中继蜂窝网中基于功率控制的频谱分配方案

靳丽君

（西安铁路职业技术学院 评估与建设办公室，陕西 西安710014）

尽管第三代移动通信系统（3 G）可以与互联网等多媒体通信相结合的新一代移动通信系统，但由于它还存在因特网协议实现困难、不支持较高的通信速率、网络容量相对较小、用户费用相对昂贵以及商业模型不确定等难以逾越的困难和缺陷，因此，随着市场需求和通信技术的不断发展，第四代移动通信系统（4 G）的研究便应运而生了。

4 G移动通信系统同3 G系统相比具有传输速率高，系统容量大且成本低、多业务融合、提供更高质量的多媒体通信服务、具有更高的兼容性等特点[1]。但如果4G继续沿用传统蜂窝系统的网络构架，根本不可能满足系统高速率的要求，因为无线信号的传输损耗同传输速率呈线性递减关系，故而如此高的速率势必对发射机的功率提出更高的要求，这显然不现实；同时，由于2 GHz左右的频带已经被3 G网络占用，4 G系统必须使用更高频段的频谱资源，而高频段的频谱资源的无线信号均为非视距传输，严重的信号衰减导致远近效应将十分明显[2]。

基于以上原因，在不得不使用更高频段的前提条件下，如何设计下一代无线通信系统保证小区边沿的移动终端提供高质量的多媒体服务是一个亟待解决的问题。在现有的网络构架下，解决这一问题的直接方法就是增加基站的密度，但由于投入成本的增加以及小区分裂技术的使用已经接近极限，使得这一方案已不太现实。

一种经济的、新颖的网络构建方案亟待提出，在众多的方案中，一种基于“多跳”技术的中继蜂窝网络在此背景下得到广泛关注，被认为是未来移动通信系统的重要发展方向。

1 中继蜂窝网络构架

中继蜂窝网络的基本思想是把一跳链路分割成多跳链路，缩短通信节点间的通信距离，从而显著提高信道容量和链路质量，因此，中继蜂窝网络不但能提高小区覆盖范围，增加小区容量，有效满足下一代移动通信对大范围内的高数据业务的覆盖需求，而且由于节点间通信距离的缩短，该网络可以减小终端的发射功率，对抗深度衰落和死区。

中继蜂窝网络的构架模型如图1所示，其主要的构成实体包括基站（BS）、移动台（MS）和中继节点（RS），考虑每个区群由3个小区构成，分别用CellA、CellB、CellC标记，每个小区分布6个中继节点，每个中继节点位于小区中心到顶点的连线上，距离小区中心为2R/3，基站处于小区中心[3]。

图1 中继蜂窝网络构架Fig.1 Relay cellular network architecture

中继节点是中继蜂窝系统新增加的链路节点，它主要承担如下功能：接收基站发送的下行链路数据，然后把数据转发给移动台；接收移动台发送的上行链路数据，然后把数据转发给基站。在引入中继节点以后，移动台可以通过两种链路建立与基站之间的通信，一种是MS-BS，即移动台直接将数据发送给基站，这种链路与传统蜂窝系统链路相同，适用于移动台和基站信号质量较好的情况；一种是MS-RS-BS，移动台首先将数据传递给中继节点，中继节点再将这些数据转发给基站，在此过程中，中继节点并不产生新的数据业务，但会生成相关的控制信令以完成数据业务的传输。这种链路模式适用于移动台和基站通信链路质量较差的情况。由于中继设备功能要比基站简单，覆盖范围也比基站小，因此，复杂性就比较小，设备投入成本也比基站少得多。

根据中继节点在小区中的物理位置不同，可以对中继节点划分为：固定中继节点、移动中继节点和游牧中继节点。本文主要以固定中继节点展开介绍。

中继蜂窝网络的应用场景主要适用如下几种情况：用于延伸基站的服务范围；用于优化系统容量；用于消除覆盖阴影区或死区；用于小区间负载平衡[4]。

2 频谱分配方案

2.1 帧结构

本方案所采用的系统帧结构如图2所示，单跳链路和多跳链路通过时分复用避开相互间的干扰，单跳链路和两跳链路的发射节点分别占用T1时隙和T2时隙发射信号。为避免相邻小区的基站和中继节点对多跳移动台产生较大的干扰，把两跳链路的频率资源通过正交频分均分为3等份，分别分配给处于同一个区群的3个小区中的中继节点，为充分利用无线时频资源，系统不再单独分配资源给链路BS-RS。在两跳链路的第一条链路中，基站将复用相邻小区中继节点的时频资源来完成链路的数据传输。具体复用方式如图2所示，小区B的基站复用小区A中继节点的时频资源；小区C基站复用小区B中继节点的时频资源；小区A基站复用小区C中继节点的时频资源。

图3为小区A的六个中继节点和小区B的基站资源复用方式图，其他几个小区间基站和中继节点的资源复用方式与此类似，基站和中继节点之间共享的时频资源通过正交频分方式均分为6份，例如资源1，小区A中的链路RsA1-MS和小区B中的链路BSB-RSB1，其他5个资源依次类推。

图2 帧结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the frame

图3 两跳链路资源共享方式示意图Fig.3 Two-hop link resource sharing diagram

2.2 频谱分配

移动台如果以距离为路由选择，那么小区将被划分为两个区域，即内区域和外区域。如图1所示，内区域为基站的服务区，区域半径用R1表示，外区域为6个中继节点的服务区，在内区域，移动台直接与基站进行通信，否则它会利用最近的中继节点通过两跳方式完成与基站的通信。

假定系统带宽为B，小区移动台总数为N，单跳移动台个数为N1hop，两跳移动台个数为N2hop，小区半径为R，由于移动台在小区内均匀分布，所以单跳移动台和两跳移动台的分布比例与小区内区域和外区域的面积比例相同[5]，即：

分别给每个单跳移动台和两跳移动台分配等额的频谱带宽 B1hop和 B2hop，则：

为保证单跳移动台和两跳移动台之间的的公平性，给单跳移动台和两跳移动台分配相同的时频资源，即：

由式（1）和式（2），式（3）式（4）可得到：

3 基站功率控制

由于在两跳链路中，相邻小区的基站复用本小区中继节点的资源，由于基站的发射功率一般大于中继节点的发射功率，加之两跳移动台多分布在小区边缘，这必将导致相邻小区中同频基站对本小区两跳移动台造成过大的同频干扰，甚至造成移动台无法同中继节点之间建立通信。为了解决这一问题，对基站的发射功率进行相应的控制：在T1帧内，基站以大功率PT1发射信号与单跳移动台通信，而在T2帧内，基站则以小功率PT2发射信号与中继节点通信[6]。

假定两跳链路中，链路BS-RS在一帧内平均传输数据量为 RBS-RS，平均频谱效率为 τBS-MS，如图 3所示，两跳链路的带宽均为 B2hop，则有

两跳链路最终的传输数据量由传输数据量最小的那一跳链路决定，即

由于链路BS-RS中信号链路衰减较小，信号到达中继节点时仍可保持较高的信号强度，因此即使基站在T2帧内进行功率控制，以较小的功率进行信号的发射也完全可以满足下一跳链路RS-MS的数据传输要求，同时由于相邻小区中基站在T2帧内也是以小功率进行发射，加之它的干扰信号在传输过程中有较大的衰落，所以它对本小区链路RS-MS的干扰已经下降了很多。

通过以上分析：控制基站在T1和T2时隙内分别采用不同的功率进行发射，可以保证两跳链路的链路吞吐量的条件下，有效缓解系统在资源复用方案带来的系统干扰过大的问题。

[1]郭俊强，李成.移动通信[M].北京：北京大学出版社，2008.

[2]蔡跃明.现代移动通信[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3]张翰峰.宽带OFDMA系统无线资源管理技术研究[D].北京：北京邮电大学，2007.

[4]刘涛,戎蒙恬,史宏逵.中继蜂窝网中小区间和小区内的资源分配 [J].信息安全与通信保密,2007（3）：30-31.LIU Tao,RONG Meng-tian,SHI Hong-kui.Repeater small range of cellular and allocation of resources within the district[J].Information Security,2007（3）：30-31.

[5]席志红，晋野，李娅.认知无线电的频谱分配算法 [J].应用科技， 2010(2)：27-28.XI Zhi-hong,JIN Ye,LI Ya.Cognitive radio spectrum allocation algorithm[J].Applied Science and Technology,2010（2）：27-28.

[6]李平，戎蒙恬，薛义生.基于复用分割技术的两跳蜂窝网的频谱分配方案[J].东南大学学报：英文版，2007（2）：39-40.LI Ping,RONG Meng-tian,XUE Yi-sheng.Segmentation based on reuse of the two hop cellular spectrum allocation plan[J].Journal of Southeast University，2007（2） ：39-40.