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固定协作中继蜂窝小区资源分配研究

叶枭雄1
1北京邮电大学信息与通信工程学院，北京(100876)
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摘要：通过在蜂窝系统中部署中继站，能够利用中继传输有效地提高系统性能。本文提出
了一种固定协作中继的OFDMA蜂窝小区模型。相比较传统的单中继的小区结构，协作中
继结构能够利用中继之间的协同传输提高系统性能。针对这种系统模型，提出了一种新的，
适用于该模型的信道复用和信道分配策略，并且分析了在该策略下的系统干扰和信道容量。
数学分析表明，在该模型下，采用本文提出来的策略，系统性能较传统两跳OFDMA中继
系统性能有较大的提高。
关键词：协作中继；信道划分；干扰；信道容量
中图分类号：TN929.5
1.引言
现有的蜂窝网络不仅要为用户提供高质量的话音服务，还要提供大量的数据传输业务，
比如无线因特网，多媒体，文件传输和下载。这使得未来的蜂窝网络需要提高吞吐量和高数
据速率覆盖。然而，常规的蜂窝网络不能提供足够高的SINR来满足这一新要求。通过在蜂
窝系统中采用中继传输技术的，能减小信源端与信宿端之间的路径损耗，扩大信号的有效接
收范围，同时降低节点的发射功率。同时，中继技术能够通过共享系统资源实现对局部区域
的拥塞控制，解决网络突发业务和负载不均匀等问题，提高无线资源利用率[2,3]。多输入多
输出(MIMO)系统是近年来无线移动通信领域天线技术上的重大突破,在不增加频率资源和
发射功率的前提下,大大提高了系统的容量和可靠性,为空间分集的实现提供了理论基础
[4][5]。
协同中继技术结合了中继与MIMO技术的特性，通过利用多个中继节点作为虚拟天线
阵列(MIMO)进行协作传输，在分布模式下实现了空间分集[6,7]。文献[8]中分析了协作中继网
络中的协作分集和多用户分集，但是该分析只是基于Ad-hoc这种有多个源节点和目的节点
对的网络，并不适用于蜂窝网络。在两跳中继增强蜂窝网络中，当BS和FRS间链路是LOS(视
距)条件下，利用频谱划分能够比传统的单跳蜂窝网络得到更佳的系统性能[9]。基于传统的
固定中继小区模型[1]，文献[10]提出了一种新颖的中继信道划分方案，通过复用因子为4的
信道复用来防止系统容量损失；而在文献[11]中则更进一步地研究了在固定中继蜂窝网络资
源管理中的信道选择准则，信道复用模式和帧传输模式。文献[12]提出了基于相邻小区信道
借用的频率规划方式。这种通过复用相邻小区内使用的子载波信道来用于本小区中继传输的
策略，会产生较大的信道干扰。而在采用频率复用因子N=1的文献[1]中，提出了一种采用
静态分配方式的子载波分配策略，这种方式能够极大的降低因为信道复用产生的小区间的同
频干扰同时相比较复用因子为3，4或7的信道借用策略，改善了系统的频谱效率。但是这
些资源分配方式的研究都是基于传统两跳中继的传统蜂窝网络。协作中继蜂窝网络因为引入
了中继协作传输，这种虚拟MIMO特性使得传统的资源分配方式并不适用于协作中继系统。
为了提高系统性能，提出了基于协作中继蜂窝系统的资源分配方案。

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2.系统模型

2.1传统两跳中继蜂窝小区系统模型
在B3G或4G蜂窝移动通信系统中，普遍采用OFDM技术。图1是典型的传统两跳中
继OFDMA蜂窝小区结构，其小区系统模型如图2所示[1]。每个小区由一个处于小区中心的
基站(BS)采用全向天线覆盖，6个固定中继(FRS)分布在以基站(BS)为圆心的圆周上，并且处
于小区中心到六边形顶点的连线上，接收和转发基站和用户之间的信号。每个FRS仅与所
在小区的BS进行信令交互和数据传输。

FRS
FRSMS

FRS
MS
FRS
BS
MSMS

FRSFRS

图1传统两跳中继OFDMA蜂窝小区结构图2传统两跳OFDMA小区系统模型
Fig1Two-hopOFDMAcellularstructureFig2Two-hopOFDMAcellularsystemmodel

FRS是在一个收发信机下采用TDD(TimeDivisionDuplex)模式工作，存在BS-MS，
FRS-MS，BS-FRS三条链路。BS-MS，FRS-MS两跳链路之间是时分正交的。BS-FRS间的
链路假设为可视距链路(LOS)，BS-MS，FRS-MS这两条链路假设是非视距条件(NLOS)之间
是时分正交的。FRS都被认为是可再生中继[13]，工作在DF(译码前向)模式下。与AF(放大
前向)模式相比较，DF模式在避免噪声传播等方面有更突出的性能[14]。每个子信道上采用自
适应调制