ofdma多跳中继蜂窝网络高效资源分配与优化的研究

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文第1页第一章绪论1．1研究课题的背景和意义IP化、扁平化正在成为未来无线通信网络的主要特征，而分布式无线通信技术则是推动这一趋势的强劲动力【l】。扁平化的趋势使无线网络的发展越来越趋向于类似Intemet～样的网状结构，而不再是传统分层的树型结构。中继、Mesh等分布式无线通信技术逐渐成为未来分布式无线网络的重要支撑技术。在下一代移动通信系统中，随着用户对系统容量和数据速率要求的提升，以中继来增强蜂窝系统正成为人们所关注的热点[2·51。第四代(4G)移动通信系统的一个突出特点就是能够满足用户的高速率业务需求，这

2、给下一代无线通信系统的容量要求带来了巨大挑战【6】。不管是LTE—Advanced还是IEEE802．16m系统，其授权频段都在2GHz以上，因为2GHz及以下频段已经被现有的第二代(2G)和第三代(3G)移动通信系统所占用，随着使用频率的上升，无线信号将会遭受更加严重的路径损耗和信道衰落。由于基站和移动台发射功率的限制以及信号衰落的增加，现有蜂窝网络只能在一定范围内提供高速数据业务，小区边缘用户的服务质量较差。而且，城市环境中的障碍物以及随机的频率选择性衰落导致了信号在小区中某些区域内很差甚至会形成覆盖的盲区。为了满足4G系统需求，克服上述

3、问题带来的影响，一个解决方案就是提高基站(BaseStation，BS)和移动台(MobileStation，MS)的发射功率或是增加基站的密度。但是发射功率的增加，又会导致更加严重的小区间干扰，从而限制了系统容量的提升。而且大量布置BS和提升BS的发射功率，需要运营商投入更多的资金进行基础设施建设和运营维护，运营商的运维成本大大增加。如果说用户数量的增长和所要求布置的基站数目的增长程度相近，那么增加Bs所带来的成本，运营商是可以从新增用户身上取得的，但是目前的趋势是用户量的增长趋缓，但是其所要求的数据速率的增长趋强，这就意味着用增加BS的数

4、目来满足这种需求已经不能带来巨大利益，所以人们希望有一种更好的手段来解决这些问题。近年来，一种新型的网络结构正被人们广泛关注，即多跳中继蜂窝网络(multi．hoprelaycellularnetwork，MRCN)[7-9]o在多跳中继蜂窝网络中，～种低成本的新型网元中继站(RelayStation，RS)被引入到单跳蜂窝网络中，RS的引入正好可以很好的解决上述问题⋯31。很多研究工作已经证明了中继技术在提升小区边缘用户吞吐量‘14-Ⅲ、改善小区覆盖能力【17‘2们、节能【211等方面的显著成效。中继技术的作用毋庸质疑，最近两种4G技术LT

5、E—Advanced和WiMAX均将其纳西南交通大学硕士研究生学位论文第2页入到自己的标准中∞】，如3GPPR9t23ⅧIEEE802l嘶／mt24a5]。尽管多跳中继传输拥有诸多优点．但是其也为此付出了一定的代价：与单跳网络相比，系统必须分配额外的中继资源给Rs。在传统单跳蜂窝网络中只分配一跳链路资源即可完成的通信，在多跳中继传输中却需要分配多跳链路的资源才能完成．大量的额外资源必须分配给中继链路使用。众所周知，在无线系统中，频率资源的多少与分配方式从很大程度上决定了系统的容量，频率资源的分配问题是无线系统的关键问题之一。面对日益紧缺的频谱

6、资源，MRCN中额步}中继资源的使用又加剧了系统对频率资源的需求压力。有效的频率资源复用方案是解决这个问题的方法之一。LTE．Advanced和IEEE802】6m都渐渐倾向于研究复用园子为1的频率复用方案，频率复用程度将达到上限，Rs的引入会为系统带来更加复杂的干扰情况。为了抑制干扰，如果从分配给Bs的频率资源中分出～部分给Rs使用，那么系统实际可用的资源将减少：如果Rs复用Bs的频率资源，那么系统干扰叉会非常严重，反而可能会导致网络性能的下降。如何在MRCN中为Bs和Rs分配频率资源，在有效抑制系统干扰的同时又能优化系统的资源利用效率就显

7、得非常重要。在现有的多跳中继网络标准中阱l，系统还存在数据传输路径不优的问题，这也会给中继资源的使用带来巨大浪费。比如说，对于同一RS覆盖下的两个MS(MSI和MS2)而言，如果两者需要相互通信，如图卜l所示，在现有标准中，其通信过程为：MSl÷'RS付BS<-->RS÷÷MS2，即MSl先将数据传输给RS，然后Rs将数据转发给Bs，Bs再将同样的数据传回给此RS，最后Rs再将数据转发给MS2，这样来完成MSI和MS2间的通信。很明显，同样的数据在BS一¨．RS链路上的来回传输给系统资源造成了极大地浪费，现有标准中的数据传输模式和中继资源分配

8、方式还可吐做进一步的优化。如果数据不再需要上传给Bs，而是通过MSI÷÷Rs+÷Ms2这样的方式，即本地转发(10calforwarding)数据传输模式进行传输，