基于方向性天線的中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源復(fù)用方案

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　　盡管第三代移動通信系統(tǒng)(3G)較第二代(2G)移動通信系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢，但它還存在網(wǎng)絡(luò)容量相對較小、傳輸速率不夠高、因特網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)困難、費(fèi)用相對昂貴等缺陷，因此，業(yè)界對第四代移動通信系統(tǒng)(4G)的研究便應(yīng)運(yùn)而生了。

　　在傳統(tǒng)的3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，移動臺與基站之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過無線連接直接完成的，也就是采用“單跳”方式傳輸數(shù)據(jù)的。如果第四代移動通信系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)數(shù)字蜂窩系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，就不可能滿足系統(tǒng)高速率的要求，因為無線信號的傳輸損耗與傳輸速率呈線性遞減關(guān)系，如此高的速率勢必對發(fā)射機(jī)的功率提出更高的要求，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的;同時，由于4G系統(tǒng)必將使用2G頻段以上的頻譜資源，而這些頻譜資源的無線信號均為非視距傳輸，顯著的信號衰減勢必導(dǎo)致十分明顯得遠(yuǎn)近效應(yīng)。

　　為了克服3G系統(tǒng)的缺點(diǎn)，必須對原有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。在此背景下，一種基于“多跳”技術(shù)的中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)得到業(yè)界廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是未來移動通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。中繼技術(shù)是在基站與移動臺之間增加了一個或多個中繼站(RS)，中繼站負(fù)責(zé)將無線信號做一次或多次轉(zhuǎn)發(fā)。

　　1 系統(tǒng)模型

　　1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

　　“兩跳”中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)模型與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)的差別在于每個小區(qū)內(nèi)增加了6個中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)分布在小區(qū)中心與頂點(diǎn)的連線上，距離小區(qū)中心距離為2R/3(R為小區(qū)半徑)。如圖1所示為小區(qū)的模型示意圖，該系統(tǒng)移動臺和中繼節(jié)點(diǎn)使用全向天線對信號進(jìn)行發(fā)射和接收，為了對整個小區(qū)完全覆蓋，每個小區(qū)的基站使用3個120°的定向天線，這樣，小區(qū)便被劃成3個扇區(qū)，分別用S1，S2，S3表示。

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　　1.2 天線系統(tǒng)

　　天線作為無線通信系統(tǒng)的基本設(shè)備之一，它是通過饋線與收發(fā)信機(jī)連接起來，主要承擔(dān)發(fā)射或者接收無線電磁波的任務(wù)，實(shí)質(zhì)是完成了電磁波和高頻電信號的能量轉(zhuǎn)換任務(wù)。根據(jù)天線的接收和發(fā)射方向來區(qū)分，天線可以分為全向天線和定向天線。

　　全向天線在水平方向圖上表現(xiàn)為360°都均勻輻射，全向天線在移動通信系統(tǒng)中一般應(yīng)用于郊縣大區(qū)制的基站，覆蓋范圍大頻率利用率低，用戶密度相對較小的情況;定向天線在水平方向圖上表現(xiàn)為有一定角度范圍輻射和一定寬度的波束，定向天線在移動通信系統(tǒng)中一般應(yīng)用城區(qū)小區(qū)制的基站，覆蓋范圍小，頻率利用率高，用戶密度較大的情況。

　　不同類型的收發(fā)設(shè)備根據(jù)通信的需要可選擇不同類型的天線。該方案的中繼蜂窩系統(tǒng)，基站采用120°的定向天線進(jìn)行信號覆蓋，移動臺和中繼節(jié)點(diǎn)采用全向天線。

　　1.3 資源分配

　　中繼節(jié)點(diǎn)的引入和基站方向性天線的使用，使系統(tǒng)的鏈路分布要比傳統(tǒng)的蜂窩系統(tǒng)更為復(fù)雜，中繼蜂窩系統(tǒng)中的每個小區(qū)有如下15條鏈路：

　　鏈路L1～L3分別為扇區(qū)S1，S2，S3內(nèi)BS-MS之間的通信鏈路;

　　鏈路L4～L9分別對應(yīng)BS和6個RS之間的通信鏈路;

　　鏈路L10～L15分別對應(yīng)MS和6個RS之間的通信鏈路。

　　系統(tǒng)的時頻資源被劃分為6部分，如圖2所示為系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)示意圖。

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　　時頻資源與15條鏈路之間的分配關(guān)系為：

　　P1分配給鏈路L1，同時被鏈路L6和L7復(fù)用;P2分配給鏈路L2，同時被鏈路L8和L9復(fù)用;P3分配給鏈路L3，同時被鏈路L4和L5復(fù)用;P4分配給鏈路L10和L11;P5分配給鏈路L12和L13;P6分配給鏈路L14和L15。本文不研究T1和T2的最佳比例，為了討論方便，這里將時隙均分，即T1=T2。

　　由于移動臺在小區(qū)的分布有可能是非均勻的，因此小區(qū)中不同區(qū)域的話務(wù)量會有差別，在話務(wù)量大的區(qū)域會因資源緊張導(dǎo)致部分移動臺無法接入網(wǎng)絡(luò)，而話務(wù)量小的區(qū)域會造成部分系統(tǒng)資源閑置浪費(fèi)。為提高資源利用率，在采用以上資源分配的同時，同一扇區(qū)的兩個中繼節(jié)點(diǎn)采用柔性資源分配方式，如圖1所示，S1扇區(qū)的RS1和RS2共用一份時頻資源，當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)有移動用戶接入時，該節(jié)點(diǎn)的時頻資源由它服務(wù)區(qū)域的業(yè)務(wù)量動態(tài)分配。

　　通過資源的有效劃分，以及采用鏈路BS-RS復(fù)用鏈路BS-MS的方式，有效節(jié)約了中繼節(jié)點(diǎn)的資源開銷;同一扇區(qū)的兩個中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)話務(wù)量的狀況采用了柔性資源分配方式，從而使系統(tǒng)資源的利用率得到進(jìn)一步提高。同時，由于基站使用了定向天線，在資源分配時，原始鏈路與復(fù)用鏈路在不同扇區(qū)，因此避免了資源復(fù)用而導(dǎo)致的同頻干擾。