（通信与信息系统专业论文）中继网络中的负载均衡研究.pdf

摘 要 i 摘摘 要要 中继网络的提出有效地缓解了传统蜂窝网络不能满足人们不断增长的速率 需求这一问题。通过引入中继节点将一条较长的传输路径分成几段具有更好传输 质量的较短路径，提高了系统容量。在一些不方便安放基站的地方通过架设中继 能够有效地扩大系统的覆盖范围。但是由于人们运动的不确定性，仍然可能出现 某些热点小区业务过载，导致大量用户被阻塞，而在周围小区由于用户数目过少 而使大量资源闲置的情况。中继网络中的负载不均衡问题依然突出。如何在中继 网络中实现小区间的负载均衡已经成为当前的一个研究热点，本文也是针对这一 问题进行研究。 本文首先研究了中继网络中多业务情况下的负载均衡问题。 文中对中继网络 中的多业务负载均衡问题进行建模， 将其抽象为一个以最大化成功接入用户比例 为目标的数学问题，并针对这个问题给出一种五步法负载均衡策略。通过动态控 制用户、中继和基站的连接关系，使热点小区的负载尽量多地转移到空闲小区。 由于非实时业务速率可变，还通过减少非实时用户的信道数目，使更多的用户接 入网络，降低了用户的阻塞概率。为了保证实时业务的性能，在接入控制时优先 进行实时用户的接入。 本文还研究了中继网络中考虑用户切换性能的负载均衡问题。 在处理用户接 入请求时，充分考虑到新用户与切换请求用户的差异性，给出了一种考虑用户切 换的负载均衡策略。该策略为新用户与切换请求用户设置不同的接入门限，新用 户具有更高的门限，即为切换请求用户设置了一定数目的保护信道。使切换用户 相对于新用户具有更多的可用信道。 同时在用户接入时采用直接负载均衡与间接 负载均衡的方法将热点小区的用户通过中继转移到相邻的轻负载小区， 合理利用 系统的信道资源，降低用户接入请求的阻塞概率。随后本文用三维马尔科夫链模 型对该策略进行了理论分析。 理论分析和仿真结果表明该策略较好的保证了切换 请求用户的高优先级，使其具有更低的接入请求阻塞概率。 关键词：关键词：中继网络 负载均衡 多业务 阻塞概率 切换 abstract iii abstract the relay network effectively mitigates the problem that traditional cellular networks can no longer meet the peoples requirement of higher data transmission rate. relay nodes in the networks divide a longer transmission path into some shorter paths with better transmission quality and it can increase the system capacity. placing a relay node in the location where a base station cant be set conveniently can extend the coverage area of the system. although relay networks have higher system capacity and larger coverage area, due to the uncertainty of peoples movement, there are still some hot cells being overloaded and many new calls are blocked. but in the surrounding cells, there may be much unused resource because of lacking users. the problem of load imbalance is still serious in relay networks. how to utilize load balancing strategies to solve this problem has been a hot point of research. we also research the load balancing strategy in relay networks. we firstly study load balancing in relay networks with multiple traffic types in this paper. we give a model of load balancing, and formulate it as an optimization problem with the goal of maximizing the percentage of successfully accessed users. we give a five-step load balancing strategy to solve it. because the data rate of non-real-time traffic is variable, we also dynamically control the relationships of users, relays and base stations to transfer traffic from hot cells to cooler ones and decrease the allocated sub-channels of users with non-real-time traffic to allow more users to access the network. it reduces the blocking probability of users. in order to ensure the performance of real-time users, we give priority to them. .we also study load balancing that considers the performance of users moving from cell to cell. in dealing with users call requests, we fully consider the difference of new calls and handover calls, and give a load balancing strategy that handover calls have higher priority. in this strategy, we set different access threshold for new calls and handover calls, and the new calls have higher threshold. it means that we set some guard channels for handover calls, and it ensures handover calls have more available channels. at the same time, the direct and indirect load balancing approach is adopted to transfer more users from a hot cell to the surrounding cooler ones. it utilizes the system resource effectively and reduces the blocking probability of users calls. then we analyze the performance of the proposed strategy using the three-dimensional abstract iv markov chain model. theoretical analysis and simulation results show that this strategy well ensures the higher priority of handover calls, and the handover calls have a lower blocking probability. key words：relay network, load balancing, multiple traffic types, blocking probability, handover 图表目录 vii 图表目录图表目录 图图 1. 1 多跳传输原理图 . 1 图图 1. 2 传统蜂窝网络和中继网络比较图 . 2 图图 2. 1 中继网络基本架构 . 5 图图 2. 2 扩大小区覆盖范围示意图 . 9 图图 2. 3 增大系统容量及减少用户发送功率示意图 . 10 图图 2. 4 消除基站覆盖盲区示意图 . 11 图图 2. 5 小区间负载均衡示意图 . 12 图图 2. 6 中继网络帧结构一 . 13 图图 2. 7 中继网络帧结构二 . 13 图图 2. 8 协作通信原理图 . 14 图图 2. 9 基本中继转发负载均衡示意图 . 17 图图 2. 10 辅助中继转发负载均衡示意图 . 18 图图 2. 11 梯级辅助中继转发负载均衡示意图 . 18 图图 2. 12 中继架设场景 . 20 图图 3.3.1 1 系统场景图 . 24 图图 3. 2 策略流程图 . 27 图图 3. 3 用户选择接入小区 . 28 图图 3. 4 边缘用户切换 . 29 图图 3. 5 中继切换 . 30 图图 3. 6 用户阻塞概率比较 . 31 图图 3. 7 不同类型用户阻塞概率比较 . 32 图图 4. 1 两小区系统场景图 . 34 图图 4. 2 策略流程图 . 35 图图 4. 3 状态转移图 . 37 图图 4. 4 切换用户比例变化时切换用户阻塞概率比较 . 46 图图 4. 5 切换用户比例变化时新用户阻塞概率比较 . 47 图图 4. 6 切换用户比例变化时总用户阻塞概率比较 . 48 图图 4. 7 总用户到达速率变化时切换用户阻塞概率比较 . 48 图图 4. 8 总用户到达速率变化时新用户阻塞概率比较 . 49 图图 4. 9 总用户到达速率变化时总用户阻塞概率比较 . 50 表表 3. 1 仿真参数表 . 31 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名：_ 签字日期：_ 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中 国学位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 公开 保密（_年） 作者签名：_ 导师签名：_ 签字日期：_ 签字日期：_ 第一章 绪论 1 第一章 绪论第一章 绪论 1.1 本文的研究背景和意义 中继网络又称为蜂窝中继网络或者多跳中继网络。 在中继网络中信号可以直 接从基站传送到移动终端，也可以通过单个或者多个中继节点进行数据转发，经 过两跳链路或者多跳链路最终到达目的节点。 中继网络相对于传统蜂窝网络最大 的特点就是在原来单跳传输的基础上增加了需要中继的多跳传输。 多跳传输的实质是把一条较长的传输路径划分为一些较短的传输链路， 从而 克服无线传播信道的衰落特性， 获得信道增益。 我们用图 1.1 来描述其基本原理。 d 1 d 2 d bs rsms 图图 1. 1 多跳传输原理图 在上图中，基站与用户之间的距离为d，则两者之间的路径损耗 direct pl可以简单 的表示为： v direct plkd (1.1) 其中k为常数，其值和信号频率相关，v为路径损耗指数。 我们在基站和用户之间加入中继站， 中继到基站的距离为 1 d， 到用户的距离 为 2 d。此时基站到中继和中继到用户两条链路上的路径损耗之和为： 12 vv relay plkdkd (1.2) 由于 12 ddd，则有： 12 ()v directrelay plk ddpl (1.3) 从上式中可以看出，我们把基站和用户间的单跳链路划分成两跳链路后，总的路 径损耗下降了。以上的原理能够轻松的扩展到多跳链路的情形。由于降低了路径 损耗，发送方能够以更小的功率发送而达到相同的接收效果，从而降低了干扰， 提高了系统的容量。当然也节约了能量，延长了手机终端的使用时间。 中继的引入除了可以降低发射节点的发送功率外， 还能够向处于覆盖阴影区 域或者死区的用户提供有效的无线覆盖，从而扩大了基站的覆盖区域。多跳中继 第一章 绪论 2 技术在传统的源节点到目的节点的单跳链路通信模式的基础上增加了源节点到 中继节点， 再从中继节点到目的节点的通信模式， 为数据传输提供了更多的选择， 提高了无线系统的数据传输速率，也提供了更好的无线覆盖。中继的引入较大程 度上改变了传统的蜂窝结构，是无线通信的未来发展方向。 (a)传统蜂窝网络(b)中继网络 图图 1. 2 传统蜂窝网络和中继网络比较图 图 1.2 表示了在同样的无线环境下，中继网络和传统蜂窝网络的无线通信链 路对比关系图。从图 1.2(a)中我们可以看出，高楼坐落在基站与用户之间，阻挡 了基站到用户的无线信号传输。使得用户与基站之间的传输为非视距传输，发送 的无线信号在两者之间经历深衰落。 由于基站与用户之间的直接链路信道条件很 差，用户可能无法建立与基站的连接。即使移动用户能够勉强接入基站，它与基 站的通信质量也很差， 所进行业务的服务质量也不能很好的满足。 在图 1.2(b)中， 由于在用户和基站之间加入了中继站， 使得基站可以将无线信号通过中继转发给 用户，而且用户与中继、中继与基站之间的链路条件都非常好，为视距传输。由 于高楼上中继的安放， 使得原来得不到基站无线覆盖的用户也能够通过中继节点 获得较好的服务。由于中继不但能够转发数据信息，还能够转发控制信令，这大 大扩展了基站的有效覆盖范围。中继相对于基站具有更小的体积，不需要有线网 络设施，更容易架设。所以可以在实际环境中不易安放基站的地方，通过架设中 继站来转发基站信号为用户提供服务。由于中继的架设，移动用户的下行接收质 量提高，上行发送功率也变小了，延长了移动终端的电池使用时间，提高了系统 容量。 虽然中继网络具有更高的系统容量，但是用户的业务需求也在不断增加，而 且由于用户行为的不确定性， 部分小区在某些时间段内可能出现大量的用户接入 请求，由于该小区的资源有限导致很多用户的接入请求被拒绝，然而相邻小区却 可能由于大量用户都集中到该小区内，使大量无线资源闲置。网络中业务负载分 布不均衡的问题仍然存在。而且由于中继的引入，无线链路情况变得更加复杂， 传统的负载均衡策略无法直接用于中继网络， 中继网络中的负载均衡问题仍然值 得研究。 第一章 绪论 3 1.2 论文内容及主要贡献 第一章首先给出了本文的研究背景和意义， 然后介绍了论文的研究内容及安 排。 第二章详细介绍了中继网络技术和负载均衡。 首先给出了中继网络的架构以 及分类，仔细说明了它与传统网络的差异，随后又指出了中继网络的典型应用场 景和中继网络中的关键技术。最后介绍了传统蜂窝网络、混合蜂窝与移动中继网 络以及中继网络中的负载均衡方案，并给出中继网络中负载均衡的新特点。 第三章主要研究了中继网络中多业务情况下的负载均衡问题。 本章将该问题 进行数学建模，将其抽象为一个以最大化成功接入用户比例为目标的数学问题， 并针对这个问题给出一种五步法负载均衡策略。 仿真结果表明该策略能够有效地 降低用户的阻塞概率即提高成功接入用户比例， 同时很好的保证了实时业务的高 优先级。 第四章主要研究了中继网络中考虑用户切换性能的负载均衡问题。 给出了一 种为切换用户设置保护信道的负载均衡策略， 并用三维马尔科夫链模型对该策略 进行了理论分析，给出了系统各类用户的阻塞概率。仿真结果表明该策略较好的 保证了切换请求用户的高优先级，使其具有更低的接入请求阻塞概率。 第五章中总结了全文的工作， 并对中继网络的未来发展和在实际生活中的应 用做了进一步的思考。 本文主要针对中继网络中的负载均衡问题进行研究，主要贡献如下： 1） 将中继网络中的多业务负载均衡问题抽象为一个以最大化成功接入用户比 例为目标的数学问题。并针对这个问题给出一种五步法负载均衡策略。通过 用户进行小区选择、减少非实时用户的分配信道数目、用户切换以及中继切 换的方法，使热点小区的负载尽量多地转移到空闲小区，提高了成功接入用 户比例，降低了用户的阻塞概率。为了保证实时业务的性能，在接入控制时 优先进行实时用户的接入。 2） 在针对中继网络中考虑用户切换性能的负载均衡问题的研究中，充分考虑到 新用户与切换请求用户的差异性， 给出了一种考虑用户切换的负载均衡策略。 该策略为新用户与切换请求用户设置不同的接入门限，新用户具有更高的门 限，即为切换请求用户设置了一定数目的保护信道，使切换用户相对于新用 户具有更多的可用信道。同时在用户接入时采用直接负载均衡与间接负载均 衡的方法将热点小区的用户通过中继转移到相邻的轻负载小区，合理利用系 统的信道资源，降低用户接入请求的阻塞概率。随后又用三维马尔科夫链模 型对该策略进行了理论分析，给出了系统各类用户的阻塞概率。 第二章 中继网络与负载均衡 5 第二章 中继网络与负载均衡第二章 中继网络与负载均衡 2.1 中继网络架构 在以前的蜂窝结构中，无线信号从源节点直接发送到目的节点，但是由于障 碍物的阻挡或者源节点的信号发送功率不足， 使得无线信号在到达目的接收节点 时信噪比较低，导致目的节点的接收出错。而在中继网络中，由于中继节点的引 入，源节点发送的无线信号不仅可以直接发送到目的节点，还可以通过中继节点 的一次或多次转发，通过多跳传输将数据发送到目的节点。中继网络中除了存在 单跳链路，还存在多跳链路。中继网络的基本架构如图 2.1 所示，其主要由基站 (bs)、中继站(rs)和移动台(ms)组成1 ms1 ms2 ms3 ms4 rs1 rs2 rs3 rs4 rs5 rs6 bs 基站 中继 移动台 小区 中继小区 接入链路 中继链路 图图 2. 1 中继网络基本架构 在上图中，接入链路(access link)指的是 ms 与 bs、ms 与 rs 之间的无线链路， 用于它们之间的数据传输。中继链路(relay link)指的是 bs 与 rs、rs 与 rs 之 间的无线链路。中继小区(relay cell)指的是中继的无线覆盖范围，是接入其上的 所有用户的集合。 中继网络中基站到移动用户需要的最大链路数目称为中继的跳 数，它是中继网络的特有参数，与中继网络所在的位置，以及具体的物理参数有 关。图 2.1 表示的就是一个由单基站，多用户和多中继组成的三跳中继网络。其 中 ms1 通过 rs1 的两跳链路接入基站，ms2 本来不在基站的覆盖范围内，但是 第二章 中继网络与负载均衡 6 通过 rs2 与 rs3 的三跳链路也能得到基站的服务，ms3 由于受到高楼的阻挡可 能无法收到基站信号，但是由于中继 rs4 的架设使得数据可以通过其转发而具 有较好的性能。从该图中我们还可以看出也有单跳链路的存在，ms4 由于存在 和基站的视距传输可以直接接入基站而具有较好的性能。 rs5 则随着火车一起移 动，为车内用户提供更好的数据传输，rs6 则帮助建筑物里面的用户获得更好的 业务质量。从此架构图中可以看出，中继网络比传统蜂窝网络具有更广的覆盖， 更好服务能力。 基站是中继网络中唯一具有有线接口的设备， 它通过光纤等有线链路与核心 网络相连。下行传输时无线信号从基站的天线发出，通过中继转发或者直接到达 移动台。 上行传输时信号则由移动用户的天线发出经过单跳或者多跳无线传输到 达基站，如果需要，基站再将接收到的数据通过核心网络传到目的节点。 中继网络与传统网络最大的区别就是中继站的加入。 中继和移动台以及中继 和基站都是通过无线连接，它是基站的附属设备，也是属于基础设施的一部分。 中继自身不产生任何业务， 只是在下行传输时将接收到的来自于基站的数据转发 给移动用户，或者在上行传输时将接收到的来自于用户的数据转发给基站。中继 除了转发业务数据以外，还能够转发控制信息或者自己生成控制信息，来辅助用 户接入和数据传输。中继由于比基站的功能简单得多，而且不需要有线接口，所 以成本、体积等都比基站小得多，架设也更方便。 移动台在这里指的是手机或者其他具有无线通信功能的移动设备， 它也是中 继网络的重要组成部分，不属于基础设施，是无线通信系统的服务对象。移动台 是上行传输的起点，同时在下行传输时，数据也终止与于它。移动台经过单跳或 者多跳无线传输与基站相连。现在的移动台功能越来越强大，不但能够进行通话 业务， 还能够进行网页浏览， 视频观看等多媒体业务， 数据速率需求也不断提高。 2.2 中继网络分类 由于中继网络的主要特点就是中继的应用， 可以按照中继的不同特点进行分 类： 1. 根据中继的移动性进行分类 中继节点根据其移动性可以分为固定中继、移动中继和游牧中继三类。 固定中继不能够移动，其在小区内的位置不变，所以系统网络拓扑基本不发 生变化。基站与中继之间可以通过定向天线技术相连，提高链路的传输质量。固 定中继的引入产生的信令开销也较少。 通过在小区内用户比较集中的区域或者小 区的边缘架设中继，能够提高这些区域内用户的服务质量，提高系统容量。也可 第二章 中继网络与负载均衡 7 以在小区外架设中继，通过转发基站信号，扩大覆盖范围。通过在隧道等基站信 号无法覆盖的区域架设中继，可以有效的消除小区覆盖盲点。由于中继只具有数 据转发功能，其相对于基站具有更小的体积，更低的价格，通过合理的中继架设 能够有效提高系统的性能，降低系统成本。 移动中继本身也和移动台一样具有移动性， 它可以是一个具有转发功能的特 殊移动台，也可以是只具有数据转发功能的专用设备。移动中继相对于固定中继 来说具有更大的不稳定性，由于其本身的移动性，中继与基站的无线链路也不可 靠，多跳传输的性能得不到保障。而且由于其移动性，中继的电源保证也是一个 问题。中继的移动还会导致网络拓扑的不断变化，信令开销也较大。但是移动中 继也有其特有的应用场合，比如我们可以在高速列车上架设中继，专门为车内的 用户提供服务。车内的用户一直接入该中继，而中继则负责与周围的基站连接。 这样，在列车行进过程中，用户一直由该中继服务，不需要切换。只需要该中继 在铁路沿线基站间切换就可以了， 大大减少了列车内大量用户同时切换所带来的 庞大信令开销，减少了用户切换的掉线概率，提高了用户的服务质量。 游牧中继也称为临时性中继。其位置变化介于固定中继与移动中继之间。游 牧中继不是一直存在的，它只在需要额外覆盖时架设，短期位置不变。游牧中继 可以应用于像运动会、歌唱会等导致大量人员聚集，而且时间地点又可以事先知 道的场合，在活动进行时为广大用户提供额外系统容量，防止拥塞。在灾害恢复 时，由于无线通信系统基础设施可能已经被摧毁，就需要架设游牧中继来提供服 务。 游牧中继一般都是安装在汽车上， 便于在需要时迅速提供服务， 任务结束时， 方便撤走2。 固定中继、移动中继与游牧中继各有特色，都有自己的特殊使用场景，但是 固定中继的应用场合更多，目前大家主要关注的是固定中继网络，本文也是针对 其进行研究。 2. 根据中继对数据的转发方式分类 中继节点根据其数据转发方式的不同可以分为放大转发(af: amplify and forward)中继和解码转发(df: decode and forward)中继。 放大转发中继又称为模拟中继，相当于传统网络中的直放站。其仅将接收到 的来自于基站或者移动台的数据信号放大一定倍数，然后转发给接收方。转发过 程中不进行其他任何信号处理，因此在无线数据信号被放大的同时，噪声也被同 等倍数地放大了，影响接收性能。 解码转发中继又称为数字中继，其将收到的数据信号先进行解码，变为原始 数据，然后再将原始数据编码转发给接收方。在信道条件较好的时候，解码转发 中继能够有效地去除噪声，明显提高系统性能。但是在信道条件很差的时候，由 第二章 中继网络与负载均衡 8 于解码出错概率很高，可能还会导致差错扩散，降低接收性能。 3. 根据中继的控制方式分类 中继网络根据其对中继节点的控制方式可以分为集中式中继网络和分布式 中继网络。 集中式中继网络中，基站直接对接入其上的中继节点和移动台进行控制，并 直接向移动台发送控制信息或者从移动台接收控制信息， 而中继则只进行数据转 发，只有网络中的基站具有独立的广播信道和供用户接入的公共控制信道，对移 动台来说，中继是透明的3。虽然集中式中继网络便于对中继和移动台进行管 理，但是导频等用于与信道测量的信息只能由基站发送，对于位于基站的覆盖阴 影区域内，却位于中继视距传输范围内的移动台，不能够得到正确的信道状态信 息，降低系统性能。 分布式中继网络中， 中继节点也和基站一样具有自己的广播信道和上行接入 信道，除了转发数据信息以外，还可以发送自己的控制信令，能够直接控制接入 其上的移动台，从移动台的角度看中继就是一个基站，分不出差异3。 4. 根据中继空中接口技术分类 根据中继与移动台以及中继与基站之间采用的空口技术的相同与否可以将 中继网络分为异构(heterogeneous)中继网络与同构(homogeneous)中继网络45。 异构中继网络中， 中继与移动台之间以及中继与基站之间采用不同的无线接 入技术。由于中继与基站相对位置固定，两者之间信道条件较好，可以采用对信 道要求更高接入技术，进一步提高了系统容量。但是由于中继同时使用两种空口 技术，中继变得更加复杂。 同构中继网络中则只存在一种空中接口技术， 中继与基站和中继与移动台采 用相同的传输方式。同构中继网络中的设备更加简单，成本更低，但是资源利用 率也要低一些。 另外还可以根据中继网络的跳数进行分类， 包括两跳中继网络和多跳中继网 络，随着跳数的增加，系统的复杂度也急剧增加6。两跳中继网络能够很好的 实现复杂度与系统吞吐量的折中，所以本文的研究重点也是两跳中继网络。 2.3 中继网络应用场景 由于中继的架设方式不同，中继网络可以用于很多不同的应用场景，包括扩 大小区覆盖范围，增大系统容量及减少用户发送功率，消除基站覆盖盲点和用于 小区间的负载均衡8。后面对其进行具体介绍。 第二章 中继网络与负载均衡 9 2.3.1 扩大基站覆盖范围 通过在小区外面合理地布置中继，能够有效地扩大基站的覆盖范围，由于中 继比基站的设备便宜很多，而且中继的架设也更加简单快捷，架设成本也要低得 多，总的来说中继的架设能够有效降低通信系统的成本。其示意图如下： bs bs ms1 ms1 ms2rs1 rs2 rs3 rs4 rs5 rs6 (a)(b) 图图 2. 2 扩大小区覆盖范围示意图 图 2.2(a)表示了传统的蜂窝小区， 基站直接为移动台 ms1 提供服务。 图 2.2(b) 中我们在基站周围架设了 6 个固定中继，使基站的覆盖范围大大扩大，在该中继 系统中 ms1 距离基站很近，可以直接获得基站的服务。而移动台 ms2 由于不在 基站的直接覆盖范围以内，基站必须先将数据发送给中继 rs1，然后 rs1 再将 数据转发给它。ms2 通过中继 rs1 间接地得到了基站的服务。通过中继的架设 使得更多的用户能够接入基站， 同时在同样大小的区域内所需要的基站数目也变 小了，系统的基础设施成本也降低了。 中继一般都架设在比较高的地方， 存在与基站间的视距传输， 信道衰减较小， 所以在基站的覆盖范围外还能收到信号， 当然为了进一步提高中继与基站之间的 通信质量，提高系统容量，可以在基站与中继节点间采用定向天线技术，获取更 高的信道增益。 第二章 中继网络与负载均衡 10 2.3.2 增大系统容量及减少用户发送功率 bs ms1 bs ms1 ms2 ms3 ms2 ms3 (a) (b) 图图 2. 3 增大系统容量及减少用户发送功率示意图 在上图中蜂窝网络(a)与中继网络(b)具有同样的覆盖范围，但是(b)中由于合 理的架设了中继具有更大的系统容量， 用户终端也因为中继的存在而只需要更小 的上行发送功率。在传统的蜂窝网络(a)中位于小区边缘的用户 ms2，ms3 等， 由于距离基站的位置很远，信道条件很差，需要很大的发送功率才能建立与基站 的连接，而且数据传输速率也很低。而中继网络(b)中在边缘用户 ms2,ms3 与基 站之间架设了中继，用户通过中继再接入基站。用户离中继很近信道衰减很小， 中继到基站之间又存在视距传输，信道质量也很好，因此用户能够获得更大的速 率传输。由于中继的架设，边缘用户不需要直接接入基站，只需要使用更小的上 行发送功率接入中继即可。 用户上行发送功率的减少也使小区内的上行干扰减少 了，基站还可以在各个中继站间进行合理的频率复用，进一步提高系统容量。 中继的引入虽然能够使基站到用户的信号衰减变小， 但是也因此原来的单跳 传输变成了两跳传输，数据传输时间减半了，数据传输效率降低。所以中继站的 架设位置必须合理，使得信道质量的增益大于传输效率的降低。可以在小区内用 户比较集中的区域，或者信道衰减比较大的区域架设中继，提高系统容量。 2.3.3 消除基站覆盖盲点 在有些场合通过架设中继还能够有效地消除基站的覆盖盲点或者阴影区域。 图 2.4 是一种常见的消除覆盖盲点的街区场景。在图 2.4 中街道的两侧存在大量 高楼，由于高楼的阻挡，用户无法收到基站发出的无线信号，处于基站覆盖的盲 点，无法接入基站。如果在街道的拐角处架设一个中继站，则用户与中继之间， 第二章 中继网络与负载均衡 11 中继与基站之间均是视距传输。用户可以通过中继的转发获得基站的服务，原来 的覆盖盲点由于中继的引入而被消除。我们还可以在隧道的入口处架设中继，实 现基站对隧道的覆盖，以及在高楼的顶部架设中继，消除高楼背后的覆盖阴影区 域。 图图 2. 4 消除基站覆盖盲区示意图 2.3.4 用于小区间负载均衡 中继网络还能有效均衡小区间的负载。如图 2.5 所示，中间的小区由于用户 比较集中称为热点小区，存在频率资源不足的情况，而周围的小区由于用户数目 较少，存在闲置资源，称为空闲小区。从图中可以看出热点小区内的部分用户既 在本小区基站的覆盖范围内，又在相邻小区的中继覆盖范围内，当热点小区内资 源不足时，这部分处在相邻小区中继覆盖下的用户，就可以通过该中继接入相邻 小区，平衡各个小区间的负载，提高资源利用率和系统性能。 第二章 中继网络与负载均衡 12 图图 2. 5 小区间负载均衡示意图 2.4 中继网络关键技术 作为一种新型的网络结构，中继网络采用了很多已有的先进无线通信技术， 包括正交频分复用(ofdm：orthogonal frequency division multiplexing)技术9、 多入多出(mimo：multiple-input and multiple-output)技术10等，也由于其结构 的特殊性，还有很多创新性的关键技术处于研究阶段。 1. 满足中继网络要求的帧结构 中继网络中由于中继的架设使原来的单跳网络变成了两跳或者多跳中继网 络(本文只考虑两跳中继网络)，传统的帧结构在这里已经不再适用。在进行帧结 构设计时应当尽量避免接入链路与中继链路之间的干扰。图 2.6 的是一种两跳中 继网路中的帧结构。 第二章 中继网络与负载均衡 13 bs-rs bs-ms rs-msms-rs rs-bs ms-bs 时间 频 率 图图 2. 6 中继网络帧结构一 在图 2.6 的帧结构中，一个无线帧被分成四个时隙，前两个为下行时隙，后两个 为上行时隙。第一个时隙基站将数据传给中继以及直接接入基站的用户；第二个 时隙中继将数据转发给通过该中继接入基站的用户； 第三个时隙接入中继的用户 将数据传给中继；第四个时隙中继和直接接入基站的用户将数据发送给基站。在 此帧结构中， 第二三个时隙直接接入基站的用户处于空闲状态， 浪费了系统资源， 对其进行改进可得另一种中继网络中常用的帧结构。其结构图如下： bs-rsrs-msms-rsrs-bs 时间 频 率 ms-bsbs-ms 图图 2. 7 中继网络帧结构二 在图 2.7 所示的帧结构中，对于直接接入基站的用户在整个上行时隙和下行时隙 都在进行数据传输，由于对于中继用户和直接接入基站的用户采用不同的频率， 他们之间不产生干扰，所以不影响各自的传输。所以该结构要比图 2.6 的帧结构 具有更高的频谱利用率和系统容量。这里只介绍了两种比较典型的中继帧结构， 还有其他的更细致的帧结构。 通过设计更合理的帧结构也能有效提升中继网络的 性能。 2. 协作通信技术 在前面介绍的中继网络中， 用户只直接接收基站发送的数据或者只接收某一 个中继转发的基站数据。但是用户可能既能够从基站直接接收数据，又能从不止 一个中继处接收数据。此时用户可以接收基站发送的数据，又接收多个中继同时 转发的数据，最后进行合并解出原始数据。由于用户收到了数据的多个副本，而 第二章 中继网络与负载均衡 14 这些副本通过不同的传播路径到达用户，都处于深衰落的可能性很小，因此合并 的信号具有较高的信噪比，能够进一步提升用户服务质量。在用户看来，基站与 中继就是多个独立的发送天线，形成了一个虚拟的 mimo 系统，这就是协作通 信的原理11，其示意图如下： s 1 d 源节点源节点 中继节点中继节点 目的节点目的节点 第一时隙第一时隙 第二时隙第二时隙 2 n 图图 2. 8 协作通信原理图 在图 2.8 中，中继数目 n 大于等于 1，在第一个时隙目的节点和中继同时接收基 站发送的信号，第二个时隙目的节点接收所有中继转发的信号，最后目的节点再 将第一个时隙和第二时隙接收的信号进行合并，解出原始数据。由于目的节点同 时接收了多路信号，合并信噪比较高，具有更大的信道容量，可以进行更快的数 据传输。 但是协作通信性能的提升是以中继转发数据副本的额外功率消耗和目的 节点更复杂的处理为代价的。而且协作通信技术还需要更多的信令支持，使中继 通信系统也变得更加复杂，所以其只在一些特殊的场景下应用。 3. 无线资源管理技术 不论是在传统的蜂窝网络中还是在新型的中继网络中都需要无线资源管理 技术。虽然中继网络比蜂窝网络具有更广的覆盖和更大的容量，但是用户的需求 也在不断提高，中继网络资源仍然不能完全满足用户的需求，必须通过中继网络 中的资源进行有效的管理， 进一步提高系统的性能。 中继网