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　盡管第三代移動通信系統(3G)較第二代(2G)移動通信系統具有明顯優勢，但它還存在網絡容量相對較小、傳輸速率不夠高、因特網協議實現困難、費用相對昂貴等缺陷，因此，業界對第四代移動通信系統(4G)的研究便應運而生了。

　　在傳統的3G蜂窩網絡中，移動臺與基站之間的數據傳輸是通過無線連接直接完成的，也就是采用“單跳”方式傳輸數據的。如果第四代移動通信系統仍采用傳統數字蜂窩系統的網絡構架，就不可能滿足系統高速率的要求，因為無線信號的傳輸損耗與傳輸速率呈線性遞減關系，如此高的速率勢必對發射機的功率提出更高的要求，這顯然是不現實的;同時，由于4G系統必將使用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致十分明顯得遠近效應。

　　為了克服3G系統的缺點，必須對原有的蜂窩網絡結構進行改造。在此背景下，一種基于“多跳”技術的中繼蜂窩網絡得到業界廣泛關注，被認為是未來移動通信系統的發展趨勢。中繼技術是在基站與移動臺之間增加了一個或多個中繼站(RS)，中繼站負責將無線信號做一次或多次轉發。

　　1 系統模型

　　1.1 網絡模型

　　“兩跳”中繼蜂窩網絡模型與傳統蜂窩網的差別在于每個小區內增加了6個中繼節點，中繼節點分布在小區中心與頂點的連線上，距離小區中心距離為 2R/3(R為小區半徑)。如圖1所示為小區的模型示意圖，該系統移動臺和中繼節點使用全向天線對信號進行發射和接收，為了對整個小區完全覆蓋，每個小區的基站使用3個120°的定向天線，這樣，小區便被劃成3個扇區，分別用S1，S2，S3表示。

　　1.2 天線系統

　　天線作為無線通信系統的基本設備之一，它是通過饋線與收發信機連接起來，主要承擔發射或者接收無線電磁波的任務，實質是完成了電磁波和高頻電信號的能量轉換任務。根據天線的接收和發射方向來區分，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為360°都均勻輻射，全向天線在移動通信系統中一般應用于郊縣大區制的基站，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中一般應用城區小區制的基站，覆蓋范圍小，頻率利用率高，用戶密度較大的情況。

　　不同類型的收發設備根據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，基站采用120°的定向天線進行信號覆蓋，移動臺和中繼節點采用全向天線。

　　1.3 資源分配

　　中繼節點的引入和基站方向性天線的使用，使系統的鏈路分布要比傳統的蜂窩系統更為復雜，中繼蜂窩系統中的每個小區有如下15條鏈路：

　　鏈路L1～L3分別為扇區S1，S2，S3內BS-MS之間的通信鏈路;

　　鏈路L4～L9分別對應BS和6個RS之間的通信鏈路;

　　鏈路L10～L15分別對應MS和6個RS之間的通信鏈路。

　　系統的時頻資源被劃分為6部分，如圖2所示為系統幀結構示意圖。

　　時頻資源與15條鏈路之間的分配關系為：

　　P1分配給鏈路L1，同時被鏈路L6和L7復用;P2分配給鏈路L2，同時被鏈路L8和L9復用;P3分配給鏈路L3，同時被鏈路L4和L5復用;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。

　　由于移動臺在小區的分布有可能是非均勻的，因此小區中不同區域的話務量會有差別，在話務量大的區域會因資源緊張導致部分移動臺無法接入網絡，而話務量小的區域會造成部分系統資源閑置浪費。為提高資源利用率，在采用以上資源分配的同時，同一扇區的兩個中繼節點采用柔性資源分配方式，如圖1所示，S1扇區的RS1和RS2共用一份時頻資源，當中繼節點有移動用戶接入時，該節點的時頻資源由它服務區域的業務量動態分配。

　　通過資源的有效劃分，以及采用鏈路BS-RS復用鏈路BS-MS的方式，有效節約了中繼節點的資源開銷;同一扇區的兩個中繼節點根據話務量的狀況采用了柔性資源分配方式，從而使系統資源的利用率得到進一步提高。同時，由于基站使用了定向天線，在資源分配時，原始鏈路與復用鏈路在不同扇區，因此避免了資源復用而導致的同頻干擾。
2 系統干擾分析

　　2.1 路由選擇

　　為比較系統在不同路由選擇下的性能指標，系統采用信噪比準則和距離準：

　　(1)信噪比準則

　　信噪比準則是系統計算出離移動臺最近的兩個中繼節點以及基站所收到的接收信號的信噪比(SIR)，然后將3個信噪比進行比較，移動臺選擇三者中信噪比最大者進行通信。

　　(2)距離準則

　　距離準則是指系統測量出移動臺到基站以及小區中6個中繼節點的距離，如果移動臺到基站的距離最小，則移動臺以“單跳”方式直接與基站進行通信，否則移動臺通過離它最近的中繼節點以“兩跳”方式將數據轉發給基站進行通信。

　　2.2 系統干擾分析

　　2.2.1 鏈路BS-MS干擾

　　根據小區的扇區劃分以及頻譜資源的分配方案，鏈路BS-MS干擾產生的原因主要有兩個方面：其他小區中同一扇區的與MS進行通信的BS;其他小區中相鄰扇區與RS進行通信的BS。經過分析不難得到鏈路BS-MS的信噪比為：

　　式中：PBS為基站的發射功率;L為移動臺到所接收基站的路徑損耗;LK為移動臺到各個干擾源基站的路徑損耗。

　　2.2.2 鏈路BS-RS干擾

　　由于鏈路BS-RS與鏈路BS-RS復用了相同的資源，其干擾情況也相似。鏈路的干擾源主要來自于兩個方面：其他小區中同一扇區與RS進行通信的BS;其他小區中相鄰扇區與RS進行通信的BS。可得到鏈路BS-MS的信噪比為：

　　式中：PBS為基站的發射功率;L為RS到所接收MS的路徑損耗;LK為RS到各個干擾源BS的路徑損耗。

　　2.2.3 鏈路BS-RS干擾

　　為了提高資源的利用率，同一扇區的兩個中介節點采用柔性資源分配方式，因此RS-MS得干擾源處于不定狀態，當所有相鄰小區中的RS1使用的資源與中心小區內的RS2使用的資源相同時，鏈路BS-RS干擾的干擾最大。得到此時的信噪比為：

　　式中：PRS為中繼節點RS的發射功率;L為MS到所接收RS的路徑損耗;LK為MS到各個干擾源RS的路徑損耗。

　　3 系統性能仿真

　　3.1 仿真條件

　　依上述方案和算法，就移動臺均勻分布的典型小區進行了仿真試驗，仿真條件為：

　　鏈路BS-RS路徑損耗模型采用WINNER B5a視距傳輸模型，陰影衰落為標準差為3.4 dB的對數高斯分布隨機變量，表達式為：

　　其他鏈路的路徑損耗模型采用WINNER C1非視距傳輸模型，陰影衰落為標準差為8.0 dB的對數高斯分布隨機變量，表達式為：

　　系統的其他參數為：小區半徑R=500m;基站發射功率PBS=10W;中繼發射功率PRS=1W;幀長T=10ms;系統帶寬B=25.6MHz，載頻f=5GHz。

　　3.2 系統性能仿真和分析

　　圖3為移動臺SIR的累積分布曲線(CDF)圖，仿真中選取RRP資源分配方案作為參考比較方案。在計算鏈路RS-MS的鏈路SIR時，取干擾最大的情況。從圖3可以看出，由于SIR準則綜合考慮了基站、中繼節點的發射功率，通信距離和路徑損耗等因素，因此，采用該準則所得到的系統性能要優于通信距離準則的方案。

　　由于方案中BS-MS鏈路和BS-RS鏈路中基站采用了方向性天線，它們受到的干擾要小于RRP方案，因此，本文提出的基于方向性天線的資源分配方案中得以動態的SIR整體上要優于RRP方案。

　　4 結語

　　本文介紹一種基于方向性天線的移動通信網絡的資源復用方案，通過在基站和移動臺之間引入中繼節點，縮短了網絡節點之間的通信距離，減小了系統的陰影效應，提高了鏈路的通信質量。基站使用定向天線，合理的分配頻譜資源，提高了頻譜復用度，減小了系統干擾，提高了系統容量，通過理論分析和計算機對系統性能的仿真，驗證了該方案的可行性和有效性。