OFDMA多跳中继蜂窝网络空间复用干扰协调策略

杨亚让，赵 越

(1. 喀什大学物理与电气工程学院，新疆 喀什 844006；2. 西南交通大学，四川 成都 610031)

1 引言

未来的无线和移动通信系统将对高速覆盖、系统设计和规划以及信号处理提出更高的要求。相关研究表明：在一个或多个基站和移动台之间增加一个或多个中继站能够有效扩大网络覆盖范围。而OFDMA是一种有效的宽带传输和调制过程，可以有效地干扰符号，减少选择性频率着色，实现高频使用。中继网络与OFDMA技术的结合是无线网络未来发展的一个重要的发展方向。

对于多跳中继蜂窝网络来说，若其连接接口的负载过度增加，空间覆盖率将降低到计划值以下，并且现有连接的质量也会降低。因此，有必要在无线接入网中使用有效的访问控制来评估来自移动用户的新的访问、导出、接受或拒绝请求。为了使用户连接过程中具有较高的服务质量，提升网络资源的利用率，需实现多跳中继蜂窝网络空间复用干扰协调处理。

文献[1]提出一种基于效用函数优化模型的功率分配方案实现空间干扰处理，并采用分层交替迭代算法求解最优功率分配。首先将原问题分解为功率分配和虚拟功率分配两个子问题，然后将拉格朗日函数引入高层功率分配中，求解基于均衡策略的最优功率分配算法。虚拟功率用于在底层完成进一步的功率分配。由于功率分配系数采用信号干扰泄漏比最大化的特征向量形式，实现了信号增强和干扰抑制的均衡。

文献[2]提出一种基于干扰协调的资源分配方案来实现空间干扰处理。该方案分为两个模块：第一个模块根据接入点FAP(femtocell access points)之间的干扰程度，将干扰FAP划分为不同的簇，FAP与簇共享频带资源。通过FAP之间的协作，实现了不同簇之间的频谱复用。第二个模块根据最大功率和最小速率公平准则进行最优功率分配，并动态分配资源。

然而上述两种方法都忽略了中继选择问题，也没有充分考虑用户间接入竞争的复杂性。为解决这一问题，本文提出一种OFDMA多跳中继蜂窝网络空间复用干扰协调策略。通过建立系统模型获取链路的信干燥比，通过调制方式和编码速率合理调节链路。集合空间间频率资源的预先规划能够对区间的干扰进行协调，防止同频干扰对边缘用户性能带来的影响。结合STBC编码的干扰协调策略，在一定程度上降低了外界因素带来的干扰，同时也提高了系统的吞吐量和速率。

2 OFDMA多跳中继蜂窝网络模型建立

在多跳中继蜂窝网络网络内，通信质量好的用户可以直接与基站进行通信[3]。用户一般为单跳用户，在小区边界的通信质量较差，必须借助基站间接边缘的用户与周围质量较好的信道通信。继电器包括移动式继电器和固定式继电器。移动中继的位置随时间而变化。由于中继使用的是信道质量好的空终端用户，而信道质量较差的用户将只能够完成通信任务。因此，多跳用户与基站之间的连接是直接连接的。

多跳中继通信网络被认为是在有利条件下扩大小区覆盖范围、降低传输性能或网络连接的高效措施。多跳通信是指在通信网络的源节点和汇聚节点之间再额外设置一个中继节点，利用这一节点优化源节点与目标节点之间的连接环境。基于此，可实现数据流的高效传输。但在这一过程中，中继节点易造成信道资源的额外消耗。因此，源节点和目标节点之间中继节点的数量应保持在合理范围内[4]。根据OFDMA多跳中继蜂窝网络，建立了系统模型，如图1所示。

图1 多跳中继蜂窝网络的结构

图1通过设定19个蜂窝单元构成了多跳中继蜂窝网络模型，每一个单元可分为三个扇形区域，且每个扇形区域中包含两个中继站。为了方便对整体小区及其站点进行描述，利用NB(i，j)代表第i小区的第j扇区基站，其中i=1，2，…19。NB(i，j，k)代表第i小区第j扇区中的第k个中继站，其中k=1，2。NM代表中心小区第一扇区中的移动台，NB(i，j)和NB(i，j，k)分别代表NM的两个备选接入点。基于上述过程可得出不同时间域中每一条链路上的信干燥比，其表达式为

(1)

(2)

(3)

(4)

在上述公式中，Γrz-br表示中继域内BS-RS链路，Γrz-bm表示中继域内BS-MS链路的信干燥比，Γaz-br表示接入中继域内BS-MS链路的信干燥比，Γaz-rm表示中继域内RS-MS链路的信干燥比。Irz-br、Irz-bm、Iaz-bm、Iaz-rm分别表示各个对应链路所遭遇的同频干扰，N0表示加性高斯白噪声功率。

多跳蜂窝网络允许用户利用蜂窝系统的自组织网络通过多跳转发进行通信[5]。信道质量好的节点直接与基站通信，而信道质量较差的用户，尤其是边缘用户，需要选取较高质量信道质量，用户作为中继与基站实施间接通信。

在OFDMA子系统的频率范围内形成一个特定的顺序子信道，当OFDMA系统采用可定制编码(适当的不同调制方式)时，可以在每个时间间隔发送这些信息和编码策略。调制编码策略内容如表1所示，其显示了调制与编码策略、SINR和时隙效率之间的映射关系。

表1 调制编码策略

3 频率复用策略和干扰分析

多跳中继蜂窝网络中，小区间干扰协调的方式很多，但基本原则均是对资源管理进行相应的限制[6]。协调多个基站的工作，避免区域间的严重干扰，可能会限制资源的流动。例如避免使用可能对小区造成严重干扰的资源块或限制资源块内的传输功率、避免小区在资源块中发射可能造成干扰的功率。上述限制可以提高接收机的载波干扰比，从而提高业务小区的边缘数据速率和覆盖率。而资源调度的局限性可以看作是一种软频率复用。发射功率的限制可以看作是一种“功率控制分配”。

3.1 蜂窝网络空间频率复用

设定系统带宽为W，其可分为W1、W2、W3三个子频带，可通过将BS和RS功率平均分配给子信道来解决策略的执行和下行链路资源的分配问题[7]。

在中继域中，中继器总是显示接收信号。在这种情况下，系统不需要中继器来分配频率资源。总频带以1×3×1的复用方式分配给空间中每个扇区。由于RS在扇区边缘的地理优势，MS能够接入域中的RS，获取到最优质量的链路。同样，分布在扇区中心的MS能够直接接入BS。由于相邻空间中的基站与该空间中用户之间的直接距离相对较宽，因此提高对同一区域的连通性可以直接到达分布在扇区中心的用户处，系统受到的干扰也会伴随干扰距离的增加而增大[8]。

3.2 结合STBC干扰协调策略

蜂窝网络空间复用干扰协调策略支持多个区域，在区域边缘使用同一频率源，为用户提供服务。然后分析了以下几个链路的实现和性能。

让块组中的K个小区同时向移动台发送信号[9]。K空间对移动台的信道衰落为：h1，h2，…，hK，发射信号为s1，s2，…，sK，发射功率分别为P1，P2，…，PK，接收端噪声为n0，K空间以外的空间干扰为I0，则移动台接收信号为

(5)

通过式(5)可得出接收端信干燥比SINR的运算公式为

(6)

式(6)中，Pn0+I0表示噪声和干扰的功率。由于h1，h2，…，hK不存在相关性，则相对于单天线而言，K信道同时衰落的可能性大大降低。因此，接收到的信号频率高于单个天线的频率。

在此基础上，充分考虑以三个主站空间为集群的分布式单元体系结构。如果移动台处于两个基站同时服务的状态，来自主站3的信号和来自移动台的干扰信号始终处于工作状态，那么两个天线的辐射功率等于辐射功率P0[10]，那么可知两个天线上的两个连续接收信号为

(7)

式(7)中，n01和n02表示到达接收天线的信号的等效噪声。通过处理后的表达式为

(8)

(9)

信号接收信噪比运算式为

(10)

信道容量公式即

(11)

然后利用分集增益的思想，得出系统分集增益运算式即

(12)

倘若|h1|≥|h2|，假设|h1|-|h2|=c，那么可得出0≤c≤|h1|。

当用户接收到来自主控制空间的信息时，空间的边缘用户的频率信号强度在大部分时间都会低于正常值。如果高于正常值则其为中心用户[11]。

当已知用户是空间边缘用户，测量控制频率信号的强度，从三个相邻空间接收到的信号强度按降序确定，即CSI1、CSI2、CSI3，其对应的空间为π(1)、π(2)、π(3)。它们之间相应的间隔取决于信号强度的大小。此外，用户可以识别两个或三个空间的边界，并设置用户可用的频率范围。

若CSI1-CSI2

在此基础上，基站通过联合检测技术将不同小区的用户干扰信息转化为有用信息，并对小区边缘的用户进行联合处理。这样不仅避免了小区间干扰，还提高了小区边缘吞吐量。

4 实验与结果分析

为验证本文设计的OFDMA多跳中继蜂窝网络空间复用干扰协调策略的有效性，设计如下实验。实验参数如表2所示。

表2 实验主要参数表

随着多跳中继蜂窝网络负载的增加，当每个中继对应的用户确定后，对用户采用随机接入，接入的子载波数达到中继负载的性能。设定单小区用户数为32个，用户移动速率为3km/h，固定中继节点数为6个，载波频率为5.2GHz，组数据长度为424个，ID序列采用Hadamard码，误码率设置为不超过0.02。然后将本文方法与文献[1]方法、文献[2]方法进行性能对比，从信道吞吐量和干扰协调功率两个角度验证不同方法的有效性。

不同方法的信道吞吐量对比结果如图2所示。

图2 吞吐量性能对比图

根据图2可知，随着归一化业务量的增加，固定中继节点支持的随机接入协议的吞吐量略有提高。但在低数据传输速率下，本文方法的信道吞吐量性能明显优于另外两种方法。

为进一步突出本文方法的有效性，以干扰协调功率为检验指标，验证不同方法的应用性能，其结果如图3所示。

图3 不同方法的干扰协调性能比较

随着系统负载的增加，蜂窝网络空间复用中心的用户数量增加，信道中采用协作中继，可以获得空间分集增益。而且直接中继路由通过中继的跳数最多，误差积累也较大。分析图3可知，本文策略具有最佳的协调性能，文献[1]策略的性能优于文献[2]策略，但低于本文提出的策略。这是因为在本文所提出的策略中，即增加了可以复用的资源，又提高了系统频谱效率。如果接收功率稳定，辅助中继节点会将正确的信息发送到目的节点；如果接收功率不稳定，接收到的信息将被放大并转发到目的节点，目标节点具有最小的失真和最佳的干扰性能。

在多跳网络中，当信道容量较大且仅考虑信道容量时，其它两种策略的辅助中继节点的能量消耗基本相同较为浪费。相比之下，本文策略的性能明显高于其它两种策略。

5 结束语

本研究提出了一种适用于OFDMA多跳中继移动网络的空间多路干扰协调策略。采用STBC编码的干扰协调策略，在减少边缘用户干扰的同时，提高系统吞吐率，改善小区边缘区域覆盖情况，也实现了频谱资源的充分利用。仿真结果表明：所提策略能够协调与其他用户的干扰，提高系统性能和速度。另外，该算法在大格式MIMO和端到端通信应用中具有很大的潜力，可在今后作进一步研究。