（信号与信息处理专业论文）中继增强型ofdma蜂窝系统中资源管理技术的研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所挈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存沦文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。： 研究生签名：喾脾导师签名： 摘要 摘要 i m t - a d v a n c e d 系统：1 二作征高频段、高速率的环境之下，它对覆盖能力、频谱效率等多项指标提 出了更高的要求。为了达到其要求，需要对现有蜂窝系统的网络架构和传输技术进行一些变革，而 中继技术已被认为能够在不改变摹本网络架构的前提下有效地提7 t 无线蜂窝通信系统的整体性能， 该技术也使得o f d m a 蜂窝系统中资源管理的研究h 现新的进展，如何在中继增强型蜂窝系统的架 构下对系统的资源进行更有效地整合是本论文主要的研究内容。论文的工作包括以下几个方面： 1 分析并研究了l t e a 和i e e e8 0 2 1 6 m 对t f | 继增强型o f d m a 蜂窝系统帧结构设计的一些 问题和办案。 2 研究了中继增强型o f d m a 蜂窝系统中的路南选择，并针对系统中出现的最优路南阻塞 ( o r b ) i 、u j 题，提出了两种摹路由选择算法，并且在此基础之上分析与讨论了基站与中继站协作通 信所带来的协作分集问题。 3 研究了中继增强型o f d m a 蜂窝系统中的静态频率复用，包括单小区内的频率复用和小区 簇内的频率复用，并提出了一种小【x i 簇内的静态频率复用方案以及对所有的频率复用方案做了详细 的干扰分析。 4 研究了中继增强型o f d m a 蜂窝系统中的多用户调度算法和q o s 建模方法，主要是经典的 无线调度算法在l | l 继增强型o f d m a 蜂窝系统一 - 的应用，以及针对用户速牢需求的一维q o s 模型提 出了两种q o s 保证下的多用户调度算法。 5 研究了中继增强型o f d m a 蜂窝系统中的两种调度方式，集中式调度与分布式调度；分析 了两种调度方式下基站调度器的时问复杂度，提出了一种结合路由选择和用户需求的动态资源预分 配算法，以适应于中继蜂窝系统中的分布式调度。 关键词：| | l 继增强型蜂窝系统、o f d m a 、帧结构设计、路由选择、频率复用、多用户调度 a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h en e e d so fi m t - a d v a n c e ds y s t e mw h i c hw o r k si nh i g h e rf r e q u e n c ya n dh i g h e rd a t a r a t ee n v i r o n m e n t ，s o m ec h a n g em u s tb ed e a l tw i t hi nt h et r a d i t i o n a lc e l l u l a rs y s t e m r e l a yt e c h n i q u e s ， w h i c hm a k et h er e s e a r c ho fr e s o u r c em a n a g e m e n ti no f d m ac e l l u l a rs y s t e mh a v ean e wp r o g r e s s ，h a v e b e e ni d e n t i f i e d 雒e f f e c t i v e l yi n c r e a s i n gt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo fw i r e l e s sc e l l u l a rs y s t e mw i t h o u t c h a n g i n gt h eb a s i cn e t w o r ka r c h i t e c t u r e h o wt oe f f e c t i v e l yi n t e g r a t et h es y s t e m sr e s o u r c e si st h em a i n c o n t e n t so ft h i sp a p e rt h em a i nt h e s i sw o r ki n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1s o m ek e yp r o b l e m so f f r a m es t r u c t u r e sd e s i g ni nr e l a ye n h a n c e do f d m ac e l l u l a rs y s t e ma r e a n a l y z e ds p e c i f i c a l l yf o rl t e - aa n di e e e8 0 2 16 m 2s t u d i e dr o u t i n gs c h e m e si nr e l a ye n h a n c e do f d m ac e l l u a rs y s t e m m e a n w h i l e ，d i v e r s i t ya n d o r ba r ea l s oc o n s i d e r e d 3s t u d i e df r e q u e n c yr e u s es c h e m e so fs i n g l e - c e l la n dm u l t i - c e l l a n a l y s e dt h ei n t e r f e r e n c eo f d i f f e r e n tf r e q u e n c yr e u s es c h e m e sa n do n ef r e q u e n c yr e u s es c h e m eo fm u l t i - c e l li sp r o p o s e df o ri n c r e a s i n g t h et h r o u g h p u to f c e l le d g e 4m u l t i u s e rs c h e d u l i n gs c h e m e si nr e l a ye n h a n c e do f d m ac e l l u a rs y s t e mh a v eb e e ns t u d i e d b a s e do nt h et r a d i t i o n a ls c h e d u l i n gs c h e m e s ，t w om u l t i - u s e rs c h e d u l i n gs c h e m e sa r ep r o p o s e df o r g u a r a n t e e i n gt h eq u a l i t yo f s e r v i c e 5c e n t r a l i z e ds c h e d u l i n ga n dd i s t r i b u t e ds c h e d u l i n gi nr e l a ye n h a n c e do f d m ac e l l u l a rs y s t e m h a v eb e e ns t u d i e d a n a l y z e dt h et i m ec o m p l e x i t yo fb a s e s t a t i o ns c h e d u l e ra n do n ed y n a m i cr e s o u r c e p r e - a l l o c a t i o ns c h e m ew i t hc o n s i d e r i n gr o u t i n ga n dr e q u e s to f u s e ri sp r o p o s e df o rd i s t r i b u t e ds c h e d u l i n g k e y w o r d s ：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 ea c c e s s ( o f d m a ) ，r e l a y - e n h a n c e dc e l l u l a rs y s t e m ， f r a m es t r u c t u r ed e s i g n ，r o u t i n g ，f r e q u e n c yr e u s e ，m u l t i u s e rs c h e d u l i n g i l i 日录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 口录、， 第1 章绪论1 1 13 g p p l t e 与8 0 2 1 6 w i m a x 概述1 1 1 13 g p p l t e 系统需求l 1 1 2 移动w i m a x 技术及其演进2 1 1 3i m t - a d v a n c e d 3 1 2o f d m 系统概述3 1 2 1o f d m 的发展历程3 1 2 2o f d m 的优缺点4 1 2 3o f d m 的应用现状5 1 2 4o f d m a 5 1 3 中继技术概述5 1 3 1 中继的提出背景5 1 3 2 中继的优缺点6 1 3 3 中继的分类和应用现状7 1 4 中继增强型o f d m a 蜂窝系统中的资源管理一7 1 5 本文的工作8 第2 章巾继增强型o f d m a 蜂窝系统中资源管理的基本问题9 2 1 中继帧结构。9 2 i 1 传统蜂窝系统的帧结构9 2 1 2 中继增强型蜂窝系统的帧结构1 0 2 2 路由选择1 2 2 2 1 多跳系统中的路由选择问题1 2 2 2 2 两跳蜂窝系统中的路由选择问题1 3 2 3 资源分配与调度1 3 2 3 1 频率复用1 3 2 3 2 动态资源分配与调度1 4 2 4d 、结l5 第3 章固定巾继增强型蜂窝系统中的路由选择1 7 3 1 固定中继增强型蜂窝系统模型1 7 3 2 巾继增强型蜂窝系统中的无线传播环境l8 3 3 自适应调制与编码2 0 v h 录 3 4 路由选择策略2l 3 4 1 基于距离的路由选择策略2 l 3 4 2 基于路径损耗的路m 选择策略2 1 3 4 3 基十接收s i n r 的路由选择策略2 2 3 4 4 仿真参数2 2 3 4 5 仿真结果与分析2 3 3 5 中继负载平衡下的重路由2 7 3 5 1 随机重路由选择策略2 8 3 5 2 保证边缘小区用户最优路由的重路由选择策略2 8 3 5 3 基站与l i 继之间的协作2 9 3 5 4 仿真结果与分析3 0 3 6 以、结3 4 第4 章固定中继增强型蜂窝系统中的频率复用3 5 4 1 单小区内的频率复用3 5 4 1 1 小区内干扰避免的频率复用策略3 6 4 1 2 对角中继复用卡 i 同频率资源的频率复用策略3 6 4 1 3 非相邻中继复用相同频率资源的频率复用策略3 7 4 1 4 全复用策略。3 7 4 2 小区簇内的频率复用策略3 8 4 2 1 接入链路借用相邻小区频谱的频率复用策略。3 8 4 2 2 软频率策略3 8 4 2 3 第一种改进s f r 策略。3 9 4 2 4 第二种改进s f r 策略4 0 4 3 干扰匀析4 0 4 3 1 小区内干扰避免策略的t 扰分析4 l 4 3 2 对角中继复用相同资源策略的t 扰分析4 1 4 3 3 非相邻中继复用1 = i j 同资源策略的干扰分析4 2 4 3 4 全复用策略的干扰分析4 2 4 3 5 接入链路借用相邻小区频谱策略的干扰分析4 3 4 3 6s f r 策略的干扰分析“ 4 3 7m 1s f r 策略的十扰分析二4 4 4 3 8m 2 s f r 策略的干扰分析4 4 4 4 仿真与性能分析4 4 4 5 小结5 0 第5 章中继增强型o f d m a 蜂窝系统中的多用户调度。5 l 5 1 无线系统中调度的原则及主要问题5 l 5 2 蜂窝系统中的三种经典调度算法。5 2 h 录 5 2 1 轮询调度算法5 3 5 2 2 最大载t 比调度算法5 3 5 2 3 比例公平凋度算法5 4 5 2 4 仿真结果与分析5 5 5 3 满足q o s 需求下的用户调度5 6 5 3 1q o s 模型5 6 5 3 2 用户轮询最人载十比调度算法5 7 5 3 3 基于- 了载波平均速率的用户轮询最人载干比调度算法5 8 5 3 4q o s 保证下的最人载干比调度算法5 9 5 3 5 仿真结果与分析6 l 5 4 集中式与分布式调度6 5 5 4 1 两种调度方式的调度模型6 5 5 4 2 两种调度方式的时间复杂度分析6 6 5 4 3 一种基于s f r 策略且结合路由和用户需求的分布式调度6 7 5 4 4 仿真结果与分析6 8 5 5 小结7 0 第6 章结束语。7 3 6 1 本文r = 作总结7 3 6 2 未来工作展望7 3 6 3 结语7 q i 致谢7 5 参考文献7 7 i 第1 章绪论 第1 章绪论 移动通信是当代通信领域内发展潜力最大、巾场前景最广阔的热点技术之一。到目前为止，移 动通信的发展绛历了j 代，第一代移动通信( i g ) 为模拟通信，给人们开辟了移动通信的崭新天地： 第_ 代移动通信( 2 g ) 为数宁通信，让普通人亨受到了移动通信的办便和益处；第i 代移动通信( 3 g ) 为准宽带移动通信，能够提供基本的数据和多媒体业务。而在3 g 大舰模的商用以后，多媒体服务 与应用得剑了广泛的推广，但3 g 在速率、服务质量、无缝传输等方面的局限性也日益暴露出来， 势必需要带宽更宽的无线系统。未来移动通信必定足容量更大、速率更高、功能更强的宽带移动通 信系统1 。 移动通信未来竞争的焦点是数据业务，从长远规划的角度来看，现有的3 g 和3 5 g 技术不能成 为最终的解决方案。而固网下一步的发展方向是提供与移动融合的通信服务，面对宽带无线接入技 术的竞争，3 g 也必须加快后续技术的研究，i m t - a d v a n c e d ( 4 g ) 也因此应运而生。如今，国际上 对于4 g 的定义已经逐渐清晰起来。基本可以确定，o f d m o f d m a 、m i m o 、中继和智能天线等技 术将成为4 g 的主流技术。不同技术发展起来的准4 g 标准也有很多，在2 0 0 9 年l o 月国际电信联盟 召开的i t u r w p 5 d 工作组第6 次会议中，l t e a d v a n c e d 和8 0 2 1 6 m 被确定为4 g 国际标准候选技 术，并| 一时决定在2 0 1 0 年最终确定4 g 国际标准。 无论是l t e a d v a n c e d 还是8 0 2 1 6 m ，均将正交频分复用多址接入( o f d m a ) 作为下行多址接 入方案，同时也将巾继作为其关键技术之一，因此对中继增强型o f d m a 蜂窝系统中资源管理的一 些问题的分析与探讨，将是本论文研究的主要目的。 1 13 g p p l t e 与8 0 2 1 6 w i m a x 概述 1 1 13 g p p l t e 系统需求 为了应对宽带接入技术的挑战，i 一时为了满足新型业务需求，第三代合作伙伴计划( 3 g p p ) 在 w c d m a 大规模商用之后启动了其长期演进( l t e ) 技术的标准化工作。并h 希望达剑以f 几个主 要目标1 2 1 ：保持3 g p p 在移动通信领域的技术及标准优势、填补3 g 和4 g 系统之间存在的巨大技术 差距、希望使用已分配给3 g 系统的频谱，保持无线频潜资源的优势、解决3 g 移动通信系统存在的 专利过分集中的问题。 3 g p pl t e 是一个高数据率、低时延和基于全分组的移动通信系统p j ，在频谱配置方面，提供支 持最小1 2 5 m h z 到最大2 0 m h z 的可变带宽设置；为了提高边缘小区的传输速率，采用频率复用和 小区问的下扰抑制技术改善用户在小区边缘的体验；通过m i m o 和自适应调制与编码以及动态资源 调度实现下行峰值速率1 0 0 m b p s ，上行峰值速率5 0 m b p s ；与此同时，为了降低传输延时，取消了 3 g 网络中的r n c 节点，增强了荩站的功能，使得网络扁平化，用户平面内部单向传输时延低于5 m s ， 控制平面从睡眠状态到激活状态的迂移时间低于5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于 l o o m s ；支持多种不同q o s 业务，取消了3 g 网络中的电路交换( c i r c u i ts w i t c h i n g ) ，采用基于全分 组的包交换( p a c k e ts w i t c h i n g ) ，从而提高系统的频谱利用率，传统的语音业务由i p 语音( v o l p ) 业务支持。在移动性方面，为1 5 k m h 低速移动提供优化，在1 2 0 k m h 高速移动卜实现高性能，在 东南人学硕上学位论文 3 5 0 k m h 速度下能够保持网络的连接。在覆盖范围方面，吞吐量、频谱效率和移动性指标在半径5 k m 以下的小区中应当全面满足，在半径3 0 k m 的小区中性能可有小幅度下降，同时不应排除半径达到 1 0 0 k m 的小区。 3 g p pl t e 的体系结构由两个部分组成：演进型u m t s 陆地无线接入网( e v o l v e du t r a n ) 和 演进型分组核心网( e v o l v e dp a c k e tc o r en e t w o r k ) 。其中演进型分组核心网由多个文体组成，如： 移动性管理实体( m m e ) 、服务网天( s e r v i n gg a t e w a y ) 、演进型分组数据网关( e p d g ) 等。而在 e v o l v e du t r a n 中，基站作为其唯构成实体，它支持所有的层l ，层2 的功能，如：调制与解调、 信道编码、无线承载控制、无线资源调度、混合a r q 等等。表1 1 列出了l t e 物理层一些参数的 情况。 表1 1l t e 物理层参数 技术指标参数 基本传输和多址方式下行e l ：d m a ，上行s c f d m a 双工方式f d d 、t d d 、半双工f d d 帧结构帧长1 0 m s ，分为l o 个子帧 子载波间隔 1 5 k h z c p 长度常规c p4 6 8 7 5 a s 扩展c p1 6 6 7 , u s a m c q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 传输带宽 1 2 5 m h z 、2 5 m h z 、5 m h z 、1 0 m h z 、2 0 m h z 信道编码t u r b o 码、卷积码 多天线技术发射分集、预编码、天线选择 1 1 2 移动w i m a x 技术及其演进 w i m a x 技术又被称为8 0 2 1 6 ，是一项宽带无线接入技术。随着通信技术的发展，宽带q k 务将逐 步由固定接入向移动化发腱，冈此i e e e 制定了8 0 2 1 6 e 移动宽带无线接入标准。该标准后向兼容 i e e e8 0 2 1 6 d ，物理层实现方式与i e e e8 0 2 1 6 d 是基本一致的，主要差别是对o f d m a 进行，扩展， 以适应不同载波带宽的需要。为了支持移动性，8 0 2 1 6 e 在m a c 层引入了很多新的特性。按照i e e e 8 0 2 1 6 e 设定的目标，该系统具有以下基本特征1 4 1 ： ( 1 )高速移动8 0 2 1 6 e 可以同时支持固定和移动无线接入，其移动速率目标为车速移动 ( 通常认为可以达到1 2 0 k m h ) 。 ( 2 )宽带接入系统存不同的载波带宽和调制方式下可以获得不同的接入速率。 ( 3 ) 城域覆盖范围8 0 2 1 6 e 的单基站覆盖范围在几k m 量级，应用于城域范围。 ( 4 )主要提供数据业务8 0 2 1 6 e 系统将接入基丁二i p 协i 义的核心网，主要面向个人用户提 供数据接入业务，也可以提供话音业务。 w i m a x 的网络体系结构t 要由三个部分组成，包括网络接入提供实体( n a p ) 、网络服务提供 实体( n s p ) 、接入服务提供实体( a s p ) 。其中n a p 主要提供w i m a x 接入网络系统与一个或多个 a s p 的连接、n s p 丰要为n a p 提供i p 连接和服务订阅等一些网络服务、而a s p 主要是提供一些应 用与业务服务。与e 3 g 系统相比，n a p 可以对应于e 3 g 系统中的接入网，而n s p 和a s p 可以对 2 第l 章绪论 应其核心网部分。但w i m a x 技术在物理层上又与e 3 g 系统有些差别，表1 2 给出了8 0 2 1 6 e 空口 中的些物理层参数。 表1 - 28 0 2 1 6 e 空中接口物理层参数 技术指标 参数 苯本传输和多址方式卜、卜行均为o f d m a 双工方式t d d 帧结构帧长5 m s ，分为8 个子帧 子载波问隔 l0 9 4 k h z 7 8 k h z 9 8 k h z c p 长度 11 4 耻s 1 6 i s 1 2 ，8p s a m c q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 传输带宽 i 2 5 ，5 ，10 ；2 0 m h z 3 5 ，7 m h z 8 7 5 m h z 信道编码t u r b o 码、卷积码 多天线技术发射分集、天线选择 从1 6 e 的需求来看，它仅仅只是优于3 g 系统，而远远没有达到i m t a d v a n c e d 的要求，因此 i e e e s 0 2 1 6 工作组开始了进一步的t 作计划，巾继斤次在8 0 2 1 6 ji l i 被提出，而该工作组在此基础 之上，又提出了8 0 2 1 6 m 标准，并通过了斟选，成为了4 g 的候选标准之一。 1 1 3i m t - a d v a n c e d 国际电信联盟在2 0 0 7 年正式将4 g 通信系统命名为i m t - a d v a n c e d ，i m t - a d v a n c e d 系统对用户 、i k 务速率、覆盖、频谱效率提出了更高的要求，如支持全、l k 务数据传输速率，在本地或游牧无线接 入等低速移动环境下支持高达1 g b p s 的峰值传输速率，在高速移动环境下也要支持1 0 0 m b p s 峰值速 率的移动接入，需要的传输带宽可达到1 0 0 m h z 。为了达到这样的系统需求，i m t - a d v a n c e d 允许采 用更多的革命性技术来实现更高的性能，例如采用新的网络架构和新的空中接口多址技术等。 i m t - a d v 卸c e d 的关键特性包括：在保持低成本效率的条件下，在支持灵活厂“泛的服务和应用的 基础上，达到世界范【翻内的高度通用性；支持i m t 业务和同定网络业务的能力；高质量的移动服务； 用户终端适合全球使用；友好的应用、服务和设备：世界范围内的漫游能力：增强的峰值速率以支 持新的业务和应用。可以预见，对比与前几代通信技术，i m t - a d v a n c e d 系统将不再是一个单一的网 络系统，它将是各个网络的融合，包括传统蜂窝移动通信系统、无线网络系统、广播系统、卫星通 信系统甚至是固定接入网络系统等等。 1 2o f d m 系统概述 1 2 1o f d m 的发展历程 o f d m 的思想早在2 0 世纪6 0 年代就被c h a n g 等人提出1 5 1 ，但由于使用模拟滤波器实现起来的系 统复杂度较高，所以一直都没有发展起来。1 9 7 1 年，s b w e i n s t e i n 将离散傅立叶变换( d f t ：d i s c r e t e f o u r i e r t r a n s f o r m ) 应用j - o f d m 系统的调制和解测叭，而d f t - n 由快速傅里叶变换( f f t ：f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m ) 高效地实现。同时为了消除线性时不变信道的i c i ( i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 和i s i 3 东南人学硕士学位论文 ( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ，他们提出通过插入一段空白区作为保护间隔来消除o f d m 块间干扰， 但是这并不能保证信号经过弥散信道后各子载波仍保持正交性。1 9 8 0 年，p e l e d 和r u i z 提出了循环 前缀( c p ：c y c l i cp r e f i x ) 的概念，用于保持了载波的正交性刀。接着l - j c i m i n i 首先分析了o f d m 在移动通信应用中存在的问题和解决方法剐，从此，o f d m 在移动通信中的应用得到了迅猛的发展。 o f d m 系统典型框图如图1 1 所示。 图1 1o f d m 系统框图 1 2 2o f d m 的优缺点 o f d m 技术具有以下一些优点： ( 1 ) 通过串并变换将高速率数据流变成低速率数据流，每个了载波上的o f d m 符号持续 时间长度相对增加，从而有效减少由于无线信道的时间弥散所带来的符号问十扰，进而减小接收机 内的均衡器的复杂度，甚至有时可以不采用均衡，仅仅通过插入循环前缀的方法消除i s i 的不利影 响。 ( 2 ) 传统的频分复用( f d m - f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 是将频带划分为若干个不 相交的予载波来并行进行传输数据流，各个子信道之间要保留足够的保护频带。而o f d m 系统由于 各个子载波之问存在j 下交性，允许子载波的频谱相互蕈叠，因此与常规的频分复用系统相比，o f d m 系统可以最大限度的利用频者资源。 ( 3 ) 在子载波数很多的系统中，可以通过i f f t 和f f r 来实现其正交调制和解调，随着大 规模集成电路技术与d s p 技术的发展，i f f t 和f f t 都是非常容易实现的。 一 但是o f d m 系统由于存在多个正交的子载波，因此与单载波系统相比，存在如下的缺点： ( 1 ) 对频率偏差更加敏感，由于子载波的频谱牛 i 互重叠，这就对它们之问正交性提出了严 格的要求，无线信道的时变性造成的多普勒频移或发射机与接收机奉地振荡器之间存在的频率偏差， 都会使o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致子信道之间的十扰。 ( 2 ) 存在较高的峰值平均功率比，多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果 多个信号的相位一致，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，导致较大的峰 值平均功率比( p a p r ：p e a k - t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 。这就对发射机内放大器的线性度提出了很高 的要求，因此可能带来信号的畸变，从而导致各个子信道问的正交性遭到破坏，产生干扰，使系统 4 第1 章绪论 性能恶化。 1 2 3o f d m 的应用现状 u 前，o f d m 技术l 被众多无线传输标准采纳1 9 1 ，比如数字音频j “播( d a b ：d i g i t a la u d i o b r o a d c a s t i n g ) ，数字视频广播( d v b ：d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) ，无线局域网( w l a n ：w i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k ) i e e e8 0 2 1 la g 和h i p e r l a n 2 ，无线城域网( w m a n ：w i r e l e s sm e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k ) i e e e8 0 2 1 6 e 标准。此外，o f d m 也是未来移动通信系统的关键技术。可以预见， o f d m 技术具有广阔的发展前景。 1 2 4o f d m a 在多用户无线通信系统中，需要使用种技术来区分不同的用户，即多址技术。多址方式允许 多个移动用户同时共享有限的频谱资源。o f d m 本身也i 叮作为一种多址接入技术，又称为正交频分 多址接入( 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 ea c c e s s ) 技术。o f d m a 物理层中的多 址接入是通过物理资源块( p r b ：p h y s i c a lr e s o u r c eb l o c k ) 的分配来实现的，p r b 是一个时频两 维的概念，即每个p r b 中包含有多个o f d m 符号，而侮个符弓中占用了多个子载波。对于用户来 说，每个用户所分配到p r b 及其个数也是不相同的，凶此用户得以区分开来。图1 2 给出了o f d m a 系统资源的时频两维陶，其i | j 阴影部分表示的足一个物理资源块，该物理资源块在频域上包含了两 个子载波，在时域上包含了两个o f d m 符号。而在l t e a 和8 0 2 1 6 m 巾对每个物理资源块的所包 含的子载波数目以及o f d m 符号数都分别有着各自严格的定义。 频率 子载波4 子载波3 子载波2 子载波l 1 3 中继技术概述 符号l符号2符号3符号4时间 图1 2o f d m a 系统资源的时频两维域 1 3 1 中继的提出背景 l m t - a d v a n c e d 系统i ：作在宽带的环境之下，然而低频段的频谱又已经分配，因此为了满足带宽 要求，系统也就必须工作在更高的频段，如2 4 g h z 。更高的频段也就意味着路径损耗变大，这将导 5 东南人学硕士学位论文 致小区半径变小，组网代价变大，而小区半径变小又会使小区之间的干扰变大，小区边缘信号质量 也就随之变差，从而导致小区整个频谱利用率降低。同时4 g 系统对覆盖、频谱利用率、业务速率 等多项指标又提出了更高的要求，为了达到这样的要求，中继作为一个关键性技术分别在l t e a 和 i e e e8 0 2 1 6 m 中被提j ，出来，它能在不改变基本蜂窝网络架构的前提下，以较低的代价换取较高的 性能提升。其应用场景如图1 2 所示。 鲶掰边缘鬻藏毒、溅移动镪的貔蕴 图1 3 中继的应用场景 1 3 2 中继的优缺点 中继具有如下一些优点： ( 1 ) 扩展了蜂窝通信系统的小区覆盖范围，并且提高了小区边缘的传输速率与频谱效率。 ( 2 ) 解决了传统蜂窝通信系统巾存在的小区覆盖音区和死区问题，并且使得该区域用户也 能获得较好的服务以及高速率要求。 ( 3 ) 网络部署更加灵活。如：对丁热点地区，采用固定或游牧l | j 继为其提供更好的信号覆 盖质量、为用户提供更高的数据传输速率；而对于群移动用户，采用移动中继能够提供更高效的接 入和移动性管理，使用户能够享受到更好的服务。 但是中继的引入也会带来一些缺点： 一 ( 1 ) 系统的平均时延会变大，平均时延的增加t 要来自于两跳和多跳用户。中继的引入导 致了额外增加了一次其至多次中继端的处理转发，因此时延的增加是不可避免的。 ( 2 ) 会增加一些额外的开销，比如中继的部署会增加设备的丌销：通信过程中，信令的开 销也会变大，需要占用额外的频谱资源：在数据传输时，摹站和中继的链路之间也需要一些资源。 ( 3 ) 干扰更加复杂，中继的引入导致网络中增加了一个新的节点，因此也增加了一个新的 干扰源，干扰结构也变得更加复杂，为了在基站和中继之间更加的有效地分配时频域资源，需要额 外的一些设计和资源调度方案。 6 第l 章绪论 ( 4 )兼容性问题，不是所有的场景和地点都需要中继，因此就会存在一个传统蜂窝网络和 中继增强型蜂窝嘲络的兼容性l u j 题，包括。些协议设计，接口设计等。 1 3 3 中继的分类和应用现状 中继的分类有多种标准，最主要的。个分类方法是按协议栈体系结构分类，此时中继町分为层 l 中继( l lr e l a y ) 、层2 中继( l 2r e l a y ) 、层3 中继( l 3r e l a y ) 。层l 中继又被称为放人转发中继 ( a f ：a m p l i f y a n d f o r w a r d ) ，它对接收到的信n 进行简单的放人转发，因此接收信号中的噪声也 被放大，从而降低了下一跳的接收信十噪比( s i n r ： s i g n a l - t o i n t e r f e r e n c e a n d n o i s e r a t i o ) ，同时 中继端接收与发送严格分开要求其避免产生f 1 激震荡( s e l f - o s c i l l a t i o n ) ，因此也限制了该1 i - 继的应用。 层2 中继义被称为解码转发中继( d f ：d e c o d e a n d f o r w a r d ) ，它为完成系统的性能优化提供了更 多的自由度。层3t l 继义被称为n 回程中继( s e l f - b a c k h a u l i n g ) ，它几乎包括了基站的所有功能，因 此相比层2 中继，需要更多的开销。 在l t e a 中，对中继技术的描述如下1 1 0 l ：尽管多跳的场景也会考虑，但中继的设计主要是针对 两跳网络；集中式调度和分布式调度均会被考虑；系统应该同时支持透明中继和非透明中继，即设 计一种统一的帧结构来适应不同的中继模式；采用更高级的天线技术，如协作中继；l t e a d v a n c e d 中的用户是知道中继的存在，这样有利于一些技术的扩展，如：切换；而l t e 中的用户是不知道中 继的存在，但仍然能够被中继所服务。 在l t e a 中，层2 中继和层3 中继已经被确定下来i i ，当提到层2 中继时一般指的是同频中继 ( i n b a n dr e l a y ) ，所谓同频中继指的是中继链路( b s r sl i n k ) 与接入链路( r s u e l i n k ) 共享相 同的频率资源，而提到层3 中继一般指的是异频中继( o u t - b a n dr e l a y ) ，即中继链路与接入链路分 别占用不同的频率资源。显然同频中继没有占用额外的频率资源，但从另外一方面来看，异频中继 虽然占用了额外的频率资源，却没有为系统带来额外的干扰。 1 4 中继增强型o f d m a 蜂窝系统中的资源管理 未来无线移动通信系统将采用o f d m a