中继增强蜂窝网络中基于复用分割的无线资源管理

摘要

更高的数据传输速率及无所不在的可靠信号覆盖是下一代移动通信网络的迫切要求，而把中继多跳技术引入蜂窝网络则是一种经济有效的解决方案。中继蜂窝网络可以扩大小区的覆盖范围，服务基站的盲点地区，节省功率以及平衡小区间的负载等。然而，由于中继站的引入需要消耗更多的无线资源，同时造成更复杂的干扰分布，因此对无线资源管理提出了新的难题。本文针对下一代两跳固定中继蜂窝网络中的无线资源分配、路由选择、小区间同频干扰的管理等方面进行了研究。 复用分割是一种能有效提高频谱利用效率的资源分配技术，其核心思想是对不同区域内的用户分配具有不同复用因子的无线资源。本文创新性地将其基本概念引入到固定中继蜂窝网络中，并始终围绕提高小区容量和扩大高数据率的覆盖范围(即改善小区边缘用户的服务质量)这两个主要目标，从小区内和小区间优化、静态和动态资源分配、基站之间无协作和有协作等不同角度，设计不同的频谱分配方案及路由算法来优化系统性能。 具体而言，本文分别提出了小区间基于固定复用分割、软复用分割和动态复用分割的不同资源分配方案。在这些方案中，通过巧妙优化基站到终端用户之间链路、基站到中继之间链路以及中继到用户之间链路频带的复用因子，使得频谱资源得到了有效利用，同时又避免了小区间严重的同频干扰。另外，通过引入“有效复用因子”这一量化指标来优化小区内的资源分割，并考察不同的链路带宽分配方案对系统性能的影响。仿真结果显示，采用这些资源分配方案后的中继蜂窝网络相比于传统网络，在小区容量和高速数据率的覆盖范围上的性能都得到较大增益。 路由策略是多跳中继技术研究中不可或缺的关键内容之一，而现有文献对固定两跳中继蜂窝网络绝大部分都采用了比较简单的以用户为中心的路由策略。为了进一步提升中继增强蜂窝网络的性能，在基于复用分割资源分配的框架下，本文提出了以系统为中心的路由策略。同时，把经济学中效用函数的概念引入进来，在兼顾用户满意度和系统性能的情况下，设计了两种快速路由算法来为用户选择合适的接入点(基站或固定中继)。研究表明，相比于简单的如基于距离或路径损耗的路由策略，本文提出的路由算法可以进一步提高小区容量和改善边缘用户的质量。 另外，本文根据半双工FDD模式下的中继蜂窝网络特点设计了MAC帧结构。利用该帧结构的特性，从时域和频域两方面进行联合资源分配，提出一种基于小区间动态复用分割并考虑不同用户抗干扰能力的频谱分配方案。此分配方案通过小区间协作使得频谱资源可以在小区内进一步复用，即达到复用因子小于1的程度，在保证每个用户基本传输速率的要求下，能够更有效地提高频谱利用效率，从而进一步优化系统容量和覆盖范围。 此外，本文还前瞻性地提出了一种可重配置的中继蜂窝网络结构框架和一种基于信道信息的混合式无线资源管理协议框架。这两个提案已申请了发明专利保护。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 本文的研究背景和意义

1.2中继增强蜂窝网络及其无线资源管理综述

1.3 论文的技术路线和主要内容

第二章 中继蜂窝网络系统模型及框架设计

2.1 引言

2.2中继蜂窝网络系统模型

2.3 一种可重配置的中继蜂窝网络结构框架

2.4 中继蜂窝网络中无线资源管理协议框架

2.5 本章小结

第三章 基于固定复用分割的频谱规划及资源分配

3.1 引言

3.2 系统模型及关键参数

3.3 基于复用分割的小区间的频谱规划方案

3.4 中继蜂窝网络中小区内的资源分割优化

3.5 本章小结

第四章 基于软复用分割的资源分配及路由优化

4.1 引言

4.2 基于软复用分割的资源分配方案

4.3 基于效用函数的系统模型

4.4 小区容量优化的快速路由算法

4.5 基于效用的快速启发式路由算法

4.6 本章小结

第五章 基于动态复用分割的时频资源分配

5.1 引言

5.2 半双工FDD模式中继蜂窝网络及其帧结构设计

5.3 时频资源的分配及问题建模

5.4 基于动态复用分割的时频资源分配方案

5.5 仿真结果及讨论

5.6 本章小结

第六章总结

6.1 主要结论

6.2 研究展望

参考文献

附录1 符号与标记

致 谢

攻读博士学位期间完成的论文及申请的专利