兩跳中繼CDMA蜂窩系統(tǒng)的上行鏈路容量分析

魯蔚鋒，吳蒙

（1.南京郵電大學(xué) 計算機學(xué)院，江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003）

1 引言

由于 CDMA的靈活性和更高的性能優(yōu)勢，它已經(jīng)被作為cdma2000和UMTS系統(tǒng)的接入方法。在 CDMA蜂窩系統(tǒng)中，小區(qū)中所有用戶在同一時間內(nèi)使用相同的頻率信道，并且擴頻機制被用于區(qū)分不同用戶的信號。然而，由于 CDMA系統(tǒng)所用到的擴頻碼序列很難實現(xiàn)完全正交，而且根據(jù)移動通信信道因多徑傳播會引起時延擴展以及具有多普勒頻移等特性，可以說擴頻序列之間根本不可能達到完全正交，所以各用戶的擴頻信號之間必然存在一定的相關(guān)性，這就是 CDMA系統(tǒng)中存在多址干擾（MAI, multiple access interference）的根源。由于CDMA系統(tǒng)是一個干擾受限的系統(tǒng)，因此MAI成為影響系統(tǒng)容量和性能提高的主要因素[1]。一種直接增加系統(tǒng)容量的方法是增加更多的小區(qū)數(shù)量，但是隨著小區(qū)數(shù)量的增加，將會大大增加網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的開銷。因此，需要尋找其他具有較低開銷和復(fù)雜性的增強技術(shù)。許多技術(shù)已經(jīng)被提出通過消除小區(qū)內(nèi)干擾來增加系統(tǒng)的上行鏈路容量，例如多用戶檢測、波束形成和小區(qū)扇區(qū)化等技術(shù)[2]。但是所有這些技術(shù)的一個主要限制因素是小區(qū)間干擾[3]。在典型的蜂窩系統(tǒng)中，基站處的小區(qū)間干擾數(shù)值為小區(qū)內(nèi)干擾的50%到100%。

目前已經(jīng)有許多研究組織考慮在無線網(wǎng)絡(luò)中使用多跳中繼的方法來提高傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的性能[4]。與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的一跳傳輸相比，多跳傳輸所獲得的容量增益來自于采用多跳中繼后數(shù)據(jù)傳輸中路徑損耗的減少。由于在小區(qū)邊緣的活動用戶將會對鄰居小區(qū)產(chǎn)生很大的干擾，采用多跳中繼結(jié)構(gòu)可以減小傳統(tǒng)CDMA蜂窩系統(tǒng)所需的高功率信號強度，因此降低了其他小區(qū)中相鄰信道的MAI，從而增加了系統(tǒng)的容量[5]。然而，為了在不同的跳上傳輸數(shù)據(jù)，多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)需要更多的無線資源。在文獻[6]所提出的中繼方法中，在一條路由路徑上的不同跳之間以 TDD模式共享著無線信道資源，可以認為這是一種帶內(nèi)信道中繼的方法。目前已經(jīng)有文獻[7,8]對這種使用帶內(nèi)信道中繼方法的多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)進行了性能分析，分析結(jié)果表明在 CDMA蜂窩系統(tǒng)中使用帶內(nèi)信道中繼方法所提高的性能增益是受到限制的。為了提供無處不在的無線業(yè)務(wù)，并在不同的頻段上與不同的無線系統(tǒng)進行通信，未來的移動站可能將會配置多個無線接口。例如，移動節(jié)點可能具有2個接口，一個用于3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)，另一個用于IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)移動站經(jīng)歷較差的信道環(huán)境時，它的數(shù)據(jù)可以通過使用高速率的WiFi接口與其他可以提供中繼的移動站進行轉(zhuǎn)發(fā)，這種實現(xiàn)方式被稱為帶外信道中繼的方法[9]。文獻[10]使用計算機仿真表明：當(dāng)多跳中繼 CDMA蜂窩系統(tǒng)使用帶外信道中繼的方法時，即使在兩跳中繼的方式下與傳統(tǒng) CDMA蜂窩系統(tǒng)相比，也可以在系統(tǒng)容量方面獲得較大的性能增益。

與文獻[10]相似，本文在傳統(tǒng)CDMA蜂窩系統(tǒng)中采用兩跳中繼和帶外信道的方式來提高系統(tǒng)的容量。此外，與文獻[11]中所分析可變數(shù)據(jù)速率兩跳中繼 CDMA蜂窩系統(tǒng)的下行鏈路容量相比，本文主要分析固定數(shù)據(jù)速率兩跳中繼 CDMA蜂窩系統(tǒng)的上行鏈路容量。本文在使用帶外信道進行流量中繼的情況下，提出了2種可以提高CDMA蜂窩系統(tǒng)上行鏈路容量的中繼方法，并分別得到了這 2種方法對當(dāng)前小區(qū)和鄰居小區(qū)總的干擾功率。為了方便計算上行鏈路容量的閉合形式解，介紹了一種兩跳中繼 CDMA蜂窩系統(tǒng)的小區(qū)系統(tǒng)模型，并分別得到了不同情況下各個小區(qū)中 CDMA上行鏈路容量的計算公式。最后通過數(shù)值計算對兩跳中繼CDMA蜂窩系統(tǒng)的上行鏈路容量進行分析，并討論了2種中繼方法對系統(tǒng)性能所產(chǎn)生的影響。

2 2種提高 CDMA系統(tǒng)上行鏈路容量的中繼方法

在本節(jié)中將提出2種提高CDMA蜂窩系統(tǒng)上行鏈路容量的中繼方法：中繼流量到鄰居小區(qū)和中繼流量到當(dāng)前小區(qū)。其中，中繼流量到鄰居小區(qū)的方法是指將小區(qū)邊緣地區(qū)的用戶流量通過兩跳中繼的方式轉(zhuǎn)移到鄰居小區(qū)中。而中繼流量到當(dāng)前小區(qū)的方法是指將小區(qū)邊緣地區(qū)的用戶流量通過兩跳中繼的方式轉(zhuǎn)移到當(dāng)前小區(qū)中離基站距離更近的地區(qū)中。提出設(shè)計這2種中繼方法的主要思想是根據(jù)部分用戶在小區(qū)中所處的位置，使它們通過兩跳中繼的方式與當(dāng)前或鄰居小區(qū)中的基站進行通信。在所提出的 2種中繼方法中都使用了帶外信道的中繼方式，系統(tǒng)中每個移動站（MS, mobile station）有2個無線接口，分別為蜂窩接口和ad hoc接口。當(dāng)MS通過蜂窩接口與基站（BS, base station）通信時，使用傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)頻段。而通過ad hoc接口與中繼站（RS, relay station）通信時，則使用與蜂窩網(wǎng)不同的頻段。下面分別將上述MS或RS與BS，以及MS與RS之間的通信鏈路稱為蜂窩鏈路和中繼鏈路。此外，假設(shè)中繼鏈路的容量要遠遠高于蜂窩鏈路，因此兩跳中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)的容量僅受到蜂窩接口干擾的限制。所以在本文中所分析的干擾功率是以蜂窩鏈路之間干擾為基礎(chǔ)，而忽略中繼鏈路之間的干擾。

為了便于分析，將使用具有圓形小區(qū)的 CDMA蜂窩系統(tǒng)模型來代替常用的六邊形小區(qū)模型[12]。假設(shè)Rs為圓形小區(qū)的半徑，Rc為六邊形小區(qū)的半徑。圖1給出了在無中繼方式下，基站所接收到干擾功率的圓形小區(qū)模型。從圖中可以看出，一個MS位于極坐標(biāo)為（r1,θ）的點N處，其中，它所在小區(qū)b的中心為坐標(biāo)原點O。由此可以得到它與鄰居小區(qū)c中心的距離r0為：假設(shè)系統(tǒng)中的用戶在每個小區(qū)覆蓋范圍中均勻分布，但是每個小區(qū)具有不同的用戶數(shù)量，例如 Kc表示為BSc所在小區(qū)的用戶數(shù)量。并且假設(shè)系統(tǒng)中不同小區(qū)的基站需要不同的接收功率，例如Pc表示為BSc的接收功率。

圖1 無中繼方式下干擾功率的圓形小區(qū)模型

只進行第1層干擾小區(qū)所引起的“小區(qū)外部干擾”計算，并且忽略快速和陰影衰落的影響，則可以獲得對小區(qū)c的外部干擾功率 Iinter_cell。

其中， b ∈Nc表示小區(qū)b為小區(qū)c的鄰居小區(qū)，n是衰退指數(shù)。此外，小區(qū)c的內(nèi)部干擾功率 Iintra_cell為小區(qū)內(nèi)部的Kc-1個用戶的干擾。

根據(jù)上述公式，可以獲得小區(qū)c總的干擾功率Itotal_cell為

2.1 中繼流量到鄰居小區(qū)的方法

圖 2給出的是在中繼流量到鄰居小區(qū)的方法下，基站所接收到干擾功率的圓形小區(qū)模型。在小區(qū)c中，可以通過使用兩跳中繼的方式將它位于小區(qū)邊緣的用戶轉(zhuǎn)移到鄰居小區(qū)中，例如圖2中的鄰居小區(qū)a和b。小區(qū)c中的MS可以通過中繼鏈路與鄰居小區(qū)中的RS進行通信，RS繼而使用蜂窩鏈路與本小區(qū)中BS進行通信。假設(shè)在小區(qū)c中，可以直接使用蜂窩鏈路與基站進行通信的MS所覆蓋范圍是以BSc為中心，R1為半徑的圓。那么位于內(nèi)徑為R1，外徑為Rs圓環(huán)區(qū)域中的MS可以通過中繼方式與鄰居小區(qū)中的BS進行通信。

圖2 中繼流量到鄰居小區(qū)方法下干擾功率的圓形小區(qū)模型

假設(shè)鄰居小區(qū)中的RS是均勻分布的，并且在小區(qū)c中可以使用中繼的每個MS和鄰居小區(qū)中的RS是一一對應(yīng)的。則小區(qū) c的外部干擾功率為

其中，式（5）右邊的第1項為小區(qū) c的鄰居小區(qū)中原有用戶對它的干擾。第2項為鄰居小區(qū)中與用于提供中繼功能的RS通信的用戶對小區(qū)c用戶的干擾。根據(jù)式（4）和式（5），可以獲得小區(qū) c總的干擾功率為

其中，式（8）右邊的前2項為小區(qū)b的鄰居小區(qū)中原有用戶對它的干擾。其中，第2項為在使用中繼方式的鄰居小區(qū)c中，半徑為R1的圓覆蓋范圍下用戶對小區(qū)b用戶的干擾。第3項為小區(qū)b的鄰居小區(qū)a中用于提供中繼功能的RS所在用戶對小區(qū)b中用戶的干擾。根據(jù)式（7）和式（8）可以獲得小區(qū)b總的干擾功率為

2.2 中繼流量到當(dāng)前小區(qū)的方法

圖3給出在中繼流量到當(dāng)前小區(qū)的方法下，基站處所接收到干擾功率的圓形小區(qū)模型。在小區(qū) c中使用了兩跳中繼的方式將它位于小區(qū)邊緣的用戶中繼到離本小區(qū)基站更近的位置。小區(qū) c中的 MS可以通過中繼鏈路與當(dāng)前小區(qū)中的 RS進行通信，RS繼而使用蜂窩鏈路與本小區(qū)中BS進行通信。從圖中可以看出小區(qū)c中被劃分為3個區(qū)域，分別為：以BS為中心，半徑為R2的圓所包含的區(qū)域為小區(qū)中MS直接與BSc進行通信的范圍；內(nèi)徑為R2，外徑為R3的圓環(huán)區(qū)域為MS可以使用兩跳中繼與BSc間接通信的范圍；內(nèi)徑為R3，外徑為Rs的圓環(huán)區(qū)域為MS無法使用兩跳中繼與BSc間接通信的范圍。

圖3 中繼流量到當(dāng)前小區(qū)方法下干擾功率的圓形小區(qū)模型

和無中繼方式下外部干擾功率計算一樣，小區(qū)c的外部干擾功率為

由于在小區(qū)c中使用兩跳中繼方式將部分小區(qū)邊緣的用戶流量轉(zhuǎn)移到靠近BSc附近的區(qū)域，所以小區(qū)c中可以使用中繼方式的用戶對小區(qū)b的干擾變成了提供中繼功能的RS所在用戶的干擾。此外小區(qū)b的外部干擾還包括小區(qū)c中直接和BSc通信用戶的干擾，以及小區(qū)b其他沒有使用中繼功能鄰居小區(qū)中用戶的干擾。所以小區(qū)b的外部干擾功率為

其中，式（14）右邊的第1項為沒有使用中繼功能的鄰居小區(qū)中用戶對小區(qū)b的干擾，第2項為使用了中繼功能的小區(qū)c中的用戶對它的干擾。根據(jù)式（13）和式（14）可以獲得小區(qū) b總的干擾功率為

3 兩跳中繼CDMA蜂窩系統(tǒng)上行鏈路容量的小區(qū)模型

由于在不對稱情況下，很難求得 CDMA上行鏈路容量的閉合形式解[13]。所以考慮在一個對稱的7小區(qū)CDMA蜂窩系統(tǒng)下，計算使用中繼功能系統(tǒng)可以獲得的上行鏈路容量。這里將上行鏈路容量表示為系統(tǒng)中小區(qū)可以容納的用戶數(shù)量。圖4給出了兩跳中繼CDMA上行鏈路容量的小區(qū)模型。小區(qū)0為使用了兩跳中繼功能的小區(qū)，在它覆蓋的范圍內(nèi)均勻分布著K0個移動用戶。而在以小區(qū)0為中心的第1層鄰居小區(qū)（小區(qū)1到6）中沒有使用中繼的功能，并且在每個鄰居小區(qū)中均勻分布著K1個移動用戶。為方便計算，假設(shè)不考慮在第2層以外的小區(qū)對這個7小區(qū)系統(tǒng)所帶來干擾的影響。假設(shè)在上行鏈路方向，使用中繼功能的小區(qū)0所在基站接收功率為P0。而由于對稱性，沒有使用中繼功能的其他小區(qū)所在基站接收功率為 Pb＝P1，其中，b＝2,…,6。根據(jù)上節(jié)的分析過程，在忽略快速和陰影衰落影響的情況下，可以獲得對稱小區(qū)模型下的各個小區(qū)總的干擾功率。

圖4 兩跳中繼CDMA上行鏈路容量的小區(qū)模型

1) 當(dāng)系統(tǒng)不具有中繼功能時，小區(qū)0和小區(qū)1總的干擾功率Ia和Ib分別為

2) 當(dāng)系統(tǒng)具有中繼功能，并采用第1種中繼方法時，小區(qū)0和小區(qū)1總的干擾功率Ia和Ib分別為

3) 當(dāng)系統(tǒng)具有中繼功能，并采用第2種中繼方法時，小區(qū)0和小區(qū)1總的干擾功率Ia和Ib分別為

由于寬帶編碼CDMA信號的帶寬值W?1/R，其中，R是信息比特率，干擾的功率譜密度I0可以用干擾功率除以頻譜帶寬得到，即Ia/W或Ib/W。接收信號比特能量Eb為P0/R或P1/R。由此可以獲得信號比特能量與干擾頻譜密度之比Eb/I0為

將式（16）～式（21）所獲得的各個小區(qū)的干擾功率代入式（22），通過公式變換便可以獲得小區(qū)0和小區(qū)1的CDMA上行鏈路容量K0和K1。

4 容量分析

本節(jié)將考慮在7小區(qū)模型基礎(chǔ)上，通過數(shù)值方法對兩跳中繼 CDMA蜂窩系統(tǒng)的上行鏈路容量進行分析。在小區(qū)模型中假設(shè)小區(qū)0為擁塞小區(qū)，而它的鄰居小區(qū)為非擁塞小區(qū)。這種類型的流量模型對應(yīng)著在某個城市地區(qū)存在著一個流量密度較大的熱點小區(qū)，并且流量密度隨著與小區(qū)中心距離的增加而逐漸下降。假設(shè)系統(tǒng)只考慮距離相關(guān)的路徑損耗模型，其中，衰退指數(shù)n=4。系統(tǒng)的傳輸帶寬W=5MHz，每個連接的傳輸信息比特率R=64kbit/s，并且系統(tǒng)所需求的Eb/I0=5(或7dB)。此外，當(dāng)系統(tǒng)采用第2種中繼方法時，假設(shè)R2=0.5Rs。

圖5給出了在第1種中繼方法中，小區(qū)0中可容納的K0與R1/Rs之間的關(guān)系，其中，R1/Rs為已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的無法獲得中繼輔助范圍的半徑。從圖中可以看出當(dāng)鄰居小區(qū)中的K1較小時，隨著R1/Rs的增加，K0將逐漸下降。這是由于當(dāng) K1較小時，在小區(qū)0中可以通過中繼的方式將更多的流量轉(zhuǎn)移到鄰居小區(qū)中。其中，當(dāng) R1/Rs=1.0時，為傳統(tǒng)無中繼CDMA蜂窩系統(tǒng)的情況。這時小區(qū)0中的用戶流量將無法中繼轉(zhuǎn)移到鄰居小區(qū)中，所以系統(tǒng)獲得了最低的K0。當(dāng)K1較大時，如當(dāng)K1=12時，K0剛開始隨著R1/Rs的增加而逐漸增加，當(dāng)R1/Rs增加到0.7時，K0達到最大值。隨后K0將隨著R1/Rs的增加而逐漸減小。這是由于當(dāng)R1/Rs較小時，小區(qū)0可以轉(zhuǎn)移更多的用戶流量到鄰居小區(qū)中。但是由于這時鄰居小區(qū)中的用戶數(shù)量已經(jīng)較大，所以轉(zhuǎn)移到鄰居小區(qū)的流量將會對小區(qū) 0產(chǎn)生較大的外部干擾功率。隨著R1/Rs的增加，雖然從小區(qū)0轉(zhuǎn)移到鄰居小區(qū)中的用戶數(shù)量逐漸減少，但是鄰居小區(qū)對小區(qū)0所產(chǎn)生的外部干擾功率也將會減少，所以K0將會逐漸增加。當(dāng)R1/Rs增加到0.7后，雖然小區(qū)0中可以轉(zhuǎn)移到鄰居小區(qū)的流量將越來越小，但是所產(chǎn)生的小區(qū)外部干擾功率要大于轉(zhuǎn)移流量所產(chǎn)生的內(nèi)部干擾功率，所以將會導(dǎo)致 K0逐漸減少。最后當(dāng)K1很大時，如當(dāng)K1=14時，K0將隨著R1/Rs的增加而逐漸增加。這是由于當(dāng)K1很大時，鄰居小區(qū)所產(chǎn)生的小區(qū)外部干擾功率也將會很大。但是隨著R1/Rs的增加，小區(qū)0中可以轉(zhuǎn)移的流量將逐漸減少，所產(chǎn)生的小區(qū)外部干擾功率也將會逐漸減少，從而增加了K0的大小。

圖5 第1種中繼方法中K0與R1/Rs的關(guān)系

圖6給出了在第1種中繼方法中，小區(qū)0中可容納的 K0與鄰居小區(qū)中 K1之間的關(guān)系。其中R1=1.0，Rs所描述的曲線為傳統(tǒng)無中繼CDMA蜂窩系統(tǒng)的情況。從圖中可以看出，K0隨著 K1的增加而逐漸減小。這是由于當(dāng)K1越大時，在鄰居小區(qū)中所產(chǎn)生的外部干擾功率對 K0的影響程度越大。當(dāng)R1/Rs=0.5時，在K1較小的情況下小區(qū)0可以獲得最大的K0。但是當(dāng)K1增加到11時，系統(tǒng)所獲得的K0將小于 R1/Rs=0.7情況下的數(shù)值大小。這是因為雖然具有較小R1的小區(qū)0可以將更多的流量轉(zhuǎn)移到鄰居小區(qū)中，但是當(dāng)K1增加到某個特定數(shù)值時[0]，鄰居小區(qū)對小區(qū) 0的外部干擾將成為影響 K0的主要部分。同樣當(dāng)K1增加到13時，系統(tǒng)所獲得的K0將小于R1/Rs=1.0情況下的數(shù)值大小。當(dāng)R1/Rs=0.7時，在K1較小的情況下K0的曲線變化比較平穩(wěn)。這是因為小區(qū)0中可以轉(zhuǎn)移到鄰居小區(qū)中的流量較小，所以鄰居小區(qū)對小區(qū)0產(chǎn)生的外部干擾功率也相對較小。當(dāng)K1增加到11以后，隨著鄰居小區(qū)所產(chǎn)生外部干擾功率的增大，導(dǎo)致K0下降的幅度也將會增大。從圖中可以看出當(dāng)K1較小時，使用中繼方式的小區(qū)0可以容納比無中繼情況下更多的K0。但是當(dāng)K1較大時，這種性能上的優(yōu)勢已經(jīng)不明顯了。隨著K1的進一步增加，當(dāng)鄰居小區(qū)已經(jīng)處于擁塞狀態(tài)時[0]，使用中繼方式的小區(qū)0所獲得的容量甚至要小于傳統(tǒng)CDMA蜂窩系統(tǒng)時的情況。所以在K1較小的情況下，隨著R1/Rs的減小，系統(tǒng)獲得小區(qū)0上行鏈路容量增加的效果將會更加明顯。

圖6 第1種中繼方法中K0與K1的關(guān)系

圖7給出了在第2種中繼方法中，小區(qū)0中可容納的K0與R3/Rs之間的關(guān)系，其中，R3/Rs為已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的可以獲得中繼輔助范圍的半徑。當(dāng)R3/Rs=0.5時，為傳統(tǒng)無中繼CDMA蜂窩系統(tǒng)的情況。隨著 R3/Rs的增加，小區(qū) 0中可以轉(zhuǎn)移的流量將逐漸增加。從圖中可以看出，當(dāng)K1較小時，如當(dāng)K1=5，隨著 R3/Rs的增加，K0將保持不變。這是由于當(dāng)K1較小時，鄰居小區(qū)對小區(qū)0所產(chǎn)生的外部干擾功率很小，因此 R3/Rs的增加不會對小區(qū)0上行鏈路的容量產(chǎn)生影響。當(dāng)K1較大時，如當(dāng)K1=10，隨著 R3/Rs的增加，K0一開始保持不變。當(dāng) R3/Rs繼續(xù)增加時，K0將會逐漸增加。這是因為當(dāng)鄰居小區(qū)的負載較大時，較小的 R3/Rs對應(yīng)著較小的流量轉(zhuǎn)移，所以鄰居小區(qū)對小區(qū)0所產(chǎn)生的外部干擾功率變化不大。但當(dāng)R3/Rs繼續(xù)增加時，由于在小區(qū)0中進行中繼轉(zhuǎn)移的流量將逐漸增大，因此所產(chǎn)生的外部干擾功率將會逐漸減少。當(dāng)K1很大時，例如當(dāng)K1=14，隨著R3/Rs的增加，K0將逐漸增加。從圖中可以看出，代表K0的曲線隨R3/Rs增加而上升的幅度最大。這是由于當(dāng)鄰居小區(qū)已經(jīng)處于擁塞狀態(tài)時，隨著 R3/Rs的增加，系統(tǒng)使用中繼功能而減少小區(qū)0外部干擾功率的作用將會更加明顯，從而可以有效提高小區(qū)0的上行鏈路容量。

圖7 第2種中繼方法中K0與R3/Rs的關(guān)系

圖8給出了在第2種中繼方法中，小區(qū)0中可容納的K0與鄰居小區(qū)中K1之間的關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)R3/Rs=1時，K0隨著K1的增加而保持不變。這說明即使在K1很大的情況下，使用中繼功能的小區(qū)0也可以容納很大的K0。但是當(dāng)R3/Rs＜1時，K0隨著K1的增加而減少。這是因為對于較小R3/Rs而言，在小區(qū)0中可以通過中繼轉(zhuǎn)移的流量將會減少。所以隨著K1的增加，鄰居小區(qū)對小區(qū)0產(chǎn)生的外部干擾功率作用更加明顯。同時從圖中可以看出隨著R3/Rs的逐漸減小，代表K0曲線下降的斜率將逐漸增大。這是由于R3/Rs越小，鄰居小區(qū)對小區(qū)0所產(chǎn)生的外部干擾功率越大，特別是在K1很大的情況下。其中，當(dāng)R3/Rs=0.5時，小區(qū)0可以容納的K0最少，這對應(yīng)著傳統(tǒng)無中繼CDMA蜂窩系統(tǒng)的情況。所以在K1很大的情況下，隨著R3/Rs的增加，通過中繼方式增加小區(qū)0上行鏈路容量的效果會更明顯。

圖8 第2種中繼方法中K0與K1的關(guān)系

5 結(jié)束語

本文在一種兩跳中繼 CDMA蜂窩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了2種使用帶外信道的中繼方法來減少系統(tǒng)產(chǎn)生的小區(qū)間干擾，從而有效提高系統(tǒng)的上行鏈路容量。其中，第1種中繼方法是通過兩跳中繼方式將小區(qū)邊緣的用戶流量轉(zhuǎn)移到鄰居小區(qū)中。而第2種中繼方法的系統(tǒng)是通過兩跳中繼方式將小區(qū)邊緣的用戶流量轉(zhuǎn)移到當(dāng)前小區(qū)中離基站較近的區(qū)域。通過分析可知：第1種中繼方法適用于鄰居小區(qū)負載較低，而當(dāng)前小區(qū)處于擁塞狀態(tài)時的情況。第2種中繼方法適用于鄰居小區(qū)負載較高，而當(dāng)前小區(qū)處于任何狀態(tài)時的情況。此外，在第2種中繼方法中，系統(tǒng)所增加的上行鏈路容量將最終受到?jīng)]有小區(qū)間干擾情況下單個小區(qū)容量的限制。下一步工作將研究兩跳方式下同時使用這2種中繼方法時對系統(tǒng)性能的影響，并對這種集成系統(tǒng)的下行鏈路容量增益情況進行分析。

[1] GILHOUSEN K S, JACOBS I M, PADOVANI R. On the capacity of a cellular CDMA system[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology,1991,40(2)∶303-312.

[2] RAPPAPORT T S. Wireless Communications, Principles and Practice[M]. New Jersey∶ Prentice Hall PTR, 2nd ed, 2002.

[3] VITERBI A J, VITERBI A M, GILHOUSEN K S. Soft handoff extends CDMA cell coverage and increases reverse link capacity[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1994, 12(8)∶128-1288.

[4] LE L, HOSSAIN E. Multihop cellular networks∶ potential gains, research challenges, and a resource allocation framework[J]. IEEE Magazine on Communications, 2007, 45(9)∶ 66-73.

[5] NOURIZADEH H, TAFAZOLLI R. Capacity improvement of WCDMA cellular systems through different relaying strategies[A].MWCN 2005[C]. Marrakech, Morocco, 2005. 121-127.

[6] ROUSE T, MCLAUGHLIN S, BAND I. Congestion-based routing strategies in multihop TDD-CDMA networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2005, 23(5)∶ 668-681.

[7] ZADEH A N, JABBARI B. Analysis and modeling of upstream throughput in multihop packet CDMA cellular networks[J]. IEEE Transactions on Communications, 2006, 54(4)∶ 680-692.

[8] RADWAN A, HASSANEIN H S. Capacity enhancement in CDMA cellular networks using multi-hop communication[A]. Proceedings of the 11th IEEE Symposium on Computers and Communications (ISCC 2006)[C]. 2006. 832- 837.

[9] WEI H Y, GITLIN R D. WWAN/WLAN two-hop-relay architecture for capacity enhancement[A]. IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC 2004)[C]. 2004. 225 -230.

[10] ZHAO D, TODD T D. Cellular CDMA capacity with out-of-band multihop relaying[J]. IEEE transactions on mobile computing, 2006,5(2)∶ 170-178.

[11] WEI H Y, GITLIN R D. Two-hop-relay architecture for next- generation WWAN/WLAN integration[J]. IEEE Magazine on Wireless Communications, 2004,11(2)∶ 24-30.

[12] KWOK M S, WANG H S. Adjacent cell interference analysis of reverse-link in CDMA cellular radio systems[A]. Proceedings of the Sixth IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC 1995)[C]. 1995, 11(2)∶446-450.

[13] TODD T D, ZHAO D. Cellular CDMA capacity in hotspots with limited ad hoc relaying[A]. Proceedings of the 14th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications(PIMRC 2003)[C]. 2003. 2828-2832.