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摘要 提出一种新的CDMA方式下的两跳蜂窝结构模型。这种新的结构在特定区域使用多个非再生固定中继，并在固定中继使用智能天线和波束成型技术，通过移动台在多个固定节点的信号功率的最大比合并和移动台平均发射功率的调整，有效地增加了系统的上行容量（25%左右）。研究结果还表明，这种新的网络结构可以有效降低小区间干扰，在发射功率和固定中继拓扑上都有较大的灵活性，并可根据实际的网络需求进行合理调整。
在多跳蜂窝网（MHCN：Multi-Hop Cellular Network）中，移动台通过两种方式到达基站，一种是传统蜂窝网中的直接连接方式：另一种是移动台和中继连接，通过中继的转接到达基站。通过这两种灵活的连接方式，可以降低发射功率和干扰范围，扩大网络覆盖范围，增强系统性能[1-3]。
多跳蜂窝网中的中继有两种：固定中继和移动中继。因为移动中继的体积和成本限制，不可能提供较复杂的功能，因此其中继能力相对较低。而固定中继则不受此限制，可以为多个移动台同时提供转接服务，并可以有较高的复杂度，使用较好的传输技术。根据另一种分类方法，中继可以分为再生中继和非再生中继。再生中继不传递噪声，但存在一定的时延；而非再生中继会传递噪声，但基本不会有时延[4-7]。
CDMA系统是干扰受限的系统。为了降低干扰，并最大限度地使用多跳的优势，文章提出一种新的网络结构，可有效地增强上行系统的容量。为了同时对大范围的移动台进行服务，并利用好CDMA系统自身的特点，这种新的网络结构中使用了多个固定非再生中继。所有的固定中继被放在特定的区域以减少小区间干扰，同时保证移动台最大的公平性。在固定中继和基站之间使用智能天线和波束成型技术以进一步减少小区间干扰。移动台发送的信号被所有的固定站点（包括基站和固定中继）接收，并在基站处进行最大比合并，从而最大限度地使用移动台发射功率。研究结果表明，这种新的网络结构可以有效降低小区间干扰，对系统上行容量有较大的提高。
1、增强型两跳网络结构
在多跳蜂窝网中，如果跳数超过2，那么无论路由算法、功率控制还是无线资源管理的复杂度都将大幅提高。并且一般情况下，两跳对于现实的蜂窝网性能提高已经足够，所以文章的研究主要考虑两跳。
在CDMA系统中，干扰是上行容量的主要限制。正确接收必须保证[8]：
（1）
其中，Eb/No为基站正确接收的最小信扰比，W为传输带宽，R为数据速率，S为移动台信号在基站处的接收功率，Ii为小区内干扰，Io为小区间干扰，No为基站接收噪声。
在CDMA系统中，干扰包括三个方面：小区内干扰、小区间干扰以及噪声。因为用户公平性的限制，即使使用了中继来到达基站，用户到达基站的接收功率也需要一致，因此如果不复用任何无线资源的话，小区内干扰往往不容易有太大的降低。而小区间干扰则不同，如果在特定区域使用固定中继，加上多跳的优势，可以大大降低小区间干扰，从而有效降低总干扰，增加系统的上行容量。为了降低小区间干扰，使用智能固定非再生中继是一个非常好的选择。
1.1 网络结构
文章提出了一个应用非再生固定中继来降低小区间干扰从而提高上行容量的网络框架。在这个增强型网络框架中，将智能天线和波束成型技术用在这些固定中继中，并把这些固定中继放在基站和六边形小区顶点的连线上，这些固定中继用全向天线来接收移动台的信号，并通过定向波束和基站连接，如图1所示。
图1 上行增强两跳蜂窝网框架
因为小区为正六边形，在用户均匀分布的小区中固定中继的数量应该为3或者6或者它们的倍数。移动台发射的信号被所有的固定节点接收，包括基站和固定中继。而固定中继直接将接收到的移动台信号转发给基站。最后，移动台的信号在基站合并为最终的移动台接收信号。
1.2 小区间干扰
在这种增强型两跳蜂窝网中，小区间干扰的计算会复杂一些，因为临小区的固定中继也会受到本小区移动台的干扰。同时，因为多跳蜂窝网中的移动台发射功率比传统蜂窝网要小得多，对第三层及更外层的小区产生的干扰就更小，因此，为了简化分析模型，文章只考虑最近的6个小区间干扰。那么小区间干扰可以通过下式得到：
（2）
在这种增强型两跳蜂窝网络中，移动台距离某些固定节点将非常近，甚至可以进行可视传输，最后的信号功率在基站合并，这种情况下如果保持信噪比为传统蜂窝网中的值，移动台的平均发射功率将大大降低。而固定中继和本小区基站之间通过波束成型技术进行连接，从而可以基本消除对外小区的干扰。这些都将大大降低这种蜂窝结构下的小区间干扰，从而可能提高系统的上行容量。
1.3 发射功率及功率控制
在增强型两跳蜂窝网络中，功率控制的依据不再是传统蜂窝网中基站处直接接收到的来自移动台的信号功率，而必须是移动台通过各个固定站点最终到达基站的移动台信号功率的总和。因为固定中继和基站在小区中比较分散，用户在发射功率上的公平性得到了很大的提高。经过这种功率控制，可以让距离基站远近不同的移动台使用大致相同的发射功率。此外，因为多跳减小了传输距离，从而降低了信道的衰落复杂度，信道也更稳定，在适当降低功率控制速度的同时，可以更准确地进行功率控制。
1.4 噪声积累
因为在这种两跳增强系统中使用的是非再生中继，所以中继在转发用户信号的同时，还会将接收到的噪声一起发送到基站，从而基站处噪声的积累将是一个不可忽视的问题。如果小区中有FN个固定中继，最后在基站处积累的噪声将是传统蜂窝网中的FN+1倍。因为在CDMA系统中，信噪比一般比较低（如1 dB），所以这种噪声积累产生的影响是不可忽略的。
为了降低噪声积累的影响，必须对移动台的发射功率进行一定的调整。因为多跳和多个固定中继的原因，可以有效降低移动台的发射功率。但为了增加系统性能，即上行系统容量，应该在系统大大降低移动台发射功率的基础上对发射功率进行一定的提高。这样，噪声积累的问题就得到了很好的解决。
2、模型建立
假定R1为固定中继到本小区基站的距离，R为小区半径。路径损耗因子为4，N为小区内总的用户数，ɑ为移动台激活率，Scell为小区覆盖范围，ρ为小区内移动台密度，FN为小区内移动台的数目。那么，小区间干扰将降为：
（3）
其中
最后可以得到小区间干扰为：
（4）
3、网络框架性能分析
当固定中继的数量为6，移动台在基站处的接收信噪比保持传统蜂窝网的大小时，可以得到小区间干扰的降低情况如图2所示。
图2 增强两跳系统中小区间干扰的降低情况
从图2可以看出，这种增强两跳系统可以有效降低小区间干扰，并且随着R1的增加，小区间干扰的降低也大大增加。从图中可以看出，当R1=0.65R时，小区间干扰降低最多，为传统蜂窝网的42%。当固定中继接近小区边缘时，小区间干扰又开始增加，这是因为相邻小区的固定中继的距离越来越近，从而增加了固定中继对小区间干扰的转发。因此，在这种增强两跳系统中，固定中继的位置不能距离小区边缘太近。
图3是保持移动台在基站的接收信噪比不变的情况下，移动台平均发射功率的降低情况。当R1=0.7R时，移动台平均发射功率降低为传统蜂窝网中的1.6%（18 dB）。
图3 增强两跳系统中移动台平均发射功率降低情况
在移动台平均发射功率保持不变的情况下，系统上行容量的提高如图4所示。当R1=0.7R时，上行容量最大将有22.5%的提高。
图4 增强两跳系统中上行容量增强比例
在这个增强型两跳蜂窝网络系统中，不同的固定中继拓扑将对系统性能有不同的提高，并且相当地灵活。当更多的固定中继加入到网络中时，系统性能将有更大的提高。
文章还分析了12个固定中继加入到小区中的情况。把这12个固定中继分为两层，每层6个。当外层中继距离基站为0.75R，并且信噪比保持传统蜂窝网中的大小时，移动台平均发射功率随内层中继与基站之间距离的变化而变化的情况如图5所示，总是在传统蜂窝网的1.5%以下。
图5 不同网络拓扑产生的移动台平均发射功率情况比较
当提高移动台的平均发射功率到传统蜂窝网中的平均发射功率时，上行容量的增强如图6所示。可以看出，即使在第二层固定中继距离基站很近时，系统上行容量也可以有20%以上的提高，而当第二层固定中继非常接近小区边缘时系统上行容量的提高也在8%。这更加说明了这种增强型网络结构的灵活性，可以根据不同的容量需求进行小区拓扑的变化。这种灵活性在热点小区和小区盲点将十分明显。
图6 不同网络拓扑产生的上行容量比较
4、结语
文章提出一种新的CDMA系统下的两跳蜂窝网络框架，通过使用智能的非再生固定中继，有效地降低了小区间的干扰。通过调整移动台发射功率，在消除了噪声积累造成的影响后，有效地增加了系统的上行容量。这种网络框架在移动台发射功率和固定中继拓扑方面都有着较好的调整灵活性，可以根据实际的网络需求进行有效调整，非常适合在无线移动网络中使用。
参考文献
1 Ying-Dar Lin，Yu-Ching Hsu. Multihop Cellular：A New Architecture for Wireless Communications. IEEE INFOCOM2000，Tel Aviv，Israel，Mar 2000
2 Li H，Lott M，Weckerle M，et a1.Multihop Communications in Future Mobile Radio Networks. Personal，Indoor and Mobile Radio Communications，2002.The 13th IEEE International Symposium on Volume：1，15～18 Sept.2002，Page（s）：54～58 vol.1
3 Yu-Ching Hsu，Ying-Dar Lin. Base-centric Routing Protocol for Multihop Cellular Networks. Global Telecommunications conference，2002.GLOBECOM’02 IEEE，Publication Date：17～21 Nov.2002，Page（s）：158～162 vol.1
4 Zhang Jingmei，Zhang Qi，et al. Adaptive Optimal Transmit Power Allocation for Two-hop Non-regenerative Wireless Relaying System.VTC’04 Spring，2004
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