多跳回程網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)的資源分配方案研究

楊洪濤，劉業(yè)輝，宋玉娥，孫社文，劉 麟

（1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院 北京 100042；2.石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 石家莊 050021）

1 引言

無線多跳網(wǎng)絡(luò)作為無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的下一個(gè)演進(jìn)方向，得到了業(yè)界的重視。多跳網(wǎng)絡(luò)與其他基于非競(jìng)爭的無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相比，具有更加可行和有效的優(yōu)勢(shì)。非競(jìng)爭的無線網(wǎng)絡(luò)包括WiMAX（worldwide interoperability for microwave access，全球微波互聯(lián)接入）[1]、LTE（long term evolution，長 期 演 進(jìn)）[2]、HSPA（high speed uplink packet access，高速上行鏈路分組接入）[3]等，這類網(wǎng)絡(luò)有很好的無線資源管理機(jī)制來避免干擾，并且可以更加有效地利用無線資源。由于同步和其他干擾等因素，單純的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)很難在這類網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)。

WiMAX和LTE都已經(jīng)建立了中繼工作組，研究如何在接入小區(qū)中建立多跳回程網(wǎng)絡(luò)。服務(wù)提供商也在部署WiMAX，以便更好地提供無線寬帶連接。IEEE 802.16j標(biāo)準(zhǔn)工作組也在重點(diǎn)關(guān)注多跳中繼網(wǎng)絡(luò)，以便在WiMAX移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行多跳通信。在非競(jìng)爭無線網(wǎng)絡(luò)中，用戶與中繼通信，而不直接與基站通信[4,5]。

LTE-A的中繼系統(tǒng)也是采用類似方式[6,7]，中繼實(shí)現(xiàn)的功能基本上是節(jié)點(diǎn)的回程功能和接入功能。基于無線回程的LTE方案有兩種——帶內(nèi)回程和帶外回程。帶內(nèi)回程網(wǎng)絡(luò)與接入網(wǎng)絡(luò)共享無線網(wǎng)絡(luò)資源，如LTE帶內(nèi)中繼和IEEE 802.16j。帶外回程網(wǎng)絡(luò)不與接入網(wǎng)絡(luò)共享資源，而是使用獨(dú)立的無線資源。本文將對(duì)帶內(nèi)多跳中繼網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究。

[8]對(duì)市區(qū)的帶內(nèi)中繼的覆蓋和容量進(jìn)行了仿真，基于此，本文深入地闡述了不同業(yè)務(wù)量密度下小區(qū)真實(shí)的吞吐量和小區(qū)半徑的關(guān)系。參考文獻(xiàn)[9]闡述了郊區(qū)的中繼實(shí)際性能，基于該參考文獻(xiàn)的參數(shù)設(shè)置，本文詳細(xì)地描述了低業(yè)務(wù)量密度區(qū)域的中繼情況。

本文構(gòu)建了OFDM（orthogonal frequency division multiplexing，正交頻分復(fù)用）兩跳中繼網(wǎng)絡(luò)，這種方式可以覆蓋LTE、WiMAX等無線網(wǎng)絡(luò)；研究了不同的小區(qū)半徑、信道狀態(tài)和中繼方案下的回程網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)之間無線資源分配方法；比較了帶內(nèi)中繼和帶外中繼的性能。

2 系統(tǒng)模型

接入網(wǎng)絡(luò)和回程網(wǎng)絡(luò)共享無線網(wǎng)絡(luò)資源，為了避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，高效的無線網(wǎng)絡(luò)資源管理是非常必要的。無線網(wǎng)絡(luò)資源分配方法通常包括動(dòng)態(tài)分配方法和靜態(tài)分配方法兩種，相比較而言，動(dòng)態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)資源更有效。在動(dòng)態(tài)分配方法中，系統(tǒng)獲得接入網(wǎng)絡(luò)/回程網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和信道的統(tǒng)計(jì)信息后，計(jì)算接入網(wǎng)絡(luò)和回程網(wǎng)絡(luò)的無線網(wǎng)絡(luò)資源。為了避免擁塞，減少回程網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)分配資源的不平衡，假設(shè)采用一個(gè)理想的無線資源動(dòng)態(tài)分配方案。在此方案中，基站可以實(shí)時(shí)獲取所有鏈路的瞬時(shí)信道信息，根據(jù)實(shí)時(shí)鏈路狀態(tài)調(diào)整無線資源分配粒度。

本文研究兩跳中繼網(wǎng)絡(luò)的配置方案。中繼方案1是傳統(tǒng)方案，不同的中繼回程鏈路使用正交資源；中繼方案2的中繼回程鏈路利用SDMA（space division multiple access，空分復(fù)用接入）技術(shù)節(jié)省無線資源，即同一個(gè)無線資源在不同回程鏈路上被空間復(fù)用。

2.1 中繼方案1

圖1為中繼方案1的小區(qū)部署架構(gòu)，所有基站或中繼都位于六邊形小區(qū)的中心，中心小區(qū)為出口小區(qū)，出口小區(qū)周圍的6個(gè)小區(qū)被稱為第一層小區(qū)，第一層小區(qū)周圍的12個(gè)小區(qū)組成第二層小區(qū)。連接出口小區(qū)和第一層小區(qū)的回程鏈路為第一跳回程，連接第一層小區(qū)和第二層小區(qū)的回程鏈路為第二跳回程。為了有更多的回程流量，第一跳回程鏈路比第二跳回程鏈路占用更多的無線網(wǎng)絡(luò)資源，圖中較粗的回程線條代表占用更多的無線資源。19個(gè)小區(qū)的接入業(yè)務(wù)量集中回傳給出口小區(qū)。通常，這個(gè)無線回程網(wǎng)絡(luò)出口小區(qū)通過光纖繼續(xù)回傳網(wǎng)絡(luò)流量給核心網(wǎng)絡(luò)。接入網(wǎng)絡(luò)和回程網(wǎng)絡(luò)分別有3個(gè)子載波，該方案的OFDM子載波分配情況如圖2所示，不同的回程鏈路使用正交的無線資源。

圖1 中繼方案1的小區(qū)結(jié)構(gòu)

圖2 中繼方案1的OFDM子載波分配情況

2.2 中繼方案2

圖3 為中繼方案2的小區(qū)部署構(gòu)架，與圖1的區(qū)別是不同的回程鏈路通過空分復(fù)用，共享相同的OFDM子載波資源，中繼方案2的OFDM子載波分配情況如圖4所示。

2.3 系統(tǒng)模型分析

假設(shè)每個(gè)小區(qū)具有相同的用戶密度，每個(gè)用戶有相同的業(yè)務(wù)量密度要求（通過香農(nóng)容量計(jì)算），所有小區(qū)都滿負(fù)荷。顯然，越是接近出口小區(qū)的小區(qū)，對(duì)回程鏈路的要求越高，因?yàn)樵撔^(qū)不僅要回傳自身的業(yè)務(wù)量，還要回傳其子節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)量。因此，越是靠近出口小區(qū)的小區(qū)越會(huì)消耗更多的無線網(wǎng)絡(luò)資源。

圖3 中繼方案2的小區(qū)結(jié)構(gòu)

圖4 中繼方案2的OFDM子載波分配

假設(shè)所有小區(qū)的小區(qū)半徑為r，接入鏈路和回程鏈路的路徑損耗指數(shù)分別為γA和γBH，載波頻率為fc。d是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離，d0是參考距離，Xσ為一個(gè)零均值的高斯分布隨機(jī)變量。

則接入網(wǎng)絡(luò)的路徑損耗為：

回程網(wǎng)絡(luò)的路徑損耗為：

仿真分析采用的系統(tǒng)參數(shù)見表1。

由于下行鏈路總會(huì)有較高的功率和吞吐量，因此本文只針對(duì)下行鏈路展開分析。

3 仿真結(jié)果分析

本文搭建了一個(gè)靜態(tài)的系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái)，并用蒙特卡洛方法進(jìn)行仿真[10]。利用香農(nóng)信道容量公式，計(jì)算接入網(wǎng)絡(luò)和回程網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

表1 仿真分析的系統(tǒng)參數(shù)

3.1中繼方案1的仿真結(jié)果

假設(shè)接入鏈路發(fā)射功率和回程鏈路發(fā)射功率分別為PA和PBH，噪聲功率為N，接入帶寬為BA，第二層小區(qū)的回程帶寬為BBH，接入鏈路天線增益和回程鏈路天線增益分別為GA和GBH。第二層小區(qū)中，為了平衡接入網(wǎng)絡(luò)和回程網(wǎng)絡(luò)的資源，需要滿足：

由圖1可知，第一層的回程鏈路將傳送自身業(yè)務(wù)和其子小區(qū)的業(yè)務(wù)，即它要回傳3個(gè)小區(qū)的業(yè)務(wù)量，因此第一層小區(qū)的回程帶寬為3BBH。

假定總帶寬為B，則：

由于很難得到式（3）左側(cè)表達(dá)式的結(jié)果，因此本文采用靜態(tài)系統(tǒng)級(jí)仿真器進(jìn)行蒙特卡洛仿真[10]。當(dāng)B=10 MHz時(shí)，根據(jù)蒙特卡洛仿真有：

則接入帶寬和第二層回程帶寬滿足：

根據(jù)式（4），可以得到BA=2.18 MHz和BBH=0.692 2 MHz。

出口小區(qū)、第一層小區(qū)和第二層小區(qū)的接入資源相同，均為BA。從第一層小區(qū)到出口小區(qū)的第一跳回程鏈路需要帶寬3BBH。從第二層到第一層的第二跳回程鏈路需要帶寬BBH。由此，計(jì)算出不同參數(shù)下的接入帶寬和回程帶寬。

圖5比較了中繼方案1在不同接入路徑損耗指數(shù)情況下，小區(qū)半徑與總接入帶寬在總帶寬中占比的關(guān)系。從圖5可以看出，隨著接入路徑損耗指數(shù)的增大，總接入帶寬在總帶寬中的占比變大，即接入資源的需求變大。

圖5 中繼方案1中總接入帶寬在總帶寬中的占比

3.2 中繼方案2的仿真結(jié)果

在第二層小區(qū)中，為了獲得接入鏈路和回程鏈路的資源平衡，需要滿足：

根據(jù)圖3可得：

類似地，使用蒙特卡洛仿真，得到式（8）左側(cè)表達(dá)式的結(jié)果。

由式（9）中的等號(hào)得到BA=2.53 MHz，BBH=0.803 47 MHz。

圖6比較了中繼方案2在不同接入路徑損耗指數(shù)情況下，小區(qū)半徑與總接入帶寬在總帶寬中占比的關(guān)系，圖6得到與圖5相似的結(jié)論。

3.3 仿真結(jié)果分析

從圖5和圖6可以看出，接入網(wǎng)絡(luò)的信道狀態(tài)越差（即路徑損耗指數(shù)越大），接入帶寬在總帶寬的占比越多，回程網(wǎng)絡(luò)所占帶寬越少。如果小區(qū)半徑很大，接入帶寬幾乎占據(jù)帶寬的全部。

圖6 中繼方案2中總接入帶寬在總帶寬中的占比

如果接入鏈路狀態(tài)較好（γA=3），即路徑損耗指數(shù)較低，隨著小區(qū)半徑的增大，接入帶寬和總帶寬的占比也會(huì)增加，達(dá)到峰值后，該占比將減小。這是因?yàn)樾^(qū)半徑越大，多跳回程路徑損耗增加得越快，同時(shí)需要的帶寬越多。中繼方案1中的峰值出現(xiàn)在小區(qū)半徑為4 km處，峰值為0.46；中繼方案2的峰值出現(xiàn)在小區(qū)半徑為4.5 km處，峰值為0.6。在不同信道狀況下，多跳回程網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)之間的無線網(wǎng)絡(luò)資源分配結(jié)果也不同。

若接入網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)量密度是D，則每個(gè)小區(qū)的接入業(yè)務(wù)量需求為圖7給出了不同業(yè)務(wù)量密度和不同方案的小區(qū)容量與小區(qū)半徑的關(guān)系。無帶內(nèi)回程的傳統(tǒng)小區(qū)可以是帶外無線回程網(wǎng)絡(luò)，也可以是有線回程網(wǎng)絡(luò)，傳輸可以采用光纖、ATM等。只有小區(qū)吞吐量比真實(shí)的業(yè)務(wù)量大時(shí)，用戶通信才可以得到滿足。因此，D取不同值時(shí)的仿真曲線與其他3個(gè)方案的小區(qū)容量曲線的交點(diǎn)，即為不同方案下的小區(qū)最大覆蓋半徑，具體值見表2。

圖7 吞吐量和小區(qū)半徑的關(guān)系

表2 不同業(yè)務(wù)量密度的最大覆蓋半徑

表3 覆蓋100 km2的特定區(qū)域需要的基站數(shù)量

在不同的業(yè)務(wù)量密度下，覆蓋100 km2的特定區(qū)域需要的基站或中繼數(shù)量見表3。

從表3可以看出，中繼方案1和中繼方案2（帶內(nèi)回程網(wǎng)絡(luò)）更適合農(nóng)村或業(yè)務(wù)量密度較低的區(qū)域，接入點(diǎn)數(shù)量也與傳統(tǒng)小區(qū)相近。在市區(qū)/城鎮(zhèn)，中繼方案1和中繼方案2對(duì)基站數(shù)量的要求比傳統(tǒng)小區(qū)多，成本和切換開銷也會(huì)相應(yīng)地增多，但是中繼方案2對(duì)基站需求的數(shù)量比中繼方案1少，這說明多跳回程網(wǎng)絡(luò)中的空分多址技術(shù)是節(jié)省無線網(wǎng)絡(luò)資源的有效方法?？辗侄嘀芳夹g(shù)可以顯著提高天線增益，使得功率控制更加合理、有效，從而提升系統(tǒng)容量。在農(nóng)村或半鄉(xiāng)村地區(qū)，空分多址技術(shù)的作用不明顯，中繼方案2甚至和傳統(tǒng)小區(qū)需要的基站數(shù)量相同。

4 結(jié)束語

本文以O(shè)FDM非競(jìng)爭的頻帶內(nèi)多跳系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析了兩個(gè)中繼方案的多跳回程網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)的資源分配方案。仿真表明，如果接入網(wǎng)絡(luò)的信道狀態(tài)比回程網(wǎng)絡(luò)更差，則接入網(wǎng)絡(luò)將隨著小區(qū)半徑的增加而占有更多資源。如果回程網(wǎng)絡(luò)與接入網(wǎng)絡(luò)有類似的信道狀態(tài)，則隨著小區(qū)半徑的增加，接入網(wǎng)絡(luò)會(huì)占用更多資源，但是到達(dá)峰值后其占用的資源將隨著小區(qū)半徑的增加而持續(xù)減少。

多跳回程網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用空分多址技術(shù)將節(jié)省無線網(wǎng)絡(luò)資源，并通過中繼可以覆蓋更大的區(qū)域，該技術(shù)在城市地區(qū)比在農(nóng)村地區(qū)更有效。研究表明，帶內(nèi)中繼更適合低業(yè)務(wù)量密度的區(qū)域。

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