LTE-Advanced系統(tǒng)的中繼技術(shù)研究

LTE-Advanced系統(tǒng)的中繼技術(shù)研究隨著無線移動通信市場的發(fā)展，移動用戶數(shù)量飛速增加，業(yè)務(wù)種類和帶寬的需求也不斷增加，現(xiàn)有的通信系統(tǒng)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足未來用戶需求。以寬帶、高效、全移動和全業(yè)務(wù)為特征的新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)的研究迫在眉睫。因此，3GPP啟動了第四代移動通信系統(tǒng)LTE-Advanced(簡稱LTE-A)的技術(shù)征集。LTE-A是在LTE版本8/版本9(R8/R9-Release8/Release9)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步演進(jìn)和增強(qiáng)。LTE-A系統(tǒng)將能夠支持全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸速率，即在高速移動環(huán)境下支持高達(dá)100Mb/s峰值速率的移動接入，以及在游牧/本地?zé)o線接入等低速移動環(huán)境下支持1Gb/s的峰值速率。除了更高的系統(tǒng)性能需求，LTE-A還要求考慮后向兼容性，以降低運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)升級的成本。中繼增強(qiáng)蜂窩網(wǎng)作為高速率、高覆蓋要求下的一種有效通信方式，成為LTE-A系統(tǒng)的關(guān)鍵新技術(shù)之一。與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)相比，中繼技術(shù)不僅可以擴(kuò)展小區(qū)的覆蓋范圍，消除或減少通信盲點(diǎn)，同時還可以根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的負(fù)載分布進(jìn)行負(fù)載平衡，轉(zhuǎn)移熱點(diǎn)地區(qū)的業(yè)務(wù)，提高系統(tǒng)的頻譜利用效率；引入中繼技術(shù)可以增加終端接入選擇自由度，節(jié)省終端的發(fā)射功率，從而延長電池壽命；中繼站還具有架設(shè)布網(wǎng)方便、運(yùn)營維護(hù)成本低的優(yōu)點(diǎn)。1中繼技術(shù)的應(yīng)用場景中繼的應(yīng)用場景最初主要有如表1所示的幾種。考慮應(yīng)用場景的優(yōu)先級，R10中主要關(guān)注固定的以及兩跳的中繼，因此，R10版本中研究移動中繼和多跳中繼優(yōu)先級較低，對移動中繼和多跳中繼技術(shù)以及相應(yīng)的應(yīng)用場景討論較少。但LTE-A中繼的后續(xù)進(jìn)展中不排除其余應(yīng)用場景的研究，因此在R10中選擇中繼的協(xié)議架構(gòu)以及研究中繼的物理層技術(shù)和高層技術(shù)時需要考慮對中繼移動性的支持。2中繼節(jié)點(diǎn)接口與協(xié)議架構(gòu)的確定網(wǎng)絡(luò)中加入中繼節(jié)點(diǎn)后，網(wǎng)絡(luò)接口如圖1所示。主基站是與中繼節(jié)點(diǎn)建立無線連接的基站(eNB)，中繼節(jié)點(diǎn)是處于用戶(UE)和主基站之間的節(jié)點(diǎn)。在中繼系統(tǒng)中需要考慮兼容R8的用戶。一個中繼節(jié)點(diǎn)包含兩個物理層實(shí)體。一個實(shí)體用于和其下屬用戶通信；另一個實(shí)體具有用戶功能，用于和主基站通信。對部署中繼的接入網(wǎng)，將中繼和主基站之間的空口命名為Un接口，用戶和中繼之間的接口仍為Uu接口。每個主基站支持中繼的數(shù)目確定為30～40個。關(guān)于中繼的協(xié)議架構(gòu)，早期共有4種備選的方案[1]：方案1完備層3功能中繼，其對主基站透明；方案2代理S1/X2接口；方案3在主基站處終止中繼節(jié)點(diǎn)的承載；方案4在主基站處終止S1接口。經(jīng)過對4種架構(gòu)進(jìn)行多次分析和比較，從設(shè)備復(fù)雜度、對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的影響、部署的靈活性、對標(biāo)準(zhǔn)化的影響和復(fù)雜度、數(shù)據(jù)包的頭部開銷、UE移動性的支持以及服務(wù)質(zhì)量(QoS)的保障、S1/X2接口的維護(hù)等方面考慮，中繼系統(tǒng)最終確定方案2為中繼節(jié)點(diǎn)的協(xié)議架構(gòu)。主基站將代理中繼的所有S1和X2接口，主基站增加中繼節(jié)點(diǎn)后進(jìn)化了的通用移動通信系統(tǒng)陸地?zé)o線接入網(wǎng)(E-UTRAN)的架構(gòu)如圖2[2]所示。中繼節(jié)點(diǎn)選取方案2架構(gòu)后，其用戶面和控制面的協(xié)議棧分別如圖3和圖4所示。3中繼節(jié)點(diǎn)物理層技術(shù)LTE-Advanced支持兩種類型的中繼節(jié)點(diǎn)，分別是“類型1”中繼和“類型1a”中繼?！邦愋?”中繼是帶內(nèi)中繼，其特征如下：(1)控制一個或者多個小區(qū)，每個小區(qū)對UE來說是一個不同于主基站(DeNB)小區(qū)的獨(dú)立小區(qū)。

(2)小區(qū)有自己的物理小區(qū)號，中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送獨(dú)立的同步信號、參考信號等信號。

(3)在每個小區(qū)操作中，UE從中繼節(jié)點(diǎn)接收調(diào)度信息和上行數(shù)據(jù)包的確認(rèn)反饋，并發(fā)送探測信號、信道質(zhì)量信息、數(shù)據(jù)包確認(rèn)收到等信息給中繼節(jié)點(diǎn)。

(4)為保證后向兼容性，對于Rel-8UE來說，中繼節(jié)點(diǎn)就像一個Rel-8的eNB。

(5)對于LTE-AUE，中繼節(jié)點(diǎn)有可能顯示出不同于Rel-8eNB的特性，以增強(qiáng)性能?！邦愋?a”中繼擁有“類型1”中繼的以上所列特點(diǎn)，唯一不同的是“類型1a”中繼是帶外中繼，對層1的標(biāo)準(zhǔn)化影響很小，因而3GPP的中繼技術(shù)討論主要針對“類型1”中繼展開研究。3.1資源分配和復(fù)用由于中繼的發(fā)射機(jī)會對自身的接收機(jī)產(chǎn)生干擾，同時在同頻段中繼要實(shí)現(xiàn)對DeNB的接收和對下屬UE的發(fā)送是不可能的，類似地，中繼也不可能同時在同頻段完成對下屬UE的上行接收和對DeNB的上行發(fā)送。一個可能的解決方案是在中繼對下屬UE的通信中制造一段“空隙”，在該“空隙”中，中繼不需要與下屬UE進(jìn)行通信，而是與DeNB進(jìn)行通信。當(dāng)然，這個“空隙”的設(shè)置需要Rel-8UE能識別。下行的“空隙”可以通過中繼將某個下行子幀設(shè)置為MBSFN子幀來實(shí)現(xiàn)，上行的“空隙”可以通過中繼調(diào)度其下屬UE不在某個上行子幀發(fā)送來實(shí)現(xiàn)。由上述描述可見，中繼與DeNB的通信以及中繼與下屬UE的通信之間的資源分配采用的是時分復(fù)用方式，而中繼與DeNB通信采用的具體子幀號由高層配置。DeNB與中繼的下行通信占用下行子幀位置，DeNB與中繼的上行通信占用上行子幀位置。當(dāng)中繼需要在某個下行子幀與DeNB進(jìn)行下行通信時，中繼必須事先向本小區(qū)用戶告知該子幀設(shè)置為多播單頻網(wǎng)絡(luò)(MBSFN)子幀。對于頻分雙工(FDD)系統(tǒng)，DeNB到中繼以及中繼到下屬UE的通信發(fā)生在下行頻段，中繼到DeNB以及UE到中繼的通信發(fā)生在上行頻段。具體地，對于FDD系統(tǒng)，一個子幀只要能用于MBSFN的子幀就可以被設(shè)置為用于DeNB到中繼的下行通信。對于時分雙工(TDD)系統(tǒng)，目前只有上/下行配置為#1、#2、#3、#4和#6的子幀結(jié)構(gòu)支持DeNB到中繼的上/下行通信。上/下行配置為#0和#5的子幀結(jié)構(gòu)無法支持DeNB到中繼的上/下行通信。3.2同步技術(shù)由于中繼從DeNB接收數(shù)據(jù)有一定的信號傳輸時延，并且中繼在接收完DeNB的數(shù)據(jù)后再對下屬UE發(fā)送也需要一定的收發(fā)轉(zhuǎn)換時延，因而導(dǎo)致了中繼小區(qū)下行幀與DeNB小區(qū)下行幀之間的同步問題。具體地，3GPP要求中繼的下行發(fā)送幀要保證中繼能夠從DeNB接收到最后一個發(fā)送的正交頻分復(fù)用(OFDM)符號。當(dāng)然，DeNB可以使中繼下行發(fā)送的OFDM符號數(shù)被限制在一個時隙里的一些OFDM符號子集內(nèi)。第1時隙中，DeNB對中繼下行發(fā)送的起始位置可以是第1、第2、第3個OFDM符號位置，結(jié)束位置都在第6個OFDM符號位置。第2個時隙中，DeNB對中繼下行發(fā)送的起始位置都是第0個OFDM符號，結(jié)束位置可以是第5個或者第6個OFDM符號位置。如果DeNB小區(qū)與中繼小區(qū)采用的下行幀能夠保證每個子幀的定時界線是完全對齊的，則DeNB對中繼下行發(fā)送的第2個時隙的結(jié)束OFDM符號位置為第5個OFDM符號，否則，DeNB對中繼下行發(fā)送的第2個時隙的結(jié)束OFDM符號位置為第6個OFDM符號。3.3物理下行控制信道設(shè)計(jì)DeNB-中繼鏈路的物理下行控制信道(R-PDCCH)設(shè)計(jì)是中繼技術(shù)中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，還需要考慮該段鏈路的控制信道與數(shù)據(jù)信道如何復(fù)用。在中繼物理下行控制信道中，下行資源指示信令與上行資源授予信令的放置位置，采用的方式如下：(1)下行資源指示信令總在子幀的第一時隙內(nèi)發(fā)送。

(2)如果一個下行資源指示信令在某對物理資源塊的第一個時隙內(nèi)發(fā)送，則上行資源授予信令可能會在該對物理資源塊的第二個時隙之內(nèi)發(fā)送。

(3)在專用解調(diào)參考信號的情況下，一對物理資源塊內(nèi)的下行資源指示信令和上行資源授予信令只能用于同一個中繼。

(4)在公共參考信號情況下，一對物理資源塊里的下行資源指示信令和上行資源授予信令可用于同一個中繼或者是多個不同的中繼。中繼物理下行控制信道的放置方法有兩種：一種是頻域集中式的放置，另一種是頻域分散式的放置。多個中繼的物理下行控制信道可以相互交織地放置在一個或者多個物理資源塊內(nèi)，也可以不相互交織地放置在一個或者多個物理資源塊內(nèi)。當(dāng)多個中繼的物理下行控制信道不交織時，物理資源塊上只有用于發(fā)送參考信號的資源粒子(RE)不能用于物理下行控制信道。當(dāng)多個中繼的物理下行控制信道相互交織時，這些物理下行控制信道的信號基本上按照Rel-8標(biāo)準(zhǔn)的物理下行控制信道采用的方式進(jìn)行復(fù)用、加擾、調(diào)制、預(yù)編碼、映射到天線各層及相應(yīng)的資源粒子RE上。與Rel-8系統(tǒng)的物理下行控制信道映射方式的不同之處在于：首先，UE特有的參考信號不會映射到用于發(fā)送互交織物理下行控制信道的物理資源塊對上；其次，中繼物理下行控制信道的一個資源粒子組(REG)由一個物理資源塊內(nèi)的一個OFDM符號中以升序子載波排列的4個連續(xù)可獲得的資源粒子組成。如果某個資源粒子已經(jīng)用于發(fā)送天線端口0上的小區(qū)公共參考信號，那么天線端口1上發(fā)送小區(qū)公共參考信號的那些資源粒子就不能用于映射中繼的物理下行控制信道。如果還需要發(fā)送信道狀態(tài)信息的參考信號，則天線端口15到天線端口22上發(fā)送信道狀態(tài)信息參考信號的那些資源粒子也不能用于映射中繼的物理下行控制信道。4中繼節(jié)點(diǎn)高層技術(shù)4.1啟動過程以及配置中繼的啟動過程分為兩個階段，如圖5所示[3]。第1階段為中繼的預(yù)配置接入，中繼節(jié)點(diǎn)開機(jī)的時候作為用戶的身份接入E-UTRAN/EPC，下載初始的配置參數(shù)(譬如從中繼的運(yùn)行管理維護(hù)設(shè)備(OAM)中下載主基站參數(shù))，這個過程完成后，中繼將從網(wǎng)絡(luò)中以用戶的身份斷開，然后觸發(fā)第2個階段；第2階段為中繼的運(yùn)行接入，中繼將從第1階段中獲取的主基站列表中選擇一個主基站建立連接。移動管理實(shí)體(MME)將向主基站表明中繼被授權(quán)作為中繼節(jié)點(diǎn)接入。在主基站建立S1/X2的承載之后，中繼會開始建立與主基站之間的S1和X2連接。中繼啟動過程中主基站和移動管理實(shí)體需要確認(rèn)節(jié)點(diǎn)是中繼，因此在下行的S1信令中利用新的信息元素指示中繼的身份。中繼的關(guān)口選擇是基于主基站告知的，至今為止中繼的初始啟動過程已標(biāo)準(zhǔn)化。4.2中繼系統(tǒng)切換的考慮加入中繼節(jié)點(diǎn)后用戶發(fā)起切換時會碰到如圖6所示的問題：左圖表示用戶從基站切換到中繼節(jié)點(diǎn)時，基站發(fā)起的切換請求中不確定中繼歸屬于哪一個主基站，為解決此問題中繼系統(tǒng)確定中繼節(jié)點(diǎn)的身份號與其歸屬的主基站身份號相同；右圖表示用戶從中繼切換到基站的簡圖，由于中繼不能確定主基站和基站之間是否存在X2接口，另外中繼不確定主基站和基站是否屬于同一片移動管理實(shí)體區(qū)，因此，中繼不能確定采用哪種類型的切換(S1或X2切換)。中繼系統(tǒng)確定中繼需要知道其歸屬的主基站與目標(biāo)基站是否有X2接口，此消息通過中繼接入時X2基站配置更新程序而獲知。中繼系統(tǒng)中用戶的切換不僅會出現(xiàn)上述問題，還會出現(xiàn)數(shù)據(jù)的來回傳輸，既浪費(fèi)會成回程鏈路資源，也導(dǎo)致切換時延加大，因此，中繼系統(tǒng)確定當(dāng)主基站接收到中繼下屬用戶的切換請求時立即終止數(shù)據(jù)到中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸。4.3Un接口無線鏈路失敗的考慮運(yùn)營商通常會選擇Un接口中鏈路穩(wěn)定的位置部署中繼，但不能保證Un接口無線鏈路失敗存在的可能性。如果Un接口無線鏈路失敗，其歸屬的用戶將受到影響，因此，中繼系統(tǒng)需要解決當(dāng)Un接口發(fā)生無線鏈路失敗后如何恢復(fù)的問題。當(dāng)Un接口無線鏈路失敗后，為了避免影響中繼下屬用戶的通話，中繼將執(zhí)行正常的基于競爭的無線接入控制信道過程重新與網(wǎng)絡(luò)連接。當(dāng)中繼與主基站的無線資源控制連接重建成功后，其連接的重配置和Un子幀的重配置過程與中繼初始啟動過程一致。如果中繼與主基站連接重建失敗，中繼將進(jìn)入空閑狀態(tài)，然后嘗試恢復(fù)。4.4回程鏈路子幀配置和系統(tǒng)信息的傳輸針對中繼和主基站之間回程鏈路子幀的配置最初有兩種方案：(1)運(yùn)行管理維護(hù)設(shè)備配置回程鏈路子幀，中繼從OAM處獲取。

(2)主基站通過無線資源控制信令配置回程鏈路子幀。從運(yùn)行管理維護(hù)設(shè)備中下載Un接口子幀配置方法是一種靜態(tài)簡單的方案，但Un接口所用的時頻資源塊由主基站控制，即使中繼初始從運(yùn)行管理維護(hù)設(shè)備處獲取Un接口的配置方式，主基站也會根據(jù)Un接口實(shí)際情況重新進(jìn)行配置。因此中繼系統(tǒng)中確定初始的Un接口子幀配置和重配置都由主基站發(fā)送無線資源控制信令配置。中繼一旦收到子幀重配置的信息就開始在Un接口使用更新的配置，此時，Un接口的子幀配置和中繼小區(qū)的子幀配置短時間內(nèi)不會同步，Un接口會先于Uu接口采用新配置。網(wǎng)絡(luò)加入中繼節(jié)點(diǎn)后影響了系統(tǒng)信息的傳輸，主要因?yàn)橐恍┲匾南到y(tǒng)信息(如主信息塊和系統(tǒng)信息1)是基站固定在一些子幀(如子幀0,5等)中發(fā)送，而這些子幀不能作為中繼和主基站之間的回程鏈路子幀，因此，中繼無法收到更新的系統(tǒng)信息。為解決這類問題，中繼系統(tǒng)中確定主基站通過發(fā)送專用的無線資源控制信令通知中繼更新的系統(tǒng)信息。5結(jié)束語中繼不但可以為蜂窩網(wǎng)絡(luò)帶來容量提升、覆蓋擴(kuò)展等性能增強(qiáng)，更可以提供靈活、快速的部署，彌補(bǔ)回傳鏈路缺失的問題，以滿足網(wǎng)絡(luò)快速部署的需求。因此，LTE-A把中繼作為關(guān)鍵技術(shù)開展研究并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)征集。本文分別從中繼的物理層和高層兩方面入手，概要的描述了中繼在LTE-AR10中關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)的進(jìn)展以及最新標(biāo)準(zhǔn)化情況。今后將繼續(xù)開展中繼技術(shù)的研究，重點(diǎn)研究移動中繼以及多跳中繼技術(shù)。6參考文獻(xiàn)[1]3GPPTR36.806V9.0.0.EvolvedUniversalTerrestrialRadioAccess(E-UTRA);Relayarchite