鲁蔚锋　 刘江帅　 杨绿溪

(1南京邮电大学计算机学院, 南京 210003)(2东南大学信息科学与工程学院, 南京 210096)(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)



两跳中继OFDMA蜂窝系统的上行链路覆盖分析

鲁蔚锋1,2,3刘江帅1杨绿溪2

(1南京邮电大学计算机学院, 南京 210003)(2东南大学信息科学与工程学院, 南京 210096)(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)

为了增加传统OFDMA蜂窝系统的上行链路覆盖，采用了两跳中继方式.在两跳中继蜂窝系统模型的基础上，将概率理论应用于基于译码转发中继的OFDMA系统中.通过数值计算，获得两跳中继OFDMA蜂窝系统的上行链路覆盖闭合表达式，并提出了有效覆盖半径的概念.假设用户在小区范围内服从均匀分布，从两跳中继系统的上行链路出发，分别对单小区和多小区情况下的覆盖性能进行理论分析，得到了系统覆盖优化模型，然后采用迭代算法对中继站部署的最优位置进行求解.最后实验结果表明，在多小区情况下，两跳中继蜂窝系统所获得的有效覆盖半径要明显小于单小区情况.此外，通过选取合适的参数，整个系统可以获得最大的有效覆盖半径.

正交频分多址接入;两跳中继;上行链路;覆盖分析

目前,第四代蜂窝系统已经在全球范围内普及,正交频分多址接入(orthogonal frequency division multiple access,OFDMA)技术以其在频谱利用率和抵抗信道深度衰落性能上的良好表现,被广泛应用于多址方案与4G蜂窝系统中[1].但随着小区子载波需求数量的快速增长和频谱资源的缺失,小区网络难以给用户提供高质量的通信信号,尤其对于小区边缘用户问题更为严重.减小小区覆盖半径虽然可以容纳更多的子载波,但会在小区间产生更多的干扰.这就需要蜂窝系统增加干扰管理技术如分区和自适应干扰消除等[2].另一种解决方案是为每个小区部署低成本的中继站(relay station,RS).通过在蜂窝系统中增加RS可以进一步提高系统容量和扩大小区覆盖范围.RS从功能上可以分为译码转发(decode-and-forward,DF)和放大转发(amplify-and-forward,AF)中继2种类型[3].在DF方式下,RS要解码出原始信息,然后重新编码再转发给相应用户;AF方式下,RS只对收到的信号进行增强和转发处理.

当在蜂窝系统中引入RS后,位于小区边缘的移动终端(mobile station,MS)可以通过RS与基站(base stations,BS)进行间接通信,这将会提高整个小区的覆盖范围[4].小区覆盖范围性能的提高取决于RS的部署位置,同时RS部署位置会对RS-BS 和MS-RS这2条链路的信噪比产生影响.如果将RS置于靠近小区的边缘,RS-BS链路的信噪比将会降低,同时对相邻小区产生更大的干扰.相反,若将RS置于靠近BS的地方,MS-RS链路的信噪比将会降低,从而造成小区边缘用户通信中断.因此,为了达到最佳的覆盖效果,需要求出一个合适的RS部署位置.目前,对于中继系统覆盖问题的研究已有大量的研究成果.文献[5-6]从系统容量的角度出发研究了最佳的RS放置问题,但是没有涉及到系统覆盖的研究.文献[7]考虑了双中继与协同中继的系统架构,并提出了一种优化算法用来从一组候选位置中选择最佳中继位置.文献[8]针对静态蜂窝中继网络,分析了网络中盲区大小、数量等参数对系统通信流量特征的影响,但并没有对RS位置部署问题进行分析.文献[9]研究了在盲区环境下如何通过中继获得系统性能的提升,并通过仿真证明了与两跳中继相比,使用多跳中继并不能获得更大的性能提升.文献[10]研究了基于通用移动通信系统(universal mobile telecommunications system,UMTS)的中继蜂窝系统的覆盖和容量问题,建立了分层随机几何系统模型,仿真结果表明使用多用户检测技术可以提升小区容量和覆盖范围.上述文献中主要分析基于中继的蜂窝系统覆盖性能,很少涉及RS部署位置的分析与优化.因此,本文主要研究在两跳中继OFDMA蜂窝系统的上行链路中,单小区和多小区情况下覆盖优化模型,并设计了求解多小区覆盖模型的迭代算法;通过仿真分析了小区覆盖的影响因素,并证实了模型的合理性.

1　系统模型

两跳中继OFDMA蜂窝系统模型如图1所示,位于小区边缘的MS可以通过RS与BS进行间接通信.这时在两跳中继蜂窝系统中就会存在2条不同的链路,RS与BS之间的链路被称为回程链路,而MS与RS之间的链路称为接入链路.这样对于小区边缘的MS可以首先通过接入链路与RS通信,然后RS再通过回程链路与BS进行通信.本文主要考虑两跳中继的情形,即MS与BS的通信仅通过一个RS进行转发,其分析结果可扩展到多跳中继的情形.

图1　两跳中继OFDMA蜂窝系统模型

在图1中,假设RS在以小区BS为原点,半径为R2的圆环上均匀放置,同时MS在小区内均匀分布.RS与小区边缘的距离为R1.如图1所示,假设BS所在位置为B点,RS所在位置为A点.假设MS的上行发射功率为PM,RS的上行发射功率为PR,蜂窝系统中的路径衰落指数为η,热噪声为N.假设接入链路和回程链路均存在对数正态阴影衰落,其高斯随机变量ξ的均值为0,标准方差分别为σ1,σ2.为了便于分析,在本文中忽略快衰落对系统的影响.

2　覆盖分析

本节在系统模型基础上,对单小区覆盖问题进行分析与优化,然后分析多小区情况下的干扰问题,并建立了覆盖优化模型,最后利用迭代算法进行求解.

2.1单小区覆盖分析

单小区覆盖范围一般用信噪比大于某个阈值来衡量,假设MS-BS链路直接传输距离为d,对数正态阴影衰落的高斯随机变量为ξ,其中标准差为σ,则在BS上接收的信噪比为

SNRMS-BS=PM-10ηlgd-N+ξ

(1)

假设信号可以正确解码的阈值为T,定义pc为SNRMS-BS大于阈值T的概率,这样对于MS与BS直接通信的链路,可以得到pc为

pc=P(SNRMS-RS>T)=

P(PM-10ηlgd-N+ξ>T)=

P(ξ>T+N-PM+10ηlgd)=

(2)

(3)

在传统蜂窝系统中引入两跳中继后,当MS处于BS覆盖范围之外时,MS首先将信号传递给RS,然后再由RS将其转发给BS.这时的解码率为

pc=pApB=

P(SNRMS-RS>T)P(SNRRS-BS>T)=

(4)

式中,pA和pB分别为在RS和BS上正确解码的概率.从图1中可以看出,当MS,RS和BS位于同一条直线时,Reff可以取得最大值.根据式(4),可以得到R2的表达式为

(5)

因此,根据上述分析,可以得到单小区情况下的有效覆盖半径为

(6)

图2为RS的部署规则.为了使小区中部署RS的数量最少,且覆盖盲区范围最小,可以通过部署使得每个RS覆盖的圆形区域相切.根据此部署规则可以获得小区中RS数量的表达式为

(7)

图2　RS部署规则

2.2多小区覆盖分析

在基于两跳中继的OFDMA蜂窝系统中,由于相邻小区之间存在频率复用,小区间干扰成为影响RS部署的一个重要因素.假设目标小区受到的干扰仅与第1层相邻小区有关，并假设MS-RS与RS-BS链路在正交时间和频段内传输信息.因此,从图3中可以发现目标小区中RS接收到的小区间干扰来自邻居小区的MS发射功率,而BS接收到的小区间干扰来自相邻小区的RS发射功率.以BS0所在的小区作为目标小区,共有6个相邻小区(BS1～BS6).将小区BSi的第j个RS记作RSi,j.例如,RS1,0表示为BS1中的标号为0的RS.

图3　多小区干扰模型

(8)

(9)

式中,di,j表示相邻小区BSi中第j个MS与目标小区中RS的距离,如图4所示.

图4　相邻小区MS与目标小区RS的距离

由于目标小区中RS接收到的干扰功率与相邻小区中MS的分布有关,在本文中假设MS服从均匀分布,则目标小区RS总干扰功率的期望为

(10)

与单小区情况相似,可以分别得出多小区情况下A点和B点处的正确解码率为

(11)

(12)

由2.1节的分析可知,当pApB≥0.5时信号才能被正确解码.同样多小区情况下,为了使得覆盖半径最大,得到中继节点的部署位置,可以建立如下优化覆盖模型:

(13)

图5　迭代算法流程

3　仿真与分析

为了验证基于概率理论所推导出的覆盖模型的准确性,针对基于译码转发的两跳中继OFDMA系统,对其上行链路进行了仿真分析.系统模型如图1所示,影响小区覆盖半径的主要参数包括发射功率、噪声、阴影衰落和路径衰落指数等,通过设置不同的系统参数分析小区覆盖半径的变化.OFDMA仿真平台以Matlab为基础搭建,并采用蒙特卡罗方法,对通信系统场景进行多次抓拍,然后统计其特性.系统参数见表1,将MS发射功率PM和路径损耗指数η作为变量,针对单小区和多小区2种情形,分别对覆盖模型进行求解分析.

表1　计算参数

图6显示了在单小区情况下,当路径衰落指数η为3.5,MS的发射功率PM分别为18,19,20 dBm时,有效覆盖半径Reff随R1的变化情况.从图中可以看出,Reff随着PM的增加而逐渐增大,这是由于在相同衰减和解码阈值不变的情况下,发射功率的增加可以提高覆盖半径.此时可以求出3种发射功率下Reff的最大值,以及对应R1值.同时根据式(7),可以获得当小区中的RS数量为6时,小区覆盖盲区面积最小.当R1与R2达到解码临界点时,Reff取得最大值,此后随R1增加而迅速下降,说明RS的部署需要平衡回程链路与接入链路各自的长度.

图6　单小区情况下PM对Reff的影响(η=3.5)

图7显示了单小区情况下,当MS的发射功率PM为20 dBm,路径衰落指数η分别为3.5,3.6,3.7时,有效覆盖半径Reff随R1的变化情况.从图中可以看出,Reff随着η的增加而逐渐减小.这是由于单小区中忽略干扰影响,路径衰落对有效半径的影响很大.此时可以求出3种路径衰落指数下的Reff的最大值,以及对应R1值.从图中可以发现，在PM为20 dBm,η为3.5的情况下,当R1的数值为1.12 km时,Reff可以取得最大值为3.232 km.

图7　单小区情况下η对Reff的影响(PM=20 dBm)

图8显示了在多小区情况下,当路径衰落指数η为3.5,MS的发射功率PM分别为18,19,20 dBm时,有效覆盖半径Reff随R1的变化情况.从图中可以看出，和单小区情况相同,Reff随着PM的增加而逐渐增大,同时可以求出3种发射功率下的Reff的最大值,以及对应R1值.此变化趋势与单小区情况相同,进一步证实了模型的合理性.多小区有效半径比单小区有效半径明显减少,可以看出小区间干扰对模型影响显著,这是中继系统中不可忽略的因素.

图8　多小区情况下PM对Reff的影响(η=3.5)

图9显示了多小区情况下,当MS的发射功率PM为20 dBm,路径衰落指数η分别为3.5,3.6,3.7时,有效覆盖半径Reff随R1的变化情况.从图中可以看出,与单小区情况相同,Reff随着η的增加而逐渐减小.同时可以求出3种路径衰落指数下的Reff的最大值,以及对应R1值.将单小区情况下求得的R1和Reff代入多小区所建立的迭代算法中.根据表1的参数,可以求得当PM=20 dBm,η=3.5,R1=936 m时,Reff取得最大值为2.425 km.

图9　多小区情况下η对Reff的影响(PM=20 dBm)

4　结语

本文将概率理论应用于基于DF中继的OFDMA蜂窝系统中,对两跳中继情况下的覆盖问题进行了理论分析,并推导出当用户处于均分分布情况下的最优覆盖模型.通过仿真分析进一步证明了该覆盖模型的准确性.本文基于传统覆盖问题相关研究,给出一种新的计算思路,对两跳中继OFDMA蜂窝系统上行链路的覆盖问题进行了探讨,对于该思路的实现和验证将在随后的研究工作中推进和深化.

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Uplink coverage analysis on two-hop relay OFDMA cellular systems

Lu Weifeng1,2,3Liu Jiangshuai1Yang Lüxi2

(1College of Computer, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China) (2School of Information Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China) (3Key Laboratory of Broadband Wireless Communication and Sensor Network Technology,Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

To increase the uplink coverage of traditional OFDMA (orthogonal frequency division multiple access) cellular systems, a two-hop relay was adopted. Based on the system model of the two-hop relay cellular systems, the probability theory was applied to DF (decode-and-forward) relay-enhanced OFDMA systems. The closed form expressions of the model on the system coverage were obtained by mathematical calculating and a definition of the effective coverage radius was proposed. Assuming that users were obeyed with a uniform distribution in the cell, the coverage performance of single cell and multi-cells for the uplink transmission were analyzed, respectively. Then, the optimization model of the system coverage was derived, and an iterative algorithm was used to determine the optimal position of the relay station. The experimental results show that when considering the multi-cell scenario，the effective coverage radius of the two-hop relay cellular systems was significantly smaller than that of the single cell. Moreover, by selecting the appropriate parameters, the entire system can obtain the maximum effective coverage radius.

OFDMA (orthogonal frequency division multiple access); two-hop relay; uplink; coverage analysis

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.003

2016-03-11.作者简介: 鲁蔚锋(1979—),男,博士,副教授,luwf@njupt.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(61372101，61201160)、江苏省高等学校优势学科建设工程资助项目(yx002001)、江苏省高校自然科学研究面上资助项目(16KJB510034)、南京邮电大学校引进人才科研启动基金资助项目(NY212012, NY214065).

TN929.5

A

1001-0505(2016)05-0917-06

引用本文: 鲁蔚锋,刘江帅,杨绿溪.两跳中继OFDMA蜂窝系统的上行链路覆盖分析[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(5):917-922. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.003.