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(shè)計(jì)院南京分院工程師

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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(shè)計(jì)院南京分院工程師

摘要：隨著數(shù)據(jù)應(yīng)用的需求不斷增加，傳統(tǒng)的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(yīng)對這些挑戰(zhàn)，并不會(huì)產(chǎn)生高站址需求和回傳成本。但無線中繼站的設(shè)計(jì)面臨提供后面兼容性、減少復(fù)雜性、加大有效性的挑戰(zhàn)。本文提供了設(shè)計(jì)無線中繼站的挑戰(zhàn)概觀和解決方法，作為3GPP LTE-Advanced的一個(gè)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(dòng)性支持。移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)部署從跨度非常密集的城市地區(qū)到偏遠(yuǎn)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(yùn)行。

宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)中回傳到各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(luò)節(jié)點(diǎn)的方式是不錯(cuò)的選擇，能減少總的網(wǎng)絡(luò)部署成本和運(yùn)行成本。中繼技術(shù)提供了擴(kuò)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(diǎn)（RN）的幫助下，基站（eNB）和用戶設(shè)備（UE）之間的無線鏈路被分為兩跳。eNB（也可叫捐獻(xiàn)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(gè)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(kuò)大和轉(zhuǎn)發(fā)Relay（AF Relay）。AF Relay擴(kuò)大和轉(zhuǎn)發(fā)接收到的分析信號(hào)。Repeater對UE和eNB都是透明的。因?yàn)?，Repeater擴(kuò)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(hào)，然后再轉(zhuǎn)發(fā)給接收器。因?yàn)檫@個(gè)等級的Relay不擴(kuò)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(gè)DeNB的兩個(gè)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(fù)使用，可為增加系統(tǒng)容量鋪平道路。然而，DF Relay的運(yùn)行比一個(gè)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(shí)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(biāo)識(shí)，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(jī)對它的接收器引起干擾，除非輸入信號(hào)和輸出信號(hào)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(fù)用。

（2）Relay天線的空間分離。

（3）接入和回傳子幀的時(shí)間復(fù)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(gè)附加的LTE載波。

圖1　Relay技術(shù)實(shí)例

帶內(nèi)中繼操作需要回傳的分離，也需要在時(shí)間或空間上的接入鏈路。通過復(fù)雜的安裝和部署可以實(shí)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(huì)導(dǎo)致全雙工中繼。

臨時(shí)性的分離暗含著在下行鏈路（DL）載波頻率，以給定的時(shí)間點(diǎn)，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(shí)間點(diǎn)，RN在鏈路上傳送或在回傳鏈路上接收。傳送/接收的復(fù)用在回傳和接入鏈路上產(chǎn)生有效的半雙工運(yùn)行。如圖1所示，時(shí)分復(fù)用包含f1=f3和f2=f4，t1≠t3 and t2≠t4。根據(jù)時(shí)分和頻分復(fù)用，3GPP的規(guī)范支持中繼類型1。因?yàn)閹饨永m(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(xiàng)復(fù)用方案：FDD（頻分雙工）和TDD（時(shí)分雙工）?；镜恼{(diào)度單元是1ms長的子幀，10個(gè)子幀構(gòu)成一個(gè)無線電幀。

在DL中LTE的特征之一就是在每個(gè)子幀內(nèi)控制信道和數(shù)據(jù)信道的時(shí)分復(fù)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(shí)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(luò)（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(gè)子幀的完整時(shí)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(shí)上，最初引入MBSFN子幀是用來提供一個(gè)不同于常規(guī)子幀的幀結(jié)構(gòu)，用單一頻率網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和它們自己相關(guān)的信號(hào)支持多播服務(wù)。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(yùn)營商保持吸引力。開發(fā)和制造RN的成本應(yīng)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(luò)中因引入RN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致費(fèi)用增加。另外，也要考慮費(fèi)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(gè)限制和挑戰(zhàn)：

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

（2）RN充當(dāng)UL的多路復(fù)用器。結(jié)果，回傳鏈路是最有可能的瓶頸，應(yīng)該以高頻譜效率運(yùn)行。

（3）半雙工中繼在回傳和接入鏈路運(yùn)行之間不斷地切換它的無線電頻譜（RF）。因?yàn)樽灾袚Q時(shí)間過長意味著可用于回傳和接入鏈路運(yùn)行的物理層資源丟失，切換應(yīng)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(shè)想上：DL小區(qū)特有基本信號(hào)（CRS）存在于每個(gè)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(dòng)性測量和無線電鏈路監(jiān)控。因此，當(dāng)RN有機(jī)會(huì)和DeNB通信時(shí)就必須在每個(gè)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?dòng)重傳（HARQ）對從傳送錯(cuò)誤中恢復(fù)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(yùn)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(luò)（S1）和基站間（X2）的接口。演進(jìn)通用陸地?zé)o線電訪問（E-UTRAN）架構(gòu)包含Relay節(jié)點(diǎn)（見圖2）。另一方面，RN支持UE功能的子集（例如，連接到網(wǎng)絡(luò)的程序）。為了滿足以上所述的要求，協(xié)議要減少對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的影響：從核心網(wǎng)的觀點(diǎn)，RN就是正常的eNB；RN的觀點(diǎn)，DeNB就如同一個(gè)正常的核心網(wǎng)。因此，現(xiàn)有的接口和功能都能被重復(fù)使用。

每個(gè)RN和DeNB建立S1和X2鏈接。S1通過DeNB將RN鏈接到移動(dòng)性管理實(shí)體（MME），X2通過DeNB將RN鏈接到eNB。DeNB作為協(xié)議將RN報(bào)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(jìn)程

Relay的啟動(dòng)和附著——在初始附著之前，RN將預(yù)配置有關(guān)允許它訪問哪個(gè)小區(qū)的信息。這樣一份名單既能通過空中，也能通過預(yù)程序下載。在加電時(shí)，RN能用支持UE的正常附著程序附著到網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(luò)中分離。

圖2　包含中繼節(jié)點(diǎn)的E-UTRAN架構(gòu)

RN現(xiàn)在鏈接到從先前列表選擇的DeNB，啟動(dòng)程序是一樣的，只不過這次RN在無線電鏈接建立的時(shí)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?；诖涡畔?，DeNB現(xiàn)在也擔(dān)當(dāng)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(gè)程序和為UE正常初始網(wǎng)絡(luò)承載激活/修改進(jìn)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(dòng)性。DeNB意識(shí)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(biāo)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(fù)使用LTE無線電接口。在回傳中重復(fù)使用相同的無線電協(xié)議，具有一定的控制平面協(xié)議補(bǔ)充。最顯著的補(bǔ)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(gè)傳送間隔，在下行DL，RN能聲明MBSFN子幀。當(dāng)UE終端由一個(gè)MBSFN子幀組成，它處理最少的少數(shù)幾個(gè)攜帶控制信息的符號(hào)，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(wù)）。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(hào)的傳送，10子幀中僅有6個(gè)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(yīng)在訪問和回傳鏈路上適應(yīng)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(yīng)該得到支持。然而，重配置并不頻繁。

4.5回傳信道設(shè)計(jì)

回傳信道的設(shè)計(jì)（如圖3的R-PDCCH和PDSCH）應(yīng)該有最小的標(biāo)準(zhǔn)和執(zhí)行影響。換句話說：回傳信道的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡可能地重復(fù)使用現(xiàn)有的直接鏈接UE的設(shè)計(jì)。同時(shí)，在設(shè)計(jì)回傳鏈路時(shí)應(yīng)該有做大的回傳效率。設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮以下需求：

（1）在同一組資源中復(fù)用R-PDCCH和PDSCH。

（2）在相同的子幀中復(fù)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(wù)的早期解碼。

（4）支持多重回傳業(yè)務(wù)。

一種是基于頻分復(fù)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(shí)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(fù)用和最小的調(diào)度復(fù)雜性。一個(gè)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(shè)計(jì)

另一種可能是基于TDM的R-PDCCH設(shè)計(jì)。一些OFDM符號(hào)能預(yù)留給R-PDCCH穿越所有或部分系統(tǒng)帶寬。在R8/9中類似于復(fù)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?yàn)?，它阻止了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送的復(fù)用和現(xiàn)有參考信號(hào)的重復(fù)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?yàn)檫@些通常對UE運(yùn)行比UL分配更有即時(shí)的影響。一個(gè)子幀由兩個(gè)時(shí)隙組成，LTER8/9的很多功能基于這樣的時(shí)隙，在子幀的第一個(gè)時(shí)隙的末端自然強(qiáng)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(gè)時(shí)隙和便利，支持UL授予或PDSCH傳送的R-PDCCH能使用第二個(gè)時(shí)隙。由此，整個(gè)子幀可以被有效地使用。同時(shí)，支持直接鏈路UE的PDSCH依然用FDM方式和R-PDCCH復(fù)用，造成最小的標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施影響。如果在第一時(shí)隙中沒有DL授權(quán)，在相同的資源對中在第二個(gè)時(shí)隙里沒有DL授權(quán)，PDSCH將能夠使用第一個(gè)時(shí)隙或者第一個(gè)時(shí)隙留空。

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

4.6混合ARQ運(yùn)行

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

回傳鏈路HARQ運(yùn)行——對于FDD，DL下行鏈路的子幀配置了周期性的8個(gè)子幀，不包括沒有被RN宣布的MBSFN子幀的子幀。MBSFN子幀是一個(gè)10ms的架構(gòu)，而HARQ時(shí)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(rèn)響應(yīng)UL傳送，除非修改設(shè)計(jì)的HARQ時(shí)間器。因此，簡單的說，在回傳鏈路上UL傳送不實(shí)用HARQ確認(rèn)。相反，DeNB能發(fā)布一個(gè)新的調(diào)度授予，指明傳送失敗，因此觸發(fā)相應(yīng)的重傳。在TDD中，對于每個(gè)支持DL/UL配置，支持一個(gè)或多個(gè)回傳配置，提供接續(xù)運(yùn)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(shí)間遵循10ms往返時(shí)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(shí)現(xiàn)了最小吞吐量，尤其是在半雙工運(yùn)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(luò)中得到了證實(shí)。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(fù)使用現(xiàn)有的LTE物理層、MAC層面臨了很大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，本文詳細(xì)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(qiáng)接入和回傳鏈路的質(zhì)量，尤其是復(fù)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(biāo)準(zhǔn)。

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收稿日期：（2016-03-26）