第３１卷第１期２０１１年３月
山東通訊技術
ｍａｒ．２０１ｌ
移動通訊中的中繼技術研究
徐偉堯（南京郵電大學通訊與資訊工程學院，南京２１０００３）
摘要：ｇｓｍ網路中使用的中繼技術主要是直放站的形式，這種中繼方式對接收訊號做的處理是直接放大然後發射．
也就是即ａｆ方式。還有一種中繼方式叫做即ｄｆ方式，這種方式將在下一代移動通訊系統中廣泛使用。在ａｆ策略中，中繼僅僅將收到的訊號放大然後傳送到接收端；在ｄｆ策略中．中繼對收到的訊號進行解碼並重新編碼，然後將其傳送到接收端。
研究這兩種基本的中繼技術具有重要的科研意義。與以往分析不同，本文通過ｍａｔｌａｂ**，分析了在不同通道和編碼情況下ａｆ、ｄｆ兩種中繼方式的效能。研
究了二者的實際效能和所面臨的問題 、
關鍵詞：中繼ａｆ ｄｆ通訊
１引言下一代移動通訊網路的顯著特點之一．是支援更高的系統容量和使用者接人速率
（ｌｔｅ—ａ）系統提出下行峰值速率超過１ｇｂｉｔ／ｓ和上行峰值速率超過５００ｍｂｉｔ／ｓ的效能要求，為達到此要求，
提供了可能。點對點中繼的缺點主要是：
（１）點對點小區中，使用者的裝置都需要充當中繼
器的角色。較之傳統裝置，必須具有一些附加的硬體和軟體裝置，這就導致了裝置成本的提高。
（２）當小區中的使用者密度很低的時候，整個系統
的效能增量也就受到了限制；最壞的情況下，整個系
ｌｔｅ—ａ擬引入頻譜聚合、多使用者ｍｉｍｏ、多點協同傳統將退化為傳統的無中繼系統。
輸（ｃｏｍｐ）、中繼等新技術，以獲得更高的頻譜效率和小區的吞吐率。４ｇ系統的高資料速率對頻寬提出了更高的需求．適合於移動通訊工作的較低頻率基本
上已分配殆盡，迫使系統工作在更高的載頻上。高工
（３）當中繼處於移動狀態時，需要不斷地產生頻
率遷移和通道轉換，這會增加系統的複雜度和不穩定性。另外，當使用者裝置**其他使用者的訊號時，會消耗額外的功率，移動裝置能量的限制也是其發展的乙個
瓶頸。作頻段將使訊號的空間傳輸有更大的路徑損耗，在發射功率不變的情況下．無論基站還是移動終端都會降
低其覆蓋距離，這樣就需要部署更多的基站來滿足覆
通過在無線小區中新增若干數量的固定中繼器。就能在很大程度上解決上述問題．這也是固定中繼相
蓋的需求。３ｇｐｐ已經確定在未來的移動通訊中引入中繼技術來降低網路建設成本．因此。中繼技術又成
為了研究熱點。
點對點中繼技術實質是利用無線小區中多個用
對於點對點中繼技術的優勢所在，其最基本的功能就是接收和**在基站和使用者裝置之間的訊號。和基站比起來，中繼器是比較簡單的裝置，建設成本較低，建
設週期也很短。本文首先討論固定中繼站形式的ａｆ、
戶的移動裝置來作為中繼器，這種技術能夠提高小區
系統的效能，再結合諸如分集接收、功率控制等無線技術．系統的效能還能得到進一步的提高，但這種技術本身有許多缺陷，也為固定中繼技術的出現和發展
ｄｆ兩種協議的工作原理和通訊過程，分析其理論誤位元速率，然後對**結果進行分析，最後給出結論，總結
全文第１期徐偉堯：移動通訊中的中繼技術研究２０
２ 中繼的分類以及在移動通訊中的作用３ ａｆ與ｄｆ原理及效能
３．１ａｆ模式基本原理及效能
２．１中繼的分類
中繼技術在通訊中的應用可分為固定中繼和自適應中繼兩種。固定中繼中，通道資源是以固定的方前向放大模式即ａｆ模式是非再生中繼．採用模
擬方式，直接對接收到的訊號進行放大處理，然後發
式在源節點和中繼之間進行分配。固定中繼策略包括放大**（ａｆ）和解碼**（ｄｆ）兩種基本協議；ａｆ方式是將接收到的訊號只做簡單的放大處理再傳送出去。而ｄｆ方式是將接收的訊號進行解碼然後編碼，再傳送出去。
自適應中繼中，主要包括自適應選擇中繼和增強中繼
）。對於選擇中繼模式，當信源節點與中繼節點問的通道條件較好時，中繼節點便**其從信源節點所接收到的資訊至接收端；否則，中繼節點不**其從信源節點所接收到的資訊，這時系統是非協作方式。對於增強中繼模式，中繼節點對源訊號解碼，並反饋解碼判決資訊給源節點，告知源節點解碼是否正確，形
成自適應中繼方式。
隨著對中繼技術研究的深入．各種不同的中繼方
式被提出。但是許多中繼協議的提出都是基於ａｆ和ｄｆ這兩種中繼方式的。本文主要討論固定中繼下這
兩種中繼方式的效能。
２．２中繼技術在移動通訊中的作用
在蜂窩移動通訊中，引人中繼站主要有兩個作
用：一是提高小區的覆蓋面積，保證使用者的訊號強度．
提供熱點的覆蓋以及室內的覆蓋：二是提高小區的通訊吞吐量。中繼站的**遠低於基站，因此．用中繼站提高小區覆蓋面積的費用很低。另外，中繼站可以實
現和普通基站相同的訊號覆蓋功能，引入中繼站以後，將大大增強原小區的訊號覆蓋。
送給接收端。圖１是中繼模擬圖。
圖１中繼模擬圖
假設基站傳送的訊號為ｓ，中繼接收的訊號為ｙ，基站到中繼站的通道響應為，中繼接收端的雜訊為ｎ，中繼節點訊號為ｘ，，ａ為放大倍數，因此：
（２）中繼站傳送的訊號是：
ｙ啊＝ｈ＋＝ｈ
（ｈ 。＋ ）
（３）接收端接收到的訊號功率是：
號所以對於單中繼的多跳鏈路來說，訊雜比的估計：：
２ｌ２８２＋２８２
（５）在進行前向放大中繼的過程中．雜訊也被放大並**，但由於基站接收到兩個獨立衰落的訊號，因此可以做出更好的判決和檢測。另外，基站端也要完成
最優檢測，還需知道使用者間通道的狀態資訊。如何採
樣、儲存、放大並重傳模擬訊號的技術，也是值得研究
的問題３．２ ｄｆ模式基本原理及效能
原理和ａｆ模式大體類似．ｄｆ模式就是解碼轉
發模式，中繼站把訊號解調並解碼為原始資訊，然後
２ｌ山東通訊技術２０１１年
重新編碼調製傳送，這種方法可以減少訊號傳輸過程中的雜訊干擾，中繼器需要將原始訊號完全解碼，這會產生一定的訊號延遲，但也可獲得較大的效能增
檢測，源節點與中繼節點之間以及二者和目的節點之
間的通道是相互獨立的，服從瑞利慢衰落。
圖２是非中繼系統和ａｆ、ｄｆ中繼系統實際誤碼
益，訊號在源節點發射之前先進行迴圈冗餘校驗率曲線比較**圖，從圖中可以直接看出經過中繼後
ｆｃｒｃ）碼處理。這樣，中繼節點接收到源節點的資訊後
的系統的效能有較大提公升。圖３是非中繼系統和ａｆ、
先進行解碼處理，之後通過ｃｒｃ來判別接收到的信ｄｆ中繼系統的理論誤位元速率曲線比較**圖。圖４是息位元裡是否存在錯誤。如果檢測出錯誤，則不進行
此時ａｆ、ｄｆ實際的和理論的誤位元速率比較圖。
資訊**；反之則**訊號。但是，ｃｒｃ的引入將降低資訊的傳輸速率。
接收端的處理和ａｆ方式類似，採用ｍｒｃ（最大比合併），得到合併訊號。
採用最大比合併方式時．可以大大提高系統性
能，但仍然有個問題，就是當中繼站傳送不正確的檢驗訊號時，這種方式將會大大影響系統的效能。所以，
當使用錯誤檢測碼時，才建議使用這種方式。
３．３ａｆ和ｄｆ的比較
ａｆ和ｄｆ方式的主要區別，在於中繼端對源端
訊號的處理方式。對於ａｆ方式而言，中繼端僅需要將源端資訊放大後**出去即可，這能看作是一種模擬訊號處理方式：對於ｄｆ方式，中繼端需對接收的訊號進行檢測估值，然後**，可看作是一種數字訊號處理方式。
因此，ａｆ方式的複雜度要低於ｄｆ方式．但ａｆ方式在傳播訊號的同時也傳播了雜訊，它的中繼通道是前後相關的，不再服從正態分佈；ｄｆ方式雖然不傳播雜訊，且前後通道不相關，但中繼端會
造成解調解碼誤差，有時該誤差的影響非常大，危害
可能大於ａｆ方式產生的雜訊傳播。下一部分將給出兩者的效能**圖。
４效能**
**以ｍｔａｌａｂ實現。系統採用ｂｐｓｋ調製，無
通道編碼**方法，通道的狀態資訊對接收節點是未知的，接收端對接收到的訊號進行相關
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圖２非中繼系統和ａｆ、ｄｆ中繼系統實際
ｔ誤位元速率曲線比較**圖
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圖３非中繼系統和ａｆ、ｄｆ中繼系統的理論
誤位元速率曲線比較**圖
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圖４ ａｆ、ｄｆ實際的和理論的誤位元速率比較圖
由以上**結果可以看出，採用ａｆ中繼和ｄｆ
中繼的協作通訊系統．其誤位元速率明顯低於非中繼的系統，並且，在一定範圍內，隨著訊雜比的提公升，協作中
繼對系統效能的提公升越明顯。同時可以看出，ｄｆ中繼能要優於ａｆ中繼。這是由於ａｆ將雜訊也同樣放大
第１期徐偉堯：移動通訊中的中繼技術研究２２
**，而ｄｆ中繼通過解碼、校驗等數字處理，避免了雜訊對下一鏈路的影響。並且若源節點與中繼節點之
議．是推進協作通訊應用發展的關鍵。
問的通道條件較差，**的訊號的大部分為雜訊，就參考文獻
會降低系統效能。然而，這並非意味著在系統中採用ｄｆ中繼一定會比ａｆ中繼更佳。主要由於：
一方面，ｄｆ是數字處理．裝置複雜度較高，不適用於低成本裝置：另一方面，若要獲得良好的效能，ｄｆ需要相應的
著，張力軍等譯．數字通訊．電子工業出版社，
２００３
２ 李宗豪，朱金明．訊號處理電路．北京：電子工業出版社，１９９４
校驗資訊，這在一定程度上降低了資料的傳輸速率。所以．當ｄｆ解碼完全正確時，可以獲得較大的增益；但是當解碼錯誤需要再處理時，效能就會受到很大影
響，如圖５所示．它是ｄｆ解碼錯誤時的**圖。
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圖５ ｄｆ解碼錯誤時的**圖
５ 結束語
本文通過分析ａｆ和ｄｆ兩種基本的中繼模式，
**了其主要的誤位元速率效能，驗證了中繼系統的優越性。中繼技術可以擴充套件覆蓋和增加容量，由於其簡單
靈活、能快速部署和成本有效性等特性，已經應用在許多場合，成為計畫及３ｇｐｐ的ｌｔｅ演進計畫中的關鍵技術。另外，基於中繼技術的多跳傳輸系統已得到廣泛關注。在現有蜂窩網結構中
引入中繼的中繼輔助通訊系統，被認為是下一代移動通訊主流的網路拓撲結構之一。
儘管傳統的ａｆ、ｄｆ協作通訊能改善通訊效能，但實際應用並不理想。提出更加科學有效的中繼協
ｔｈｅｏｒｙ．，
ｉｓｔ一一
LTE無線通訊系統中技術研究
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