基于無線中繼的寬帶接入模型研究

林曉冬

（南京市廣播電視大學，江蘇 南京 210002）

0 引言

基于傳統蜂窩網絡架構的WiMAX網絡存在著一定的覆蓋問題，基站(BS，Base Station)的覆蓋范圍一般僅為2～5 km，且有效數據的傳輸速率隨著用戶與基站BS之間距離的增加而遞減，因此,那些位于BS覆蓋邊緣用戶的服務質量很難得到保障，影響了系統的商用普及。目前無線網絡中采取的主要方法是增加基站密度或是在小區內部署直放站的方法來改善覆蓋問題，然而前者成本較高而后者存在著有用信號和干擾信號被同時放大的問題。因此，需要一種新的部署方法來根本解決這些問題。

為了滿足短距離和廣覆蓋范圍的低損耗無線網絡的這一目標，基于第二層（多跳）中繼節點(IEEE 806.16j)的部署概念似乎是最有前途的解決方案之一。

1 中繼技術簡介

多跳中繼技術就是通過利用結構相對簡單、成本相對低廉的一個或多個中繼站(RS，Relay Station)在BS到用戶之間建立一條或多條輔助鏈路的方法，來對抗衰落，拓展網絡覆蓋，達到改善服務質量，有效提高小區吞吐量，改善運營商網絡信號傳輸質量的目的。

IEEE802.16j標準定義了兩種不同的中繼模式：透明中繼模式和非透明中繼模式[1]。

針對這兩種不同的中繼模式可以有兩種不同的調度模式：集中式調度模式和分布式調度模式。在集中式調度模式下，系統中所有用戶的資源分配和管理都是由BS完成；在分布式調度模式下，RS具有一定的自主權，能夠調度與其相關聯的移動臺(MS，Mobile Station)，但網絡中 MS的接入鑒權和許可仍然需要BS協助。

在圖1(a)的透明中繼模式中，RS安裝在基站覆蓋范圍邊緣或陰影效應嚴重的區域，MS在基站的覆蓋范圍之內，中繼不轉發幀信息（包括前綴，幀控制頭，下行/上行鏈路映射管理消息），只起放大和轉發所接收的信號的作用，MS感覺不到中繼的存在。透明中繼還必須與上行的基站同步。由于上述這些特征，這種中繼模式可以提高系統數據的傳輸速率，提升系統容量，為位于基站覆蓋邊緣和陰影效應嚴重區域用戶提供具有一定服務質量(QoS，Quality of Service)保障的服務。這種中繼結構不是很復雜，只能運行在集中調度模式中。

在圖1(b)的非透明中繼模式中，MS在基站的覆蓋范圍之外，而在中繼覆蓋范圍之內，RS不僅放大和轉發所接收的信號，還和基站一樣轉發幀信息，MS把中繼當作基站。因此，這種中繼模式可以擴大覆蓋范圍，但是，發送幀信息會導致相鄰中繼的干擾，所以使用這種中繼來增加系統容量是有限的。非透明中繼可以運行在集中式或者分布式調度模式，其結構比透明中繼復雜。

圖1 中繼模式

中繼對信號的處理模式有三種轉發機制：放大轉發機制、解碼轉發機制和估計轉發機制。

2 系統模型和協議棧

2.1 寬帶接入網絡模型

圖2是基于IEEE802.16j的WiMAX的網絡參考模型[2]。由邏輯實體MS、RS、接入業務網(ASN，Access Service Network）和連接業務網（CSN，Connect Services Network）組成。其中CSN是WiMAX網絡的核心網絡，可以由AAA代理器、SERVER或者Internet網關等組成，CSN通過ASN- GW(網關,GateWay)接入到ASN。ASN的主要作用是為網絡提供無線接入，ASN由ASN-GW和BS組成。圖中的移動臺MS可以直接通過ASN中的BS接入到網絡中，或者通過RS接入到網絡中。

與傳統的WiMAX網絡參考模型相比，此模型在MS和ASN功能實體中增加了RS模塊。其中，RS功能實體由中繼站組成，對ASN所發送的下行信號和MS所發送的上行信號作放大和轉發作用；R10參考點是由MS和RS之間相互連接的邏輯接口。主要負責RS和MS之間的信號傳輸；R9參考點是RS和ASN之間相互連接的邏輯接口。主要負責RS和ASN的信號傳輸。

圖2 基于IEEE 802.16j的WiMAX網絡參考模型

2.2 協議棧

WiMAX網絡的網絡協議棧如圖 3所示[3-4]，它由Data/Control Plane（數據控制平面）、Management Plane（管理平面）和Network Management System（網絡管理系統）組成。

數據控制平面的功能主要是保證數據的正確傳輸。因此，數據控制平面除了要定義必要的傳輸外，還要定義一些控制機制來保障傳輸的順利進行。

管理平面與數據控制平面的功能實體相對應。通過與數據控制平面實體的交互，管理實體可以協助外部的網絡管理系統完成有關的管理功能。

圖3 WiMAX的網絡協議棧

其中，特定業務會聚子層:包括連接到上層的接口，主要功能是：

①分類和映射媒體訪問控制（MAC，Media Access Control）服務數據單元到合適的連接標識符，用來服務質量管理、路由和發送；

②基于分類處理高層協議數據單元；

③傳送會聚子層協議數據單元到合適的訪問點和接收來自于同等實體的會聚子層協議數據單元；

④凈荷頭抑制，在各自發送部分處理壓縮凈荷頭,在接收端恢復這些凈荷頭。

媒體訪問層公共部分子層：主要功能是兩個同等實體間的連接建立和管理、中繼信道管理和路由、網絡接入和初始化、上行/下行混合自動重傳請求、切換過程、組播和廣播服務、相鄰中繼站發現、帶寬分配調度和服務質量管理。

安全子層：負責鑒權,安全密鑰交換,和加密。

基于IEEE 802.16j的寬帶網絡協議棧在BS和MS之間增加了中繼，中繼新增加的作用是MS的接入和密鑰管理都是由中繼來完成。此協議棧在WiMAX網絡協議棧的基礎上，在下兩層增加了中繼媒體訪問層和中繼物理層兩個功能實體，如圖4所示。

中繼媒體訪問層: 負責發送MAC協議數據單元的串聯和控制功能，例如調度、路由和服務流控制。也支持一般的MAC頭的使用。

中繼物理層:完成所有物理層的功能和過程。例如子信道化、解調、和對在基站和中繼之間或者中繼之間的連接的解碼。

圖4 基于 IEEE 802.16j的協議棧

3 仿真分析

設想在一個蜂窩小區中，蜂窩網絡的半徑為1 000 m，在特定的某個點處有個移動臺，移動臺移動速度為1～25 m/s,現采用圖5的多跳中繼接入和單跳直接連接兩種方式進行連接，中繼半徑為100 m，用戶符合泊松分布，每人通話時間為100 s，每人重復5次，每次人數按50人遞增，仿真時間為300 s，切換次數仿真5次，比較其掉話率。

圖5 兩種小區接入模型

圖6為選用了十個點做仿真的用戶數和掉話率的仿真結果。

結果顯示：有中繼接入的掉話率明顯較無中繼的小，且隨著系統用戶數量的增加，有中繼的掉話率呈下降趨勢，從0.02下降為0.01，和無中繼掉話率的差值也越來越大，只有無中繼的1/4左右。可見，中繼接入和單跳接入相比，掉話率得到了很大的改善。所以中繼接入提供了較好的用戶服務質量，具有普通的單跳接入所不具有的優勢。中繼接入還具有低成本、能擴大覆蓋范圍和系統容量的優點。由此可見，在傳統的蜂窩網絡中加入中繼站是切實可行的，有著較好的發展前景。

圖6 掉話率仿真結果比較

4 結語

經過對中繼技術的分析和進行仿真對比，可以看出，基于IEEE802.16j的無線中繼寬帶網絡接入模型，不僅可以擴展系統的范圍，增加系統的容量，提升系統性能和服務質量，而且可以降低系統的安裝和維護成本，是一種非常有前途的無線網絡部署的方法之一。但是,新技術的發展業面臨著許多新的問題,如與單跳系統相比，切換變得更加復雜；中繼增加了網絡新的時延；運行在集中調度模式的透明和非透明中繼需要很復雜的基站；運行在分布調度模式的非透明中繼結構也相當復雜；如何對小區的頻譜資源進行更加公平合理的分配等問題，都需要在以后的實踐中去不斷研究和解決。

[1] PETERS S W,HEATH R W.The Future of WiMAX: Multihop Relaying with IEEE 802.16j[J].Communications Magazine IEEE,2009,47(01): 104-111.

[2] GENC V,MURPHY S,YANG Yu,et al.IEEE 802.16J Relay-Based Wireless Access Networks: an Overview[J].Wireless Communications IEEE, 2008,(15)05: 56-63.

[3] IEEE Std 802.16-2009:C1-2004.IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16: Air Interface for Broadband Wireless Access Systems[S].

[4] WALKE B H,WIJAYA H,SCHULTZ D C.Layer 2 Relays in Cellular Mobile Radio Networks[C].Melbourne: IEEE Vehicular Technology Conference, 2006:81-85.