两跳中继TDD-CDMA蜂窝网络容量分析

鲁蔚锋 杨绿溪 吴 蒙

(1东南大学信息与工程学院,南京210096)(2南京邮电大学计算机学院,南京210003)(3南京邮电大学宽带无线通信与传感网技术教育部重点实验室,南京210003)

在基于CDMA的蜂窝网络中,干扰是影响系统容量的一个主要因素[1]，可通过增加小区数量来增加系统容量.但是,随着小区数量的增加,网络基础结构的开销也增加.因此,需要寻找其他具有较低开销和复杂性的增强技术[2-3].

小区边缘的活动用户会对邻居小区产生大的干扰.采用多跳中继结构可以减小传统CDMA蜂窝网络所需的高功率信号强度,从而降低其他小区中邻居信道的干扰[4].在多跳蜂窝网络中,移动站(MSs)没有直接与基站(BS)相连接,而是通过中继站(RSs)间接地与基站相连接[5].文献[6]将MSs(或RSs)与BS、MSs与RSs之间的通信链路分别称为蜂窝链路和中继链路.文献[7]对采用基于中继的蜂窝网络进行了计算机仿真,结果表明,在CDMA蜂窝系统中使用中继方法所提高的性能增益是受到一定限制的.文献[8]定量分析了基于CDMA的多跳蜂窝网络容量,但是没有考虑时隙调度方法对系统性能的影响.文献[9]在基于TDD-CDMA的蜂窝网络中采用时隙反转调度方法来降低小区间干扰;文献[10]则将这种调度方法运用于多跳蜂窝网络中,但仅采用了计算机仿真的方法,并未在理论上分析系统所获得的性能.

本文基于两跳中继TDD-CDMA蜂窝网络的模型,提出了2种时隙调度方法:时隙同步调度与时隙反转调度,并分别得到这2种方法下目标小区中BS和RSs所接收到的总干扰功率.对目标小区中不同区域上行链路容量进行数值计算,分析和比较了2种时隙调度方法对网络性能所产生的影响.

1 两跳中继CDMA蜂窝网络系统模型

考虑在一个具有六边形小区模型的CDMA蜂窝网络中,每个小区有6个邻居小区,并且都采用两跳中继的通信方式.令BS0为目标小区,BSn(n=1,2,…,6)为目标小区的邻居小区.为了便于分析,使用圆形小区模型来代替六边形小区模型.

两跳中继CDMA蜂窝网络系统模型如图1所示.由图可知,小区被划分为2个区域:内部区域和外部区域.内部区域是以BS为中心、RIN为半径的圆,表示小区中MSs直接与BS进行通信的范围;外部区域是以RIN为内径、RBS为外径的圆环,表示MSs使用两跳中继方式与BS间接通信的范围,其中RBS为小区的覆盖半径.小区边缘的MSs首先通过中继链路与小区中的RSs进行通信,RSs继而使用蜂窝链路与本小区中的BS进行通信.将上行链路容量表示为网络中小区可以容纳的用户数量.CDMA蜂窝网络的容量通常与实际经历的干扰相关.为了计算干扰,需要一个合适的信号传播模型.本文采用对数正态衰减模型,接收信号的功率PR可表示为

PR=PTd-μ10ξ/10

(1)

式中,PT为信号的传输功率;d为信号传输的距离;ξ为阴影效应因子;μ为路径衰退指数,其值通常在2.7～5.0之间变化.

图1 两跳中继CDMA蜂窝网络系统模型

为了便于分析干扰,忽略阴影衰落的影响.假设所有MSs和BSs使用全向天线.RSs均匀部署在以RRS为半径的圆周上,且其数量足够大以至于任何位于小区边缘的MSs都可以找到合适的RSs进行中继通信.此外,每个RSs只能中继一个位于外部区域MS的信号.假设所有位于内部区域的MSs可以采用功率控制技术与BS进行通信,而位于外部区域的MSs采用固定传输功率与RSs进行通信.当采用固定传输功率技术时,传输功率必须保证在小区最边缘的MSs传输的信号可以到达内部区域的RSs,并且在RSs上所接收到的功率至少达到预定的阈值PR.则信号的传输功率可表示为

PT=PR(RBS-RRS)μ

(2)

2 时隙调度方法

基于两跳中继TDD-CDMA蜂窝网络模型,提出了时隙同步调度和时隙反转调度2种方法.

时隙同步调度方法如图2所示.在时隙1时,网络中所有位于目标小区与邻居小区外部区域的MSs与RSs进行通信;在时隙2时,所有小区内部区域的MSs，RSs与BS0，BSn进行通信.

时隙反转调度方法如图3所示.在时隙1时,网络中所有位于目标小区外部区域的MSs与RSs进行通信,此时邻居小区内部区域的MSs，RSs与BSn进行通信;在时隙2时,目标小区与邻居小区的调度次序正好相反.这种中继方法的主要设计思想是通过交换中继链路与蜂窝链路的调度次序来避免主要干扰源的影响[10].

图2 时隙同步调度方法

图3 时隙反转调度方法

2.1 基于时隙同步调度方法的干扰分析

首先,计算时隙1时目标小区中RSs所接收到的总干扰功率,这需要分别计算小区内和小区间干扰功率.小区内干扰是目标小区外部区域中的其他MSs对RSs的干扰,假设在外部区域有n1个MSs,则存在n1-1个其他MSs会对RSs产生干扰.小区内干扰功率为

(3)

式中,f1(r,θ)为MSs在小区外部区域的分布概率,其中,有序数对(r,θ)为MSs位置的极坐标.假设MSs均匀分布在小区外部区域,则

(4)

小区间干扰为其他邻居小区外部区域中的MSs对目标小区RSs的干扰.以目标小区中的BS0为原点，来自一个邻居小区的小区间干扰为

(5)

式中,dn(n=1～6)为RSs与邻居小区BSn的距离.根据式(2)～(5),可以获得目标小区中RSs的总干扰功率为

(6)

其次,计算时隙2时目标小区中BS0所接收到的总干扰功率,这需要分别计算小区内和小区间干扰功率.小区内干扰为小区内部区域中的其他MSs和RSs对BS0的干扰. 假设内部区域有n2个MSs,则存在n2-1个其他MSs会对BS0产生干扰,此外还有额外n1个RSs会对BS0产生干扰.小区内干扰功率为

(7)

小区间干扰为邻居小区内部区域中的MSs和RSs对目标小区BS0的干扰.来自一个邻居小区的小区间干扰为

(8)

式中,dNBS为邻居小区BSs之间的距离;f2(r,θ)为MSs在小区内部区域的分布概率.假设MSs均匀分布在小区内部区域,则

(9)

式(8)右侧第1项为邻居小区内部区域中的MSs对目标小区BS0的干扰,第2项为邻居小区内部区域中的RSs对目标小区BS0的干扰.根据式(7)～(9),可以获得目标小区中BS0的总干扰功率为

(10)

2.2 基于时隙反转调度方法的干扰分析

首先,计算时隙1时目标小区中RSs所接收到的总干扰功率,这需要分别计算小区内和小区间干扰功率.小区内干扰为目标小区外部区域中的其他MSs对RSs的干扰,假设外部区域有n1个MSs,则存在n1-1个其他MSs会对RSs产生干扰.小区内干扰功率表达式与式(3)相同.小区间干扰为其他邻居小区内部区域中的MSs和RSs对目标小区RS的干扰.以目标小区中的BS0为原点，来自邻居小区的小区间干扰为

(11)

式(11)右侧第1项为邻居小区内部区域中的MSs对目标小区RSs的干扰,第2项为邻居小区中的RSs对目标小区RSs的干扰.根据式(2)、(3)、(9)和(11),可以获得目标小区中RSs的总干扰功率为

(12)

其次,计算时隙2时目标小区中BS0所接收到的总干扰功率,这需要分别计算小区内和小区间干扰功率.小区内干扰为小区内部区域中其他MSs和RSs对BS0的干扰,其功率表达式与式(7)相同.小区间干扰为邻居小区外部区域中的MSs对目标小区BS0的干扰.来自一个邻居小区的小区间干扰为

(13)

根据公式(2)、(4)、(7)和(13),可以获得目标小区中BS0的总干扰功率为

(14)

3 容量分析

(15)

将式(6)、(10)所获得的干扰功率代入式(15),通过公式变换,便可获得基于时隙同步调度方法的目标小区外部和内部区域上行链路容量n11和n12分别为

(16)

(17)

式中

将式(12)、(14)所获得的干扰功率代入式(15),通过公式变换,便可获得基于时隙反转调度方法的目标小区外部和内部区域上行链路容量n21和n22分别为

(18)

表1为计算容量所需要的参数.

表1 计算参数

图4显示了采用2种时隙调度方法时n11,n21与RIN之间的关系.由图可知,随着RIN的增加,n11,n21逐渐上升.这是因为采用时隙同步调度方法时,随着RIN的增加,系统对目标小区外部区域中RSs产生的小区内和小区间干扰功率逐渐降低;而采用时隙反转调度方法时,虽然产生的小区间干扰功率逐渐增加,但是由于邻居小区内部区域中的干扰源距离目标小区RSs较远,故RSs接收到的总干扰功率降低.随着RRS的增加,n11,n21也增加.采用时隙同步调度方法时,由于小区外部区域采用固定传输功率技术,随着RRS的增加,RSs所接收到的小区内和小区间干扰功率逐渐降低;而采用时隙反转调度方法时,虽然RSs所接收到的小区间干扰功率随着RRS的增加逐渐增加,但是减少的小区内干扰功率对n21的影响程度更大.

图4 n11,n21与RIN之间的关系

图5显示了采用2种时隙调度方法时n12,n22与RIN之间的关系.由图可知,随着RIN的增加,n12,n22逐渐下降.这是因为采用时隙同步调度方法时,随着RIN的增加,系统对目标小区内部区域中BS产生的小区内和小区间干扰功率也增加;而采用时隙反转调度方法时,虽然产生的小区间干扰功率逐渐降低,但是由于邻居小区外部区域中的干扰源距离目标小区BS较近,故BS接收到的总干扰功率增加.此外,随着RRS的增加,n12,n22逐渐降低.采用时隙同步调度方法时,随着RRS的增加,BS所接收到的小区内和小区间干扰功率也增加;采用时隙反转调度方法时,虽然BS所接收到的小区间干扰功率随着RRS的增加逐渐降低,但是增加的小区内干扰功率对n22的影响程度更大.

图5 n12,n22与RIN之间的关系

4 结语

本文在两跳中继TDD-CDMA蜂窝网络结构模型的基础上,分析了采用2种时隙调度方法对网络上行链路容量的影响.结果表明:时隙同步调度方法适用于小区内部区域负载较高、外部区域负载较低时的情况;时隙反转调度方法则适用于小区内部区域负载较低、外部区域负载较高时的情况.可以通过选择合适的参数,使系统满足小区范围内不同区域负载分布情况的需要.下一步工作是研究采用功率控制技术时对网络容量产生的影响.

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