基于無線中繼的寬帶接入模型研究

林曉冬

（南京市廣播電視大學(xué)，江蘇 南京 210002）

0 引言

基于傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的WiMAX網(wǎng)絡(luò)存在著一定的覆蓋問題，基站(BS，Base Station)的覆蓋范圍一般僅為2～5 km，且有效數(shù)據(jù)的傳輸速率隨著用戶與基站BS之間距離的增加而遞減，因此,那些位于BS覆蓋邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量很難得到保障，影響了系統(tǒng)的商用普及。目前無線網(wǎng)絡(luò)中采取的主要方法是增加基站密度或是在小區(qū)內(nèi)部署直放站的方法來改善覆蓋問題，然而前者成本較高而后者存在著有用信號和干擾信號被同時(shí)放大的問題。因此，需要一種新的部署方法來根本解決這些問題。

為了滿足短距離和廣覆蓋范圍的低損耗無線網(wǎng)絡(luò)的這一目標(biāo)，基于第二層（多跳）中繼節(jié)點(diǎn)(IEEE 806.16j)的部署概念似乎是最有前途的解決方案之一。

1 中繼技術(shù)簡介

多跳中繼技術(shù)就是通過利用結(jié)構(gòu)相對簡單、成本相對低廉的一個或多個中繼站(RS，Relay Station)在BS到用戶之間建立一條或多條輔助鏈路的方法，來對抗衰落，拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋，達(dá)到改善服務(wù)質(zhì)量，有效提高小區(qū)吞吐量，改善運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)信號傳輸質(zhì)量的目的。

IEEE802.16j標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種不同的中繼模式：透明中繼模式和非透明中繼模式[1]。

針對這兩種不同的中繼模式可以有兩種不同的調(diào)度模式：集中式調(diào)度模式和分布式調(diào)度模式。在集中式調(diào)度模式下，系統(tǒng)中所有用戶的資源分配和管理都是由BS完成；在分布式調(diào)度模式下，RS具有一定的自主權(quán)，能夠調(diào)度與其相關(guān)聯(lián)的移動臺(MS，Mobile Station)，但網(wǎng)絡(luò)中 MS的接入鑒權(quán)和許可仍然需要BS協(xié)助。

在圖1(a)的透明中繼模式中，RS安裝在基站覆蓋范圍邊緣或陰影效應(yīng)嚴(yán)重的區(qū)域，MS在基站的覆蓋范圍之內(nèi)，中繼不轉(zhuǎn)發(fā)幀信息（包括前綴，幀控制頭，下行/上行鏈路映射管理消息），只起放大和轉(zhuǎn)發(fā)所接收的信號的作用，MS感覺不到中繼的存在。透明中繼還必須與上行的基站同步。由于上述這些特征，這種中繼模式可以提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸速率，提升系統(tǒng)容量，為位于基站覆蓋邊緣和陰影效應(yīng)嚴(yán)重區(qū)域用戶提供具有一定服務(wù)質(zhì)量(QoS，Quality of Service)保障的服務(wù)。這種中繼結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜，只能運(yùn)行在集中調(diào)度模式中。

在圖1(b)的非透明中繼模式中，MS在基站的覆蓋范圍之外，而在中繼覆蓋范圍之內(nèi)，RS不僅放大和轉(zhuǎn)發(fā)所接收的信號，還和基站一樣轉(zhuǎn)發(fā)幀信息，MS把中繼當(dāng)作基站。因此，這種中繼模式可以擴(kuò)大覆蓋范圍，但是，發(fā)送幀信息會導(dǎo)致相鄰中繼的干擾，所以使用這種中繼來增加系統(tǒng)容量是有限的。非透明中繼可以運(yùn)行在集中式或者分布式調(diào)度模式，其結(jié)構(gòu)比透明中繼復(fù)雜。

圖1 中繼模式

中繼對信號的處理模式有三種轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制：放大轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制、解碼轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制和估計(jì)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。

2 系統(tǒng)模型和協(xié)議棧

2.1 寬帶接入網(wǎng)絡(luò)模型

圖2是基于IEEE802.16j的WiMAX的網(wǎng)絡(luò)參考模型[2]。由邏輯實(shí)體MS、RS、接入業(yè)務(wù)網(wǎng)(ASN，Access Service Network）和連接業(yè)務(wù)網(wǎng)（CSN，Connect Services Network）組成。其中CSN是WiMAX網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)絡(luò)，可以由AAA代理器、SERVER或者Internet網(wǎng)關(guān)等組成，CSN通過ASN- GW(網(wǎng)關(guān),GateWay)接入到ASN。ASN的主要作用是為網(wǎng)絡(luò)提供無線接入，ASN由ASN-GW和BS組成。圖中的移動臺MS可以直接通過ASN中的BS接入到網(wǎng)絡(luò)中，或者通過RS接入到網(wǎng)絡(luò)中。

與傳統(tǒng)的WiMAX網(wǎng)絡(luò)參考模型相比，此模型在MS和ASN功能實(shí)體中增加了RS模塊。其中，RS功能實(shí)體由中繼站組成，對ASN所發(fā)送的下行信號和MS所發(fā)送的上行信號作放大和轉(zhuǎn)發(fā)作用；R10參考點(diǎn)是由MS和RS之間相互連接的邏輯接口。主要負(fù)責(zé)RS和MS之間的信號傳輸；R9參考點(diǎn)是RS和ASN之間相互連接的邏輯接口。主要負(fù)責(zé)RS和ASN的信號傳輸。

圖2 基于IEEE 802.16j的WiMAX網(wǎng)絡(luò)參考模型

2.2 協(xié)議棧

WiMAX網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧如圖 3所示[3-4]，它由Data/Control Plane（數(shù)據(jù)控制平面）、Management Plane（管理平面）和Network Management System（網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)）組成。

數(shù)據(jù)控制平面的功能主要是保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。因此，數(shù)據(jù)控制平面除了要定義必要的傳輸外，還要定義一些控制機(jī)制來保障傳輸?shù)捻樌M(jìn)行。

管理平面與數(shù)據(jù)控制平面的功能實(shí)體相對應(yīng)。通過與數(shù)據(jù)控制平面實(shí)體的交互，管理實(shí)體可以協(xié)助外部的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)完成有關(guān)的管理功能。

圖3 WiMAX的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

其中，特定業(yè)務(wù)會聚子層:包括連接到上層的接口，主要功能是：

①分類和映射媒體訪問控制（MAC，Media Access Control）服務(wù)數(shù)據(jù)單元到合適的連接標(biāo)識符，用來服務(wù)質(zhì)量管理、路由和發(fā)送；

②基于分類處理高層協(xié)議數(shù)據(jù)單元；

③傳送會聚子層協(xié)議數(shù)據(jù)單元到合適的訪問點(diǎn)和接收來自于同等實(shí)體的會聚子層協(xié)議數(shù)據(jù)單元；

④凈荷頭抑制，在各自發(fā)送部分處理壓縮凈荷頭,在接收端恢復(fù)這些凈荷頭。

媒體訪問層公共部分子層：主要功能是兩個同等實(shí)體間的連接建立和管理、中繼信道管理和路由、網(wǎng)絡(luò)接入和初始化、上行/下行混合自動重傳請求、切換過程、組播和廣播服務(wù)、相鄰中繼站發(fā)現(xiàn)、帶寬分配調(diào)度和服務(wù)質(zhì)量管理。

安全子層：負(fù)責(zé)鑒權(quán),安全密鑰交換,和加密。

基于IEEE 802.16j的寬帶網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧在BS和MS之間增加了中繼，中繼新增加的作用是MS的接入和密鑰管理都是由中繼來完成。此協(xié)議棧在WiMAX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，在下兩層增加了中繼媒體訪問層和中繼物理層兩個功能實(shí)體，如圖4所示。

中繼媒體訪問層: 負(fù)責(zé)發(fā)送MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元的串聯(lián)和控制功能，例如調(diào)度、路由和服務(wù)流控制。也支持一般的MAC頭的使用。

中繼物理層:完成所有物理層的功能和過程。例如子信道化、解調(diào)、和對在基站和中繼之間或者中繼之間的連接的解碼。

圖4 基于 IEEE 802.16j的協(xié)議棧

3 仿真分析

設(shè)想在一個蜂窩小區(qū)中，蜂窩網(wǎng)絡(luò)的半徑為1 000 m，在特定的某個點(diǎn)處有個移動臺，移動臺移動速度為1～25 m/s,現(xiàn)采用圖5的多跳中繼接入和單跳直接連接兩種方式進(jìn)行連接，中繼半徑為100 m，用戶符合泊松分布，每人通話時(shí)間為100 s，每人重復(fù)5次，每次人數(shù)按50人遞增，仿真時(shí)間為300 s，切換次數(shù)仿真5次，比較其掉話率。

圖5 兩種小區(qū)接入模型

圖6為選用了十個點(diǎn)做仿真的用戶數(shù)和掉話率的仿真結(jié)果。

結(jié)果顯示：有中繼接入的掉話率明顯較無中繼的小，且隨著系統(tǒng)用戶數(shù)量的增加，有中繼的掉話率呈下降趨勢，從0.02下降為0.01，和無中繼掉話率的差值也越來越大，只有無中繼的1/4左右?？梢?，中繼接入和單跳接入相比，掉話率得到了很大的改善。所以中繼接入提供了較好的用戶服務(wù)質(zhì)量，具有普通的單跳接入所不具有的優(yōu)勢。中繼接入還具有低成本、能擴(kuò)大覆蓋范圍和系統(tǒng)容量的優(yōu)點(diǎn)。由此可見，在傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中加入中繼站是切實(shí)可行的，有著較好的發(fā)展前景。

圖6 掉話率仿真結(jié)果比較

4 結(jié)語

經(jīng)過對中繼技術(shù)的分析和進(jìn)行仿真對比，可以看出，基于IEEE802.16j的無線中繼寬帶網(wǎng)絡(luò)接入模型，不僅可以擴(kuò)展系統(tǒng)的范圍，增加系統(tǒng)的容量，提升系統(tǒng)性能和服務(wù)質(zhì)量，而且可以降低系統(tǒng)的安裝和維護(hù)成本，是一種非常有前途的無線網(wǎng)絡(luò)部署的方法之一。但是,新技術(shù)的發(fā)展業(yè)面臨著許多新的問題,如與單跳系統(tǒng)相比，切換變得更加復(fù)雜；中繼增加了網(wǎng)絡(luò)新的時(shí)延；運(yùn)行在集中調(diào)度模式的透明和非透明中繼需要很復(fù)雜的基站；運(yùn)行在分布調(diào)度模式的非透明中繼結(jié)構(gòu)也相當(dāng)復(fù)雜；如何對小區(qū)的頻譜資源進(jìn)行更加公平合理的分配等問題，都需要在以后的實(shí)踐中去不斷研究和解決。

[1] PETERS S W,HEATH R W.The Future of WiMAX: Multihop Relaying with IEEE 802.16j[J].Communications Magazine IEEE,2009,47(01): 104-111.

[2] GENC V,MURPHY S,YANG Yu,et al.IEEE 802.16J Relay-Based Wireless Access Networks: an Overview[J].Wireless Communications IEEE, 2008,(15)05: 56-63.

[3] IEEE Std 802.16-2009:C1-2004.IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16: Air Interface for Broadband Wireless Access Systems[S].

[4] WALKE B H,WIJAYA H,SCHULTZ D C.Layer 2 Relays in Cellular Mobile Radio Networks[C].Melbourne: IEEE Vehicular Technology Conference, 2006:81-85.