李慧奇　　广东省电信规划设计院南京分院工程师



LTE-Advanced系统Relay技术的挑战和解决方案

李慧奇广东省电信规划设计院南京分院工程师

摘要：随着数据应用的需求不断增加，传统的宏蜂窝网络面临着系统容量、小区覆盖范围，以低成本提升最小吞吐量等方面的挑战。无线中继站可应对这些挑战，并不会产生高站址需求和回传成本。但无线中继站的设计面临提供后面兼容性、减少复杂性、加大有效性的挑战。本文提供了设计无线中继站的挑战概观和解决方法，作为3GPP LTE-Advanced的一个典型特征。

关键词：LTE-Advanced；Relay技术；系统容量

1　引言

广域蜂窝网提供了适用于不依赖于无线局域接入网或有限连接的各种场景的高数据传输率的可用性方案，并且提供无缝的移动性支持。移动宽带网络部署从跨度非常密集的城市地区到偏远的农村地区，在具有不同传播特性和不同覆盖层面的大范围载波频率内运行。

宏蜂窝网络中回传到各个网络节点的成本是必要的成本要素，尤其是微型和微微型蜂窝的部署。因此，不依赖有线回传开发网络节点的方式是不错的选择，能减少总的网络部署成本和运行成本。中继技术提供了扩展宽带蜂窝网路的覆盖范围，使得在没有有线回传的条件下能处理多样无线电传播。

在中继节点（RN）的帮助下，基站（eNB）和用户设备（UE）之间的无线链路被分为两跳。eNB（也可叫捐献eNB或DeNB）和RN之间的链路被称为回传链路，而RN和UE之间的链路被称为访问链路，如图1所示：两个链接都比直接从eNB和UE的链接有更好的传播条件。

RN具有双重特征：一方面，它像UE一样与DeNB通信链接；另一方面，它像eNB和UE通信。图1显示了RN和它的各自物理链路是怎样被集成蜂窝概念的。

2　中继的类型

扩大和转发Relay（AF Relay）。AF Relay扩大和转发接收到的分析信号。Repeater对UE和eNB都是透明的。因为，Repeater扩大任何它接收到的东西，包括噪音和干扰，它在高SNR环境中是有用的。

译码和转发Relay（DF Relay）。DF Relay译码和解码接收到的信号，然后再转发给接收器。因为这个等级的Relay不扩大噪音和干扰。它们低SNR环境中是有用的。分离速率适配器和回传调度以及接入链路是可能的。如果每个DeNB的两个或更多RN在空间上是分离的，则在接入链路上的无线资源就能重复使用，可为增加系统容量铺平道路。然而，DF Relay的运行比一个普通Repeater暗含更大的延迟。

LTE-Advanced系统中DF Relay有两种类型：一种类型是对UE非透明，有自己的物理识别，对于所有的UE显示为正常的eNB，传送所有必要的物理信道；另一种类型是没有物理标识，对UE是透明的。第二种类型的DF Relay试图在回传链路上开拓早起的解码，并且通过在重传中分享增大DeNB的重传。

由于Relay发射机对它的接收器引起干扰，除非输入信号和输出信号充分隔离，否则同步回传链路和接入链路传输是不可行的。其中，隔离包含：

（1）使用频带的频率复用。

（2）Relay天线的空间分离。

（3）接入和回传子帧的时间复用。

带外中继操作在LTE协议栈的较低层并不产生任何挑战。并不需要空中接口的变化来支持这类接续。然后，需要一个附加的LTE载波。

图1　Relay技术实例

带内中继操作需要回传的分离，也需要在时间或空间上的接入链路。通过复杂的安装和部署可以实现在回传链路和接入链路之间的空间分离，例如：通过足够的天线分离或隔离。在足够的空间分离下，回传和访问链路的共同发生是可能的，会导致全双工中继。

临时性的分离暗含着在下行链路（DL）载波频率，以给定的时间点，RN在链路上传送或在回传链路上接收。在上行链路（UL）载波频率，以给定的时间点，RN在链路上传送或在回传链路上接收。传送/接收的复用在回传和接入链路上产生有效的半双工运行。如图1所示，时分复用包含f1=f3和f2=f4，t1≠t3 and t2≠t4。根据时分和频分复用，3GPP的规范支持中继类型1。因为带外接续没有物理层影响，主要集中对于半双工带内的可用解决方案。

3　挑战和需求

在LTE中定义了两项复用方案：FDD（频分双工）和TDD（时分双工）。基本的调度单元是1ms长的子帧，10个子帧构成一个无线电帧。

在DL中LTE的特征之一就是在每个子帧内控制信道和数据信道的时分复用（TDM）。控制信道包含给DL数据分配相同子帧和给UL数据分配随后子帧物理时间/频率资源。携带控制信道的控制区域集中在子帧的早期部分，而子帧的其余部分构成子帧的数据区域。

LTE帧结构基于单一频率网络（MBSFN）子帧支持常规的和所谓的组播/广播。而常规的子帧意味着在一个子帧的完整时间内有有效的内容。MBSFN子帧仅需要支持传统的UE控制区域的传送。事实上，最初引入MBSFN子帧是用来提供一个不同于常规子帧的帧结构，用单一频率网络运行和它们自己相关的信号支持多播服务。MBSFN子帧的概念使后向兼容性引入新特征成为可能。

制造和部署RN的主要挑战是成本效率。因此，不仅要从技术前景上评估RN，也要对运营商保持吸引力。开发和制造RN的成本应尽可能和早期LTE版本有重用功能，尽量避免在现有的LTE网络中因引入RN网络节点导致费用增加。另外，也要考虑费用的有效性，RN要具有后向兼容性，使得传统的UE能充分地从RN的部署中获益。

半双工的带内接续基于物理层传送和中继行为特别提出了几个限制和挑战：

（1）由于RN是基本的转接节点，由中继运行引发的额外延迟应该尽可能少。

（2）RN充当UL的多路复用器。结果，回传链路是最有可能的瓶颈，应该以高频谱效率运行。

（3）半双工中继在回传和接入链路运行之间不断地切换它的无线电频谱（RF）。因为自助切换时间过长意味着可用于回传和接入链路运行的物理层资源丢失，切换应该尽可能快的完成。

RN的后向兼容性需求的主要挑战是出现在对UE的设想上：DL小区特有基本信号（CRS）存在于每个子帧。使用CRS不仅为了解调和信道状态信息的反馈，而且为了移动性测量和无线电链路监控。因此，当RN有机会和DeNB通信时就必须在每个DL子帧内传送CRS。

这样是比较理想的：在回传链路上的协议操作对在接入链路上的协议操作没有不良影响。混合自动重传（HARQ）对从传送错误中恢复是一种重要的手段。在接入链路上重传送仅仅影响在单一UE终端和RN之间的流量，在回传链路上的重传仅影响黏贴在RN和DeNB的UE流量。因此，在回传链路上的HARQ需要尽可能有效地运行，特别是关于由HARQ重传引起的延迟，在接入链路上需要具有后向兼容性，不用修改现有的HARQ方法。

4　LTE-Advanced Relay技术解决方案

4.1协议概念

在物理层，从架构和协议前景看RN也有双重特征。一方面，他支持常规的eNB功能，例如终止无线电协议和基站到核心网络（S1）和基站间（X2）的接口。演进通用陆地无线电访问（E-UTRAN）架构包含Relay节点（见图2）。另一方面，RN支持UE功能的子集（例如，连接到网络的程序）。为了满足以上所述的要求，协议要减少对网络节点的影响：从核心网的观点，RN就是正常的eNB；RN的观点，DeNB就如同一个正常的核心网。因此，现有的接口和功能都能被重复使用。

每个RN和DeNB建立S1和X2链接。S1通过DeNB将RN链接到移动性管理实体（MME），X2通过DeNB将RN链接到eNB。DeNB作为协议将RN报告给邻居eNB。它也将转发专用的UE信令信息，例如切换过程。DeNB也对链接的RN提供网关功能。

4.2信令进程

Relay的启动和附着——在初始附着之前，RN将预配置有关允许它访问哪个小区的信息。这样一份名单既能通过空中，也能通过预程序下载。在加电时，RN能用支持UE的正常附着程序附着到网络上，并且检索到初始配置参数（例如，可用的DeNB的列表）。在这段时间内，允许RN只接入管理系统，因此减少可能来自“流氓”RN的威胁。然后，RN从网络中分离。

图2　包含中继节点的E-UTRAN架构

RN现在链接到从先前列表选择的DeNB，启动程序是一样的，只不过这次RN在无线电链接建立的时候使用专门的RN指示器将它的身份信息发送给可选的DeNB。基于次信息，DeNB现在也担当网关的角色，并且它选择支持Relay功能的MME。在MME成功地建立了环境，DeNB为S1和X2建立了承载，RN将与DeNB建立S1和X2的链接。

承载管理——由DeNB激活或修改RN承载。这个程序和为UE正常初始网络承载激活/修改进程一样，特别之处是在DeNB里面嵌入了网关功能。

切换——由于是基于基站功能建立起来的，LTERelaying在RRC连接状态中支持传统的移动性。DeNB意识到某些UE被附着在RN上，代理RN和MME（S1切换）间的相关S1信息；也代理RN和目标基站（X2切换）间的X2信息。

4.3无线电协议

根据RN的双重特征，它对自有的UE显示为正常的基站，充分重复使用LTE无线电接口。在回传中重复使用相同的无线电协议，具有一定的控制平面协议补充。最显著的补充是配置回传子帧和新定义的控制信道。

4.4子帧配置

为了在即便是LTER8都能处理的接入链路上创建一个传送间隔，在下行DL，RN能声明MBSFN子帧。当UE终端由一个MBSFN子帧组成，它处理最少的少数几个携带控制信息的符号，但是忽略了子帧的其余部分（除非配置UE处理组播/多播服务）。因此，在回传链路上RN能使用剩余的子帧支持切换RF电路和接收频道。如图3所示，PDSCH为物理下行共享信道；R-PDCCH为接续-物理下行控制信道。

由于同步和广播信号的传送，10子帧中仅有6个被声明为MBSFN子帧。DeNB为RN灵活的配置不同的回传子帧，并且穿过不同的RN，不包含不能被声明的MBSFN子帧。特别是，UL回传子帧暗含RN不能从那子帧内的UE接受UL访问链路传送。然而，由于通过在那子帧中不调度任何UL传送资源RN能避免UE UL传送，不需要特殊的配置。为了适应在访问和回传链路上适应长期变化的链路质量以及UE和RN之间长期变化的流量，用于回传通信的子帧配置应该得到支持。然而，重配置并不频繁。

4.5回传信道设计

回传信道的设计（如图3的R-PDCCH和PDSCH）应该有最小的标准和执行影响。换句话说：回传信道的设计应该尽可能地重复使用现有的直接链接UE的设计。同时，在设计回传链路时应该有做大的回传效率。设计应该考虑以下需求：

（1）在同一组资源中复用R-PDCCH和PDSCH。

（2）在相同的子帧中复用Relay回传链路和直接链路UE的数据信道。

（3）支持R-PDCCH业务的早期解码。

（4）支持多重回传业务。

一种是基于频分复用的方法，该方法R-PDCCH使用资源覆盖R8/9数据区的持续时间。因此，R-PDCCH从其他的信道清晰的分离出来，这样就方便了复用和最小的调度复杂性。一个不利因素是早期R-PDCCH解码困难。RN可能必须等到在R-PDCCH之前子帧结束，仅仅在PDSCH解码开始以后。

图3　DL的回传信道设计

另一种可能是基于TDM的R-PDCCH设计。一些OFDM符号能预留给R-PDCCH穿越所有或部分系统带宽。在R8/9中类似于复用方法控制和数据信道。但它提供早期的解码便利，这也是不希望的。因为，它阻止了传统数据传送的复用和现有参考信号的重复使用。

采用FDM和TDM的混合方法。值得注意的是：R-PDCCH早期的解码和DL分配更相关，因为这些通常对UE运行比UL分配更有即时的影响。一个子帧由两个时隙组成，LTER8/9的很多功能基于这样的时隙，在子帧的第一个时隙的末端自然强制执行R-PDCCH 的DL授权边界。

现为了利用子帧的第二个时隙和便利，支持UL授予或PDSCH传送的R-PDCCH能使用第二个时隙。由此，整个子帧可以被有效地使用。同时，支持直接链路UE的PDSCH依然用FDM方式和R-PDCCH复用，造成最小的标准和实施影响。如果在第一时隙中没有DL授权，在相同的资源对中在第二个时隙里没有DL授权，PDSCH将能够使用第一个时隙或者第一个时隙留空。

R-PDCCH的解调和解码是基于CRS或UE专用参考信号的（UE-RS）。基于CRS的R-PDCCH能支持更多的频率分布，导致提升了频率多样性和干扰多样性。基于UE-RS的PDCCH促进波束形成的使用，尤其是当可靠的信道信息反馈是可用的。

4.6混合ARQ运行

访问链路HARQ运行——为了确保后向兼容性HARQ运行没有变化。对UL数据传送的HARQ确认仍旧能在MBSFN子帧控制区域内由RN传送。如果需要，前进的PUSCH传送能被HARQ确认悬挂。在DL设计中要保证支持链路UE的PDSCH传送的HARQ确认。例如，在FDD中通过清晰的UL回传子帧配置确保4ms的HARQ确认延迟，它总是发生在DL回传子帧后的4个子帧。

回传链路HARQ运行——对于FDD，DL下行链路的子帧配置了周期性的8个子帧，不包括没有被RN宣布的MBSFN子帧的子帧。MBSFN子帧是一个10ms的架构，而HARQ时间遵循8ms的周期。由于这天生的不匹配，DeNB将不能传送HARQ确认响应UL传送，除非修改设计的HARQ时间器。因此，简单的说，在回传链路上UL传送不实用HARQ确认。相反，DeNB能发布一个新的调度授予，指明传送失败，因此触发相应的重传。在TDD中，对于每个支持DL/UL配置，支持一个或多个回传配置，提供接续运行的灵活性。值得注意的是：对于大多数的TDD下行链路/上行链路配置，UL HARQ时间遵循10ms往返时间匹配10msMBSFN架构。

5　结束语

无线中继技术成功地提升了系统容量，拓展了小区覆盖并实现了最小吞吐量，尤其是在半双工运行模式下。半透明的半双工带内接续具有丰富的后向兼容性，其有效性在现存的网络中得到了证实。而非透明的半双工继续技术要支持传统的LTEUE，最大化的重复使用现有的LTE物理层、MAC层面临了很大的设计挑战，本文详细地介绍了解决方案。相比直接接入，中继技术的关键意义是加强接入和回传链路的质量，尤其是复杂小区的中继技术。未来我们要尽可能接触的是LTE中提高中继技术的研究和标准。

参考文献

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收稿日期：（2016-03-26）