無(wú)線(xiàn)中繼技術(shù)在TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用分析

董江波，劉 瑋，韓云波，孫 浩，陳燕雷，李 楠

(中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 北京100080)

1 引言

在TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際建設(shè)過(guò)程中，部分場(chǎng)景，例如，建筑物遮擋造成的覆蓋空洞、樓宇墻體損耗形成的室內(nèi)覆蓋弱場(chǎng)、隧道、涵洞以及立交橋陰影區(qū)等特殊補(bǔ)盲場(chǎng)景，會(huì)因?yàn)闆](méi)有“有線(xiàn)傳輸”條件或者建設(shè)“有線(xiàn)傳輸”成本太高而無(wú)法采用普通基站的建設(shè)方案。同時(shí)又由于站址條件限制或者補(bǔ)盲面積較少等因素，希望能采用比宏基站更小、更輕、更易安裝的微基站進(jìn)行建設(shè)。在這些場(chǎng)景條件下，利用“無(wú)線(xiàn)回傳”（即無(wú)線(xiàn)傳輸）的無(wú)線(xiàn)中繼微基站，成為比較可行的解決方案。

由于中繼與施主基站共享基帶資源，回傳鏈路和接入鏈路相匹配，同時(shí)中繼的功率較小，面對(duì)需要補(bǔ)盲場(chǎng)景，如何進(jìn)行合理部署才能有效地解決盲區(qū)的覆蓋性能；針對(duì)業(yè)務(wù)模型，如何合理規(guī)劃回傳鏈路與接入鏈路的資源，這些都是在實(shí)際工程建設(shè)中值得探討的重要問(wèn)題。本文將重點(diǎn)針對(duì)利用中繼解決室內(nèi)深度覆蓋的場(chǎng)景，探討中繼的覆蓋能力、部署建議等問(wèn)題。

首先通過(guò)對(duì)中繼技術(shù)特點(diǎn)的分析，結(jié)合實(shí)際現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境對(duì)中繼可能的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行總結(jié)歸納分析。然后結(jié)合實(shí)際測(cè)試與理論分析，對(duì)中繼的覆蓋能力進(jìn)行研究。最后針對(duì)室內(nèi)深度覆蓋場(chǎng)景，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)仿真與實(shí)際測(cè)試相結(jié)合的手段，對(duì)中繼應(yīng)用的建議進(jìn)行綜合分析。

2 中繼技術(shù)特點(diǎn)

為了應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境，解決實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署的覆蓋問(wèn)題，3GPP在LTE-Advanced（以下簡(jiǎn)稱(chēng)LTE-A）R10版本協(xié)議中對(duì)中繼進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。在宏基站和用戶(hù)終端（UE）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：宏基站與中繼之間的無(wú)線(xiàn)鏈路稱(chēng)為回傳鏈路（Un接口，回傳鏈路上中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功能模塊簡(jiǎn)稱(chēng)回傳模塊），中繼與終端之間的無(wú)線(xiàn)鏈路稱(chēng)為接入鏈路（Uu接口，接入鏈路上中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)r功能模塊簡(jiǎn)稱(chēng)接入模塊），如圖1所示。通過(guò)對(duì)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)通過(guò)合理設(shè)置也能使得傳播路線(xiàn)中的遮擋物進(jìn)一步減少，因此拆分后的兩段鏈路具有比直傳鏈路更好的無(wú)線(xiàn)傳播條件。

圖1 中繼系統(tǒng)示意

中繼分為帶內(nèi)中繼（inband relay）和帶外中繼（outband relay）兩種。帶內(nèi)中繼的特點(diǎn)是回傳鏈路和接入鏈路在相同頻帶內(nèi)通過(guò)時(shí)分復(fù)用的方式傳輸；帶外中繼的特點(diǎn)是回傳鏈路和接入鏈路在不同的頻帶內(nèi)傳輸。由于回傳鏈路和接入鏈路占用不同的時(shí)隙資源或頻帶資源，因此對(duì)收發(fā)天線(xiàn)的隔離度要求較低。

中繼的部署場(chǎng)景有些類(lèi)似于無(wú)線(xiàn)直放站（L1 relay），然而兩者的主要區(qū)別是中繼可以對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行基帶解調(diào)譯碼并重新編碼調(diào)制后轉(zhuǎn)發(fā)，帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)底噪抬升很小。正是由于LTE-A中繼采用L3中繼方案，從而避免了直放站帶來(lái)的底噪抬升、收發(fā)隔離度要求高、同步困難等問(wèn)題。3GPP在研究階段提出了Type1（帶內(nèi)）、Type1a（帶外）兩種類(lèi)型的中繼，目前協(xié)議中的中繼均是圍繞Type1進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)化，并且TD-LTE Type1中繼具有獨(dú)立的cell ID。

由上述中繼基本原理不難得出，中繼具有如下技術(shù)特點(diǎn)：提供無(wú)線(xiàn)回傳能力，在一些光纖無(wú)法到達(dá)或者有線(xiàn)回傳建設(shè)比較困難的場(chǎng)景（例如，無(wú)有線(xiàn)回傳的城區(qū)微覆蓋場(chǎng)景、無(wú)室分部署的室內(nèi)辦公環(huán)境、光纖無(wú)法到戶(hù)的居民樓、偏遠(yuǎn)郊區(qū)或農(nóng)村等），通過(guò)引入具有無(wú)線(xiàn)回傳功能的中繼可有效擴(kuò)展覆蓋、改善宏小區(qū)的弱覆蓋、部署靈活方便；在LTE-A R10階段，中繼主要用于解決覆蓋增強(qiáng)而非容量提升，通過(guò)引入中繼可消除高大建筑群所產(chǎn)生的陰影覆蓋區(qū)域或者部分室內(nèi)深度覆蓋場(chǎng)景，可作為補(bǔ)充宏基站覆蓋的有效手段之一。

本文將主要通過(guò)實(shí)際外場(chǎng)測(cè)試與網(wǎng)絡(luò)仿真的方式對(duì)中繼解決室內(nèi)深度覆蓋場(chǎng)景的部署建議進(jìn)行研究。

3 中繼應(yīng)用

由于中繼的覆蓋能力與接入端發(fā)射功率、傳播環(huán)境等密切相關(guān)。為了更好地研究中繼的部署建議，本文采用實(shí)際外場(chǎng)測(cè)試與網(wǎng)絡(luò)仿真兩種手段進(jìn)行綜合分析。

3.1 外場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)

外場(chǎng)環(huán)境的測(cè)試區(qū)域位于某大型城市典型的居民區(qū)場(chǎng)景內(nèi)，基本上都是6～8層的居民樓建筑。其中，中繼建在8層樓頂?shù)男∷巧?，大?0 m高；中繼的宿主宏基站（donor eNB,DeNB）掛高大約50 m。中繼和DeNB的直線(xiàn)距離為405 m左右，二者之間存在視距，中繼與目標(biāo)覆蓋區(qū)的直線(xiàn)距離約為40 m。在建中繼前，多處居民樓內(nèi)均為覆蓋盲區(qū)或者弱區(qū)；在建中繼后，測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示居民樓內(nèi)RSRP與RS-SINR均有明顯提升，如圖2所示。

圖2 中繼部署前后室內(nèi)RSRP分布對(duì)比

具體測(cè)試場(chǎng)景參數(shù)見(jiàn)表1。

由圖2可以看出，部署中繼后，室內(nèi)覆蓋能力大大提升，按照CDF 50%中值計(jì)算，其RSRP大約提升28 dBm。

表1 測(cè)試配置參數(shù)

3.2 網(wǎng)絡(luò)仿真數(shù)據(jù)

搭建真實(shí)外場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行研究驗(yàn)證，往往受限于人工、時(shí)間、費(fèi)用等因素。為此，對(duì)于中繼部署方案的具體研究，將采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真工具APC構(gòu)建不同的部署方案進(jìn)行仿真研究。為了更加精確地對(duì)中繼的覆蓋性能進(jìn)行研究，本次仿真研究采用三維射線(xiàn)跟蹤模型進(jìn)行覆蓋預(yù)測(cè)。具體的仿真參數(shù)設(shè)置盡量與外場(chǎng)測(cè)試參數(shù)保持一致，具體見(jiàn)表2。

表2 仿真參數(shù)配置

同樣選取某一大型城市密集城區(qū)居民樓場(chǎng)景進(jìn)行仿真分析，傳播模型采用應(yīng)用路測(cè)數(shù)據(jù)校正后的與無(wú)線(xiàn)環(huán)境相匹配的模型。在部署中繼之前，目標(biāo)居民樓場(chǎng)景內(nèi)覆蓋較弱，大于-110 dBm的比例僅為15.6%，如圖3所示。此居民樓規(guī)模大約為0.022 km2（140 m×140 m），為3排居民樓。在這種場(chǎng)景下，將從中繼與居民樓的距離、中繼天線(xiàn)掛高兩個(gè)維度對(duì)應(yīng)用方案進(jìn)行研究。

首先，在固定中繼掛高40 m條件下，變化中繼與覆蓋盲區(qū)中心的相對(duì)位置進(jìn)行仿真，中繼部署位置如圖4所示，對(duì)比居民樓室內(nèi)RSRP與RS-SINR的覆蓋RSRP指標(biāo)變化，具體仿真結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3 覆蓋場(chǎng)強(qiáng)分布

圖4 中繼部署位置示意

由表3可以看出，中繼的部署位置直接影響居民樓內(nèi)的覆蓋效果。當(dāng)中繼部署在居民樓盲區(qū)中心位置（距離0m）時(shí)，此聯(lián)排居民樓室內(nèi)RSRP大于-110 dBm的用戶(hù)能夠達(dá)到94.2%。比較表3各中繼位置的仿真結(jié)果可以得出以下兩方面結(jié)論。

·對(duì)于區(qū)域面積為140 m×140 m的盲區(qū)，且盲區(qū)內(nèi)大都為聯(lián)排居民樓的場(chǎng)景，中繼補(bǔ)盲效果顯著。與部署中繼之前相比，將中繼部署在距盲區(qū)中心0 m時(shí)，按照CDF 50%中值計(jì)算，其RSRP大約提升25 dBm。

·隨著中繼部署位置與盲區(qū)中心位置偏離距離的增加，補(bǔ)盲效果減弱。當(dāng)偏離200 m及以上時(shí)，通過(guò)中繼已經(jīng)很難覆蓋整個(gè)居民樓。室內(nèi)盲區(qū)RSRP指標(biāo)與部署中繼之前相似，此時(shí)的中繼沒(méi)有體現(xiàn)出補(bǔ)盲效果。

由此可見(jiàn)，為解決面積約140 m×140 m的聯(lián)排居民樓場(chǎng)景的室內(nèi)覆蓋問(wèn)題，如果部署中繼，建議將中繼部署在盡量靠近室內(nèi)盲區(qū)中心的位置。距離盲區(qū)中心0～50 m時(shí)，補(bǔ)盲效果最佳。

其次，為了得出中繼部署天線(xiàn)掛高對(duì)覆蓋補(bǔ)盲效果的影響，通過(guò)仿真對(duì)比了不同中繼接入端天線(xiàn)掛高條件下聯(lián)排居民樓覆蓋RSRP指標(biāo)的變化情況。將中繼固定在偏離覆蓋盲區(qū)50 m的位置，應(yīng)用前述仿真參數(shù)進(jìn)行仿真，得到的仿真結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 變化中繼與覆蓋盲區(qū)中心的相對(duì)位置仿真結(jié)果

表4 中繼部署天線(xiàn)掛高對(duì)于覆蓋補(bǔ)盲效果的影響結(jié)果

由表4不難看出，對(duì)于高度為30～40 m的聯(lián)排居民樓，要想達(dá)到較好的覆蓋效果，需要使得中繼的掛高與居民樓平均高度相匹配。因此，在掛高為35 m和45 m時(shí)，覆蓋盲區(qū)均具有較好的覆蓋補(bǔ)盲效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用實(shí)測(cè)外場(chǎng)驗(yàn)證與網(wǎng)絡(luò)仿真的方式，對(duì)中繼的覆蓋能力、中繼與盲區(qū)的相對(duì)位置及天線(xiàn)掛高等方面進(jìn)行了研究，為中繼解決室內(nèi)深度覆蓋的部署原則提供了建議。由于中繼覆蓋能力的限制，在100 m左右的覆蓋盲區(qū)內(nèi)，盡量將中繼部署在盲區(qū)中心，以獲得最好的覆蓋效果。同時(shí)中繼接入天線(xiàn)的掛高要注意與周?chē)ㄖ锔叨认嗥ヅ洹?/p>

下一步將對(duì)多個(gè)中繼部署以及接入鏈路和回傳鏈路的資源配置進(jìn)行深入研究。

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