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摘要：目前各大通信设备商正在积极参与制定的802.16j标准是以中继技术为核心、以802.16e(WiMAX)标准为基础架构的新一带无线城域网标准。它的目标是通过在基站的覆盖小区内布放中继站来降低WiMAX系统的整体建设成本，并提高系统的柔韧性。中继技术是指在基站与移动台之间转发信号，通过扩大基站覆盖和增大系统容量来达到以较低代价获取系统性能提升的目的。通过系统仿真可以看出中继技术的应用有效地提升了WiMAX系统的性能。
关键词：中继技术；中继站；无线城域网；WiMAX
Abstract: The 802.16j standard, which focuses on Relay and is based on 802.16e standard (WiMAX), is under rigid research and development. It aims at decreasing the cost of system building by deploying relay stations and raising the flexibility of the system. Relay forwards signal between base stations and mobile stations; it extends coverage and enlarges capacity at a lower cost. The results of the system simulation show that the relay technology improves the performance of IEEE 802.16 system.
Key words:relay; relay station; WMAN; WiMAX
随着用户对于无线互连网络需求的日益增长，新一代的无线通信系统需要提供更高速的传输率、更好的信号覆盖和更强的移动性，以便在不久的将来让用户通过无线传输得到能够与有线宽带网络相媲美甚至更好的接入服务。以IEEE 802.16e[1]技术标准为基础的WiMAX系统近年来受到广泛市场关注，但WiMAX基站在市区覆盖半径仅为几公里，而且数据传输速率随着与基站距离增加而递减，尤其处于基站覆盖边缘的用户信号较差，影响了该系统商用的普及。传统的移动网络主要通过安装微蜂窝基站或直放站[2]来改善覆盖问题，但前者成本较高而后者则会把干扰信号一同放大，缺乏智能控制，难以达到最优效果。为此，IEEE 802.16标准制定组织于2006年3月成立移动多跳中继技术[3]小组以研究在802.16系统中采用中继技术的可行性。多家通信企业及研究机构已参与其中并积极提案，使得新标准IEEE 802.16j呈现出勃勃生机。
1 中继技术简介
在传统的蜂窝通信系统中，基站的覆盖范围一般为2~5 km，如图1(a)所示，如果仅仅依靠视距路径(LOS)传输，由于存在高大建筑物，信道的阴影衰落会非常明显，信号的质量和速率都会降低；在图1(b)中，由于安装了中继站，在移动台与基站之间建立了一条速率高衰落小的信息通道，通信质量会得到非常大的提升。
中继站的成本相对微蜂窝基站会低廉很多[4]，在布放中继站时，最典型的两种情况如图2所示。
图2(a)情况下通常将中继站安装在基站覆盖边缘或者阴影效应[5]严重的区域，以达到改善信号传输质量进而提高传输速率的目的。从系统角度来看，这种布放可使基站为其覆盖区域内不同位置用户提供公平的服务调度和均衡的传输速率。
图2(b)的情况下控制信息和用户数据都通过中继到达接收端，可以看出基站覆盖范围得到扩大，这就使得运营商在不易布放基站的地区(如缺乏核心网接入点或者空间较小)通过中继站的转发提供有效的接入服务。从用户角度来看，这种布放改善了接收端的信号质量，服务质量和用户满意度得到提升；同时传输速率和系统覆盖范围都有所增大。
2 中继关键技术
(1) 中继站对信号的处理模式
中继站对接收信号的处理方式是影响中继性能的一个重要因素。
最简单的一种是类似于直放站的“放大转发”模式，中继站仅仅把接收到的信号按一定的系数进行放大，这种模式的弊端与直放站的确定也是类似的。还有一种模式叫做“解码转发”，中继站把信号解调并解码为原始信息，然后再重新编码调制发送。这种模式在信道条件好的时候能够增强信号质量，但是如果中继站解码出现错误，那么转发的信号将会出现差错扩散，而且移动台也无法恢复。最近还提出一种“估计转发”模式，中继站对信号只解调但不解码，然后按照解调后的信号进行量化压缩产生一个估计值，这个估计值的信号被中继站转发出去。这种模式最初是在“解码转发”模式不可用的情况下提出来的，它吸收了前面提到两种模式的优点，但由于转发的是接收信号的小码本，所以必须结合直径信号或者其他路径的转发信号，才能完全解码，具体实现方式还在探讨阶段。
(2) 中继站之间的协作和宏分集
在中继通信系统中，信号可以通过不同的中继节点到达移动台，因此通过中继站之间的协作传输，可以达到宏分集的效果。
最常用的分集方式是中继站与多输入多输出(MIMO)结合：来自基站的数据在中继站处进行相同的空时编码，每个中继站选择编码后的一路数据并发送出去，在接收端再合并。这种情况下中继站相当于MIMO中的独立天线。
另一种分集方式是循环时延分集，需要利用正交频分复用(OFDM)技术。基站将数据调整在OFDM符号上并发送给m 个中继站。不同的中继站分别将接收到的OFDM符号在时域上进行0至m -1次循环移位，然后再发送出去，实现频率和空间分集。
(3) 无线资源管理
无线资源管理包括基站、信道和传输功率的分配。当存在中继传输时，转发的信号传输需要额外的时频信道，选取恰当的中继站，中继信道或者转发功率进行传输将会大大增强高速数据信号的覆盖效果。在如下情况下尤其显著：
要求服务的移动台大幅增多；
采用功率控制进一步改善性能，特别是蜂窝很小时，临道干扰也相应变小；
蜂窝尺寸的大小决定了中继传输功率的大小；因此，移动台的电池容量将不构成瓶颈；
传输性能对中继选择机制的衡量标准也很敏感：如果随机选择，可能性能甚至不如无中继系统，而一个次最优的机制但却简单易行，也许会使系统性能得到更大的提升；
一旦选定了恰当的中继站，性能增益将对中继信道的选择标准变得不那么敏感。因此，中继站选择的优先级因该高于中继信道的优先级。
3 系统模型
图3所示为仿真模型，包括19个基站构成的多蜂窝结构，在各基站覆盖范围内分别有14个中继站。无线传播环境采用的是曼哈顿城区模型，建筑物非常密集，道路复杂交错，中继站位于路口较为空旷的地区，并且与基站之间具有视距路径。
系统仿真各项功能及参数都以IEEE 802.16e-2005[6]的标准为依据：6 MHz的带宽与2 048点的快速傅立叶变换(FFT)，载频为3.5 GHz，每个基站有3个扇区。用户服从泊松分布，下行链路采用自适应编码调制[7](AMC)，而在上行链路则只进行功率控制或者采用自适应资源调度技术。
4 系统仿真及分析
图4所示为系统下行链路仿真结果，仿真过程考虑前述两种中继站布放情况：例1、例2分别为基站覆盖范围内侧和外侧；由图中可观察到采用中继技术之后，信号质量都获得了大幅度提高；而例2信号质量略低于例1，这是因为例2中同一基站覆盖范围内中继站都可以使用任意的子信道，故蜂窝内干扰就会增加，导致信号质量下降。然而结果显示下降程度并不如预期的严重，这是因为在市区建筑物密布的环境中，适当的布放中继站可大幅降低干扰程度；此外，相同频带能够在同一个蜂窝中复用，从而使得系统容量或者吞吐量大幅提升。
图5所示为系统上行链路仿真结果：根据例1仿真结果表明，采用中继技术可大幅减少用户端信号的发射功率，因为用户端与中继站之间的传输环境获得了改善，且距离较短；而例2显示若节省下来的发射功率用于进行高级的编码调制，尽管会因为接收端信号质量需求提升而增加功率消耗，但所需发射功率仍比未采用中继技术时要低，且系统容量(可用吞吐率来表征)也可因此而提升。
5 结束语
经过对中继技术的介绍和仿真结果的数据分析，我们发现采用中继技术可以使下行接收信号获得超过20 dB的增益，且使系统容量翻倍；此外，所节省的上行发射功率达10 dB，或者使系统容量增加40%。相信如果应用更先进的调度算法，中继带来的增益会更高。
对中国产业界来说，IEEE 802.16j的标准参与以及相关技术开发应该得到充分重视。根据标准规范，中继技术只会涵盖物理层(PHY)和媒体接入控制层(MAC)，且正在起步阶段，国际大公司投入研发时间并不长，国内厂商如果尽早融入该进程，将在未来巨大的市场中占有一席之地。
6 参考文献
[1] WiMAX Forum. Mobile WiMAX Part I: A Technical Overview and Performance Evaluation [C], 2006.2.
[2] 吴伟陵，牛凯. 移动通信原理 [M], 北京：人民邮电出版社，2004.
[3] I-Kang Fu, Wern-Ho Sheen. Throughput Improvement with Relay-argumented Cellular Architecture [J], Contribution of IEEE 802.16 Broadband Wireless Access Working Group: IEEE C80216mmr-05/008, 2005, 9.
[4] 王承恕. 通信网新技术 [M], 北京：人民邮电出版社，2006.
[5] 杨大成. 移动传播环境 [M], 北京：机械工业出版社，2003.
[6] IEEE 802.16e-2005. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks, Part 16 [S], IEEE work group, 2006.
[7] 李立华，王勇，张平. 移动通信中的先进信号处理技术 [M], 北京：北京邮电大学出版社，2004.
收稿日期：2007-08-27
王大健，毕业于北京邮电大学，高级工程师。现工作于西安财经学院信息与教育技术中心，负责实验室管理工作。主要研究方向为电视与无线图像通信，先后公开发表论文10余篇。
关键词：中继技术；中继站；无线城域网；WiMAX
Abstract: The 802.16j standard, which focuses on Relay and is based on 802.16e standard (WiMAX), is under rigid research and development. It aims at decreasing the cost of system building by deploying relay stations and raising the flexibility of the system. Relay forwards signal between base stations and mobile stations; it extends coverage and enlarges capacity at a lower cost. The results of the system simulation show that the relay technology improves the performance of IEEE 802.16 system.
Key words:relay; relay station; WMAN; WiMAX
随着用户对于无线互连网络需求的日益增长，新一代的无线通信系统需要提供更高速的传输率、更好的信号覆盖和更强的移动性，以便在不久的将来让用户通过无线传输得到能够与有线宽带网络相媲美甚至更好的接入服务。以IEEE 802.16e[1]技术标准为基础的WiMAX系统近年来受到广泛市场关注，但WiMAX基站在市区覆盖半径仅为几公里，而且数据传输速率随着与基站距离增加而递减，尤其处于基站覆盖边缘的用户信号较差，影响了该系统商用的普及。传统的移动网络主要通过安装微蜂窝基站或直放站[2]来改善覆盖问题，但前者成本较高而后者则会把干扰信号一同放大，缺乏智能控制，难以达到最优效果。为此，IEEE 802.16标准制定组织于2006年3月成立移动多跳中继技术[3]小组以研究在802.16系统中采用中继技术的可行性。多家通信企业及研究机构已参与其中并积极提案，使得新标准IEEE 802.16j呈现出勃勃生机。
1 中继技术简介
在传统的蜂窝通信系统中，基站的覆盖范围一般为2~5 km，如图1(a)所示，如果仅仅依靠视距路径(LOS)传输，由于存在高大建筑物，信道的阴影衰落会非常明显，信号的质量和速率都会降低；在图1(b)中，由于安装了中继站，在移动台与基站之间建立了一条速率高衰落小的信息通道，通信质量会得到非常大的提升。
中继站的成本相对微蜂窝基站会低廉很多[4]，在布放中继站时，最典型的两种情况如图2所示。
图2(a)情况下通常将中继站安装在基站覆盖边缘或者阴影效应[5]严重的区域，以达到改善信号传输质量进而提高传输速率的目的。从系统角度来看，这种布放可使基站为其覆盖区域内不同位置用户提供公平的服务调度和均衡的传输速率。
图2(b)的情况下控制信息和用户数据都通过中继到达接收端，可以看出基站覆盖范围得到扩大，这就使得运营商在不易布放基站的地区(如缺乏核心网接入点或者空间较小)通过中继站的转发提供有效的接入服务。从用户角度来看，这种布放改善了接收端的信号质量，服务质量和用户满意度得到提升；同时传输速率和系统覆盖范围都有所增大。
2 中继关键技术
(1) 中继站对信号的处理模式
中继站对接收信号的处理方式是影响中继性能的一个重要因素。
最简单的一种是类似于直放站的“放大转发”模式，中继站仅仅把接收到的信号按一定的系数进行放大，这种模式的弊端与直放站的确定也是类似的。还有一种模式叫做“解码转发”，中继站把信号解调并解码为原始信息，然后再重新编码调制发送。这种模式在信道条件好的时候能够增强信号质量，但是如果中继站解码出现错误，那么转发的信号将会出现差错扩散，而且移动台也无法恢复。最近还提出一种“估计转发”模式，中继站对信号只解调但不解码，然后按照解调后的信号进行量化压缩产生一个估计值，这个估计值的信号被中继站转发出去。这种模式最初是在“解码转发”模式不可用的情况下提出来的，它吸收了前面提到两种模式的优点，但由于转发的是接收信号的小码本，所以必须结合直径信号或者其他路径的转发信号，才能完全解码，具体实现方式还在探讨阶段。
(2) 中继站之间的协作和宏分集
在中继通信系统中，信号可以通过不同的中继节点到达移动台，因此通过中继站之间的协作传输，可以达到宏分集的效果。
最常用的分集方式是中继站与多输入多输出(MIMO)结合：来自基站的数据在中继站处进行相同的空时编码，每个中继站选择编码后的一路数据并发送出去，在接收端再合并。这种情况下中继站相当于MIMO中的独立天线。
另一种分集方式是循环时延分集，需要利用正交频分复用(OFDM)技术。基站将数据调整在OFDM符号上并发送给m 个中继站。不同的中继站分别将接收到的OFDM符号在时域上进行0至m -1次循环移位，然后再发送出去，实现频率和空间分集。
(3) 无线资源管理
无线资源管理包括基站、信道和传输功率的分配。当存在中继传输时，转发的信号传输需要额外的时频信道，选取恰当的中继站，中继信道或者转发功率进行传输将会大大增强高速数据信号的覆盖效果。在如下情况下尤其显著：
要求服务的移动台大幅增多；
采用功率控制进一步改善性能，特别是蜂窝很小时，临道干扰也相应变小；
蜂窝尺寸的大小决定了中继传输功率的大小；因此，移动台的电池容量将不构成瓶颈；
传输性能对中继选择机制的衡量标准也很敏感：如果随机选择，可能性能甚至不如无中继系统，而一个次最优的机制但却简单易行，也许会使系统性能得到更大的提升；
一旦选定了恰当的中继站，性能增益将对中继信道的选择标准变得不那么敏感。因此，中继站选择的优先级因该高于中继信道的优先级。
3 系统模型
图3所示为仿真模型，包括19个基站构成的多蜂窝结构，在各基站覆盖范围内分别有14个中继站。无线传播环境采用的是曼哈顿城区模型，建筑物非常密集，道路复杂交错，中继站位于路口较为空旷的地区，并且与基站之间具有视距路径。
系统仿真各项功能及参数都以IEEE 802.16e-2005[6]的标准为依据：6 MHz的带宽与2 048点的快速傅立叶变换(FFT)，载频为3.5 GHz，每个基站有3个扇区。用户服从泊松分布，下行链路采用自适应编码调制[7](AMC)，而在上行链路则只进行功率控制或者采用自适应资源调度技术。
4 系统仿真及分析
图4所示为系统下行链路仿真结果，仿真过程考虑前述两种中继站布放情况：例1、例2分别为基站覆盖范围内侧和外侧；由图中可观察到采用中继技术之后，信号质量都获得了大幅度提高；而例2信号质量略低于例1，这是因为例2中同一基站覆盖范围内中继站都可以使用任意的子信道，故蜂窝内干扰就会增加，导致信号质量下降。然而结果显示下降程度并不如预期的严重，这是因为在市区建筑物密布的环境中，适当的布放中继站可大幅降低干扰程度；此外，相同频带能够在同一个蜂窝中复用，从而使得系统容量或者吞吐量大幅提升。
图5所示为系统上行链路仿真结果：根据例1仿真结果表明，采用中继技术可大幅减少用户端信号的发射功率，因为用户端与中继站之间的传输环境获得了改善，且距离较短；而例2显示若节省下来的发射功率用于进行高级的编码调制，尽管会因为接收端信号质量需求提升而增加功率消耗，但所需发射功率仍比未采用中继技术时要低，且系统容量(可用吞吐率来表征)也可因此而提升。
5 结束语
经过对中继技术的介绍和仿真结果的数据分析，我们发现采用中继技术可以使下行接收信号获得超过20 dB的增益，且使系统容量翻倍；此外，所节省的上行发射功率达10 dB，或者使系统容量增加40%。相信如果应用更先进的调度算法，中继带来的增益会更高。
对中国产业界来说，IEEE 802.16j的标准参与以及相关技术开发应该得到充分重视。根据标准规范，中继技术只会涵盖物理层(PHY)和媒体接入控制层(MAC)，且正在起步阶段，国际大公司投入研发时间并不长，国内厂商如果尽早融入该进程，将在未来巨大的市场中占有一席之地。
6 参考文献
[1] WiMAX Forum. Mobile WiMAX Part I: A Technical Overview and Performance Evaluation [C], 2006.2.
[2] 吴伟陵，牛凯. 移动通信原理 [M], 北京：人民邮电出版社，2004.
[3] I-Kang Fu, Wern-Ho Sheen. Throughput Improvement with Relay-argumented Cellular Architecture [J], Contribution of IEEE 802.16 Broadband Wireless Access Working Group: IEEE C80216mmr-05/008, 2005, 9.
[4] 王承恕. 通信网新技术 [M], 北京：人民邮电出版社，2006.
[5] 杨大成. 移动传播环境 [M], 北京：机械工业出版社，2003.
[6] IEEE 802.16e-2005. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks, Part 16 [S], IEEE work group, 2006.
[7] 李立华，王勇，张平. 移动通信中的先进信号处理技术 [M], 北京：北京邮电大学出版社，2004.
收稿日期：2007-08-27
王大健，毕业于北京邮电大学，高级工程师。现工作于西安财经学院信息与教育技术中心，负责实验室管理工作。主要研究方向为电视与无线图像通信，先后公开发表论文10余篇。