一种基于无线蜂窝网络的共享中继模型

洪玮

（北京工业大学，北京 100124）

一种基于无线蜂窝网络的共享中继模型

洪玮

（北京工业大学，北京 100124）

对于3G（第三代移动通信，The 3rdGeneration Telecommunication）来说，其传输速率已经无法满足当前实际应用中的视频在线浏览、视频聊天等高速率高即时性的业务需求。该文主要研究了无线蜂窝网络中的中继节点的几种分类，并提出了一种共享中继的网络模型，对该模型中的小区切换问题和资源分配进行了分析。

共享中继 无线蜂窝网络 通信模型

1 概述

中继，简单的来说就是一种信号转发的设备，其最基本的功能就是接收来自基站或移动台的信号，并将信号转发到下一个目标设备中去。其最基础的作用就是拓展基站的覆盖范围，以及基站在边缘地区的覆盖率和信号强度。而传统的中继部署结构，在两个相邻小区间用户移动台往往需要进行复杂的路由切换，以及信令切换过程，这会带来巨大的通信时延，因而降低了通信质量。

该文主要研究了无线蜂窝网络中，中继节点的几种主要类型，并选用了其中一种中继节点，提出了一种共享中继的网络模型，并对模型所需要的关键技术和优势进行了分析。

2 中继的类型

中继可以按照很多不同的范畴进行分类。一般来说，可以按以下几种方式分类：

2.1 按移动性分类

按移动性分类，可分为固定中继和移动中继两类。顾名思义，固定中继就是指中继节点的部署位置是固定不变的，而移动中继本身是一个移动的节点，它可能会在部署位置一定范围内做有规律的运动。

2.2 按信号处理的方式分类

按信号处理的方式来说，有AF中继和DF中继两类。AF中继既是指放大转发（Amplify Forward）中继，信号在经过中继节点时只是被中继节点做简单的放大，而传输到下一个节点；DF中继是指解码转发（Decode Forward），信号会被中继节点做解码操作，然后再重新编码，最后发至下一个节点。

2.3 按中继功能分类

按中继的功能分类，有层一、层二、层三中继三类。层一中继仅仅做了数据放大和转发的作用，这样信号传输时延较低，同时也满足了基本的需求。层二中继在层一的基础上，包含了RLC（链路控制）的功能，可以和基站之间进行协调，对中继和移动台的无线资源进行分配。层三中继在功能上更加接近基站，相比与层一和层二中继功能更复杂，但是成本也更高。

2.4 按信令传递方式分类

图3-1 共享中继模型网络结构

在中继的信令传递方式中，主要有透明传输和非透明传输两类。透明传输是指在信号传输过程中，用户的移动台直接和基站进行信令交互，而传输的数据通过中继进行传递；非透明传输是指移动台的数据信息和信令信息都经过中继进行传输，相对来说会产生更多的通信时延。但是，此时移动台又可以获得中继更多的服务功能。

2.5 共享中继的选择

该文所选取的共享中继节点，主要选择的是层二中继，因为需要利用中继节点本身进行一定的信令调度。另外由于我们的中继被相邻的小区所共享，因此部署区域是在小区边缘地区。

3 一种共享中继模型

3.1 模型概述

如图3-1所示。是该文提出的共享中继模型网络结构。在图中大的六边形区域表示基站以及其覆盖范围，这是一个传统的无线蜂窝网络结构；在每三个相邻小区的交界处，部署一个中继节点，这个节点将被相邻的三个小区所共享。为了保证基站和中继节点之间的通信质量，基站和中介节点之间采用LOS传输，并且利用了波束赋型，多入多出（MIMO）技术等保障信号质量。

3.2 共享中继模型下的小区切换

切换，指的是用户移动台MS在两个相邻小区间移动时，用户所接入的基站路由发生变化的过程。一般来说，切换可分为三个步骤：切换测量、切换判决、执行切换。

在一个传统的无线蜂窝网络中，小区切换以下述流程描述：

（1）用户MS向目标基站BS发起导频测量；（2）MS向BS发送测量报告；（3）源基站向目标基站发送准备切换请求Prepare_Req；（4）目标基站向目标中继和源基站返回Prepare_Response；（5）源基站转发Prepare_Response；（6）源中继和MS完成HARQ过程，开始切换；（7）源基站向目标基站，再由目标中继转发数据包，切换结束。

在这个流程中，由于移动设备会经历两个不同中继的切换，导致信令链路中需要经过从源中继、源基站、目标基站、目标中继这样一个复杂的过程，信令的开销和相应的时延都比较高。而在共享中继网络模型中，源中继和目标中继转化为同一个中继，用户MS并没有改变与之连接的中继路由，仅仅是改变了中继节点所使用的信号频段。因此，在上述流程中的4、6、7步骤中，就节省了源基站和目标基站的信令传输，降低了通信时延。

3.3 共享中继模型的资源分配

由于在共享中继模型中，中继节点的位置处于三个相邻节点之间，那么在这个位置会有强烈的同频干扰。为了避免小区间干扰的问题，可以将频域分成三个部分，小区中心的用户使用一个频段，而小区边缘的中继使用另外两个频段。这样，无线资源分配就转化为信号频段的分配，为了防止同频干扰，还需要使用TDD进行上下行链路的时域分割。

4 结语

该文对无线蜂窝网络中的中继节点的分类及相应功能进行了研究，提出了一种共享中继的网络模型。针对模型中所需要解决的小区切换以及频率分配问题，提出了相应的解决方案并进行了分析。分析证明，共享中继模型对于提高小区边缘的通信质量有很大提升作用。

［1］吕红芳.协作中继网络资源分配控制算法研究.仪器仪表学报［J］，2014.

［2］朱国晖.LTE-Advanced中继系统切换优化算法.西安邮电大学学报［D］，2014.