LTE-Advanced系統中Relay技術的研究與應用

李昶，安靜

（1.中國移動通信集團河北有限公司，河北 石家莊 050035；2.石家莊職業技術學院信息工程系，河北 石家莊 050081）

LTE-Advanced系統中Relay技術的研究與應用

李昶1，安靜2

（1.中國移動通信集團河北有限公司，河北 石家莊 050035；2.石家莊職業技術學院信息工程系，河北 石家莊 050081）

中繼技術作為LTE-Advanced的關鍵技術之一，可以擴大小區的覆蓋范圍，改善小區邊緣用戶的性能。首先介紹了Relay的引入背景和網絡結構，然后對Relay的分類和雙工方式進行了分析，最后選取了城市深度覆蓋補盲、高速公路連續覆蓋和農村覆蓋延伸3個場景進行了試驗。從試驗結果可以看出，部署Relay可以有效提升網絡覆蓋能力。

LTE-Advanced 中繼 Type I Relay Type II Relay

1 研究背景

Relay作為LTE-Advanced系統中重要的關鍵技術，可以擴大覆蓋范圍、消除覆蓋盲點和提升系統容量。在基站和用戶之間增加一個中繼節點，從而縮短了兩者之間的傳輸距離，有效改善了信道質量，降低了終端的功耗。按照3GPP的定義，未來Relay的成本僅為傳統宏基站的十分之一，將其與其它的無線關鍵技術相結合，可以極大地提升系統性能增益，Relay在LTEAdvanced中的網絡結構如圖1所示[1-5]。

2 Relay的分類

在LTE-Advanced對Relay的定義中，對Relay的主要功能和應用場景進行了假設，LTE-Advanced Relay的系統結構如圖2所示。如果按照用戶平面的構成方式，則可以分為L0/L1/L2/L3層Relay[1,5,6]：

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

（2）L1 Relay先將收到的信號進行快速傅里葉反變換，然后再對采樣后的數據進行放大和轉發。L1 Relay可以認為是增強型直放站，可以進行適當的功率控制和頻率選擇性放大。但和L0 Relay類似，由于沒有對收到的信號進行譯碼，它并不能對噪聲和干擾進行有效的過濾，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的基礎上，將收到的數據再進行譯碼和校驗，并進行再次編碼，其具有獨立的MAC層的功能，可以對用戶進行靈活的調度和控制。由于采用的是譯碼轉發方式，不容易產生積累噪聲，從而可以獲得更好的性能增益。

（4）L3 Relay在L2 Relay的基礎上引入了IP層的功能，可以使用現網設備的S1和X2信令接口，實現靈活部署，但這種方式傳輸開銷較大，并需要對核心網進行升級。

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

（1）Type I Relay

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

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

2）具有獨立的調度功能，可以獨立地對歸屬Relay UE進行調度；

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調度，只具有部分的RRC功能。其主要優點是時延較小，可以實現在多個Relay之間以及eNodeB和Relay之間的協同。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容量的場景，無法用于擴大覆蓋的場景，具體如圖3所示。

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

圖1 Relay在LTE-Advanced中的網絡結構示意圖

圖2 LTE-Advanced Relay的系統結構

3 Relay的雙工模式

在引入Relay之后，無線蜂窩網絡由單跳變為多跳，即有eNodeB到Relay的回傳鏈路和由Relay到UE的接入鏈路?，F有技術Relay無法做到在同一個時頻資源上同時進行發送和接收，故在基于LTE-Advanced的Relay系統中，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，FDD-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留一定的保護帶，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行區分；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用進行區分。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行區分；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行區分。同樣，需要在不同的頻段之間預留一定的保護帶。

（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行區分；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行區分。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據，傳輸時延較大。

4 Relay的應用場景及性能優勢

通過在基站和終端之間部署Relay節點，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可以對射頻信號進行基帶解調譯碼并重新編碼調制后轉發，其帶來的網絡底噪抬升很小，部署Relay方案不依賴于光纖或微波等傳輸資源，可以快速實現低成本的覆蓋延伸。目前商用的Relay主要是Type I Relay，可靈活應用在城市深度覆蓋補盲、農村和景區覆蓋延伸、高速和高鐵以及近海海島覆蓋。

4.1 居民小區深度覆蓋場景

某城市一環內老城區，主要為典型的居民區，基本上都是6~8層的多層居民樓建筑，室內外穿墻路損大概為20~30dB。在宏站覆蓋情況下，存在局部覆蓋盲區，用戶投訴嚴重。由于信號強度RSRP在–110dBm以下的盲區范圍較小且主要是樓宇內，范圍大概為100m左右、6~8棟居民樓。經過站址勘察，此覆蓋盲區采用微站進行補盲最為合適。前期物業協調較為順利，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層樓頂的小塔樓上，站高30m，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接入宿主宏站小區里，樓內樓道最深處RSRP為–125dBm，已經處于靈敏度邊緣，樓內基本無法進行業務。Relay打開下，UE接入Relay小區，樓內樓道最深處RSRP在–100dBm左右，FTP下載速率最高可達到33Mbps以上，Relay引入后解決了室內覆蓋弱的問題，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 高速公路連續覆蓋方案

通過對現網覆蓋的高速公路的LTE站點進行測試可以看出，在平原地區，當站間距在2.53km~3km時，可以保證基本的連續覆蓋。但目前高速公路現網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域采取新建微站或Relay的方式補充覆蓋，在站間距處于3km~5km的宏站覆蓋空洞之間，背靠背安裝Relay設備及其回傳和接入設備，覆蓋公路的兩個方向，如圖5所示。從而形成連續覆蓋，切換速率可達10Mbps以上，提升效果明顯。

4.3 農村及景區覆蓋應用案例

良好的網絡廣覆蓋是用戶優質體驗的基礎，但是農村、景區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域。LTE Relay解決方案將宏站的覆蓋范圍進行有效延伸，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連續覆蓋場景

圖6 農村及景區Relay覆蓋場景

4.4 Relay的性能優勢

TD-LTE Relay解決方案將宏站的覆蓋范圍進行延伸，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方案受環境和氣候影響較小，設備更加緊湊，便于施工維護，并且支持非視距傳輸，可以將4G覆蓋延伸至室內和地下。和直放站相比具有噪聲小、易于監控、傳輸距離遠等優點，具體如表3所示：

表3 Relay的性能優勢對比

5 結束語

Relay技術作為LTE-Advanced的關鍵技術之一，將為小區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成本。本文分析了Relay在LTE-Advanced系統中的分類、雙工方式的實現以及典型的應用場景，并通過現場試驗，證明了在現網部署Relay的可行性。

[1] 李昶. 用于下一代無線通信系統的協同中繼網絡關鍵技術研究[D]. 北京: 北京郵電大學, 2011.

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

[3] 符立濤,張建國,黃正彬. TD-LTE Relay網絡規劃研究[J]. 移動通信, 2015,39(3/4): 46-49.

[4] 汪鵬. Relay技術在LTE覆蓋解決方案中的應用研究[J].電信工程技術與標準化, 2014(11): 25-28.

[5] 鄭侃,彭岳星,龍航,等. 協作通信及其在LTE-Advanced中的應用[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2010.

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[9] 3GPP R1-091098. WF on relaying operation for LTEA[R]. Ericsson, 2009.

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

李昶：工程師，博士畢業于北京郵電大學通信與信息系統專業，現任職于中國移動通信集團河北有限公司，從事移動通信技術研究和無線網絡優化等工作。

安 靜：講師，碩士畢業于石家莊鐵道學院計算機專業，現任職于石家莊職業技術學院，從事信息技術相關的教學和科研工作。

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系統中Relay技術的研究與應用[J]. 移動通信, 2015,39(13): 82-86.

2015-06-01

責任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn