LTE-Advanced系統(tǒng)中Relay技術(shù)的研究與應(yīng)用

李昶，安靜

（1.中國移動通信集團(tuán)河北有限公司，河北 石家莊 050035；2.石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，河北 石家莊 050081）

LTE-Advanced系統(tǒng)中Relay技術(shù)的研究與應(yīng)用

李昶1，安靜2

（1.中國移動通信集團(tuán)河北有限公司，河北 石家莊 050035；2.石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，河北 石家莊 050081）

中繼技術(shù)作為LTE-Advanced的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以擴(kuò)大小區(qū)的覆蓋范圍，改善小區(qū)邊緣用戶的性能。首先介紹了Relay的引入背景和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后對Relay的分類和雙工方式進(jìn)行了分析，最后選取了城市深度覆蓋補(bǔ)盲、高速公路連續(xù)覆蓋和農(nóng)村覆蓋延伸3個場景進(jìn)行了試驗。從試驗結(jié)果可以看出，部署Relay可以有效提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力。

LTE-Advanced 中繼 Type I Relay Type II Relay

1 研究背景

Relay作為LTE-Advanced系統(tǒng)中重要的關(guān)鍵技術(shù)，可以擴(kuò)大覆蓋范圍、消除覆蓋盲點和提升系統(tǒng)容量。在基站和用戶之間增加一個中繼節(jié)點，從而縮短了兩者之間的傳輸距離，有效改善了信道質(zhì)量，降低了終端的功耗。按照3GPP的定義，未來Relay的成本僅為傳統(tǒng)宏基站的十分之一，將其與其它的無線關(guān)鍵技術(shù)相結(jié)合，可以極大地提升系統(tǒng)性能增益，Relay在LTEAdvanced中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示[1-5]。

2 Relay的分類

在LTE-Advanced對Relay的定義中，對Relay的主要功能和應(yīng)用場景進(jìn)行了假設(shè)，LTE-Advanced Relay的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。如果按照用戶平面的構(gòu)成方式，則可以分為L0/L1/L2/L3層Relay[1,5,6]：

（1）L0 Relay為傳統(tǒng)的直放站，其將收到的所有信號直接進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)發(fā)。主要優(yōu)點是處理時延小，一般小于OFDM（Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，正交頻分復(fù)用）符號中CP的長度，但其缺點是實現(xiàn)RF隔離較為困難。

（2）L1 Relay先將收到的信號進(jìn)行快速傅里葉反變換，然后再對采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)發(fā)。L1 Relay可以認(rèn)為是增強(qiáng)型直放站，可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓β士刂坪皖l率選擇性放大。但和L0 Relay類似，由于沒有對收到的信號進(jìn)行譯碼，它并不能對噪聲和干擾進(jìn)行有效的過濾，容易造成噪聲積累，并不能改善用戶的信噪比。

（3）L2 Relay在L1 Relay的基礎(chǔ)上，將收到的數(shù)據(jù)再進(jìn)行譯碼和校驗，并進(jìn)行再次編碼，其具有獨立的MAC層的功能，可以對用戶進(jìn)行靈活的調(diào)度和控制。由于采用的是譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方式，不容易產(chǎn)生積累噪聲，從而可以獲得更好的性能增益。

（4）L3 Relay在L2 Relay的基礎(chǔ)上引入了IP層的功能，可以使用現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備的S1和X2信令接口，實現(xiàn)靈活部署，但這種方式傳輸開銷較大，并需要對核心網(wǎng)進(jìn)行升級。

在3GPP中，根據(jù)Relay的技術(shù)特性，可將其分為2類，即Type I Relay和Type II Relay[7-8]。

（1）Type I Relay

Type I Relay可以認(rèn)為是一個具有無線回傳功能的簡化版的eNodeB，它的發(fā)射功率較小，通過無線鏈路與歸屬基站建立連接，屬于L3設(shè)備，其具有如下特點：

1）具有獨立的控制信道、同步信道和Cell ID，終端能夠區(qū)分其接入的是Relay還是eNodeB；

2）具有獨立的調(diào)度功能，可以獨立地對歸屬Relay UE進(jìn)行調(diào)度；

3）具有獨立的接入功能，UE可直接與其歸屬的Relay同步。

Type I Relay具有獨立的控制信道和Ce ll ID，既可以用于擴(kuò)大覆蓋，又可以用于提升容量的場景，具體如圖3所示。

（2）Type II Relay

Type II Relay可以看做是L1或L2 Relay，它是一種透明的Relay，具有相對獨立的PHY/MAC/RLC/ PDCP功能。但由于Type II Relay沒有獨立的控制信道，受其所屬的eNodeB調(diào)度，只具有部分的RRC功能。其主要優(yōu)點是時延較小，可以實現(xiàn)在多個Relay之間以及eNodeB和Relay之間的協(xié)同。具有如下特點：

1）沒有獨立的Cell ID，其使用與歸屬eNodeB相同的Cell ID；

2）對R8 UE來講是透明的，即R8 UE不知道它接入的是Relay還是eNodeB。

由于Type II Relay沒有獨立的控制信道，因此主要用于提高系統(tǒng)容量的場景，無法用于擴(kuò)大覆蓋的場景，具體如圖3所示。

Type I Relay和Type II Relay的主要差異和應(yīng)用場景如表1所示[9-10]。

圖1 Relay在LTE-Advanced中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 LTE-Advanced Relay的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 Relay的雙工模式

在引入Relay之后，無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)由單跳變?yōu)槎嗵从衑NodeB到Relay的回傳鏈路和由Relay到UE的接入鏈路?，F(xiàn)有技術(shù)Relay無法做到在同一個時頻資源上同時進(jìn)行發(fā)送和接收，故在基于LTE-Advanced的Relay系統(tǒng)中，主要采用半雙工模式，即FDD和TDD雙工模式[1]。

表1 Type I Relay和Type II Relay的主要差異

3.1 基于LTE FDD的雙工模式

（1）FDD-FDD雙工模式

在FDD-FDD的雙工模式下，各個不同鏈路之間為頻分。其中，eNodeB→RN鏈路與RN→UE鏈路以頻分的方式工作在FDD下行鏈路上；RN→eNodeB鏈路與UE→RN鏈路以頻分的方式工作在FDD上行鏈路上。與FDDTDD相比，F(xiàn)DD-FDD雙工方式頻率資源分配靈活、傳輸時延小，但需要在不同的頻段之間預(yù)留一定的保護(hù)帶，頻譜效率較低。

（2）FDD-TDD雙工模式

在FDD-TDD的雙工模式下，eNodeB→RN鏈路與RN→UE鏈路占用相同的FDD下行資源，兩跳之間通過時間進(jìn)行區(qū)分；RN→eNodeB鏈路與UE→RN鏈路占用相同的FDD上行資源，兩跳鏈路之間通過時分復(fù)用進(jìn)行區(qū)分。這種方式對原有的LTE用戶有很好的兼容性。

圖3 Type I Relay和Type II Relay的應(yīng)用場景

3.2 基于LTE TDD的雙工模式

（1）TDD-FDD雙工模式

在TDD-FDD雙工模式下，eNodeB→RN鏈路與RN→UE鏈路占用相同TDD下行時隙，兩跳之間通過頻率進(jìn)行區(qū)分；RN→eNodeB鏈路與UE→RN鏈路占用相同TDD上行時隙，兩跳之間通過頻率進(jìn)行區(qū)分。同樣，需要在不同的頻段之間預(yù)留一定的保護(hù)帶。

（2）TDD-TDD雙工模式

在TDD-TDD雙工模式下，eNodeB→RN鏈路與RN→UE鏈路占用相同TDD下行時隙，兩跳之間通過時間進(jìn)行區(qū)分；RN→eNodeB鏈路與UE→RN鏈路占用相同TDD上行時隙，兩跳鏈路之間通過時間進(jìn)行區(qū)分。這種TDD-TDD雙工模式對隔離度要求很低，因此適用場景非常廣泛，但Relay只有在固定的時頻資源上才能夠傳送數(shù)據(jù)，傳輸時延較大。

4 Relay的應(yīng)用場景及性能優(yōu)勢

通過在基站和終端之間部署Relay節(jié)點，將宏基站和終端之間的直傳鏈路分為兩段，拆分后的兩段鏈路都能具有比直傳鏈路更短的傳播距離、更少的遮擋物和更好的無線傳播條件。Relay可以對射頻信號進(jìn)行基帶解調(diào)譯碼并重新編碼調(diào)制后轉(zhuǎn)發(fā)，其帶來的網(wǎng)絡(luò)底噪抬升很小，部署Relay方案不依賴于光纖或微波等傳輸資源，可以快速實現(xiàn)低成本的覆蓋延伸。目前商用的Relay主要是Type I Relay，可靈活應(yīng)用在城市深度覆蓋補(bǔ)盲、農(nóng)村和景區(qū)覆蓋延伸、高速和高鐵以及近海海島覆蓋。

4.1 居民小區(qū)深度覆蓋場景

某城市一環(huán)內(nèi)老城區(qū)，主要為典型的居民區(qū)，基本上都是6~8層的多層居民樓建筑，室內(nèi)外穿墻路損大概為20~30dB。在宏站覆蓋情況下，存在局部覆蓋盲區(qū)，用戶投訴嚴(yán)重。由于信號強(qiáng)度RSRP在–110dBm以下的盲區(qū)范圍較小且主要是樓宇內(nèi)，范圍大概為100m左右、6~8棟居民樓。經(jīng)過站址勘察，此覆蓋盲區(qū)采用微站進(jìn)行補(bǔ)盲最為合適。前期物業(yè)協(xié)調(diào)較為順利，樓頂具備施工的條件，但沒有“有線傳輸”，最終采用Relay方案。Relay微站建在某8層樓頂?shù)男∷巧希靖?0m，Relay的宿主宏站站高50m，Relay和DeNB的直線距離為376m，如圖4所示：

圖4 Relay外場安裝實物圖

只有宏站覆蓋情況下，UE接入宿主宏站小區(qū)里，樓內(nèi)樓道最深處RSRP為–125dBm，已經(jīng)處于靈敏度邊緣，樓內(nèi)基本無法進(jìn)行業(yè)務(wù)。Relay打開下，UE接入Relay小區(qū)，樓內(nèi)樓道最深處RSRP在–100dBm左右，F(xiàn)TP下載速率最高可達(dá)到33Mbps以上，Relay引入后解決了室內(nèi)覆蓋弱的問題，有效提升了深度覆蓋能力。抽取3棟樓做樓道遍歷測試，對Relay開啟前后的下載速率進(jìn)行對比，提升效果明顯，具體如表2所示：

表2 Relay開啟前后速率變化情況

4.2 高速公路連續(xù)覆蓋方案

通過對現(xiàn)網(wǎng)覆蓋的高速公路的LTE站點進(jìn)行測試可以看出，在平原地區(qū)，當(dāng)站間距在2.53km~3km時，可以保證基本的連續(xù)覆蓋。但目前高速公路現(xiàn)網(wǎng)2G站點的平均站間距在4km以上，如果直接采用共址2G站點新建LTE，則存在覆蓋不足的問題。通過在宏站覆蓋不足的區(qū)域采取新建微站或Relay的方式補(bǔ)充覆蓋，在站間距處于3km~5km的宏站覆蓋空洞之間，背靠背安裝Relay設(shè)備及其回傳和接入設(shè)備，覆蓋公路的兩個方向，如圖5所示。從而形成連續(xù)覆蓋，切換速率可達(dá)10Mbps以上，提升效果明顯。

4.3 農(nóng)村及景區(qū)覆蓋應(yīng)用案例

良好的網(wǎng)絡(luò)廣覆蓋是用戶優(yōu)質(zhì)體驗的基礎(chǔ)，但是農(nóng)村、景區(qū)和海島等場景往往因為有線傳輸部署困難或者部署成本過高而成為弱覆蓋區(qū)域。LTE Relay解決方案將宏站的覆蓋范圍進(jìn)行有效延伸，將具備有線傳輸資源的宏站作為宿主基站，宿主基站在為用戶提供覆蓋的同時給傳輸資源缺乏的Relay站點提供無線回傳鏈路，低成本、快捷地擴(kuò)展了宿主基站的覆蓋范圍，具體如圖6所示。

圖5 高速公路Relay連續(xù)覆蓋場景

圖6 農(nóng)村及景區(qū)Relay覆蓋場景

4.4 Relay的性能優(yōu)勢

TD-LTE Relay解決方案將宏站的覆蓋范圍進(jìn)行延伸，將具備有線傳輸資源的宏站作為宿主基站，宿主基站在為用戶提供覆蓋的同時給傳輸資源缺乏的Relay站點提供無線回傳鏈路，低成本、快捷地擴(kuò)展了宿主基站的覆蓋范圍。LTE Relay回傳模塊可以與小站、宏站靈活組合，滿足不同的覆蓋需求，相比于微波傳輸，Relay方案受環(huán)境和氣候影響較小，設(shè)備更加緊湊，便于施工維護(hù)，并且支持非視距傳輸，可以將4G覆蓋延伸至室內(nèi)和地下。和直放站相比具有噪聲小、易于監(jiān)控、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點，具體如表3所示：

表3 Relay的性能優(yōu)勢對比

5 結(jié)束語

Relay技術(shù)作為LTE-Advanced的關(guān)鍵技術(shù)之一，將為小區(qū)帶來更好的鏈路性能、更大的覆蓋范圍、更高的資源利用率以及更廉價的建網(wǎng)成本。本文分析了Relay在LTE-Advanced系統(tǒng)中的分類、雙工方式的實現(xiàn)以及典型的應(yīng)用場景，并通過現(xiàn)場試驗，證明了在現(xiàn)網(wǎng)部署Relay的可行性。

[1] 李昶. 用于下一代無線通信系統(tǒng)的協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 北京: 北京郵電大學(xué), 2011.

[2] 鄭毅,李中年,王亞峰,等. LTE-A系統(tǒng)中繼技術(shù)的研究[J]. 現(xiàn)代電信科技, 2009(6): 45-49.

[3] 符立濤,張建國,黃正彬. TD-LTE Relay網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃研究[J]. 移動通信, 2015,39(3/4): 46-49.

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[10] 3GPP R1-092264. Way forward for type II relay[R]. Alcatel-Lucent, 2009.★

李昶：工程師，博士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，現(xiàn)任職于中國移動通信集團(tuán)河北有限公司，從事移動通信技術(shù)研究和無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等工作。

安 靜：講師，碩士畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院計算機(jī)專業(yè)，現(xiàn)任職于石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院，從事信息技術(shù)相關(guān)的教學(xué)和科研工作。

Research and Application of Relay Technique in LTE-Advanced System

LI Chang1, AN Jing2
(1. China Mobile Group Hebei Co., Ltd., Shijiazhuang 050035, China; 2. Department of Information Engineering, Shijiazhuang Vocational Technology Institute, Shijiazhuang 050081, China)

As one of key techniques in LTE-A, Relay technique is able to extend cell coverage, increase system throughput and improve cell-edge user performance. First, the background of Relay technique and its network structure were introduced. Then, its classifi cation and duplex mode were analyzed. Finally, three scenes including dense urban areas, highway and rural coverage extension were selected to be tested. Tested results show that Relay deployment can effectively enhance network capacity.

LTE-Advanced Relay Type I Relay Type II Relay

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.13.017

TN929.5

A

1006-1010(2015)13-0082-05

李昶,安靜. LTE-Advanced系統(tǒng)中Relay技術(shù)的研究與應(yīng)用[J]. 移動通信, 2015,39(13): 82-86.

2015-06-01

責(zé)任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn