Relay技術(shù)引入對無線網(wǎng)絡規(guī)劃的思考與研究

董江波, 程偉, 陳燕雷, 韓云波

（1 中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080；2 工業(yè)和信息化部電信研究院，北京 100083)

LTE以其高速率低時延等優(yōu)點，得到世界各主流通信設備商和運營商的廣泛關(guān)注。當前各地LTE測試工作不斷展開，并逐步開始規(guī)模商用。作為LTE的平滑演進，LTE-Advanced系統(tǒng)能夠保持與LTE良好的兼容性；并且提供更高的峰值速率和吞吐量，下行的峰值速率為1Gbit/s，上行峰值速率為 500Mbit/s；具有更高的頻譜效率，下行鏈路將提高到30bit/s/Hz，上行鏈路將提高到15bit/s/Hz；支持多種應用場景，提供從宏蜂窩到室內(nèi)場景的無縫覆蓋。為了滿足上述要求，LTEAdvanced系統(tǒng)引入載波聚合(Carrier Aggregation，CA)、多天線增強(Enhanced MIMO)、中繼技術(shù)(Relay)和多點協(xié)作傳輸(Coordinated Multi-point Tx/Rx， CoMP)等關(guān)鍵技術(shù)。3GPP R10版本滿足了LTE Advanced系統(tǒng)的最小功能需求，在后續(xù)R11以及R12版本中對上述新技術(shù)進一步完善。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，小區(qū)吞吐量以及邊緣用戶吞吐量成為影響用戶體驗的重要因素，而Relay、CA等新技術(shù)作為提升小區(qū)邊緣以及小區(qū)平均吞吐量的重要手段，很可能會加速應用。

因此，在LTE擴大規(guī)模試驗網(wǎng)運營期間，及時研究LTE-Advanced系統(tǒng)新技術(shù)，特別是研究R10版本中引入的新技術(shù)對于未來無線網(wǎng)絡規(guī)劃的影響將十分重要，是未來快速高質(zhì)進行LTE網(wǎng)絡建設和運營的基礎。本文就主要圍繞LTE-Advanced系統(tǒng)R10版本中重要關(guān)鍵技術(shù)Relay的新技術(shù)點和技術(shù)性能展開研究，然后在此基礎上對這些新技術(shù)對無線網(wǎng)絡規(guī)劃、無線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)以及無線網(wǎng)絡規(guī)劃工具研發(fā)的影響進行深入分析。

1 Relay的技術(shù)特點

在LTE-Advanced系統(tǒng)中，Relay作為核心技術(shù)之一，在引入基帶信號處理功能后不僅能夠放大信號，抵抗移動信道的大尺度衰落，從而擴展網(wǎng)絡覆蓋的能力；而且還可以抑制干擾與噪聲，具備提高網(wǎng)絡容量的可能。

依據(jù)不同的功能定位，3GPP共定義了兩種類型的Relay，分別是類型1 Relay與類型2 Relay。類型1Relay擁有獨立的物理層小區(qū)ID，獨立的同步信道和獨立的公共導頻；為了確保系統(tǒng)后向兼容，R8版本的LTE UE可將類型一Relay視為R8版本的LTE eNB；為了獲得更好的系統(tǒng)性能，未來基于R10版本的LTE-Advanced UE可區(qū)分類型1Relay與LTE eNB。類型2 Relay不具備獨立的物理層小區(qū)ID，不能建立新的小區(qū)；R8版本的LTE UE不會察覺到類型2 Relay的存在。

Relay作為中繼節(jié)點，十分關(guān)鍵的就是對于回傳（Backhaul）鏈路的設計以及回傳子幀中R-PDCCH和R-PDSCH信道的設計。下面將分別進行介紹。

1.1 回傳鏈路設計

對于回傳鏈路，當eNB與Relay通信時，目前并沒有限定eNB端使用子幀的結(jié)構(gòu)，但是由于在10 ms幀結(jié)構(gòu)中，子幀0和子幀5傳同步信號，F(xiàn)DD的子幀4和子幀9，TDD的子幀1和子幀6用來傳尋呼(Paging)信號， 因此FDD的子幀{0，4，5，9}和TDD的子幀{0，1，5，6}不能夠作為回傳子幀承載eNB到Relay之間的通信。

對于回傳鏈路的Relay側(cè)，為了保證在該子幀內(nèi)，Relay能夠接收到下行回傳的控制信令，而又不影響Relay從eNB接收下行數(shù)據(jù)，因此將Relay處的接收回傳的子幀配置為MBSFN子幀。在該子幀中，Relay首先在MBSFN的控制信令部分向其服務的UE發(fā)送下行PDCCH信道，然后經(jīng)過一個由發(fā)送到接收的轉(zhuǎn)換時間后， Relay開始從eNB接收回傳下行的數(shù)據(jù)。而此時，對于Relay服務的UE來說，由于其收到的調(diào)度指示該子幀為MBSFN子幀，因此這些UE在接收完該子幀的控制信道部分后，就不再接收其后的數(shù)據(jù)部分了，因此對Relay服務的UE，此時是一個下行的空白時間段，如圖1所示。

圖1 Relay下行子幀數(shù)據(jù)傳輸示意圖

其中，Relay首先在其自己所在子幀內(nèi)進行下行的傳輸；在回傳子幀內(nèi)，Relay首先向其UE發(fā)送下行PDCCH信道，然后開始從eNB接收回傳下行的數(shù)據(jù)，此時Relay服務的UE沒有任何的數(shù)據(jù)傳輸。在3GPP R10版本中，最終確定TD-LTE中Relay 回傳子幀配置列表如表1所示，其中TDD子幀配置0由于下行子幀過少，沒有多余的子幀用作回傳子幀；而TDD子幀配置5，由于上行子幀過少，也沒有多余的子幀用作回傳子幀；因此可以配置回傳子幀的TDD子幀配置就是1、2、3、4、6這5種。在36.216 V10.1.0中決定用作回傳的子幀列表如表1所示18種。

表1 TD-LTE Relay回傳子幀配置表

1.2 R-PDCCH以及R-PDSCH信道設計

由于主服務eNB發(fā)給Relay節(jié)點的數(shù)據(jù)被最終決定放在MBSFN子幀中傳輸，而主服務eNB發(fā)給Relay節(jié)點的數(shù)據(jù)又分為數(shù)據(jù)部分（R-PDSCH）和控制信令部分（R-PDCCH），因此，R-PDSCH和R-PDCCH如何復用成為一個重要問題。

從復用方式上可以分成TDM、FDM、TDM+FDM等3種方式來確定R-PDSCH以及R-PDCCH的傳輸方案。

圖2 R-PDCCH/R-PDSCH復用示意圖（省略了gap）

如圖2所示，區(qū)域A、B用來放置R-PDCCH或者R-PDSCH。區(qū)域C用來放置主服務eNB給宏小區(qū)服務UE的PDSCH。同時，R-PDSCH不能和R-PDCCH放在同一個區(qū)域。

2 Relay的技術(shù)性能研究

下面主要通過仿真來對Relay新技術(shù)性能進行研究。在仿真中，假設整個服務區(qū)由3層19個小區(qū)組成。小區(qū)的形狀為6邊形，每個小區(qū)分為3個扇區(qū)，每個扇區(qū)天線主瓣的中心指向六邊形的一條邊，天線間夾角為120°，每個扇區(qū)固定撒1、2、4、10個Relay節(jié)點，每個扇區(qū)均勻撒25個用戶，由接收功率大小判斷用戶的服務基站，Relay節(jié)點擺放方案如圖3所示。

在仿真中，采用了Relay節(jié)點的70°定向接收天線（DA）指向其服務eNB以及直接對路損和LOS概率進行補償（SP）這兩種方法來增強回傳鏈路的質(zhì)量，圖4中3種方案分別比較了這兩種加強方案使用以及部分使用的性能。

當每個扇區(qū)分布10個RN時，回傳鏈路的SINR CDF曲線圖如圖4所示，從仿真結(jié)果可以看出采用加強技術(shù)時，網(wǎng)絡的平均SINR水平能夠提升約7dB。

在仿真中接入鏈路（Access，UE到Relay節(jié)點）、回傳鏈路（Backhaul，Relay節(jié)點到服務eNB）和直連鏈路（Direct，eNB到宏小區(qū)UE）的快衰模型分別基于ITU UMa、UMi、macro-relay；Un子幀配置以40ms為周期，在3種Un子幀配置下，Un與Uu的子幀比例分別為24：16，9：31，3：37。所有用戶，包括宏小區(qū)服務UE和Relay服務UE的吞吐量仿真結(jié)果，以及Relay服務 UE的百分比如表2所示。

圖3 RN擺放方案

圖4 回傳鏈路SINR CDF分布曲線

由此可以得出，從小區(qū)平均吞吐量的角度考慮隨著小區(qū)中Relay節(jié)點數(shù)量的增加，Relay節(jié)點服務的用戶數(shù)逐漸增多，宏基站服務下的用戶信道質(zhì)量逐漸變好，小區(qū)平均吞吐量逐漸增大；但是小區(qū)邊緣吞吐量隨著Relay節(jié)點下服務用戶數(shù)的增多，每小區(qū)10個RN下的邊緣吞吐量小于每小區(qū)4個RN下的邊緣吞吐量。由此我們可以看出，在實際網(wǎng)絡運營中，每個小區(qū)最大可部署的RN數(shù)量以及Un子幀的配置比例均需要根據(jù)實際無線網(wǎng)絡環(huán)境進行優(yōu)化配置。

表2 不同子幀配置以及不同RN數(shù)量下吞吐量仿真結(jié)果

3 Relay引入對無線網(wǎng)絡規(guī)劃的影響

3.1 對覆蓋范圍的影響

傳統(tǒng)的小區(qū)選擇的方法是Relay服務UE導頻信號強度超過eNB服務該UE信號強度的區(qū)域為Relay覆蓋區(qū)域，此時UE歸屬于Relay節(jié)點；反之，eNB服務UE導頻信號強度超過Relay服務UE信號強度的區(qū)域為BS覆蓋區(qū)域，此時UE歸屬于eNB節(jié)點。這種方法會導致接入Relay的用戶數(shù)少，而接入eNB的用戶數(shù)多。因為eNB的發(fā)射功率大，而Relay的發(fā)射功率較小。并且eNB的站高通常與Relay節(jié)點的站高差距較大。這樣會抑制Relay的性能增益。因此需要擴展Relay節(jié)點的覆蓋范圍。

傳統(tǒng)的小區(qū)選擇機制是指用戶在Relay節(jié)點與eNB之間的小區(qū)選擇基于以下公式：

根據(jù)UE接收到的導頻功率進行比較，UE到所有eNB和Relay節(jié)點的導頻接收功率中選擇導頻接收功率最大的小區(qū)作為其歸屬小區(qū)。新的小區(qū)選擇機制是指用戶在Relay節(jié)點與eNB之間的小區(qū)選擇基于以下公式：

biasi為小區(qū)選擇偏移值。其中eNB對應的bias值為0，Relay對應的bias值為δ，這樣就使得更多的用戶選擇Relay作為自己的歸屬小區(qū)，擴大了Relay的覆蓋范圍。bias值越大Relay的覆蓋范圍越大。但此時可能對于那些不采用bias歸屬于eNB，而采用bias后歸屬于Relay的用戶來說，現(xiàn)在宏基站對于這些用戶存在強干擾。所以bias的取值十分重要，δ取值過低，Relay覆蓋范圍擴展帶來的增益不明顯；bias的取值過高，又會造成某些用戶受到的干擾過大，導致信噪比過低而無法解調(diào)。

在未來無線網(wǎng)絡規(guī)劃與運營中，恰當?shù)匕l(fā)揮Relay節(jié)點的作用提升TD-LTE網(wǎng)絡的覆蓋性能將依賴于上述參數(shù)的規(guī)劃與配置。而這些參數(shù)的取值均需要在實際現(xiàn)網(wǎng)中根據(jù)不同場景進行驗證。

3.2 對無線資源分配的影響

對于Relay節(jié)點來說回傳鏈路與接入鏈路采用時分復用的方式。那么在非回傳子幀內(nèi)，對于接入鏈路和直連鏈路而言，接入服務eNB與接入Relay節(jié)點的RB資源分配方式將影響網(wǎng)絡容量的性能。如果接入鏈路和直連鏈路采用完全相同的頻率資源，那么對于上下行鏈路受到的干擾將來自于所有Relay節(jié)點和eNB。

[8]的假設，設定系統(tǒng)可用帶寬內(nèi)PRB資源數(shù)目為N，eNB可用資源為N1，Relay1可用資源為N2，Relay2可用資源為N3，……Relay m可用資源為Nm，從效率角度考慮有如下關(guān)系式：

圖5 eNB用戶和Relay用戶使用不同的頻率資源

當N1=N2=…=N時，由于eNB用戶和Relay用戶使用的資源完全重疊，如圖6所示，干擾最為嚴重，但系統(tǒng)可用資源最多，系統(tǒng)容量可能較大。

圖6 eNB用戶和Relay用戶使用重疊的頻率資源

Relay節(jié)點引入后不同的無線資源分配方法從理論上均各有優(yōu)勢，而在真正復雜的無線網(wǎng)絡環(huán)境中，如何才能最大化地減小eNB用戶與Relay用戶之間的干擾，發(fā)揮Relay節(jié)點對于覆蓋以及吞吐量提升的優(yōu)勢，將需要無線網(wǎng)絡規(guī)劃過程中結(jié)合實際環(huán)境進行深入評估。

4 小結(jié)

本文首先對LTE-Advanced中的關(guān)鍵技術(shù)Relay從技術(shù)原理以及涉及到的關(guān)鍵技術(shù)點進行深入研究，明晰了R10版本中Relay的實現(xiàn)方式。通過系統(tǒng)仿真的方式對Relay引入后的系統(tǒng)性能進行了評估。通過仿真結(jié)果顯示，合理應用Relay技術(shù)能夠提升小區(qū)吞吐量以及邊緣用戶吞吐量，從而提升LTE網(wǎng)絡中的用戶體驗。最后，從無線網(wǎng)絡規(guī)劃的角度，深入分析了Relay引入后對覆蓋、容量、無線資源分配等方面的影響，為后續(xù)進行LTE-Advanced的無線網(wǎng)絡規(guī)劃以及無線網(wǎng)絡規(guī)劃工具的開發(fā)奠定了技術(shù)基礎。

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