TD-LTE室內(nèi)覆蓋增強(qiáng)的靈活手段：中繼*

劉建軍，沈曉冬，胡臻平，錢 雨，郭志恒

（1.中國移動(dòng)通信有限公司研究院 北京100053；2.愛立信（中國）通信有限公司 北京100102）

1 引言

第4代移動(dòng)通信技術(shù)（4G）的逐步引入以及智能終端的迅速普及，為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展注入了新的活力，同時(shí)也給移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)帶來全新的挑戰(zhàn)。據(jù)業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，近幾年全球主要運(yùn)營商數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)均出現(xiàn)了爆炸性增長，全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量在過去兩年增長了近280%。目前移動(dòng)話音業(yè)務(wù)的60%、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的70%發(fā)生在室內(nèi)，根據(jù)預(yù)測[1]，未來室內(nèi)業(yè)務(wù)和熱點(diǎn)業(yè)務(wù)將占總業(yè)務(wù)量的90%，為滿足爆炸性的數(shù)據(jù)增長需求，尤其是未來室內(nèi)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，運(yùn)營商迫切需要優(yōu)化方案。中國移動(dòng)通信有限公司（以下簡稱中國移動(dòng)）數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量增長趨勢如圖1所示。

另一方面，未來TD-LTE主要部署在高頻段（如D頻段2 570～2 620 MHz，或F頻段1 880～1 920 MHz），傳播損耗和穿透損耗較大，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)深度覆蓋面臨巨大挑戰(zhàn)，具體如下：

·2.6 GHz頻段的傳播損耗較DCS 1 800 MHz頻段和GSM 900 MHz頻段的傳播損耗分別高5 dB和15 dB左右，基于現(xiàn)有GSM站址進(jìn)行2.6 GHz頻段規(guī)劃，TD-LTE深度覆蓋挑戰(zhàn)很大；

·2.6 GHz頻段傳播損耗較F頻段傳播損耗高4～5 dB，因此完全基于已有的TD-SCDMA站點(diǎn)建設(shè)TD-LTE，深度覆蓋也存在較高的難度。

針對上述問題，目前業(yè)界提出了多種增強(qiáng)室內(nèi)覆蓋的解決方案，但這些方案仍舊可能面臨如下問題。

·通過室外新增宏基站增強(qiáng)室內(nèi)覆蓋：針對覆蓋盲區(qū)，新增宏基站站址的難度越來越高，面臨宏基站站址匱乏、站址/機(jī)房租金昂貴等挑戰(zhàn)；新建傳輸?shù)睦щy也越來越大，成本越來越高；與此同時(shí)，天面資源日益緊張、居民對輻射的過度擔(dān)憂使得新增宏基站天面的難度極高。

·基于有線回傳的室內(nèi)覆蓋解決方案：如基于光纖回傳的一體化微站（micro）/微微站（pico），基于IP分組網(wǎng)回傳的Nanocell或室內(nèi)分布式天線系統(tǒng)（distributed antenna system，DAS）等。但由于存在“最后一公里”光纖的接入問題，在現(xiàn)網(wǎng)升級改造的過程中，仍存在一些短期內(nèi)不方便實(shí)施有線回傳覆蓋解決方案的室內(nèi)場景，如老居民小區(qū)等。

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中具有無線回傳功能的中繼（relay）節(jié)點(diǎn)，具備快速、靈活部署和低成本等特點(diǎn)，引入現(xiàn)網(wǎng)后，能夠有效解決移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)面臨的上述問題，滿足未來TD-LTE網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)深度覆蓋的需求。

圖1 中國移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量增長趨勢

2 TD-LTE中繼室內(nèi)覆蓋增強(qiáng)

2.1 TD-LTE中繼技術(shù)引入

為應(yīng)對各種復(fù)雜的無線傳播環(huán)境，解決實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署的覆蓋問題,3GPP（3rd generation partnership project）在LTE-Advanced R10版本協(xié)議中對中繼技術(shù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化[2]。通過在宏基站和用戶終端之間加入一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，宏基站和終端之間的直傳鏈路被分為兩段：宏基站與中繼節(jié)點(diǎn)之間的無線鏈路稱為回傳鏈路（Un接口，回傳鏈路上中繼節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的功能模塊簡稱回傳模塊）；中繼與終端之間的無線鏈路稱為接入鏈路（Uu接口，接入鏈路上中繼節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的功能模塊簡稱接入模塊），中繼系統(tǒng)如圖2所示。通過對中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理的部署，拆分后的兩段鏈路都具有比直傳鏈路更短的傳播距離，同時(shí)傳播路線中的遮擋物也得以減少，使得拆分后的兩段鏈路都具有比直傳鏈路更好的無線傳播條件和更高的傳輸能力。

圖2 中繼系統(tǒng)示意

中繼的部署形式有些類似于現(xiàn)網(wǎng)中的無線直放站（repeater），都是通過引入一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，將宏基站和終端之間的直傳鏈路分成兩段，可解決城區(qū)覆蓋盲點(diǎn)或小區(qū)邊緣接入速率不高的問題,但兩者的主要差別是:無線直放站分為模擬直放站和數(shù)字直放站，主要功能是對射頻信號進(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā)，其中數(shù)字直放站還具備模擬/數(shù)字或數(shù)字/模擬（AD/DA）采樣、數(shù)字變頻和濾波等功能,但不支持基帶的調(diào)制/解調(diào)和編譯碼處理，因此無線直放站的引入會(huì)抬升網(wǎng)絡(luò)的底噪；而中繼需要對接收的射頻信號進(jìn)行解調(diào)和譯碼以及資源調(diào)度等處理，然后重新編碼，調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)，因此可以有效抑制網(wǎng)絡(luò)底噪的抬升。

中繼分為帶內(nèi)中繼（inband relay，即回傳鏈路和接入鏈路在相同的頻點(diǎn)上傳輸，時(shí)域資源時(shí)分復(fù)用）和帶外中繼（outband relay，即回傳鏈路和接入鏈路在不同的頻帶內(nèi)或同一頻帶內(nèi)的不同頻點(diǎn)上傳輸，即移頻方式）。由于中繼回傳鏈路和接入鏈路占用不同的時(shí)隙或頻點(diǎn)資源，因此對收發(fā)天線的隔離度要求較低。

中繼的典型特點(diǎn)是能夠提供無線回傳，現(xiàn)階段中繼主要還是用于解決覆蓋增強(qiáng)問題，而非容量提升問題。在一些光纖無法到達(dá)或者有線回傳建設(shè)比較困難的場景（如無有線回傳的城區(qū)微覆蓋場景、無室內(nèi)分布部署的室內(nèi)辦公環(huán)境、光纖無法到戶的居民樓、偏遠(yuǎn)郊區(qū)或農(nóng)村等），通過引入具有無線回傳功能的中繼可有效擴(kuò)展覆蓋范圍，改善宏小區(qū)弱覆蓋，消除高大建筑群所產(chǎn)生的陰影覆蓋區(qū)域甚至盲區(qū)，部署靈活方便，可作為補(bǔ)充宏基站覆蓋的有效手段之一。

2.2 TD-LTE中繼室外覆蓋室內(nèi)解決方案

與室外覆蓋補(bǔ)盲場景相比，建筑物室內(nèi)格局復(fù)雜、變化多樣，樓宇主體結(jié)構(gòu)可能由不同的建筑材質(zhì)（如混凝土、鋼筋構(gòu)架、輕體磚墻、玻璃隔斷等）構(gòu)成，室外站從室外覆蓋室內(nèi)（俗稱“室外打室內(nèi)”）面臨的典型問題是需要克服建筑物墻體的穿透損耗以及建筑物內(nèi)部的墻體反射、衍射、散射和多徑效應(yīng)等。例如，室外無線信號到達(dá)建筑物穿透外墻后一般衰減近20 dB，而穿透到室內(nèi)的信號可能需要再穿透若干堵內(nèi)墻（材質(zhì)為輕體磚墻或鋼化玻璃等，一堵內(nèi)墻穿透損耗約10 dB后才能最終到達(dá)用戶終端。在這些特殊場景，要求室外基站距離建筑物足夠近，才能保證衰減后的信號強(qiáng)度仍能滿足正常通信需求。

針對TD-LTE室內(nèi)深度覆蓋面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，室外新增宏基站站址的難度越來越高，而采用體積較小的低功率節(jié)點(diǎn)配合宏基站進(jìn)行覆蓋補(bǔ)充就成為未來分層網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢。由于中繼的部署無需光纖或有線回傳，在能夠解決供電（如將中繼部署在市政路燈桿上，直接從燈桿取電；或就近從物業(yè)取電等）的前提下，中繼能夠?qū)崿F(xiàn)快速、靈活、低成本的部署，相比部署宏基站，無需新建站址和機(jī)房，相比部署微站或微微站，無需新建傳輸鏈路和施工布線。因此在一些不具備有線回傳條件的室內(nèi)場景中，采用中繼作為TD-LTE室外覆蓋室內(nèi)的手段，便于短時(shí)間內(nèi)迅速實(shí)施，且具有體積小、重量輕、無需機(jī)房、部署靈活簡單等特點(diǎn)。

圖3 現(xiàn)網(wǎng)測試環(huán)境及中繼節(jié)點(diǎn)部署

3 現(xiàn)網(wǎng)測試驗(yàn)證及性能分析

3.1 現(xiàn)網(wǎng)測試環(huán)境

為了驗(yàn)證中繼在TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中增強(qiáng)室內(nèi)深度覆蓋的實(shí)際效果，中國移動(dòng)聯(lián)合主設(shè)備廠商愛立信在真實(shí)外場環(huán)境中對帶內(nèi)中繼室外覆蓋室內(nèi)的性能進(jìn)行了測試研究[3]。在圖3所示的測試環(huán)境中，施主宏基站（donor eNode B）8天線部署于9層寫字樓的頂端，距離測試樓宇約500 m，測試樓宇為一座8層玻璃幕墻寫字樓，與施主宏基站之間有一幢6層樓高的公寓樓遮擋，造成施主宏基站和測試樓宇較低樓層之間為非直視徑（non-line-of-sight，NLoS）傳輸。由于存在約500 m的傳播距離、NLoS傳輸以及周圍鄰站的干擾，在進(jìn)行樓宇外圍路測時(shí)顯示出較明顯的弱覆蓋特征。

中繼樣機(jī)系統(tǒng)測試參數(shù)配置見表1。將帶內(nèi)中繼天線部署在測試樓宇前一條道路旁的立桿之上，與目標(biāo)測試樓宇的直線距離約30 m。中繼天線架高約6 m，采用2套雙極化定向天線（Kathrein 80010677），其中一套用作無線回傳，調(diào)節(jié)使其大致朝向施主宏基站；另外一套用于中繼接入鏈路覆蓋，使其大致對準(zhǔn)測試樓宇的中層（如3層）進(jìn)行覆蓋。這種雙極化天線的特殊性在于垂直方向的天線方向（radiation pattern）圖有些類似于全向（omni）天線，比較適合于“室外打室內(nèi)”，可保證測試樓宇低、中、高層都獲得有效的覆蓋補(bǔ)充。

表1 中繼外場測試參數(shù)配置

室內(nèi)覆蓋普查在樓宇的低/中/高層（分別對應(yīng)1/3/8層）開展，測試樓宇內(nèi)部環(huán)境如圖4所示。在樓宇的1層和3層，大部分寬闊的廊道、開放性辦公區(qū)緊鄰玻璃幕墻（寫字樓外墻），室外信號僅需穿透一堵外墻即可到達(dá)，而局部區(qū)域玻璃幕墻和廊道之間有會(huì)議室和電梯廳相隔，直射信號需穿透多堵墻體，損耗較大，此時(shí)覆蓋主要依靠其他空曠區(qū)域信號的衍射/繞射保證。而樓宇的8層環(huán)境為連排的會(huì)議室，廊道與玻璃幕墻之間一般有1～2堵內(nèi)墻或玻璃隔段，高層直射信號經(jīng)過多堵墻體的穿透損耗后信號已衰減得非常微弱，覆蓋也只能依靠廊道和玻璃幕墻之間沒有會(huì)議室隔斷的狹窄區(qū)域的信號衍射/繞射獲得。

為便于分析玻璃幕墻（測試樓宇外墻）穿透損耗對室內(nèi)覆蓋性能的影響，覆蓋普查測試前將測試終端TM500的外置天線分別置于玻璃幕墻的窗外和窗內(nèi)（測試時(shí)將窗體關(guān)閉），分別記錄兩次終端接收的RSRP（reference signal receive power）值，并通過計(jì)算兩次接收的RSRP的差值，估算玻璃幕墻穿透損耗約為16 dB。

室內(nèi)覆蓋普查時(shí)，將測試終端TM500放置于小拖車上,由工程師拖曳遍歷目標(biāo)測試樓層（分別對應(yīng)1/3/8層）的主要廊道、辦公區(qū)、電梯間等區(qū)域。在每一層樓層，分別記錄中繼開啟/中繼關(guān)閉情況下的RSRP覆蓋以及上行/下行（UL/DL）層三FTP業(yè)務(wù)速率。當(dāng)中繼開啟時(shí)，允許終端在宏小區(qū)和中繼小區(qū)間自由切換;而中繼關(guān)閉時(shí)，終端直連室外施主宏基站。同時(shí)，對室外施主宏基站周圍的相鄰小區(qū)開啟70%下行模擬加擾，使測試現(xiàn)場更加貼近真實(shí)組網(wǎng)環(huán)境。

3.2 測試性能

結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)的測試數(shù)據(jù)，本文重點(diǎn)對帶內(nèi)中繼室外覆蓋室內(nèi)的RSRP覆蓋以及上行/下行平均用戶吞吐量進(jìn)行了研究分析。測試樓宇低/中/高層RSRP覆蓋打點(diǎn)圖如圖5所示，測試結(jié)果顯示室外中繼站開啟后可以顯著地?cái)U(kuò)大室內(nèi)1/3/8各樓層的信號覆蓋范圍，提升測試樓宇各區(qū)域的RSRP信號強(qiáng)度。舉例如下。

·低層：當(dāng)中繼關(guān)閉時(shí)，測試樓宇1層的RSRP值主要分布在-110～-120 dBm，而在東側(cè)的電梯間區(qū)域，由于會(huì)議室的遮擋以及繞射信號非常微弱（低于-120 dBm），測試終端無法正常接入室外宏基站；當(dāng)室外中繼開啟后，RSRP值大幅度提升至-80～-100 dBm，同時(shí)消除了1層?xùn)|側(cè)電梯間區(qū)域的覆蓋盲區(qū)（U型區(qū)域）。

圖5 測試樓宇低/中/高層RSRP覆蓋測試結(jié)果

·中層：當(dāng)中繼關(guān)閉時(shí)，測試樓宇3層的RSRP覆蓋明顯優(yōu)于1層，原因是樓宇3層地理位置較高，和室外施主宏基站天線之間存在直視徑；當(dāng)室外中繼開啟后，各測試區(qū)域的RSRP值也整體上顯著提升。

·高層：如前文所述，測試樓宇8層環(huán)境為連排的會(huì)議室，廊道與玻璃幕墻之間一般有1～2堵內(nèi)墻或玻璃隔段，高層直射信號經(jīng)過多堵墻體的穿透損耗后信號已衰減得非常微弱。當(dāng)中繼關(guān)閉時(shí)，只有廊道和玻璃幕墻之間沒有會(huì)議室隔斷的很小狹窄區(qū)域（僅穿透1堵玻璃幕墻）能獲得室外宏基站的覆蓋，且RSRP值均分布在-110～-120 dBm的較弱區(qū)域；當(dāng)室外中繼開啟后，樓宇8層的覆蓋區(qū)域顯著擴(kuò)大，原來在宏小區(qū)下為無覆蓋的廊道基本上都消除了覆蓋盲區(qū)，終端可正常接入并發(fā)起上行/下行FTP業(yè)務(wù)。

圖6 測試樓宇上行/下行平均用戶吞吐量測試結(jié)果

上行/下行（UL/DL）平均用戶吞吐量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。測試結(jié)果表明，在低/中/高層絕大部分測試區(qū)域，帶內(nèi)中繼開啟后均顯著地提升了用戶吞吐量性能，只有在上行FTP業(yè)務(wù)測試時(shí)樓層3的平均用戶吞吐量略有降低。原因如下。

測試樓宇的3層廊道比較寬闊，和室外施主宏基站天線之間存在直視徑，僅有一堵玻璃幕墻的遮擋和穿透損耗，因此，在中繼關(guān)閉的情況下，從宏基站獲得的RSRP覆蓋并不差，測試中施主宏基站的相鄰宏小區(qū)上行也未加載干擾，終端仍可獲得較好的上行吞吐量性能。

施主宏基站上行8天線接收分集進(jìn)一步提升了上行信號接收增益，而測試中使用的中繼樣機(jī)天線配置為2發(fā)2收。

在帶內(nèi)中繼系統(tǒng)中，回傳鏈路和接入鏈路工作在同一個(gè)頻點(diǎn)，但為了避免上下行時(shí)隙交叉干擾，3GPP協(xié)議設(shè)計(jì)中繼回傳鏈路和接入鏈路的子幀采用時(shí)分復(fù)用（time division multiplexing，TDM）。例如，TDD系統(tǒng)上/下行子幀配置1（DSUUDDSUUD）、回傳鏈路子幀配置4（DL：4&9,UL:3&8）時(shí)，帶內(nèi)中繼的時(shí)隙分配如圖7所示[2]。由于中繼回傳鏈路資源受限，且測試中僅有1個(gè)終端獨(dú)享所有系統(tǒng)帶寬，使得終端接入室外施主宏基站時(shí)可獲得將近2倍的時(shí)隙資源。這樣，即使中繼開啟相比中繼關(guān)閉時(shí)可顯著提升樓層3的RSRP覆蓋，但由于中繼回傳鏈路容量受限導(dǎo)致終端上行理論峰值吞吐量受限（例如最大MCS=20時(shí)，中繼上行理論峰值為8.1 Mbit/s；最大MCS=24時(shí)，中繼上行理論峰值為10.2 Mbit/s），在某些測試點(diǎn)，速率出現(xiàn)了低于直連施主宏基站速率的情況。

圖7 帶內(nèi)中繼的時(shí)隙分配示意

對于下行FTP業(yè)務(wù)，中繼開啟后各樓層平均用戶吞吐量均明顯高于中繼關(guān)閉時(shí)的情況，未出現(xiàn)類似上行FTP業(yè)務(wù)在樓層3的平均用戶吞吐量倒掛現(xiàn)象。這是由于室外施主宏基站周圍的相鄰小區(qū)均開啟70%下行模擬加擾，中繼未開啟時(shí)相鄰小區(qū)的下行強(qiáng)干擾嚴(yán)重降低了測試樓宇室內(nèi)的SINR（signal to interference noise ratio），即使施主宏基站在測試樓宇3層的RSRP覆蓋并不差，但較低的SINR限制了下行平均用戶吞吐量的提升。在中繼開啟后SINR顯著改善，因此獲得了明顯的吞吐量性能增益。

測試結(jié)果也反映出帶內(nèi)中繼對部署場景的特定要求，即應(yīng)將帶內(nèi)中繼部署在宏基站覆蓋相對較差的區(qū)域，才能起到有效的補(bǔ)盲或弱覆蓋增強(qiáng)的作用。如果帶內(nèi)中繼部署不當(dāng)，例如將其部署在宏基站覆蓋較強(qiáng)的區(qū)域，由于回傳鏈路容量受限因素，會(huì)導(dǎo)致覆蓋被顯著增強(qiáng)的情況下卻無法獲得吞吐量增益。事實(shí)上，中繼技術(shù)引入的初衷主要也是改善弱覆蓋，將其作為有線回傳條件缺失場景下宏基站的覆蓋補(bǔ)充，這也就對網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化人員提出了一定的要求。

4 結(jié)束語

本文在明確TD-LTE室外覆蓋室內(nèi)部署需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)測試驗(yàn)證，對中繼增強(qiáng)室內(nèi)覆蓋的性能進(jìn)行了深入分析。測試結(jié)果表明，針對一些暫時(shí)不具備有線回傳條件的樓宇，引入中繼可提供快速、靈活、低成本的深度覆蓋解決方案，顯著地?cái)U(kuò)大室內(nèi)覆蓋范圍并提升信號強(qiáng)度，保證室內(nèi)業(yè)務(wù)較高的平均用戶吞吐量。另一方面，由于帶內(nèi)中繼存在回傳鏈路瓶頸問題，需要進(jìn)一步研究回傳鏈路容量提升方案。帶外中繼雖然可以有效地避免上述問題，但目前尚無成熟的試驗(yàn)產(chǎn)品，還需考慮其硬件實(shí)現(xiàn)的成本、復(fù)雜度以及天線隔離度和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)形態(tài)等，后續(xù)中國移動(dòng)也將聯(lián)合各大設(shè)備廠商積極開展Outband中繼試驗(yàn)產(chǎn)品的開發(fā)和外場測試，進(jìn)一步全面驗(yàn)證中繼產(chǎn)品以增強(qiáng)室內(nèi)覆蓋的性能。

1 Cisco.Cisco Visual Networking Index:Global Mobile Data Traffic Forecast Update,White Paper,2012-2017，F(xiàn)eb 2013

2 3GPP TS 36.216 V11.0.0.Physical Layer for Relaying Operation(Release 11)，Sep 2012

3 Gan J,Guo Z,Fan R,et al.LTE in-band relay prototype and field measurement.Proceedings of IEEE VTC 2012 Spring,Yokohama,Japan,May 2012