LTE-Advanced系统中Relay技术及其性能研究

2015-07-03刘玮陈燕雷林颀李楠

电信工程技术与标准化 2015年9期

刘玮, 陈燕雷, 林颀, 李楠

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

1 引言

在传统的蜂窝网络中，基站与终端之间的无线连接是直接的，也就是采用“单跳”的概念。随着移动通信技术的发展，一种新的无线网络技术逐渐浮现。这种技术在基站与终端之间增加了一个或多个“中继节点”，负责将无线信号做一次或者多次转发，即无线信号要经过“多跳”才能到达终端，这就是中继（Relay）技术。

中国移动在TD-LTE网络一期、二期建网过程中，由于传输无法铺设、宏站站址物业难以协调、高楼遮挡等原因存在覆盖盲区的现象。因为Relay不需要机房、传输和GPS，只需要电源配套即可开通，简单易行且成本较低，所以需要通过部署Relay来进行快速补盲。在快速部署Relay之前，需要了解与掌握Relay的性能及对现有网络的影响。本文研究的目的就是通过理论与系统仿真相结合的方式来研究Relay技术本身、性能及对现有网络的影响。

本文首先简单介绍了LTE-A Relay系统架构；其次，总结了Relay的分类及回传链路的设计方案；最后，通过系统仿真的方法对Relay性能进行研究，包含覆盖性能、Relay对宏基站小区吞吐量的影响和不同回传链路设计对Relay性能的影响。

2 LTE-A Relay系统架构

Relay节点处在基站和终端之间，将基站和终端之间的直传链路分为两段：基站与Relay之间的无线链路称为回传链路，Relay与终端之间的无线链路称为接入链路。通过对Relay进行合理的部署，拆分后的两段链路都能具有比直传链路更短的传播距离，同时传播路线中的遮挡物也能减少，使得拆分后的两段链路都具有比直传链路更好的无线传播条件。

3 Relay技术特点

3.1 Relay分类

3GPP R10版本中将Relay分为类型1 Relay和类型2 Relay。

3.1.1 类型1 Relay的技术特点

其能够独立控制小区，各个小区对终端来说是不同于主服务小区的独立小区；各个小区具有独立的物理小区ID，各个Relay节点具有各自的同步和参考信号；终端直接从Relay节点获取调度信息和HARQ信息，同时也直接反馈相应的控制信息（SR/ACK/CQI）给Relay节点；对于R8版本终端，Relay节点类似于宏基站，从而可以保持与R8的兼容性。

3.1.2 类型2 Relay的技术特点

其没有独立的物理小区ID，因此不能产生任何新的小区；其对R8版本终端是透明的，R8版本终端并不知道类型2 Relay的存在；其能够发送PDSCH，但不能发送CRS和PDCCH。

本文主要针对类型2 Relay进行研究。

3.2 回传链路设计

对于回传链路，用于同步信号、寻呼信号传输的子帧不能用于回传子帧进行宏基站到Relay的通信。同时，为了保证在该子帧内，Relay服务的终端能够接收到Relay传来的下行控制信令，而又不影响Relay从宏基站接收下行数据，因此，将该子帧配置为MBSFN子帧。在MBFSN子帧中，Relay首先在控制信令部分向其服务的终端发送下行PDCCH信道，然后，经过一个由发送到接收的转换时间后，Relay开始从宏基站接收回传链路下行的数据。而此时，对于Relay服务的终端来说，由于其收到的调度指示该子帧为MBSFN子帧，因此这些终端在接收完该子帧的控制信道部分后，就不再接收其后的数据部分了。对于Relay服务的终端，此时是一个下行的空白时间段。

在3GPP R10版本中，确定了TDD LTE-Advanced中Relay 的19种MBSFN子帧配置方案。

4 Relay性能研究

4.1 仿真参数

本文选取的仿真区域如图1所示。其中，中心区域A由于物业难以协调等原因无法布放宏基站，存在弱覆盖现象，RSRP>-100 dBm的比例仅为76.4%，50%负荷条件下RS-SINR>-3 dB的比例仅为79.1%，且RS-SINR较低的原因大多是因为弱覆盖。可以看出，该区域不满足规划指标要求。

为提高覆盖质量，本文在该区域内布放3个Relay：Relay-a、Relay-b和Relay-c，分别处在宏小区A、B、C的边缘。布放原则：Relay所在位置的RSRP均处在[-100,-95]dBm区间内； Relay所属小区为所在位置接收到的第一强小区； Relay基站侧接收天线方向角指向所属小区，保障回传链路信道质量； Relay终端侧发射天线方向指向弱覆盖区域，保障接入链路信道质量； Relay之间避免重叠覆盖。Relay布放位置如图2所示。仿真用关键参数列表如表1所示。

图1 仿真环境

4.2 Relay覆盖性能研究

对比仿真区域内只有宏基站覆盖（以下统称关闭Relay）和布放3个Relay（以下统称开启Relay）两种情况下，中心区域A的覆盖性能变化如表2所示。

可以看出，在由于弱覆盖导致覆盖指标不满足要求的区域内合理布放Relay，对覆盖指标RSRP和RSSINR的提升效果明显。在本文选取的仿真环境与仿真参数条件下，合理布放Relay使RSRP指标提升约24.7%，RS-SINR指标提升约20.9%。

图2 Relay位置示意图

表1 仿真关键参数列表

表2 关闭Relay与开启Relay覆盖性能对比

4.3 Relay对宏基站吞吐量的影响

分别对比宏小区A、宏小区B和宏小区C在关闭Relay和打开Relay两种情况下的小区上、下行吞吐量。其中，打开Relay时的小区吞吐量是指宏小区+Relay的吞吐量，对比结果如图3。

图3 Relay对宏站上/下行吞吐量的影响

可以看出，Relay对于宏基站吞吐量有明显的提升，下行吞吐量平均提升了约17.7%，上行吞吐量平均提升了约31%。这是由于Relay布放在宏小区边缘处，原来由宏小区覆盖的边缘用户此时转为由Relay覆盖，不再“边缘”，信道质量得到提升，提高了这些单用户吞吐量，从而使整个小区吞吐量得以提升。同时，宏基站可以将原来用于调度边缘用户的资源转为给中心用户提供服务，所以，宏基站自身吞吐量也会有所提升。在上述两方面因素的共同作用下，使得Relay对宏基站吞吐量带来增益。

4.4 不同回传链路设计对Relay性能的影响

由于本文仿真选用的上/下行时隙配置是1:3，现网使用该时隙配置时往往是因为上下业务不对称，因此，在分析不同回传链路设计对宏基站的影响时，需要将MBSFN子帧配置的上/下行资源数目与帧结构保持一致。综上所述，本文MBSFN子帧只考虑7～10四种配置方案。

不同MBFSN子帧配置方案对宏基站（不包含Relay）和对Relay自身吞吐量的影响结果如图 4。需要说明的是，MBSFN子帧方案7～10中，9、10的下行MBSFN子帧数目是7、8的2倍，而上行MBSFN子帧数目相同，因此，仿真结果只研究MBSFN子帧配置方案对下行吞吐量的影响。

图4 MBSFN子帧配置对宏基站和Relay吞吐量的影响

通过观察，可以发现随着MBSFN子帧数目的增加，宏基站吞吐量有所下降。这是因为在MBSFN子帧时，由于仿真使用的是满Buffer FTP业务，所以Relay的业务需求已经足以占满宏基站的全部资源，从而使宏基站没有剩余资源调度自身服务的终端，吞吐量有所下降。此外，随着MBSFN子帧数目的增加，Relay自身的吞吐量则有所提升。这是因为MBSFN子帧越多，宏基站就能够传输给Relay的数据也就越多，那么，Relay自身服务的终端也就能获得更高的吞吐量，从而提升了整个Relay的吞吐量。

综上所述，在本文的仿真环境、参数配置与业务模型下，MBSFN子帧配置方案7和方案8能够获得更高的宏基站吞吐量，而MBSFN子帧配置方案9和方案10能够获得更高的Relay吞吐量。那么，在现网中，Relay回传链路的设计则要综合考虑网络结构、业务模型、用户优先级等因素，是宏基站服务的用户优先级较高且业务需求较大，还是Relay服务的用户优先级较高且业务需求较大，会最终决定MBSFN子帧配置方案如何选择。