下一代無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的高效資源復(fù)用與干擾協(xié)調(diào)技術(shù)研究.pdf

1、由于具有吞吐率高和覆蓋性強(qiáng)的特點(diǎn)，OFDMA多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)(MRCN)受到廣泛關(guān)注。但其仍有三個(gè)重要問題亟待解決:首先，中繼站(RS)的引入改變了傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻率規(guī)劃策略，因此如何在策略設(shè)計(jì)中對中繼鏈路進(jìn)行高效的頻率資源分配成為極具挑戰(zhàn)的問題;其次，小區(qū)頻率復(fù)用越緊密，同頻干擾(CCI)越嚴(yán)重，進(jìn)而對系統(tǒng)的整體性能產(chǎn)生影響;最后，在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，小區(qū)內(nèi)用戶呈非均衡分布狀態(tài)。大量用戶接入同一站點(diǎn)將導(dǎo)致MRCN的負(fù)載失衡，影響熱點(diǎn)區(qū)域

2、的系統(tǒng)性能，從而無法滿足用戶的服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求。本文基于IEEE802.16j/m標(biāo)準(zhǔn)，以下行鏈路的無線資源管理為基本手段，結(jié)合時(shí)分復(fù)用、空間復(fù)用、頻率復(fù)用等技術(shù)，對MRCN網(wǎng)絡(luò)中的路徑選擇、本地轉(zhuǎn)發(fā)、資源調(diào)度、干擾協(xié)調(diào)、負(fù)載均衡、功率控制等問題的設(shè)計(jì)與優(yōu)化進(jìn)行深入研究。
　　首先，提出OFDMA多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)的高效資源復(fù)用策略。從路徑選擇和頻率規(guī)劃兩個(gè)方面對比分析不同算法對系統(tǒng)性能的影響。該策略提出的高效資源復(fù)用方案以部

3、分頻率復(fù)用技術(shù)作為研究主線，分別從理論分析和性能仿真兩個(gè)方面進(jìn)行深入研究;并以路徑選擇與同頻干擾的空間相關(guān)性為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)合理的資源復(fù)用策略及其對應(yīng)的多跳中繼下行子幀結(jié)構(gòu)，在保證網(wǎng)絡(luò)的資源利用率的同時(shí)，降低干擾給相鄰小區(qū)邊緣用戶帶來的影響，有利于全局頻率復(fù)用策略的實(shí)施。與常規(guī)MRCN相比，采用該策略的MRCN能夠充分利用頻譜資源，系統(tǒng)吞吐率增益達(dá)13.8％，小區(qū)覆蓋率增益達(dá)5.4％。
　　其次，提出OFDMA多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)的本地轉(zhuǎn)

4、發(fā)方案。針對中繼用戶數(shù)據(jù)鏈路的優(yōu)化問題，該方案允許移動(dòng)臺(tái)(MS)間的數(shù)據(jù)通信只需通過中繼站進(jìn)行本地轉(zhuǎn)發(fā)傳輸，而無需再將數(shù)據(jù)傳送給基站(BS)，這樣即可降低BS的空口負(fù)載，提高系統(tǒng)的資源利用率，同時(shí)還減少了MS之間的數(shù)據(jù)傳輸跳數(shù)。接著提出聯(lián)合考慮本地轉(zhuǎn)發(fā)模式特性和資源分配方案的路徑選擇算法。該算法所選出的最佳路徑更有利于系統(tǒng)性能的優(yōu)化。此外，在IEEE802.16j/m網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和信令機(jī)制的基礎(chǔ)上，分析MRCN系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)本地轉(zhuǎn)發(fā)功能的控制信

5、令交互機(jī)制。與常規(guī)MRCN相比，本地轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)與部分頻率復(fù)用技術(shù)相結(jié)合的MRCN可獲得36.2％的系統(tǒng)吞吐率增益。
　　再次，提出OFDMA多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)的空間復(fù)用及干擾協(xié)調(diào)策略。根據(jù)多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對空間復(fù)用方案、時(shí)分復(fù)用方案、頻率復(fù)用方案進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)與優(yōu)化。基于部分頻率復(fù)用技術(shù)提出兩種策略，分別是在同扇區(qū)內(nèi)BS采用部分頻率復(fù)用而RS采用正交頻率分配(BFRO)策略和BS與RS都采用部分頻率復(fù)用(BFRF)策略。BFRO策略

6、和BFRF策略既確保高效的資源利用率，同時(shí)也能有效降低因資源復(fù)用產(chǎn)生的同頻干擾。此外，詳細(xì)分析策略涉及的頻率規(guī)劃、功率控制、路徑選擇和區(qū)域選擇、時(shí)隙資源分配等一系列關(guān)鍵技術(shù)問題。提出的兩種策略可有效解決扇區(qū)內(nèi)因空間復(fù)用產(chǎn)生嚴(yán)重干擾的問題;與正交資源分配技術(shù)和NT-RS（非透明中繼站）集中分配技術(shù)相比，雖然覆蓋率些微下降，但依然能滿足覆蓋率95％的要求，同時(shí)扇區(qū)吞吐率性能增益達(dá)16％以上。
　　然后，提出OFDMA多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)基

7、于負(fù)載均衡的資源分配策略?？紤]難以得到聯(lián)合分配的最優(yōu)解，在減少計(jì)算復(fù)雜度的前提下，采用分步式次優(yōu)化分配。首先采用比例公平算法對子載波進(jìn)行分配，并對功率分配進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。接著根據(jù)凸規(guī)劃和注水算法，確定滿足功率分配最優(yōu)解的條件，在逼近最優(yōu)解的目標(biāo)下，求得基站和中繼站的發(fā)射功率。提出的基于負(fù)載均衡的資源分配策略兼顧了效率與公平性，在滿足系統(tǒng)發(fā)射功率和子載波數(shù)量的限制條件下，可適應(yīng)單個(gè)小區(qū)內(nèi)不同的用戶分布，解決負(fù)載失衡問題。在四種典型用戶分布場

8、景中，與靜態(tài)資源分配策略相比，該策略的系統(tǒng)吞吐率提升幅度分別為7.8％、22.6％、31.1％和46.7％。
　　最后，提出OFDMA多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)的干擾協(xié)調(diào)與負(fù)載均衡聯(lián)合策略。首先，提出可降低小區(qū)邊緣區(qū)域干擾并保持較高頻譜效率的頻率復(fù)用方式;再結(jié)合干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，將高效的比例公平調(diào)度算法擴(kuò)展到多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)，旨在提升系統(tǒng)性能;其次，設(shè)計(jì)出基于負(fù)載均衡的切換機(jī)制，該機(jī)制可對業(yè)務(wù)負(fù)載進(jìn)行均勻分配并滿足用戶的QoS要求。干擾協(xié)調(diào)與負(fù)