基于非专用中继节点的双跳中继用频规划*

单秋橙，马东堂⋆，熊 俊，张晓瀛，周啸天

（1.国防科技大学电子科学学院，长沙 410073；2.解放军75833 部队，广州 510080）

0 引言

联合战术通信背景下，通信节点的部署随作战需求的变化而变化，节点的通信环境也随节点的部署位置不断变化。在预先配置的单跳指挥通信网中，指挥节点与下辖的某些通信节点之间可能由于地理阻隔发生通信中断，导致指挥通信网无法正常运转。

无线中继技术作为一种克服信道恶化的手段，可有效拓展通信覆盖范围，已在民用蜂窝通信领域广泛应用。而基于认知中继节点的频谱资源优化与规划，可以提高频谱利用率、缓解用频矛盾，最大程度发挥认知无线电的认知和重构能力。

文献［1］系统介绍了一种蜂窝中继网络的无线资源管理方案，明确了蜂窝中继通信中存在的3 种链路：基站与用户间的直连链路（Direct Link）、基站与中继间的回程链路（Backhaul Link）以及中继与用户间的接入链路（Access Link）。不同的链路占用不同的时频资源，文章中介绍了两种时频资源分配方式——分割法（Partitioned）和复用法（Reused），并且给出了具体时频上的帧结构形式，如图1 所示，中继节点根据自身的地理位置以及周围直连基站的用户用频情况自主地选择相应的中继频率。该文献研究的是复用体制下的资源分配，但是在该体制下，中继节点不承担原先的网络通信任务，属于专用的中继节点。且从帧结构上看，不同链路的节点处在同一时隙资源的分配体制之下，因此，全网通信就需要精确的时间同步保障。

文献［2］研究了认知MIMO 天线下的双路中继网络（Two-Way Relay Network，TWRN）的资源分配问题。在该中继网络中，中继节点在承担一对节点的中继转发任务的同时还可以进行其他信息的收发，也就是说，中继节点不是专用的节点，而是利用现有网络中的通信节点承担中继任务。文献［3］也指出，在蜂窝通信中，单纯依靠增加中继节点，扩大基站通信范围，提升蜂窝通信质量，效费比比较低，且存在中继选择及位置的优化问题，无疑增添了蜂窝中继资源优化问题的难度。

此外，文献［4-6］研究了借助D2D 通信实现信息的中继转发。这也可以看作是非专用中继节点在承担原通信任务的同时，以D2D 的方式实现中继转发的一种中继策略。

但是实际的战术通信和蜂窝通信还有明显的不同。以超短波战术通信网为例，上下级通信节点一般采用相同频率，各单位通过呼号或者时分多址接入网络，实现信息的共享。如何实现上级指挥节点对下辖通信节点的全覆盖是战术通信保障任务的核心。在战术通信中，不可能和蜂窝通信一样预先布置服务于某些节点用户的专用中继节点，而更多的是利用本单位的通信节点之间的信息互传，实现上级指挥节点对下辖的边缘通信节点的通信覆盖。

图1 时频资源分割及复用方法下的帧结构设计

本文旨在建立一个可以有效反映战术通信背景，借助同级通信节点，实现基于非专用中继节点的中继频率规划模型，综合考虑中继用频需求，中继用频对原通信体系的干扰以及全频段的频率复用等问题。

1 系统模型

1.1 网络场景

本文主要考虑一个包含三级通信节点的战术通信网，一级节点和二级节点之间由于通信距离过大或者地理障碍物的阻隔无法实现单跳通信，需要以某一二级节点为中继，拓展一级节点的通信范围，实现一级节点和远端二级节点的双跳中继通信。这种借助地面二级节点的中继方式虽然在频谱规划难度、中继通信速率等方面不及无人机中继通信，但是这种中继方式下的通信以地波传播为主，因此，相较于无人机中继，具有隐蔽性好、维护成本低等优势，具体的规划场景如图2 所示：

图2 基于同级别节点的战术中继频谱规划场景图

在图2 中，一级节点下辖多个二级通信指挥节点，二级节点和单兵单车之间组成单跳集中式的二级网络。具体地，二级节点作为信息融合节点，管控着整个二级网络。上下行链路采用时分双工模式，单兵单车通过码分多址或者时分多址接入二级节点。二级网络内同频建网，网内同步，不同二级网络间采用不同频率且无需时间同步。由于二级网络节点有明确的从属关系，且通信范围重叠的可能性较小，和蜂窝网相类似，因此，当以二级网络为中心的二级网络之间的距离足够大，或者信道衰落明显时，可以考虑频率的复用。

而对于一级节点来说，其所需要覆盖的通信范围无疑要比二级节点覆盖范围广得多。在超短波战术通信网中，采用地波传播方式的超短波，传输范围一般也就是十几公里，当地势起伏较大时，通信范围会进一步缩小，一般为5 km 左右。另外，地面障碍物的阻挡也会使信道衰落更为严重，所以传统的以一级节点为中心的单跳超短波组网方式已经无法满足通信需求。以图2 为例，二级节点1 距离一级节点较远，导致该节点无法正确接收来自一级节点的信息，也无法向一级节点汇报自身情况。二级节点2 此时距离二级节点1 最近，且可以收到来自一级节点的指挥信息，所以二级节点2 就可以充当二级节点1 和一级节点之间的通信中继。不妨将一级节点和二级节点之间的通信网络称为骨干网，单兵单车和对应二级节点组成的通信网称为接入网，参与中继通信的二级节点组成的网络称为中继网。本文在超短波频段，针对3 种通信网提出一整套频率的划分及复用方案，并在骨干网和接入网用频既定的情况下，基于已知的中继网络节点，研究中继节点处的中继用频规划问题，实现最大化中继通信效能和最小化中继通信网络对骨干网和接入网的影响。

1.2 问题描述

在图2 的规划场景中，频率规划需要考虑几个超短波通信网的网间干扰，而网间干扰最严重的地方就是网间共用二级节点处的共址干扰，出现的主要原因是由于该节点处的不同网络接收和发射天线布置距离较近，且收发电平差距悬殊，天线间的耦合会使接收天线出现减敏现象。在实际的频谱规划场景中，天线间的耦合在车载天线距离和极化固定的情况下一般很难调整，而且接收机处的滤波器性能有限，最大限度地增大收发天线间的频谱间隔，也就是两个通信网络间的频谱间隔，一定程度上会改善网间的干扰程度。避免共址干扰的最小频谱间隔被称为共址干扰下的安全带宽。

Jacques J.Gavan 课题组通过实验建立了接收端射频滤波器对临近信号的衰减量与频率间隔之间的半经验计算公式［7］

在图2 所述的通信场景下，对于骨干网和接入网两个网络层次，由于在所有二级节点处都存在共址干扰，所以这两个层次网络使用的频率间隔至少为5 MHz。接入网由于二级节点和单兵单车的距离较近，单跳传输，所以可以选用超短波频段中较高的频段，且由于该层次通信用户密集，所分得的频段资源也相对丰富［10-13］。另外，中继网用频只在参与中继的二级节点处与该节点的接入网用频产生共址干扰，所以中继网用频也只需要和中继网中二级节点处的接入网用频间隔5 MHz，而对于其他不参与中继的二级节点来说，由于满足远区传输特性，不在近区共址干扰的考虑范围之内，所以中继用频也就不需要和这些二级节点的接入网用频间隔5 MHz。一定条件下中继网络用频可以复用非中继网络二级节点的接入网用频。所以，当中继网络节点已知时，中继二级节点根据实际的中继任务需求，复用接入网频段。一种可行的规划方案如图3所示：

图3 考虑复用情况的频谱分配方案

在图3 中，中继网络用频为横阴影部分，中继网络由二级节点1 和2 组成，所以中继用频需和这两个二级节点的接入网用频间隔5 MHz 以上。另外，由于二级节点3 不参与中继，所以中继网络用频一定条件下可以复用二级节点3 的接入网用频。对于参与中继的二级节点，中继用频的选择需考虑：

1）避免与骨干网的共址干扰（由于复用的是接入网频率，所以该项已满足）；

2）避免与参与中继的二级节点的接入网之间的共址干扰；

3）避免对其他不参与中继的二级节点的接入网用频的干扰；

4）满足中继带宽需求。

1.3 模型设计

C1保证了中继用频和参与中继的二级节点的接入网用频之间的频谱间隔大于5 MHz，消除了共址干扰，C2保证了规划的中继用频带宽需求满足最低中继带宽需求，B 为需要满足的最低中继带宽需求。

2 算法设计

在该场景中，中继用频策略只需要满足最低中继带宽的需求即可，而不能通过干扰不参与中继网络的二级节点的接入网通信来换取中继的带宽。但是在对不参与中继网络的二级节点的总干扰没有增大的情况下，增大中继的通信带宽也是提高中继通信效率的有效方式。在本文所提算法中设置干扰的累积函数的倒数作为算法中的效益函数U，表示如下：

在上述优化思想的指导下，具体的优化流程如图4 所示，算法首先将中继带宽设置为最低需求值，并在可规划频段内寻找是否存在满足共址干扰条件，即距离中继网络中二级节点的接入网用频5 MHz 以上的连续频带。若不存在，则结束算法，说明通过地面二级节点为中继的中继方案已不适用，应采用无人机中继方案。若存在，则计算在该中继带宽下所有可用中继频带下的效用值U，选出最大值和相应的中继用频策略。之后将中继带宽增加一个频谱粒度，继续利用共址约束条件进行判断，若依然存在可用的中继用频策略，只要该策略下U值未下降，应更新中继策略。

图4 频谱规划流程图

3 仿真及分析

为了验证所提算法性能，本文基于Matlab 平台进行算法仿真实现。为了更加清晰地展现不同的最低中继带宽下的中继策略的更新，仿真的总体思路是给出不同中继带宽下的最大效用值的比较以及中继策略。

3.1 仿真环境及参数设置

仿真中，一级节点位于仿真区域的中心，在仿真区域内随机分布着15 个二级通信节点，仿真中假设距离一级节点最远的1 个二级节点需要中继服务，距离该二级节点最近的二级节点为中继节点，提供中继转发服务。具体的仿真环境如图5 所示：

图5 仿真环境节点分布图

表1 仿真参数设置

3.2 仿真结果分析

对于可规划频段，各二级节点接入网用频存在着分频和复用。具体应根据地势及信道衰落状况合理分配，这不是本文的研究重点，所以在仿真分析时采用随机占用的原则。为了体现频率分配的合理性，每个二级节点也不宜占用过多的频率资源，在该仿真中，每个二级节点的接入网用频可以分配到2～3 个频谱粒度资源。

随着中继带宽限制的不同，所采取的频率规划方案的最大效益函数值也不尽相同。图6 给出了不同的中继带宽下，满足条件的中继用频规划方案所能产生的最大效益函数值：

图6 不同中继带宽下的最大效益值比较

在图6 圆圈所展示的区域中，中继带宽设置为3 MHz～5 MHz 时所获得的效益函数值相等，所以如果中继最低带宽需求是3 MHz 或者4 MHz 时，都应该采用5 MHz 所对应的中继用频策略以最大化中继传输速率；而图6 中矩形所圈出的部分也就是对应的中继带宽设置为9 MHz～11 MHz 时，不同的中继带宽对应着不同的效益值，所以当中继最低带宽需求为这3 个数值时，为了不对原先的接入网通信造成新的干扰，中继规划用频在满足最低带宽需求的同时，不宜为了优化中继速率进一步增加中继带宽；图中圆角矩形圆圈圈出的部分则是由于中继带宽需求过大，使得在原先的规划频段内无法找到满足共址干扰约束条件的频段，所以规划的效益值为0，这种情况说明通过地面二级节点为中继已不适用，需要借助无人机等中继手段实现中继转发。不同中继带宽下的最优中继频率规划方案如下页图8所示。

图7 图6 的局部放大

4 结论

图8 不同中继带宽下的中继频率规划方案

本文分析了战术通信网络中超短波频段的分配问题，针对不同层级的网络给出了频谱的划分策略，并在该策略下，综合考虑了共址干扰、邻频干扰等问题，提出了基于非专用中继节点的频率复用方案。从仿真结果可以看出，本文所提出的中继频率的复用方案可以在满足中继最低带宽需求的基础上，最小化对原通信网络的干扰影响，且在总的干扰效益不降低的情况下，最大化中继传输带宽，以实现最快的中继数据传送。提高了战术通信网络的用频效率，降低了中继通信网络对原通信网络的影响，提升了通信质量。