基于非專用中繼節點的雙跳中繼用頻規劃*

單秋橙，馬東堂?，熊 俊，張曉瀛，周嘯天

（1.國防科技大學電子科學學院，長沙 410073；2.解放軍75833 部隊，廣州 510080）

0 引言

聯合戰術通信背景下，通信節點的部署隨作戰需求的變化而變化，節點的通信環境也隨節點的部署位置不斷變化。在預先配置的單跳指揮通信網中，指揮節點與下轄的某些通信節點之間可能由于地理阻隔發生通信中斷，導致指揮通信網無法正常運轉。

無線中繼技術作為一種克服信道惡化的手段，可有效拓展通信覆蓋范圍，已在民用蜂窩通信領域廣泛應用。而基于認知中繼節點的頻譜資源優化與規劃，可以提高頻譜利用率、緩解用頻矛盾，最大程度發揮認知無線電的認知和重構能力。

文獻［1］系統介紹了一種蜂窩中繼網絡的無線資源管理方案，明確了蜂窩中繼通信中存在的3 種鏈路：基站與用戶間的直連鏈路（Direct Link）、基站與中繼間的回程鏈路（Backhaul Link）以及中繼與用戶間的接入鏈路（Access Link）。不同的鏈路占用不同的時頻資源，文章中介紹了兩種時頻資源分配方式——分割法（Partitioned）和復用法（Reused），并且給出了具體時頻上的幀結構形式，如圖1 所示，中繼節點根據自身的地理位置以及周圍直連基站的用戶用頻情況自主地選擇相應的中繼頻率。該文獻研究的是復用體制下的資源分配，但是在該體制下，中繼節點不承擔原先的網絡通信任務，屬于專用的中繼節點。且從幀結構上看，不同鏈路的節點處在同一時隙資源的分配體制之下，因此，全網通信就需要精確的時間同步保障。

文獻［2］研究了認知MIMO 天線下的雙路中繼網絡（Two-Way Relay Network，TWRN）的資源分配問題。在該中繼網絡中，中繼節點在承擔一對節點的中繼轉發任務的同時還可以進行其他信息的收發，也就是說，中繼節點不是專用的節點，而是利用現有網絡中的通信節點承擔中繼任務。文獻［3］也指出，在蜂窩通信中，單純依靠增加中繼節點，擴大基站通信范圍，提升蜂窩通信質量，效費比比較低，且存在中繼選擇及位置的優化問題，無疑增添了蜂窩中繼資源優化問題的難度。

此外，文獻［4-6］研究了借助D2D 通信實現信息的中繼轉發。這也可以看作是非專用中繼節點在承擔原通信任務的同時，以D2D 的方式實現中繼轉發的一種中繼策略。

但是實際的戰術通信和蜂窩通信還有明顯的不同。以超短波戰術通信網為例，上下級通信節點一般采用相同頻率，各單位通過呼號或者時分多址接入網絡，實現信息的共享。如何實現上級指揮節點對下轄通信節點的全覆蓋是戰術通信保障任務的核心。在戰術通信中，不可能和蜂窩通信一樣預先布置服務于某些節點用戶的專用中繼節點，而更多的是利用本單位的通信節點之間的信息互傳，實現上級指揮節點對下轄的邊緣通信節點的通信覆蓋。

圖1 時頻資源分割及復用方法下的幀結構設計

本文旨在建立一個可以有效反映戰術通信背景，借助同級通信節點，實現基于非專用中繼節點的中繼頻率規劃模型，綜合考慮中繼用頻需求，中繼用頻對原通信體系的干擾以及全頻段的頻率復用等問題。

1 系統模型

1.1 網絡場景

本文主要考慮一個包含三級通信節點的戰術通信網，一級節點和二級節點之間由于通信距離過大或者地理障礙物的阻隔無法實現單跳通信，需要以某一二級節點為中繼，拓展一級節點的通信范圍，實現一級節點和遠端二級節點的雙跳中繼通信。這種借助地面二級節點的中繼方式雖然在頻譜規劃難度、中繼通信速率等方面不及無人機中繼通信，但是這種中繼方式下的通信以地波傳播為主，因此，相較于無人機中繼，具有隱蔽性好、維護成本低等優勢，具體的規劃場景如圖2 所示：

圖2 基于同級別節點的戰術中繼頻譜規劃場景圖

在圖2 中，一級節點下轄多個二級通信指揮節點，二級節點和單兵單車之間組成單跳集中式的二級網絡。具體地，二級節點作為信息融合節點，管控著整個二級網絡。上下行鏈路采用時分雙工模式，單兵單車通過碼分多址或者時分多址接入二級節點。二級網絡內同頻建網，網內同步，不同二級網絡間采用不同頻率且無需時間同步。由于二級網絡節點有明確的從屬關系，且通信范圍重疊的可能性較小，和蜂窩網相類似，因此，當以二級網絡為中心的二級網絡之間的距離足夠大，或者信道衰落明顯時，可以考慮頻率的復用。

而對于一級節點來說，其所需要覆蓋的通信范圍無疑要比二級節點覆蓋范圍廣得多。在超短波戰術通信網中，采用地波傳播方式的超短波，傳輸范圍一般也就是十幾公里，當地勢起伏較大時，通信范圍會進一步縮小，一般為5 km 左右。另外，地面障礙物的阻擋也會使信道衰落更為嚴重，所以傳統的以一級節點為中心的單跳超短波組網方式已經無法滿足通信需求。以圖2 為例，二級節點1 距離一級節點較遠，導致該節點無法正確接收來自一級節點的信息，也無法向一級節點匯報自身情況。二級節點2 此時距離二級節點1 最近，且可以收到來自一級節點的指揮信息，所以二級節點2 就可以充當二級節點1 和一級節點之間的通信中繼。不妨將一級節點和二級節點之間的通信網絡稱為骨干網，單兵單車和對應二級節點組成的通信網稱為接入網，參與中繼通信的二級節點組成的網絡稱為中繼網。本文在超短波頻段，針對3 種通信網提出一整套頻率的劃分及復用方案，并在骨干網和接入網用頻既定的情況下，基于已知的中繼網絡節點，研究中繼節點處的中繼用頻規劃問題，實現最大化中繼通信效能和最小化中繼通信網絡對骨干網和接入網的影響。

1.2 問題描述

在圖2 的規劃場景中，頻率規劃需要考慮幾個超短波通信網的網間干擾，而網間干擾最嚴重的地方就是網間共用二級節點處的共址干擾，出現的主要原因是由于該節點處的不同網絡接收和發射天線布置距離較近，且收發電平差距懸殊，天線間的耦合會使接收天線出現減敏現象。在實際的頻譜規劃場景中，天線間的耦合在車載天線距離和極化固定的情況下一般很難調整，而且接收機處的濾波器性能有限，最大限度地增大收發天線間的頻譜間隔，也就是兩個通信網絡間的頻譜間隔，一定程度上會改善網間的干擾程度。避免共址干擾的最小頻譜間隔被稱為共址干擾下的安全帶寬。

Jacques J.Gavan 課題組通過實驗建立了接收端射頻濾波器對臨近信號的衰減量與頻率間隔之間的半經驗計算公式［7］

在圖2 所述的通信場景下，對于骨干網和接入網兩個網絡層次，由于在所有二級節點處都存在共址干擾，所以這兩個層次網絡使用的頻率間隔至少為5 MHz。接入網由于二級節點和單兵單車的距離較近，單跳傳輸，所以可以選用超短波頻段中較高的頻段，且由于該層次通信用戶密集，所分得的頻段資源也相對豐富［10-13］。另外，中繼網用頻只在參與中繼的二級節點處與該節點的接入網用頻產生共址干擾，所以中繼網用頻也只需要和中繼網中二級節點處的接入網用頻間隔5 MHz，而對于其他不參與中繼的二級節點來說，由于滿足遠區傳輸特性，不在近區共址干擾的考慮范圍之內，所以中繼用頻也就不需要和這些二級節點的接入網用頻間隔5 MHz。一定條件下中繼網絡用頻可以復用非中繼網絡二級節點的接入網用頻。所以，當中繼網絡節點已知時，中繼二級節點根據實際的中繼任務需求，復用接入網頻段。一種可行的規劃方案如圖3所示：

圖3 考慮復用情況的頻譜分配方案

在圖3 中，中繼網絡用頻為橫陰影部分，中繼網絡由二級節點1 和2 組成，所以中繼用頻需和這兩個二級節點的接入網用頻間隔5 MHz 以上。另外，由于二級節點3 不參與中繼，所以中繼網絡用頻一定條件下可以復用二級節點3 的接入網用頻。對于參與中繼的二級節點，中繼用頻的選擇需考慮：

1）避免與骨干網的共址干擾（由于復用的是接入網頻率，所以該項已滿足）；

2）避免與參與中繼的二級節點的接入網之間的共址干擾；

3）避免對其他不參與中繼的二級節點的接入網用頻的干擾；

4）滿足中繼帶寬需求。

1.3 模型設計

C1保證了中繼用頻和參與中繼的二級節點的接入網用頻之間的頻譜間隔大于5 MHz，消除了共址干擾，C2保證了規劃的中繼用頻帶寬需求滿足最低中繼帶寬需求，B 為需要滿足的最低中繼帶寬需求。

2 算法設計

在該場景中，中繼用頻策略只需要滿足最低中繼帶寬的需求即可，而不能通過干擾不參與中繼網絡的二級節點的接入網通信來換取中繼的帶寬。但是在對不參與中繼網絡的二級節點的總干擾沒有增大的情況下，增大中繼的通信帶寬也是提高中繼通信效率的有效方式。在本文所提算法中設置干擾的累積函數的倒數作為算法中的效益函數U，表示如下：

在上述優化思想的指導下，具體的優化流程如圖4 所示，算法首先將中繼帶寬設置為最低需求值，并在可規劃頻段內尋找是否存在滿足共址干擾條件，即距離中繼網絡中二級節點的接入網用頻5 MHz 以上的連續頻帶。若不存在，則結束算法，說明通過地面二級節點為中繼的中繼方案已不適用，應采用無人機中繼方案。若存在，則計算在該中繼帶寬下所有可用中繼頻帶下的效用值U，選出最大值和相應的中繼用頻策略。之后將中繼帶寬增加一個頻譜粒度，繼續利用共址約束條件進行判斷，若依然存在可用的中繼用頻策略，只要該策略下U值未下降，應更新中繼策略。

圖4 頻譜規劃流程圖

3 仿真及分析

為了驗證所提算法性能，本文基于Matlab 平臺進行算法仿真實現。為了更加清晰地展現不同的最低中繼帶寬下的中繼策略的更新，仿真的總體思路是給出不同中繼帶寬下的最大效用值的比較以及中繼策略。

3.1 仿真環境及參數設置

仿真中，一級節點位于仿真區域的中心，在仿真區域內隨機分布著15 個二級通信節點，仿真中假設距離一級節點最遠的1 個二級節點需要中繼服務，距離該二級節點最近的二級節點為中繼節點，提供中繼轉發服務。具體的仿真環境如圖5 所示：

圖5 仿真環境節點分布圖

表1 仿真參數設置

3.2 仿真結果分析

對于可規劃頻段，各二級節點接入網用頻存在著分頻和復用。具體應根據地勢及信道衰落狀況合理分配，這不是本文的研究重點，所以在仿真分析時采用隨機占用的原則。為了體現頻率分配的合理性，每個二級節點也不宜占用過多的頻率資源，在該仿真中，每個二級節點的接入網用頻可以分配到2～3 個頻譜粒度資源。

隨著中繼帶寬限制的不同，所采取的頻率規劃方案的最大效益函數值也不盡相同。圖6 給出了不同的中繼帶寬下，滿足條件的中繼用頻規劃方案所能產生的最大效益函數值：

圖6 不同中繼帶寬下的最大效益值比較

在圖6 圓圈所展示的區域中，中繼帶寬設置為3 MHz～5 MHz 時所獲得的效益函數值相等，所以如果中繼最低帶寬需求是3 MHz 或者4 MHz 時，都應該采用5 MHz 所對應的中繼用頻策略以最大化中繼傳輸速率；而圖6 中矩形所圈出的部分也就是對應的中繼帶寬設置為9 MHz～11 MHz 時，不同的中繼帶寬對應著不同的效益值，所以當中繼最低帶寬需求為這3 個數值時，為了不對原先的接入網通信造成新的干擾，中繼規劃用頻在滿足最低帶寬需求的同時，不宜為了優化中繼速率進一步增加中繼帶寬；圖中圓角矩形圓圈圈出的部分則是由于中繼帶寬需求過大，使得在原先的規劃頻段內無法找到滿足共址干擾約束條件的頻段，所以規劃的效益值為0，這種情況說明通過地面二級節點為中繼已不適用，需要借助無人機等中繼手段實現中繼轉發。不同中繼帶寬下的最優中繼頻率規劃方案如下頁圖8所示。

圖7 圖6 的局部放大

4 結論

圖8 不同中繼帶寬下的中繼頻率規劃方案

本文分析了戰術通信網絡中超短波頻段的分配問題，針對不同層級的網絡給出了頻譜的劃分策略，并在該策略下，綜合考慮了共址干擾、鄰頻干擾等問題，提出了基于非專用中繼節點的頻率復用方案。從仿真結果可以看出，本文所提出的中繼頻率的復用方案可以在滿足中繼最低帶寬需求的基礎上，最小化對原通信網絡的干擾影響，且在總的干擾效益不降低的情況下，最大化中繼傳輸帶寬，以實現最快的中繼數據傳送。提高了戰術通信網絡的用頻效率，降低了中繼通信網絡對原通信網絡的影響，提升了通信質量。