無線中繼技術在TD-LTE網絡中的應用分析

董江波，劉 瑋，韓云波，孫 浩，陳燕雷，李 楠

(中國移動通信集團設計院有限公司 北京100080)

1 引言

在TD-LTE網絡的實際建設過程中，部分場景，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覆蓋弱場、隧道、涵洞以及立交橋陰影區等特殊補盲場景，會因為沒有“有線傳輸”條件或者建設“有線傳輸”成本太高而無法采用普通基站的建設方案。同時又由于站址條件限制或者補盲面積較少等因素，希望能采用比宏基站更小、更輕、更易安裝的微基站進行建設。在這些場景條件下，利用“無線回傳”（即無線傳輸）的無線中繼微基站，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，同時中繼的功率較小，面對需要補盲場景，如何進行合理部署才能有效地解決盲區的覆蓋性能；針對業務模型，如何合理規劃回傳鏈路與接入鏈路的資源，這些都是在實際工程建設中值得探討的重要問題。本文將重點針對利用中繼解決室內深度覆蓋的場景，探討中繼的覆蓋能力、部署建議等問題。

首先通過對中繼技術特點的分析，結合實際現網環境對中繼可能的應用場景進行總結歸納分析。然后結合實際測試與理論分析，對中繼的覆蓋能力進行研究。最后針對室內深度覆蓋場景，應用網絡仿真與實際測試相結合的手段，對中繼應用的建議進行綜合分析。

2 中繼技術特點

為了應對各種復雜的無線傳播環境，解決實際網絡部署的覆蓋問題，3GPP在LTE-Advanced（以下簡稱LTE-A）R10版本協議中對中繼進行了標準化。在宏基站和用戶終端（UE）之間加入一個中繼節點，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線鏈路稱為回傳鏈路（Un接口，回傳鏈路上中繼節點對應的功能模塊簡稱回傳模塊），中繼與終端之間的無線鏈路稱為接入鏈路（Uu接口，接入鏈路上中繼節點對應r功能模塊簡稱接入模塊），如圖1所示。通過對中繼節點進行合理的部署，拆分后的兩段鏈路都具有比直傳鏈路更短的傳播距離，同時通過合理設置也能使得傳播路線中的遮擋物進一步減少，因此拆分后的兩段鏈路具有比直傳鏈路更好的無線傳播條件。

圖1 中繼系統示意

中繼分為帶內中繼（inband relay）和帶外中繼（outband relay）兩種。帶內中繼的特點是回傳鏈路和接入鏈路在相同頻帶內通過時分復用的方式傳輸；帶外中繼的特點是回傳鏈路和接入鏈路在不同的頻帶內傳輸。由于回傳鏈路和接入鏈路占用不同的時隙資源或頻帶資源，因此對收發天線的隔離度要求較低。

中繼的部署場景有些類似于無線直放站（L1 relay），然而兩者的主要區別是中繼可以對射頻信號進行基帶解調譯碼并重新編碼調制后轉發，帶來的網絡底噪抬升很小。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的底噪抬升、收發隔離度要求高、同步困難等問題。3GPP在研究階段提出了Type1（帶內）、Type1a（帶外）兩種類型的中繼，目前協議中的中繼均是圍繞Type1進行的標準化，并且TD-LTE Type1中繼具有獨立的cell ID。

由上述中繼基本原理不難得出，中繼具有如下技術特點：提供無線回傳能力，在一些光纖無法到達或者有線回傳建設比較困難的場景（例如，無有線回傳的城區微覆蓋場景、無室分部署的室內辦公環境、光纖無法到戶的居民樓、偏遠郊區或農村等），通過引入具有無線回傳功能的中繼可有效擴展覆蓋、改善宏小區的弱覆蓋、部署靈活方便；在LTE-A R10階段，中繼主要用于解決覆蓋增強而非容量提升，通過引入中繼可消除高大建筑群所產生的陰影覆蓋區域或者部分室內深度覆蓋場景，可作為補充宏基站覆蓋的有效手段之一。

本文將主要通過實際外場測試與網絡仿真的方式對中繼解決室內深度覆蓋場景的部署建議進行研究。

3 中繼應用

由于中繼的覆蓋能力與接入端發射功率、傳播環境等密切相關。為了更好地研究中繼的部署建議，本文采用實際外場測試與網絡仿真兩種手段進行綜合分析。

3.1 外場測試數據

外場環境的測試區域位于某大型城市典型的居民區場景內，基本上都是6～8層的居民樓建筑。其中，中繼建在8層樓頂的小塔樓上，大概30 m高；中繼的宿主宏基站（donor eNB,DeNB）掛高大約50 m。中繼和DeNB的直線距離為405 m左右，二者之間存在視距，中繼與目標覆蓋區的直線距離約為40 m。在建中繼前，多處居民樓內均為覆蓋盲區或者弱區；在建中繼后，測試數據統計顯示居民樓內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RSRP分布對比

具體測試場景參數見表1。

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

表1 測試配置參數

3.2 網絡仿真數據

搭建真實外場環境進行研究驗證，往往受限于人工、時間、費用等因素。為此，對于中繼部署方案的具體研究，將采用無線網絡規劃仿真工具APC構建不同的部署方案進行仿真研究。為了更加精確地對中繼的覆蓋性能進行研究，本次仿真研究采用三維射線跟蹤模型進行覆蓋預測。具體的仿真參數設置盡量與外場測試參數保持一致，具體見表2。

表2 仿真參數配置

同樣選取某一大型城市密集城區居民樓場景進行仿真分析，傳播模型采用應用路測數據校正后的與無線環境相匹配的模型。在部署中繼之前，目標居民樓場景內覆蓋較弱，大于-110 dBm的比例僅為15.6%，如圖3所示。此居民樓規模大約為0.022 km2（140 m×140 m），為3排居民樓。在這種場景下，將從中繼與居民樓的距離、中繼天線掛高兩個維度對應用方案進行研究。

首先，在固定中繼掛高40 m條件下，變化中繼與覆蓋盲區中心的相對位置進行仿真，中繼部署位置如圖4所示，對比居民樓室內RSRP與RS-SINR的覆蓋RSRP指標變化，具體仿真結果見表3。

圖3 覆蓋場強分布

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的覆蓋效果。當中繼部署在居民樓盲區中心位置（距離0m）時，此聯排居民樓室內RSRP大于-110 dBm的用戶能夠達到94.2%。比較表3各中繼位置的仿真結果可以得出以下兩方面結論。

·對于區域面積為140 m×140 m的盲區，且盲區內大都為聯排居民樓的場景，中繼補盲效果顯著。與部署中繼之前相比，將中繼部署在距盲區中心0 m時，按照CDF 50%中值計算，其RSRP大約提升25 dBm。

·隨著中繼部署位置與盲區中心位置偏離距離的增加，補盲效果減弱。當偏離200 m及以上時，通過中繼已經很難覆蓋整個居民樓。室內盲區RSRP指標與部署中繼之前相似，此時的中繼沒有體現出補盲效果。

由此可見，為解決面積約140 m×140 m的聯排居民樓場景的室內覆蓋問題，如果部署中繼，建議將中繼部署在盡量靠近室內盲區中心的位置。距離盲區中心0～50 m時，補盲效果最佳。

其次，為了得出中繼部署天線掛高對覆蓋補盲效果的影響，通過仿真對比了不同中繼接入端天線掛高條件下聯排居民樓覆蓋RSRP指標的變化情況。將中繼固定在偏離覆蓋盲區50 m的位置，應用前述仿真參數進行仿真，得到的仿真結果見表4。

表3 變化中繼與覆蓋盲區中心的相對位置仿真結果

表4 中繼部署天線掛高對于覆蓋補盲效果的影響結果

由表4不難看出，對于高度為30～40 m的聯排居民樓，要想達到較好的覆蓋效果，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，覆蓋盲區均具有較好的覆蓋補盲效果。

4 結束語

本文采用實測外場驗證與網絡仿真的方式，對中繼的覆蓋能力、中繼與盲區的相對位置及天線掛高等方面進行了研究，為中繼解決室內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左右的覆蓋盲區內，盡量將中繼部署在盲區中心，以獲得最好的覆蓋效果。同時中繼接入天線的掛高要注意與周圍建筑物高度相匹配。

下一步將對多個中繼部署以及接入鏈路和回傳鏈路的資源配置進行深入研究。

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