基于无线中继的宽带接入模型研究

林晓冬

（南京市广播电视大学，江苏 南京 210002）

0 引言

基于传统蜂窝网络架构的WiMAX网络存在着一定的覆盖问题，基站(BS，Base Station)的覆盖范围一般仅为2～5 km，且有效数据的传输速率随着用户与基站BS之间距离的增加而递减，因此,那些位于BS覆盖边缘用户的服务质量很难得到保障，影响了系统的商用普及。目前无线网络中采取的主要方法是增加基站密度或是在小区内部署直放站的方法来改善覆盖问题，然而前者成本较高而后者存在着有用信号和干扰信号被同时放大的问题。因此，需要一种新的部署方法来根本解决这些问题。

为了满足短距离和广覆盖范围的低损耗无线网络的这一目标，基于第二层（多跳）中继节点(IEEE 806.16j)的部署概念似乎是最有前途的解决方案之一。

1 中继技术简介

多跳中继技术就是通过利用结构相对简单、成本相对低廉的一个或多个中继站(RS，Relay Station)在BS到用户之间建立一条或多条辅助链路的方法，来对抗衰落，拓展网络覆盖，达到改善服务质量，有效提高小区吞吐量，改善运营商网络信号传输质量的目的。

IEEE802.16j标准定义了两种不同的中继模式：透明中继模式和非透明中继模式[1]。

针对这两种不同的中继模式可以有两种不同的调度模式：集中式调度模式和分布式调度模式。在集中式调度模式下，系统中所有用户的资源分配和管理都是由BS完成；在分布式调度模式下，RS具有一定的自主权，能够调度与其相关联的移动台(MS，Mobile Station)，但网络中 MS的接入鉴权和许可仍然需要BS协助。

在图1(a)的透明中继模式中，RS安装在基站覆盖范围边缘或阴影效应严重的区域，MS在基站的覆盖范围之内，中继不转发帧信息（包括前缀，帧控制头，下行/上行链路映射管理消息），只起放大和转发所接收的信号的作用，MS感觉不到中继的存在。透明中继还必须与上行的基站同步。由于上述这些特征，这种中继模式可以提高系统数据的传输速率，提升系统容量，为位于基站覆盖边缘和阴影效应严重区域用户提供具有一定服务质量(QoS，Quality of Service)保障的服务。这种中继结构不是很复杂，只能运行在集中调度模式中。

在图1(b)的非透明中继模式中，MS在基站的覆盖范围之外，而在中继覆盖范围之内，RS不仅放大和转发所接收的信号，还和基站一样转发帧信息，MS把中继当作基站。因此，这种中继模式可以扩大覆盖范围，但是，发送帧信息会导致相邻中继的干扰，所以使用这种中继来增加系统容量是有限的。非透明中继可以运行在集中式或者分布式调度模式，其结构比透明中继复杂。

图1 中继模式

中继对信号的处理模式有三种转发机制：放大转发机制、解码转发机制和估计转发机制。

2 系统模型和协议栈

2.1 宽带接入网络模型

图2是基于IEEE802.16j的WiMAX的网络参考模型[2]。由逻辑实体MS、RS、接入业务网(ASN，Access Service Network）和连接业务网（CSN，Connect Services Network）组成。其中CSN是WiMAX网络的核心网络，可以由AAA代理器、SERVER或者Internet网关等组成，CSN通过ASN- GW(网关,GateWay)接入到ASN。ASN的主要作用是为网络提供无线接入，ASN由ASN-GW和BS组成。图中的移动台MS可以直接通过ASN中的BS接入到网络中，或者通过RS接入到网络中。

与传统的WiMAX网络参考模型相比，此模型在MS和ASN功能实体中增加了RS模块。其中，RS功能实体由中继站组成，对ASN所发送的下行信号和MS所发送的上行信号作放大和转发作用；R10参考点是由MS和RS之间相互连接的逻辑接口。主要负责RS和MS之间的信号传输；R9参考点是RS和ASN之间相互连接的逻辑接口。主要负责RS和ASN的信号传输。

图2 基于IEEE 802.16j的WiMAX网络参考模型

2.2 协议栈

WiMAX网络的网络协议栈如图 3所示[3-4]，它由Data/Control Plane（数据控制平面）、Management Plane（管理平面）和Network Management System（网络管理系统）组成。

数据控制平面的功能主要是保证数据的正确传输。因此，数据控制平面除了要定义必要的传输外，还要定义一些控制机制来保障传输的顺利进行。

管理平面与数据控制平面的功能实体相对应。通过与数据控制平面实体的交互，管理实体可以协助外部的网络管理系统完成有关的管理功能。

图3 WiMAX的网络协议栈

其中，特定业务会聚子层:包括连接到上层的接口，主要功能是：

①分类和映射媒体访问控制（MAC，Media Access Control）服务数据单元到合适的连接标识符，用来服务质量管理、路由和发送；

②基于分类处理高层协议数据单元；

③传送会聚子层协议数据单元到合适的访问点和接收来自于同等实体的会聚子层协议数据单元；

④净荷头抑制，在各自发送部分处理压缩净荷头,在接收端恢复这些净荷头。

媒体访问层公共部分子层：主要功能是两个同等实体间的连接建立和管理、中继信道管理和路由、网络接入和初始化、上行/下行混合自动重传请求、切换过程、组播和广播服务、相邻中继站发现、带宽分配调度和服务质量管理。

安全子层：负责鉴权,安全密钥交换,和加密。

基于IEEE 802.16j的宽带网络协议栈在BS和MS之间增加了中继，中继新增加的作用是MS的接入和密钥管理都是由中继来完成。此协议栈在WiMAX网络协议栈的基础上，在下两层增加了中继媒体访问层和中继物理层两个功能实体，如图4所示。

中继媒体访问层: 负责发送MAC协议数据单元的串联和控制功能，例如调度、路由和服务流控制。也支持一般的MAC头的使用。

中继物理层:完成所有物理层的功能和过程。例如子信道化、解调、和对在基站和中继之间或者中继之间的连接的解码。

图4 基于 IEEE 802.16j的协议栈

3 仿真分析

设想在一个蜂窝小区中，蜂窝网络的半径为1 000 m，在特定的某个点处有个移动台，移动台移动速度为1～25 m/s,现采用图5的多跳中继接入和单跳直接连接两种方式进行连接，中继半径为100 m，用户符合泊松分布，每人通话时间为100 s，每人重复5次，每次人数按50人递增，仿真时间为300 s，切换次数仿真5次，比较其掉话率。

图5 两种小区接入模型

图6为选用了十个点做仿真的用户数和掉话率的仿真结果。

结果显示：有中继接入的掉话率明显较无中继的小，且随着系统用户数量的增加，有中继的掉话率呈下降趋势，从0.02下降为0.01，和无中继掉话率的差值也越来越大，只有无中继的1/4左右。可见，中继接入和单跳接入相比，掉话率得到了很大的改善。所以中继接入提供了较好的用户服务质量，具有普通的单跳接入所不具有的优势。中继接入还具有低成本、能扩大覆盖范围和系统容量的优点。由此可见，在传统的蜂窝网络中加入中继站是切实可行的，有着较好的发展前景。

图6 掉话率仿真结果比较

4 结语

经过对中继技术的分析和进行仿真对比，可以看出，基于IEEE802.16j的无线中继宽带网络接入模型，不仅可以扩展系统的范围，增加系统的容量，提升系统性能和服务质量，而且可以降低系统的安装和维护成本，是一种非常有前途的无线网络部署的方法之一。但是,新技术的发展业面临着许多新的问题,如与单跳系统相比，切换变得更加复杂；中继增加了网络新的时延；运行在集中调度模式的透明和非透明中继需要很复杂的基站；运行在分布调度模式的非透明中继结构也相当复杂；如何对小区的频谱资源进行更加公平合理的分配等问题，都需要在以后的实践中去不断研究和解决。

[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.