下一代無線蜂窩網(wǎng)絡的高效資源復用與干擾協(xié)調(diào)技術研究.pdf

1、由于具有吞吐率高和覆蓋性強的特點，OFDMA多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡(MRCN)受到廣泛關注。但其仍有三個重要問題亟待解決:首先，中繼站(RS)的引入改變了傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡的頻率規(guī)劃策略，因此如何在策略設計中對中繼鏈路進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)頻率復用越緊密，同頻干擾(CCI)越嚴重，進而對系統(tǒng)的整體性能產(chǎn)生影響;最后，在真實網(wǎng)絡環(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將導致MRCN的負載失衡，影響熱點區(qū)域

2、的系統(tǒng)性能，從而無法滿足用戶的服務質(zhì)量(QoS)要求。本文基于IEEE802.16j/m標準，以下行鏈路的無線資源管理為基本手段，結合時分復用、空間復用、頻率復用等技術，對MRCN網(wǎng)絡中的路徑選擇、本地轉發(fā)、資源調(diào)度、干擾協(xié)調(diào)、負載均衡、功率控制等問題的設計與優(yōu)化進行深入研究。
　　首先，提出OFDMA多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡的高效資源復用策略。從路徑選擇和頻率規(guī)劃兩個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用方案以部

3、分頻率復用技術作為研究主線，分別從理論分析和性能仿真兩個方面進行深入研究;并以路徑選擇與同頻干擾的空間相關性為基礎，設計合理的資源復用策略及其對應的多跳中繼下行子幀結構，在保證網(wǎng)絡的資源利用率的同時，降低干擾給相鄰小區(qū)邊緣用戶帶來的影響，有利于全局頻率復用策略的實施。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13.8％，小區(qū)覆蓋率增益達5.4％。
　　其次，提出OFDMA多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡的本地轉

4、發(fā)方案。針對中繼用戶數(shù)據(jù)鏈路的優(yōu)化問題，該方案允許移動臺(MS)間的數(shù)據(jù)通信只需通過中繼站進行本地轉發(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的空口負載，提高系統(tǒng)的資源利用率，同時還減少了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)絡架構和信令機制的基礎上，分析MRCN系統(tǒng)中實現(xiàn)本地轉發(fā)功能的控制信

5、令交互機制。與常規(guī)MRCN相比，本地轉發(fā)技術與部分頻率復用技術相結合的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)絡的空間復用及干擾協(xié)調(diào)策略。根據(jù)多跳蜂窩網(wǎng)絡的特點，對空間復用方案、時分復用方案、頻率復用方案進行聯(lián)合設計與優(yōu)化?；诓糠诸l率復用技術提出兩種策略，分別是在同扇區(qū)內(nèi)BS采用部分頻率復用而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，同時也能有效降低因資源復用產(chǎn)生的同頻干擾。此外，詳細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、時隙資源分配等一系列關鍵技術問題。提出的兩種策略可有效解決扇區(qū)內(nèi)因空間復用產(chǎn)生嚴重干擾的問題;與正交資源分配技術和NT-RS（非透明中繼站）集中分配技術相比，雖然覆蓋率些微下降，但依然能滿足覆蓋率95％的要求，同時扇區(qū)吞吐率性能增益達16％以上。
　　然后，提出OFDMA多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡基

7、于負載均衡的資源分配策略。考慮難以得到聯(lián)合分配的最優(yōu)解，在減少計算復雜度的前提下，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行分配，并對功率分配進行數(shù)學建模。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)解的目標下，求得基站和中繼站的發(fā)射功率。提出的基于負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，可適應單個小區(qū)內(nèi)不同的用戶分布，解決負載失衡問題。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)絡的干擾協(xié)調(diào)與負載均衡聯(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用方式;再結合干擾協(xié)調(diào)技術，將高效的比例公平調(diào)度算法擴展到多跳中繼蜂窩網(wǎng)絡，旨在提升系統(tǒng)性能;其次，設計出基于負載均衡的切換機制，該機制可對業(yè)務負載進行均勻分配并滿足用戶的QoS要求。干擾協(xié)調(diào)與負