基于方向性天線的中繼蜂窩網絡資源復用方案

摘要：針對傳統的蜂窩的缺點，中繼蜂窩網絡通過在基站和移動臺之間引入若干中繼節點，縮短了收發節點之間的通信距離，降低了傳輸衰落，提高了鏈路通信質量。基于方向性天線的中繼蜂窩網絡采用合理的區域劃分以及資源分配方案，提高了資源的利用率，減少了系統同頻干擾；系用過對系統干擾進行理論分析和仿真實驗，證明了該方案的可行性。
關鍵詞：中繼蜂窩網絡；資源分配；方向性天線；路徑損耗

0 引言
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。