LTE-Advanced系統(tǒng)中Relay技術(shù)及其性能研究

劉瑋, 陳燕雷, 林頎, 李楠

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

1 引言

在傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(shù)的發(fā)展，一種新的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸浮現(xiàn)。這種技術(shù)在基站與終端之間增加了一個或多個“中繼節(jié)點”，負(fù)責(zé)將無線信號做一次或者多次轉(zhuǎn)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(shù)。

中國移動在TD-LTE網(wǎng)絡(luò)一期、二期建網(wǎng)過程中，由于傳輸無法鋪設(shè)、宏站站址物業(yè)難以協(xié)調(diào)、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(luò)的影響。本文研究的目的就是通過理論與系統(tǒng)仿真相結(jié)合的方式來研究Relay技術(shù)本身、性能及對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的影響。

本文首先簡單介紹了LTE-A Relay系統(tǒng)架構(gòu)；其次，總結(jié)了Relay的分類及回傳鏈路的設(shè)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(shè)計對Relay性能的影響。

2 LTE-A Relay系統(tǒng)架構(gòu)

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(shù)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(shù)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(wù)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(diào)度信息和HARQ信息，同時也直接反饋相應(yīng)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(shù)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(shè)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(wù)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(wù)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(zhuǎn)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(wù)的終端來說，由于其收到的調(diào)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(wù)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(diào)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(fù)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。可以看出，該區(qū)域不滿足規(guī)劃指標(biāo)要求。

為提高覆蓋質(zhì)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(cè)接收天線方向角指向所屬小區(qū)，保障回傳鏈路信道質(zhì)量； Relay終端側(cè)發(fā)射天線方向指向弱覆蓋區(qū)域，保障接入鏈路信道質(zhì)量； Relay之間避免重疊覆蓋。Relay布放位置如圖2所示。仿真用關(guān)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(guān)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(dǎo)致覆蓋指標(biāo)不滿足要求的區(qū)域內(nèi)合理布放Relay，對覆蓋指標(biāo)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(biāo)提升約24.7%，RS-SINR指標(biāo)提升約20.9%。

圖2 Relay位置示意圖

表1 仿真關(guān)鍵參數(shù)列表

表2 關(guān)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(guān)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(jié)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(zhuǎn)為由Relay覆蓋，不再“邊緣”，信道質(zhì)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(diào)度邊緣用戶的資源轉(zhuǎn)為給中心用戶提供服務(wù)，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(shè)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(wù)不對稱，因此，在分析不同回傳鏈路設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)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(wù)，所以Relay的業(yè)務(wù)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(diào)度自身服務(wù)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(wù)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(wù)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(shè)計則要綜合考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)模型、用戶優(yōu)先級等因素，是宏基站服務(wù)的用戶優(yōu)先級較高且業(yè)務(wù)需求較大，還是Relay服務(wù)的用戶優(yōu)先級較高且業(yè)務(wù)需求較大，會最終決定MBSFN子幀配置方案如何選擇。

5 總結(jié)

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(biāo)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(guān)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(luò)結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)模型、用戶優(yōu)先級等多方面因素。

[1]董江波.Relay技術(shù)引入對無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的思考與研究[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)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.