深入的研究。 本文的主要研究贡献如下： ( 1 ) 为了改善小区边缘用户的性能，并在降低系统架构成本的同时保证系 2 乡 ，。 北京邮电大学硕十学位论文 第一章绪论 统实用性，本文针对引入中继后的蜂窝小区，设计了一种新型的基于裂向中继的 蜂窝小区结构( c a s r ，c e l l u l a ra r c h i t e c t u r eb a s e do ns e c t o rr e l a y ) 。该结构将固 定中继置于六边形小区的顶点并采用裂向天线实现中继裂向，使同一中继为三个 小区所共用。裂向天线的使用可以起到降低小区间干扰( i c i ，i n t e r - c e l l i n t e r f e r e n c e ) 的作用；将中继放置于小区边缘，能够为小区边缘用户提供更好的 服务；同时，中继被三个小区共用增强了小区之间的联系，为用户在小区间的切 换带来了便利。 ( 2 ) 基于c a s r 结构，本文提出了两种频率规划方案：频率规划单元( f p u ， f r e q u e n c yp l a n n i n gu n i t ) 为1 的频率规划方案( f p u 1 ) 和频率规划单元为7 的 频率规划方案( f p u 7 ) ，分别对用户单跳和两跳两种通信情况进行干扰分析和 性能评估，对c a s r 下的f p u 1 方案和f p u 7 方案与传统方案进行了系统级仿 真比较，证明所提方案可以有效降低小区间干扰，提高小区吞吐量，尤其可以有 效提高小区边缘用户的性能。 ( 3 ) 考虑基站采用裂向天线的情况，提出了一种增强的c a s r 结构( e c a s r ， e n h a n c e dc e l l u l a ra r c h i t e c t u r eb a s e do ns e c t o rr e l a y ) ，并针对该结构提出一种新型 的频率规划方案，与c a s r 中的f p u 1 和f p u 7 方案进行了仿真对比，仿真结 果证明，该方案依然优于传统的m f s r 方案，s i n r 性能与f p u 1 和f p u 7 方案 差别不大，但由于提高了频谱利用率，小区吞吐量明显高于f p u 1 和f p u 7 方 案。 其中，( 1 ) ( 2 ) 所涉及的c a s r 结构与f p u 1 和f p u 7 频率规划方案及性 能分析整理成的相关论文已被i e e ev t c2 0 1 0s p r i n g 接收录用。 1 3 论文的结构安排 本论文的主要内容和章节安排如下： 第一章介绍论文的研究背景、内容和主要贡献，分析了未来移动通信系统的 特点，传统蜂窝系统的局限性以及中继蜂窝系统的优越性，表明中继蜂窝系统是 能满足下一代移动通信系统性能需求的新型移动通信系统构建方式。 第二章介绍蜂窝中继网络的系统构架、应用场景，并分析了蜂窝系统引入中 继后，需要研究的一些关键问题。 第三章提出了一种新的基于裂向中继的蜂窝中继小区结构( c a s r ) ，并基 于c a s r 提出两种频率规划方案：f p u 1 和f p u 7 方案，对c a s r 下的f p u 1 方案和f p u 7 方案进行干扰分析并与传统方案比较，最后通过系统级仿真验证 比较这两个方案的系统性能。 第四章提出了一种增强的c a s r 结构( e c a s r ，e n h a n c e dc e l l u l a r 3 第一章绪论 4 该结构提出一种新型的频率规划方 了仿真对比。 讨论了论文的不足之处以及未来进 l ， 北京邮电大学硕士学位论文第二章蜂窝中继网络 2 1 引言 第二章蜂窝中继网络 蜂窝中继网络是指蜂窝移动通信网络中应用多跳技术，它不仅支持移动终端 与基站的一跳通信，而且支持通过引入中继节点实现两跳或多跳通信。在多跳通 信过程中，中继节点可以起到信号的放大转发或者重新编解码转发的功能，而不 仅仅是转发的功能，更有利于信道质量的提升。这种多跳传输方式可以利用中继 节点缩短通信节点间的通信距离，并且有利于通信覆盖盲区以及巨大障碍物阻碍 区域的覆盖，能够一定程度上克服大尺度衰落带来的信号质量变差。因此，通过 中继可以提高信道质量，减小通信链路的路径损耗，并能降低发射机的发射功率， 进而抑制通信系统内及系统间的干扰，有利于提高蜂窝系统的服务质量和性能， 增加通信系统的容量，从而满足i m t - a d v a n c e d 系统对高数据速率、大系统容量 以及广系统覆盖的要求。 本章首先对蜂窝中继网络做系统的介绍。2 2 节简要介绍了中继网络中的网 络节点；2 3 节介绍了中继蜂窝网络中中继的典型使用场景及部署方式：2 4 节从 不同的角度介绍了中继的分类，说明了不同类型的中继的特点及应用；2 5 节对 中继网络中的一些关键技术做了概述性说明；2 6 节为本章的小结。 2 2 蜂窝中继网络中的网络节点 在蜂窝中继网络中，移动终端与基站之间不再是纯粹的直接通信，通过引入 多个中继节点，蜂窝中继网络中的通信模式发生了改变，移动终端不仅可以和基 站建立直接通信链路，也可以通过一个或多个中继节点通过多跳的方式与基站建 立通信链路。图2 1 给出了蜂窝中继网络的基本结构。蜂窝中继网络中主要的网 络实体包括基站( b s ，b a s es t a t i o n ) 、中继( r s ，r e l a ys t a t i o n ) 和移动终端( m s ， m o b i l es t a t i o n ) 。如图2 - 1 所示，移动终端m s l 与基站间具有较好的通信质量， 可以直接与基站建立一跳通信链路，而对于移动终端m s 2 来说，由于距离基站 较远，m s 2 与基站之间的通信链路质量较差，因而可以通过相应的中继节点与 基站建立两跳的通信链路。 5 同应用场景及功能。如图2 2 所示，在热点区域中部署中继节点，可以增加热点 区域的容量；在阴影衰落较严重的区域以及小区边缘部署中继节点，可以实现提 高用户通信质量，提高小区覆盖面积的作用。另外，移动中继还可以用于解决临 时性覆盖和应急通信的问题【2 2 1 。本文主要从提高小区边缘用户性能的角度出发， 研究中继用于改善系统覆盖的情形。 6 北京邮电大学硕十学位论文 第二二章蜂窝中继网络 图2 - 2 中继的部署场景 2 4 蜂窝中继网络的中继分类 中继的主要作用在于扩大小区的覆盖面积或是在覆盖范围不变的情况下提 高小区的容量，同时利用中继造价低的特点降低网络建设成本。根据中继不同的 特点可以将蜂窝中继网络中的中继按以下方式进行分类，如图2 3 所示。 图2 - 3 蜂窝中继网络中继的分类 7 翥 -煳剿飘 嬲l徽 豳豳豳豳 煳曩胤聪蝴爱嘲僦 黧 断-激 雾 黼氍慰 北京邮电大学硕1 ：学位论文第_ 二章蜂窝中继网络 ( 1 ) 按中继的移动性分类 按照中继节点的移动特性可以把中继节点分为移动中继节点( m r n ，m o b i l e r e l a yn o d e ) 1 2 1 】1 2 4 】陋】和固定中继节点( f r n ，f i x e dr e l a yn o d e ) 2 6 l 【2 7 l 。 移动中继节点是指蜂窝网络中的无线终端可以为其他无线终端作为彼此的 中继节点，相互协助完成与基站的通信。目前移动中继节点的研究中还存在一些 问题【2 8 】：一方面无线终端为了实现中继的功能，需要增加额外的硬件和功能， 提高了移动终端的成本【2 1 l ；另一方面，在人口密度较小的区域或时间，终端很 难找到协助其通信的移动中继节点，移动中继网络的功能将无法发挥1 2 l j 。 固定中继便是指专门的固定的实现中继功能的节点。固定中继相对移动中继 来说具有较强的数据处理能力，可以同时服务多个移动终端，能够保证整个中继 网络的性能。 ( 2 ) 按基站是否接收来自移动终端的信号分类 如果基站即接收来自移动终端的信号，又接收来自中继的信号，并通过合并 的方式实现分集的效果，并获得一定的性能增益，那么该网络结构下的中继节点 被称为协作中继。如果基站只处理来自中继的信号，或者只处理移动终端的信号， 那么该网络结构下的中继节点被称为无分集中继。 对于协作中继来说，路由算法的复杂度、资源调度算法及信令负荷等都会随 着中继网络链路数目的增加而急剧上升1 2 引。 ( 3 ) 按中继空中接口分类 按照中继与基站以及移动终端所用的空中接口进行分类，可以将中继分为异 质中继和同质中继l 删【3 u 。 异质中继与基站通信以及与移动终端的通信链路使用不同的无线接入技术， 而同质中继与基站通信以及与移动终端的通信链路使用相同的无线接入技术。相 比而言，同质中继节点的结构和复杂度比较简单，也受到业界较多的关注。 ( 4 ) 按中继节点对接收信号的处理方法分类 按照中继转发处理信号方式的不同可以将中继节点分为模拟中继1 3 2 】f 3 3 1 1 3 4 l 和 数字中继【3 5 】1 3 6 】【3 7 】。其中继传输方案也可以大致分为放大转发方式f 3 8 l ，即中继放 大接收到的信号并转发至移动终端或基站，和解码转发方式f 3 9 l i 删，即中继对首 先解码接收到的信号，然后重新编码再转发。 ( 5 ) 按中继的控制方式分类 按照中继控制方式的不同，可以分为集中式控制中继【4 1 l f 4 2 】1 4 3 l 和分布式控制 中继1 4 4 1 1 4 5 】【4 6 】。对于集中式控制中继来说，没有自己独立的广播控制信道和接入 信道，移动终端看不到中继的存在1 4 7 j 。对于分布式控制中继来说，它有自己独 立的广播控制信道和接入信道，在移动终端看来中继站就像一个普通的基站1 4 7 j 。 8 北京邮电大学硕j 二学位论文第二章蜂窝中继网络 ( 6 ) 按中继节点的能力分类 根据中继执行功能的不同可以将中继分为三种：层一中继，层二中继和层三 中继i 铝1 。层一中继只有放大信号和转发的作用。层二中继中包含了m a c 层的功 能，也可以包含r l c 层功能。层三中继相比层二中继包含了更多的功能，具有 部分或者全部的r r c 功能，更加接近于基站的功能。 ( 7 ) 按信令信息的传递方式划分 中继根据信令信息和数据信息的传递方式可以分为透明中继和非透明中继 两类。透明中继是指中继对于移动终端是不可见的，而非透明的中继对于移动终 端是可见的，两者的本质差别在于信令信息的传递方式。 2 5 蜂窝中继网络中的关键技术 作为一种新型的无线网络技术，蜂窝中继技术目前还处于理论研究阶段，具 体的物理层应用和高层协议还j 下在研究讨论中1 4 9 l 。其关键技术和问题主要包括 以下几个部分：中继部署结构的设计，频率规划方案，切换问题，系统帧结构的 设计等等。 2 5 1中继部署结构的设计 蜂窝中继网络把传统网络中的单跳链路分割成多跳链路，同时引入了新的网 络节点中继站来承担基站与用户终端的数据或者信令的转发操作，这些都给蜂窝 中继网络赋予了新的特点，也给蜂窝中继网络的研究带来了挑战。由于传统的六 边形蜂窝小区中引入了中继，蜂窝中继部署小区结构的设计，即一个小区中如何 放置中继，放置几个固定中继较为合理，是需要考虑的一个关键问题。 当前的许多研究是基于一种传统的蜂窝中继小区结构( t ，t r a d i t i o n a l c e l l u l a r a r c h i t e c t u r ew i t hf i x e dr e l a y s ) i 捌，其网络节点配置如图2 4 所示，基站 位于六角形小区的中心，每个小区内部增加了六个新的网络节点中继站，每个中 继站都位于小区中心至顶点的连线上，且与基站的距离均为2 届小区半径。这种 中继站的配置方式使得基站和中继站均匀分布在六角形小区内。 9 图2 - 5 文献【5 1 1 中所提蜂窝中继结构 1 0 北京邮电大学硕一i ：学位论文 第二章蜂窝中继网络 w o o n s i kl e e 5 1 】提出了一种每个小区有9 个固定中继的蜂窝结构，如图2 5 所示，并引入扇区化技术来减小小区间干扰，但是该结构中每个小区的中继数目 过多，会在较大程度上增加小区的建设成本。 j i a nl i 5 2 1 提出一种基于中继的非六边形小区结构，并研究了该结构下的频率 分配方案。如图2 6 所示。 图2 - 6 文献【5 2 】中所提蜂窝中继结构 x i n g z a il v l 5 3 】针对三角形小区研究了中继小区结构设计与频率分配方案，如 图2 7 所示。 b 图2 - 7 文献【5 3 】中所提蜂窝中继结构 北京邮l 乜人学硕 ：学位论文 第一二章蜂窝中继网络 然而，文献f 5 2 1 【5 3 j 所设计的小区结构在目前蜂窝小区结构的基础上进行改造 的可行性不大。可见，这些独特的小区结构实用性不强，难以适用于未来通信系 统。 为了保证小区结构的实用性，并考虑到未来移动通信系统中小区边缘用户性 能较差的情况，本文提出了c a s r 与e c a s r 结构，均可以容易在当前蜂窝小区 结构基础上进行改造，并可以明显改善小区边缘用户的性能和服务质量。 2 5 2频率规划方案 频率舰划方案的设计是无线蜂窝通信网络中一个十分重要的问题，合理的频 谱规划，可以有效提高系统的容量| 5 4 1 1 5 5 1 ，并尽量减小小区间的干扰。 在蜂窝中继网路中，引入中继后，有一部分用户原有的单跳链路变成了两跳。 即对于单跳用户，传输链路仍然为基站终端链路，而对于两跳用户，需要中继 先从基站处接收信息，再转发给用户，传输链路为：基站中继链路和中继用户 链路。因此同传统的蜂窝结构相比，由于蜂窝中继网络引入了中继，基站中继 链路的出现需要应用额外的频谱资源。因此，在蜂窝中继网络中，怎样在基站 终端链路、基站中继链路及中继终端链路之问分配和复用频谱资源，即，如何 进行蜂窝中继网络中的频率规划，是一项具有挑战性的工作。如果通过引入一些 先进的技术，比如动态信道分配策略【5 6 】【5 7 l 、扩频技术【5 8 】及智能天线技术【5 9 】，对 频率规划的要求将大大降低。但是，使用这些先进的技术将带来一些新的问题， 比如：成本增加，需要相邻小区间严格的时间同步以及对手机终端的要求更高等 l 叫。和这些技术相比，频率规划是一种更加经济实用的手段。 另一方面，j 下交频分多址( o f d m a , o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 技术是未来宽带无线通信网络中很有前景的物理层技术之一。基于 o f d m a 蜂窝中继网络是下一代无线移动通信系统中十分具有竞争力的解决方 案之一。但是，o f d m a 并没有码分多址( c d m a ，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 那样与生俱来的抵抗干扰的本领。在o f d m a 系统中，j 下交子载波的使用保证 了小区内用户间的正交性，小区内不存在干扰。小区间干扰( i c i ，i n t e r - c e l l i n t e r f e r e n c e ) 成为了系统主要的干扰源，尤其在小区边缘，i c i 尤其严重，小区 边缘用户的服务质量受到了严重影响。为了解决这一问题，已有许多文献进行了 相关研究，热点之一便是通过合理的频率规划方案进行干扰协调1 6 1 j 1 6 2 j i6 3 1 。因此， 通过合理的频率规划方案来减小i c i ，改善小区边缘用户的性能，是十分重要的。 在现有的研究中，有如下几种可以采用的频率规划方案： ( 1 ) 为中继额外的预留资源。这是最容易想到的方案，也是一种相对简单 的办法。但是同时，这也是一种十分保守的方法。我们都知道无线资源是十分宝 1 2 北京邮电大学硕上学位论文 第二章蜂窝中继网络 贵的，在这样的方案中，本来有限的无线资源将被独立出来一部分，单独为中继 预留，在繁忙的系统中，这种方案并不理想。 ( 2 ) 转向其他资源。非注册的频段是一个有吸引力的选择【删。在这种策略 中，基站可以使用注册频段与中继或终端通信，而中继节点则使用非注册的频段 同基站或者终端进行通信。但是这种策略会使架构复杂化，同时由于中继节点和 移动终端需要在两个空中接口上操作，也会使中继节点和移动终端的功能复杂 化。另外，非注册频段的质量是无法保证的。 ( 3 ) 应用系统中已经使用的资源。即，通过复用过复用或者借用系统中已 使用频段的方式为中继取得可用的信道。在这样的策略中，不会消耗任何额外的 无线电资源，并且也不需要对用户终端进行任何改变。因此，这是最值得考虑的 一种方案，也是当今业界中研究最多的方案。需要注意的是，由于中继采用复用 已使用频段的方式取得可用信道，因此，在这种方案中，合理的频率规划是尤为 重要的。 下面将介绍一些已有的对蜂窝中继网络中频率规划方案的研究。 h u i n i n gh u l 6 5 j 针对t c a f r 结构，提出了一种典型的基于信道借用的频率规 划方案。该方案中四个小区组成一个簇，每小区有六个中继，分别置于基站与小 区顶点连线的2 3 处，每个中继借用其他小区基站所使用的资源，从而避免小了 区间干扰。如图2 8 所示，其频谱分配原则如下：第一，为了避免小区内的同频 干扰，中继节点不能复用同一个小区中的任何频段，即图中小区a 的中继信道 所用的频段都必须复用小区b ，c ，d 所用的频段。第二，因为离中继节点最远的 基站与中继站的同频干扰最小，所以中继站应该复用离它最远的基站的频段，图 2 - 8 中小区a 中使用b ( 1 ) ，b ( 2 ) 号频段的中继站复用小区b 的频段，因为相对于 小区c ，d 小区b 的基站离这两个中继节点是最远的。第三，为了避免一个小区 的六个中继从相同的一个小区复用相同的频段，某个小区的所有频段被分割成相 等的六组，每个中继只复用某个小区的某一组频段。图2 8 中，每个小区的频谱 资源被分为六组频段分配给基站，各个中继再按照上述的方法复用其他小区基站 使用的频段，就形成了基于信道借用的频率规划方案。 1 3 北京邮1 1 1 人学硕：学位论文第- 二章蜂窝中继网络 图2 8 基于信道借用的频率规划方案 p i n gl i l 6 6 】【6 7 l 基于文献【6 5 】的t c a f r 提出一种基于复用分割的频率规划方 案，将频谱资源分为三个子集，分别用于不同的链路，根据不同的链路质量为其 设定不同的复用距离。文献 6 5 6 7 1 q b 的方案均很好的避免了小区间干扰，但其共 同的不足是频率复用不够紧凑，无法满足未来移动通信系统的频率复用因子为1 的要求。 l e ig u a n l 6 8 j 同样基于t c a f r 结构，针对【6 5 6 7 q b 频谱效率较低的问题，提 出了两种基于软频率复用的频率规划方案。改进的软频率复用方案( m s f r ， m o d i f i e ds o f tf r e q u e n c yr e u s e ) 中，系统总频率资源分成两部分，用于小区内外 分别供基站和中继使用，内圈基站服务区域频率频率复用因子为1 ；在外圈中继 覆盖区域，频率资源进一步分成六个子集，分别供六个中继节点使用，并且相邻 小区对应位置的中继节点可以使用相同的频率资源，即外圈的频率复用因子同样 达到了1 。从该文中作者的仿真分析可以看出，该方案有效提高了频谱效率，但 是并没有很好的解决系统中小区边缘处干扰比较严重的问题。 本文针对c a s r 和e c a s r 结构设计了新的频率规划方案，可以在提高频谱 效率的同时有效降低小区间干扰，改善小区边缘用户的性能。 2 5 3引入中继后的切换问题 切换是移动通信系统的无线资源管理中重要的功能，它是移动通信区别于其 他无线通信的重要特征，直接影响移动通信系统的移动性支持能力。切换不仅要 保证用户在穿越小区的过程中能够保证业务的连续性，而且要满足快速准确的要 求。这是切换的核心功能，保证了用户的良好体验。好的切换性能能够降低整个 1 4 北京邮电大学硕士学位论文 第二章蜂窝中继网络 系统的干扰，较低的掉话率以及较高的系统容量。 在传统的蜂窝网络中增加中继节点之后，不仅使得系统网络结构发生变化， 也会导致切换特性的改变。网络中引入中继节点之后，网络中的切换问题变得更 加复杂。在传统的蜂窝网络中，移动终端发生切换时，将由一个基站切换到另一 个基站，基站是唯一的切换目标。而在中继蜂窝网络中，其切换目标既有可能是 基站也有可能是中继。有可能发生基站与基站问切换，基站与中继间切换，中继 与基站间切换以及中继与中继间切换。可见，中继蜂窝网络中切换的场景变的更 加复杂，也变的更加频繁，于是传统蜂窝通信系统中的切换方案已经不