LTE-Advanced系統(tǒng)中Relay技術及其性能研究

劉瑋, 陳燕雷, 林頎, 李楠

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

1 引言

在傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡中，基站與終端之間的無線連接是直接的，也就是采用“單跳”的概念。隨著移動通信技術的發(fā)展，一種新的無線網(wǎng)絡技術逐漸浮現(xiàn)。這種技術在基站與終端之間增加了一個或多個“中繼節(jié)點”，負責將無線信號做一次或者多次轉發(fā)，即無線信號要經(jīng)過“多跳”才能到達終端，這就是中繼（Relay）技術。

中國移動在TD-LTE網(wǎng)絡一期、二期建網(wǎng)過程中，由于傳輸無法鋪設、宏站站址物業(yè)難以協(xié)調、高樓遮擋等原因存在覆蓋盲區(qū)的現(xiàn)象。因為Relay不需要機房、傳輸和GPS，只需要電源配套即可開通，簡單易行且成本較低，所以需要通過部署Relay來進行快速補盲。在快速部署Relay之前，需要了解與掌握Relay的性能及對現(xiàn)有網(wǎng)絡的影響。本文研究的目的就是通過理論與系統(tǒng)仿真相結合的方式來研究Relay技術本身、性能及對現(xiàn)有網(wǎng)絡的影響。

本文首先簡單介紹了LTE-A Relay系統(tǒng)架構；其次，總結了Relay的分類及回傳鏈路的設計方案；最后，通過系統(tǒng)仿真的方法對Relay性能進行研究，包含覆蓋性能、Relay對宏基站小區(qū)吞吐量的影響和不同回傳鏈路設計對Relay性能的影響。

2 LTE-A Relay系統(tǒng)架構

Relay節(jié)點處在基站和終端之間，將基站和終端之間的直傳鏈路分為兩段：基站與Relay之間的無線鏈路稱為回傳鏈路，Relay與終端之間的無線鏈路稱為接入鏈路。通過對Relay進行合理的部署，拆分后的兩段鏈路都能具有比直傳鏈路更短的傳播距離，同時傳播路線中的遮擋物也能減少，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。

3 Relay技術特點

3.1 Relay分類

3GPP R10版本中將Relay分為類型1 Relay和類型2 Relay。

3.1.1 類型1 Relay的技術特點

其能夠獨立控制小區(qū)，各個小區(qū)對終端來說是不同于主服務小區(qū)的獨立小區(qū)；各個小區(qū)具有獨立的物理小區(qū)ID，各個Relay節(jié)點具有各自的同步和參考信號；終端直接從Relay節(jié)點獲取調度信息和HARQ信息，同時也直接反饋相應的控制信息（SR/ACK/CQI）給Relay節(jié)點；對于R8版本終端，Relay節(jié)點類似于宏基站，從而可以保持與R8的兼容性。

3.1.2 類型2 Relay的技術特點

其沒有獨立的物理小區(qū)ID，因此不能產(chǎn)生任何新的小區(qū)；其對R8版本終端是透明的，R8版本終端并不知道類型2 Relay的存在；其能夠發(fā)送PDSCH，但不能發(fā)送CRS和PDCCH。

本文主要針對類型2 Relay進行研究。

3.2 回傳鏈路設計

對于回傳鏈路，用于同步信號、尋呼信號傳輸?shù)淖訋荒苡糜诨貍髯訋M行宏基站到Relay的通信。同時，為了保證在該子幀內(nèi)，Relay服務的終端能夠接收到Relay傳來的下行控制信令，而又不影響Relay從宏基站接收下行數(shù)據(jù)，因此，將該子幀配置為MBSFN子幀。在MBFSN子幀中，Relay首先在控制信令部分向其服務的終端發(fā)送下行PDCCH信道，然后，經(jīng)過一個由發(fā)送到接收的轉換時間后，Relay開始從宏基站接收回傳鏈路下行的數(shù)據(jù)。而此時，對于Relay服務的終端來說，由于其收到的調度指示該子幀為MBSFN子幀，因此這些終端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。對于Relay服務的終端，此時是一個下行的空白時間段。

在3GPP R10版本中，確定了TDD LTE-Advanced中Relay 的19種MBSFN子幀配置方案。

4 Relay性能研究

4.1 仿真參數(shù)

本文選取的仿真區(qū)域如圖1所示。其中，中心區(qū)域A由于物業(yè)難以協(xié)調等原因無法布放宏基站，存在弱覆蓋現(xiàn)象，RSRP>-100 dBm的比例僅為76.4%，50%負荷條件下RS-SINR>-3 dB的比例僅為79.1%，且RS-SINR較低的原因大多是因為弱覆蓋?？梢钥闯觯搮^(qū)域不滿足規(guī)劃指標要求。

為提高覆蓋質量，本文在該區(qū)域內(nèi)布放3個Relay：Relay-a、Relay-b和Relay-c，分別處在宏小區(qū)A、B、C的邊緣。布放原則：Relay所在位置的RSRP均處在[-100,-95]dBm區(qū)間內(nèi)； Relay所屬小區(qū)為所在位置接收到的第一強小區(qū)； Relay基站側接收天線方向角指向所屬小區(qū)，保障回傳鏈路信道質量； Relay終端側發(fā)射天線方向指向弱覆蓋區(qū)域，保障接入鏈路信道質量； Relay之間避免重疊覆蓋。Relay布放位置如圖2所示。仿真用關鍵參數(shù)列表如表1所示。

圖1 仿真環(huán)境

4.2 Relay覆蓋性能研究

對比仿真區(qū)域內(nèi)只有宏基站覆蓋（以下統(tǒng)稱關閉Relay）和布放3個Relay（以下統(tǒng)稱開啟Relay）兩種情況下，中心區(qū)域A的覆蓋性能變化如表2所示。

可以看出，在由于弱覆蓋導致覆蓋指標不滿足要求的區(qū)域內(nèi)合理布放Relay，對覆蓋指標RSRP和RSSINR的提升效果明顯。在本文選取的仿真環(huán)境與仿真參數(shù)條件下，合理布放Relay使RSRP指標提升約24.7%，RS-SINR指標提升約20.9%。

圖2 Relay位置示意圖

表1 仿真關鍵參數(shù)列表

表2 關閉Relay與開啟Relay覆蓋性能對比

4.3 Relay對宏基站吞吐量的影響

分別對比宏小區(qū)A、宏小區(qū)B和宏小區(qū)C在關閉Relay和打開Relay兩種情況下的小區(qū)上、下行吞吐量。其中，打開Relay時的小區(qū)吞吐量是指宏小區(qū)+Relay的吞吐量，對比結果如圖3。

圖3 Relay對宏站上/下行吞吐量的影響

可以看出，Relay對于宏基站吞吐量有明顯的提升，下行吞吐量平均提升了約17.7%，上行吞吐量平均提升了約31%。這是由于Relay布放在宏小區(qū)邊緣處，原來由宏小區(qū)覆蓋的邊緣用戶此時轉為由Relay覆蓋，不再“邊緣”，信道質量得到提升，提高了這些單用戶吞吐量，從而使整個小區(qū)吞吐量得以提升。同時，宏基站可以將原來用于調度邊緣用戶的資源轉為給中心用戶提供服務，所以，宏基站自身吞吐量也會有所提升。在上述兩方面因素的共同作用下，使得Relay對宏基站吞吐量帶來增益。

4.4 不同回傳鏈路設計對Relay性能的影響

由于本文仿真選用的上/下行時隙配置是1:3，現(xiàn)網(wǎng)使用該時隙配置時往往是因為上下業(yè)務不對稱，因此，在分析不同回傳鏈路設計對宏基站的影響時，需要將MBSFN子幀配置的上/下行資源數(shù)目與幀結構保持一致。綜上所述，本文MBSFN子幀只考慮7～10四種配置方案。

不同MBFSN子幀配置方案對宏基站（不包含Relay）和對Relay自身吞吐量的影響結果如圖 4。需要說明的是，MBSFN子幀方案7～10中，9、10的下行MBSFN子幀數(shù)目是7、8的2倍，而上行MBSFN子幀數(shù)目相同，因此，仿真結果只研究MBSFN子幀配置方案對下行吞吐量的影響。

圖4 MBSFN子幀配置對宏基站和Relay吞吐量的影響

通過觀察，可以發(fā)現(xiàn)隨著MBSFN子幀數(shù)目的增加，宏基站吞吐量有所下降。這是因為在MBSFN子幀時，由于仿真使用的是滿Buffer FTP業(yè)務，所以Relay的業(yè)務需求已經(jīng)足以占滿宏基站的全部資源，從而使宏基站沒有剩余資源調度自身服務的終端，吞吐量有所下降。此外，隨著MBSFN子幀數(shù)目的增加，Relay自身的吞吐量則有所提升。這是因為MBSFN子幀越多，宏基站就能夠傳輸給Relay的數(shù)據(jù)也就越多，那么，Relay自身服務的終端也就能獲得更高的吞吐量，從而提升了整個Relay的吞吐量。

綜上所述，在本文的仿真環(huán)境、參數(shù)配置與業(yè)務模型下，MBSFN子幀配置方案7和方案8能夠獲得更高的宏基站吞吐量，而MBSFN子幀配置方案9和方案10能夠獲得更高的Relay吞吐量。那么，在現(xiàn)網(wǎng)中，Relay回傳鏈路的設計則要綜合考慮網(wǎng)絡結構、業(yè)務模型、用戶優(yōu)先級等因素，是宏基站服務的用戶優(yōu)先級較高且業(yè)務需求較大，還是Relay服務的用戶優(yōu)先級較高且業(yè)務需求較大，會最終決定MBSFN子幀配置方案如何選擇。

5 總結

本文通過系統(tǒng)仿真的方法，論證了合理布放Relay對弱覆蓋區(qū)域的RSRP、RS-SINR等覆蓋指標有明顯的提升效果；打開Relay后的宏基站+Relay上、下行吞吐量相比關閉Relay有所提升；現(xiàn)網(wǎng)中MBSFN子幀配置方案的選擇則要綜合考慮網(wǎng)絡結構、業(yè)務模型、用戶優(yōu)先級等多方面因素。

[1]董江波.Relay技術引入對無線網(wǎng)絡規(guī)劃的思考與研究[J].電信工程技術與標準化, 2013.

[2]趙竹巖.LTE-A Relay下行靜態(tài)系統(tǒng)仿真方法[J].計算機仿真, 2010.