李慧奇　　廣東省電信規(guī)劃設計院南京分院工程師

?

LTE-Advanced系統(tǒng)Relay技術(shù)的挑戰(zhàn)和解決方案

李慧奇廣東省電信規(guī)劃設計院南京分院工程師

摘要：隨著數(shù)據(jù)應用的需求不斷增加，傳統(tǒng)的宏蜂窩網(wǎng)絡面臨著系統(tǒng)容量、小區(qū)覆蓋范圍，以低成本提升最小吞吐量等方面的挑戰(zhàn)。無線中繼站可應對這些挑戰(zhàn)，并不會產(chǎn)生高站址需求和回傳成本。但無線中繼站的設計面臨提供后面兼容性、減少復雜性、加大有效性的挑戰(zhàn)。本文提供了設計無線中繼站的挑戰(zhàn)概觀和解決方法，作為3GPP LTE-Advanced的一個典型特征。

關(guān)鍵詞：LTE-Advanced；Relay技術(shù)；系統(tǒng)容量

1　引言

廣域蜂窩網(wǎng)提供了適用于不依賴于無線局域接入網(wǎng)或有限連接的各種場景的高數(shù)據(jù)傳輸率的可用性方案，并且提供無縫的移動性支持。移動寬帶網(wǎng)絡部署從跨度非常密集的城市地區(qū)到偏遠的農(nóng)村地區(qū)，在具有不同傳播特性和不同覆蓋層面的大范圍載波頻率內(nèi)運行。

宏蜂窩網(wǎng)絡中回傳到各個網(wǎng)絡節(jié)點的成本是必要的成本要素，尤其是微型和微微型蜂窩的部署。因此，不依賴有線回傳開發(fā)網(wǎng)絡節(jié)點的方式是不錯的選擇，能減少總的網(wǎng)絡部署成本和運行成本。中繼技術(shù)提供了擴展寬帶蜂窩網(wǎng)路的覆蓋范圍，使得在沒有有線回傳的條件下能處理多樣無線電傳播。

在中繼節(jié)點（RN）的幫助下，基站（eNB）和用戶設備（UE）之間的無線鏈路被分為兩跳。eNB（也可叫捐獻eNB或DeNB）和RN之間的鏈路被稱為回傳鏈路，而RN和UE之間的鏈路被稱為訪問鏈路，如圖1所示：兩個鏈接都比直接從eNB和UE的鏈接有更好的傳播條件。

RN具有雙重特征：一方面，它像UE一樣與DeNB通信鏈接；另一方面，它像eNB和UE通信。圖1顯示了RN和它的各自物理鏈路是怎樣被集成蜂窩概念的。

2　中繼的類型

擴大和轉(zhuǎn)發(fā)Relay（AF Relay）。AF Relay擴大和轉(zhuǎn)發(fā)接收到的分析信號。Repeater對UE和eNB都是透明的。因為，Repeater擴大任何它接收到的東西，包括噪音和干擾，它在高SNR環(huán)境中是有用的。

譯碼和轉(zhuǎn)發(fā)Relay（DF Relay）。DF Relay譯碼和解碼接收到的信號，然后再轉(zhuǎn)發(fā)給接收器。因為這個等級的Relay不擴大噪音和干擾。它們低SNR環(huán)境中是有用的。分離速率適配器和回傳調(diào)度以及接入鏈路是可能的。如果每個DeNB的兩個或更多RN在空間上是分離的，則在接入鏈路上的無線資源就能重復使用，可為增加系統(tǒng)容量鋪平道路。然而，DF Relay的運行比一個普通Repeater暗含更大的延遲。

LTE-Advanced系統(tǒng)中DF Relay有兩種類型：一種類型是對UE非透明，有自己的物理識別，對于所有的UE顯示為正常的eNB，傳送所有必要的物理信道；另一種類型是沒有物理標識，對UE是透明的。第二種類型的DF Relay試圖在回傳鏈路上開拓早起的解碼，并且通過在重傳中分享增大DeNB的重傳。

由于Relay發(fā)射機對它的接收器引起干擾，除非輸入信號和輸出信號充分隔離，否則同步回傳鏈路和接入鏈路傳輸是不可行的。其中，隔離包含：

（1）使用頻帶的頻率復用。

（2）Relay天線的空間分離。

（3）接入和回傳子幀的時間復用。

帶外中繼操作在LTE協(xié)議棧的較低層并不產(chǎn)生任何挑戰(zhàn)。并不需要空中接口的變化來支持這類接續(xù)。然后，需要一個附加的LTE載波。

圖1　Relay技術(shù)實例

帶內(nèi)中繼操作需要回傳的分離，也需要在時間或空間上的接入鏈路。通過復雜的安裝和部署可以實現(xiàn)在回傳鏈路和接入鏈路之間的空間分離，例如：通過足夠的天線分離或隔離。在足夠的空間分離下，回傳和訪問鏈路的共同發(fā)生是可能的，會導致全雙工中繼。

臨時性的分離暗含著在下行鏈路（DL）載波頻率，以給定的時間點，RN在鏈路上傳送或在回傳鏈路上接收。在上行鏈路（UL）載波頻率，以給定的時間點，RN在鏈路上傳送或在回傳鏈路上接收。傳送/接收的復用在回傳和接入鏈路上產(chǎn)生有效的半雙工運行。如圖1所示，時分復用包含f1=f3和f2=f4，t1≠t3 and t2≠t4。根據(jù)時分和頻分復用，3GPP的規(guī)范支持中繼類型1。因為帶外接續(xù)沒有物理層影響，主要集中對于半雙工帶內(nèi)的可用解決方案。

3　挑戰(zhàn)和需求

在LTE中定義了兩項復用方案：FDD（頻分雙工）和TDD（時分雙工）?；镜恼{(diào)度單元是1ms長的子幀，10個子幀構(gòu)成一個無線電幀。

在DL中LTE的特征之一就是在每個子幀內(nèi)控制信道和數(shù)據(jù)信道的時分復用（TDM）?？刂菩诺腊oDL數(shù)據(jù)分配相同子幀和給UL數(shù)據(jù)分配隨后子幀物理時間/頻率資源。攜帶控制信道的控制區(qū)域集中在子幀的早期部分，而子幀的其余部分構(gòu)成子幀的數(shù)據(jù)區(qū)域。

LTE幀結(jié)構(gòu)基于單一頻率網(wǎng)絡（MBSFN）子幀支持常規(guī)的和所謂的組播/廣播。而常規(guī)的子幀意味著在一個子幀的完整時間內(nèi)有有效的內(nèi)容。MBSFN子幀僅需要支持傳統(tǒng)的UE控制區(qū)域的傳送。事實上，最初引入MBSFN子幀是用來提供一個不同于常規(guī)子幀的幀結(jié)構(gòu)，用單一頻率網(wǎng)絡運行和它們自己相關(guān)的信號支持多播服務。MBSFN子幀的概念使后向兼容性引入新特征成為可能。

制造和部署RN的主要挑戰(zhàn)是成本效率。因此，不僅要從技術(shù)前景上評估RN，也要對運營商保持吸引力。開發(fā)和制造RN的成本應盡可能和早期LTE版本有重用功能，盡量避免在現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡中因引入RN網(wǎng)絡節(jié)點導致費用增加。另外，也要考慮費用的有效性，RN要具有后向兼容性，使得傳統(tǒng)的UE能充分地從RN的部署中獲益。

半雙工的帶內(nèi)接續(xù)基于物理層傳送和中繼行為特別提出了幾個限制和挑戰(zhàn)：

（1）由于RN是基本的轉(zhuǎn)接節(jié)點，由中繼運行引發(fā)的額外延遲應該盡可能少。

（2）RN充當UL的多路復用器。結(jié)果，回傳鏈路是最有可能的瓶頸，應該以高頻譜效率運行。

（3）半雙工中繼在回傳和接入鏈路運行之間不斷地切換它的無線電頻譜（RF）。因為自助切換時間過長意味著可用于回傳和接入鏈路運行的物理層資源丟失，切換應該盡可能快的完成。

RN的后向兼容性需求的主要挑戰(zhàn)是出現(xiàn)在對UE的設想上：DL小區(qū)特有基本信號（CRS）存在于每個子幀。使用CRS不僅為了解調(diào)和信道狀態(tài)信息的反饋，而且為了移動性測量和無線電鏈路監(jiān)控。因此，當RN有機會和DeNB通信時就必須在每個DL子幀內(nèi)傳送CRS。

這樣是比較理想的：在回傳鏈路上的協(xié)議操作對在接入鏈路上的協(xié)議操作沒有不良影響?；旌献詣又貍鳎℉ARQ）對從傳送錯誤中恢復是一種重要的手段。在接入鏈路上重傳送僅僅影響在單一UE終端和RN之間的流量，在回傳鏈路上的重傳僅影響?zhàn)べN在RN和DeNB的UE流量。因此，在回傳鏈路上的HARQ需要盡可能有效地運行，特別是關(guān)于由HARQ重傳引起的延遲，在接入鏈路上需要具有后向兼容性，不用修改現(xiàn)有的HARQ方法。

4　LTE-Advanced Relay技術(shù)解決方案

4.1協(xié)議概念

在物理層，從架構(gòu)和協(xié)議前景看RN也有雙重特征。一方面，他支持常規(guī)的eNB功能，例如終止無線電協(xié)議和基站到核心網(wǎng)絡（S1）和基站間（X2）的接口。演進通用陸地無線電訪問（E-UTRAN）架構(gòu)包含Relay節(jié)點（見圖2）。另一方面，RN支持UE功能的子集（例如，連接到網(wǎng)絡的程序）。為了滿足以上所述的要求，協(xié)議要減少對網(wǎng)絡節(jié)點的影響：從核心網(wǎng)的觀點，RN就是正常的eNB；RN的觀點，DeNB就如同一個正常的核心網(wǎng)。因此，現(xiàn)有的接口和功能都能被重復使用。

每個RN和DeNB建立S1和X2鏈接。S1通過DeNB將RN鏈接到移動性管理實體（MME），X2通過DeNB將RN鏈接到eNB。DeNB作為協(xié)議將RN報告給鄰居eNB。它也將轉(zhuǎn)發(fā)專用的UE信令信息，例如切換過程。DeNB也對鏈接的RN提供網(wǎng)關(guān)功能。

4.2信令進程

Relay的啟動和附著——在初始附著之前，RN將預配置有關(guān)允許它訪問哪個小區(qū)的信息。這樣一份名單既能通過空中，也能通過預程序下載。在加電時，RN能用支持UE的正常附著程序附著到網(wǎng)絡上，并且檢索到初始配置參數(shù)（例如，可用的DeNB的列表）。在這段時間內(nèi)，允許RN只接入管理系統(tǒng)，因此減少可能來自“流氓”RN的威脅。然后，RN從網(wǎng)絡中分離。

圖2　包含中繼節(jié)點的E-UTRAN架構(gòu)

RN現(xiàn)在鏈接到從先前列表選擇的DeNB，啟動程序是一樣的，只不過這次RN在無線電鏈接建立的時候使用專門的RN指示器將它的身份信息發(fā)送給可選的DeNB。基于次信息，DeNB現(xiàn)在也擔當網(wǎng)關(guān)的角色，并且它選擇支持Relay功能的MME。在MME成功地建立了環(huán)境，DeNB為S1和X2建立了承載，RN將與DeNB建立S1和X2的鏈接。

承載管理——由DeNB激活或修改RN承載。這個程序和為UE正常初始網(wǎng)絡承載激活/修改進程一樣，特別之處是在DeNB里面嵌入了網(wǎng)關(guān)功能。

切換——由于是基于基站功能建立起來的，LTERelaying在RRC連接狀態(tài)中支持傳統(tǒng)的移動性。DeNB意識到某些UE被附著在RN上，代理RN和MME（S1切換）間的相關(guān)S1信息；也代理RN和目標基站（X2切換）間的X2信息。

4.3無線電協(xié)議

根據(jù)RN的雙重特征，它對自有的UE顯示為正常的基站，充分重復使用LTE無線電接口。在回傳中重復使用相同的無線電協(xié)議，具有一定的控制平面協(xié)議補充。最顯著的補充是配置回傳子幀和新定義的控制信道。

4.4子幀配置

為了在即便是LTER8都能處理的接入鏈路上創(chuàng)建一個傳送間隔，在下行DL，RN能聲明MBSFN子幀。當UE終端由一個MBSFN子幀組成，它處理最少的少數(shù)幾個攜帶控制信息的符號，但是忽略了子幀的其余部分（除非配置UE處理組播/多播服務）。因此，在回傳鏈路上RN能使用剩余的子幀支持切換RF電路和接收頻道。如圖3所示，PDSCH為物理下行共享信道；R-PDCCH為接續(xù)-物理下行控制信道。

由于同步和廣播信號的傳送，10子幀中僅有6個被聲明為MBSFN子幀。DeNB為RN靈活的配置不同的回傳子幀，并且穿過不同的RN，不包含不能被聲明的MBSFN子幀。特別是，UL回傳子幀暗含RN不能從那子幀內(nèi)的UE接受UL訪問鏈路傳送。然而，由于通過在那子幀中不調(diào)度任何UL傳送資源RN能避免UE UL傳送，不需要特殊的配置。為了適應在訪問和回傳鏈路上適應長期變化的鏈路質(zhì)量以及UE和RN之間長期變化的流量，用于回傳通信的子幀配置應該得到支持。然而，重配置并不頻繁。

4.5回傳信道設計

回傳信道的設計（如圖3的R-PDCCH和PDSCH）應該有最小的標準和執(zhí)行影響。換句話說：回傳信道的設計應該盡可能地重復使用現(xiàn)有的直接鏈接UE的設計。同時，在設計回傳鏈路時應該有做大的回傳效率。設計應該考慮以下需求：

（1）在同一組資源中復用R-PDCCH和PDSCH。

（2）在相同的子幀中復用Relay回傳鏈路和直接鏈路UE的數(shù)據(jù)信道。

（3）支持R-PDCCH業(yè)務的早期解碼。

（4）支持多重回傳業(yè)務。

一種是基于頻分復用的方法，該方法R-PDCCH使用資源覆蓋R8/9數(shù)據(jù)區(qū)的持續(xù)時間。因此，R-PDCCH從其他的信道清晰的分離出來，這樣就方便了復用和最小的調(diào)度復雜性。一個不利因素是早期R-PDCCH解碼困難。RN可能必須等到在R-PDCCH之前子幀結(jié)束，僅僅在PDSCH解碼開始以后。

圖3　DL的回傳信道設計

另一種可能是基于TDM的R-PDCCH設計。一些OFDM符號能預留給R-PDCCH穿越所有或部分系統(tǒng)帶寬。在R8/9中類似于復用方法控制和數(shù)據(jù)信道。但它提供早期的解碼便利，這也是不希望的。因為，它阻止了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送的復用和現(xiàn)有參考信號的重復使用。

采用FDM和TDM的混合方法。值得注意的是：R-PDCCH早期的解碼和DL分配更相關(guān)，因為這些通常對UE運行比UL分配更有即時的影響。一個子幀由兩個時隙組成，LTER8/9的很多功能基于這樣的時隙，在子幀的第一個時隙的末端自然強制執(zhí)行R-PDCCH 的DL授權(quán)邊界。

現(xiàn)為了利用子幀的第二個時隙和便利，支持UL授予或PDSCH傳送的R-PDCCH能使用第二個時隙。由此，整個子幀可以被有效地使用。同時，支持直接鏈路UE的PDSCH依然用FDM方式和R-PDCCH復用，造成最小的標準和實施影響。如果在第一時隙中沒有DL授權(quán)，在相同的資源對中在第二個時隙里沒有DL授權(quán)，PDSCH將能夠使用第一個時隙或者第一個時隙留空。

R-PDCCH的解調(diào)和解碼是基于CRS或UE專用參考信號的（UE-RS）。基于CRS的R-PDCCH能支持更多的頻率分布，導致提升了頻率多樣性和干擾多樣性。基于UE-RS的PDCCH促進波束形成的使用，尤其是當可靠的信道信息反饋是可用的。

4.6混合ARQ運行

訪問鏈路HARQ運行——為了確保后向兼容性HARQ運行沒有變化。對UL數(shù)據(jù)傳送的HARQ確認仍舊能在MBSFN子幀控制區(qū)域內(nèi)由RN傳送。如果需要，前進的PUSCH傳送能被HARQ確認懸掛。在DL設計中要保證支持鏈路UE的PDSCH傳送的HARQ確認。例如，在FDD中通過清晰的UL回傳子幀配置確保4ms的HARQ確認延遲，它總是發(fā)生在DL回傳子幀后的4個子幀。

回傳鏈路HARQ運行——對于FDD，DL下行鏈路的子幀配置了周期性的8個子幀，不包括沒有被RN宣布的MBSFN子幀的子幀。MBSFN子幀是一個10ms的架構(gòu)，而HARQ時間遵循8ms的周期。由于這天生的不匹配，DeNB將不能傳送HARQ確認響應UL傳送，除非修改設計的HARQ時間器。因此，簡單的說，在回傳鏈路上UL傳送不實用HARQ確認。相反，DeNB能發(fā)布一個新的調(diào)度授予，指明傳送失敗，因此觸發(fā)相應的重傳。在TDD中，對于每個支持DL/UL配置，支持一個或多個回傳配置，提供接續(xù)運行的靈活性。值得注意的是：對于大多數(shù)的TDD下行鏈路/上行鏈路配置，UL HARQ時間遵循10ms往返時間匹配10msMBSFN架構(gòu)。

5　結(jié)束語

無線中繼技術(shù)成功地提升了系統(tǒng)容量，拓展了小區(qū)覆蓋并實現(xiàn)了最小吞吐量，尤其是在半雙工運行模式下。半透明的半雙工帶內(nèi)接續(xù)具有豐富的后向兼容性，其有效性在現(xiàn)存的網(wǎng)絡中得到了證實。而非透明的半雙工繼續(xù)技術(shù)要支持傳統(tǒng)的LTEUE，最大化的重復使用現(xiàn)有的LTE物理層、MAC層面臨了很大的設計挑戰(zhàn)，本文詳細地介紹了解決方案。相比直接接入，中繼技術(shù)的關(guān)鍵意義是加強接入和回傳鏈路的質(zhì)量，尤其是復雜小區(qū)的中繼技術(shù)。未來我們要盡可能接觸的是LTE中提高中繼技術(shù)的研究和標準。

參考文獻

［1］Parkvall，F(xiàn)urusk?r，Dahlman.Evolution of LTE toward IMTAdvanced［J］.IEEE Communications Magazine，2011：84-88.

［2］劉美.LTE-Advanced系統(tǒng)中Relay技術(shù)及其系統(tǒng)性能研究［D］.武漢理工大學，2010（5）：50-53.

［3］劉德民.LTE-Advanced中繼新技術(shù)研究［D］.華中科技技術(shù)大學，2012（1）：64-66.

［4］張志恒.LTE-Advanced系統(tǒng)中繼技術(shù)的研究［J］.信息通信，2014（3）：188-190.

［5］朱云.基于LTE-A系統(tǒng)下行調(diào)度算法的研究［D］.南京郵電大學，2011（3）：56-60.

［6］汪鵬.Relay技術(shù)在LTE覆蓋解決方案中的應用研究［J］.電信工程技術(shù)與標準化，2014（7）：24-29.

［7］王映民，孫韶輝.TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設計［M］.人民郵電出版社，2010（6）：31.

［8］喬明闖.LTE-Advanced系統(tǒng)Type1中繼資源分配的研究［J］.現(xiàn)代電信技術(shù)，2014（4）：1-6.

［9］王俊，黃宗偉.LTE-A網(wǎng)絡中實現(xiàn)L1 Relay的兩種算法分析［J］.技術(shù)交流，2013（2）：74-77.

［10］朱宇宙，張夢瑩.SC-FDMA中繼系統(tǒng)中最大化容量的資源分配［J］.應用科學學報，2014（1）：1-3

收稿日期：（2016-03-26）