基于方向性天線的中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源復(fù)用方案

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的蜂窩的缺點(diǎn)，中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)通過在基站和移動(dòng)臺(tái)之間引入若干中繼節(jié)點(diǎn)，縮短了收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的通信距離，降低了傳輸衰落，提高了鏈路通信質(zhì)量。基于方向性天線的中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)采用合理的區(qū)域劃分以及資源分配方案，提高了資源的利用率，減少了系統(tǒng)同頻干擾；系用過對(duì)系統(tǒng)干擾進(jìn)行理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，證明了該方案的可行性。
關(guān)鍵詞：中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)；資源分配；方向性天線；路徑損耗

0 引言
盡管第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)較第二代(2G)移動(dòng)通信系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)，但它還存在網(wǎng)絡(luò)容量相對(duì)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(duì)昂貴等缺陷，因此，業(yè)界對(duì)第四代移動(dòng)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(dòng)臺(tái)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(dòng)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?yàn)闊o線信號(hào)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(shì)必對(duì)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(shí)，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(hào)均為非視距傳輸，顯著的信號(hào)衰減勢(shì)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(duì)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(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。中繼技術(shù)是在基站與移動(dòng)臺(tái)之間增加了一個(gè)或多個(gè)中繼站(RS)，中繼站負(fù)責(zé)將無線信號(hào)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(gè)小區(qū)內(nèi)增加了6個(gè)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(dòng)臺(tái)和中繼節(jié)點(diǎn)使用全向天線對(duì)信號(hào)進(jìn)行發(fā)射和接收，為了對(duì)整個(gè)小區(qū)完全覆蓋，每個(gè)小區(qū)的基站使用3個(gè)120°的定向天線，這樣，小區(qū)便被劃成3個(gè)扇區(qū)，分別用S1，S2，S3表示。

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(hào)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(dòng)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(duì)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(dòng)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(hào)覆蓋，移動(dòng)臺(tái)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(gè)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(duì)應(yīng)BS和6個(gè)RS之間的通信鏈路；
鏈路L10～L15分別對(duì)應(yīng)MS和6個(gè)RS之間的通信鏈路。
系統(tǒng)的時(shí)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。