LTE-Advanced系统中继技术进展

基金项目：国家重大专项(2009ZX03003-004)

    近年来，随着无线移动通信市场的发展，移动用户数量飞速增加，业务种类和带宽的需求相应也不断增加，现有的通信系统已远远不能满足未来用户需求。以宽带、高效、全移动和全业务为特征的新一代宽带无线移动通信网的研究迫在眉睫。因此，3GPP启动了第四代移动通信系统LTE-Advanced(简称LTE-A)的技术征集。

    LTE-A是在LTE版本8/版本9(R8/R9-Release 8/Release 9)基础上的进一步演进和增强。LTE-A系统将能够支持全业务数据传输速率，即在高速移动环境下支持高达100 Mb/s峰值速率的移动接入，以及在游牧/本地无线接入等低速移动环境下支持1 Gb/s的峰值速率。除了更高的系统性能需求，LTE-A还要求考虑后向兼容性，以降低运营商网络升级的成本。中继增强蜂窝网作为高速率、高覆盖要求下的一种有效通信方式，成为LTE-A系统的关键新技术之一。与传统蜂窝网相比，中继技术不仅可以扩展小区的覆盖范围，消除或减少通信盲点，同时还可以根据实际网络环境的负载分布进行负载平衡，转移热点地区的业务，提高系统的频谱利用效率；引入中继技术可以增加终端接入选择自由度，节省终端的发射功率，从而延长电池寿命；中继站还具有架设布网方便、运营维护成本低的优点。

1 中继技术的应用场景
    中继的应用场景最初主要有如表1所示的几种。考虑应用场景的优先级，R10中主要关注固定的以及两跳的中继，因此，R10版本中研究移动中继和多跳中继优先级较低，对移动中继和多跳中继技术以及相应的应用场景讨论较少。但LTE-A中继的后续进展中不排除其余应用场景的研究，因此在R10中选择中继的协议架构以及研究中继的物理层技术和高层技术时需要考虑对中继移动性的支持。

2 中继节点接口与协议架构的确定
    网络中加入中继节点后，网络接口如图1所示。主基站是与中继节点建立无线连接的基站(eNB)，中继节点是处于用户(UE)和主基站之间的节点。在中继系统中需要考虑兼容R8的用户。一个中继节点包含两个物理层实体。一个实体用于和其下属用户通信；另一个实体具有用户功能，用于和主基站通信。对部署中继的接入网，将中继和主基站之间的空口命名为Un接口，用户和中继之间的接口仍为Uu接口。每个主基站支持中继的数目确定为30～40个。

    关于中继的协议架构，早期共有4种备选的方案[1]：方案1完备层3功能中继，其对主基站透明；方案2代理S1/X2接口；方案3在主基站处终止中继节点的承载；方案4在主基站处终止S1接口。

    经过对4种架构进行多次分析和比较，从设备复杂度、对现有网络节点的影响、部署的灵活性、对标准化的影响和复杂度、数据包的头部开销、UE移动性的支持以及服务质量(QoS)的保障、S1/X2接口的维护等方面考虑，中继系统最终确定方案2为中继节点的协议架构。主基站将代理中继的所有S1和X2接口，主基站增加中继节点后进化了的通用移动通信系统陆地无线接入网(E-UTRAN)的架构如图2[2]所示。

    中继节点选取方案2架构后，其用户面和控制面的协议栈分别如图3和图4所示。

3 中继节点物理层技术
    LTE-Advanced支持两种类型的中继节点，分别是“类型1”中继和“类型1a”中继。“类型1”中继是带内中继，其特征如下：

    (1)控制一个或者多个小区，每个小区对UE来说是一个不同于主基站(DeNB)小区的独立小区。

    (2)小区有自己的物理小区号，中继节点发送独立的同步信号、参考信号等信号。

    (3)在每个小区操作中，UE从中继节点接收调度信息和上行数据包的确认反馈，并发送探测信号、信道质量信息、数据包确认收到等信息给中继节点。

    (4)为保证后向兼容性，对于Rel-8 UE来说，中继节点就像一个Rel-8的eNB。

    (5)对于LTE-A UE，中继节点有可能显示出不同于Rel-8 eNB的特性，以增强性能。

    “类型1a”中继拥有“类型1”中继的以上所列特点，唯一不同的是“类型1a”中继是带外中继，对层1的标准化影响很小，因而3GPP的中继技术讨论主要针对“类型1”中继展开研究。

3.1 资源分配和复用
    由于中继的发射机会对自身的接收机产生干扰，同时在同频段中继要实现对DeNB的接收和对下属UE的发送是不可能的，类似地，中继也不可能同时在同频段完成对下属UE的上行接收和对DeNB的上行发送。
一个可能的解决方案是在中继对下属UE的通信中制造一段“空隙”，在该“空隙”中，中继不需要与下属UE进行通信，而是与DeNB进行通信。当然，这个“空隙”的设置需要Rel-8 UE能识别。下行的“空隙”可以通过中继将某个下行子帧设置为MBSFN子帧来实现，上行的“空隙”可以通过中继调度其下属UE不在某个上行子帧发送来实现。

    由上述描述可见，中继与DeNB的通信以及中继与下属UE的通信之间的资源分配采用的是时分复用方式，而中继与DeNB通信采用的具体子帧号由高层配置。

    DeNB与中继的下行通信占用下行子帧位置，DeNB与中继的上行通信占用上行子帧位置。当中继需要在某个下行子帧与DeNB进行下行通信时，中继必须事先向本小区用户告知该子帧设置为多播单频网络(MBSFN)子帧。

    对于频分双工(FDD)系统，DeNB到中继以及中继到下属UE的通信发生在下行频段，中继到DeNB以及UE到中继的通信发生在上行频段。具体地，对于FDD系统，一个子帧只要能用于MBSFN的子帧就可以被设置为用于DeNB到中继的下行通信。对于时分双工(TDD)系统，目前只有上/下行配置为#1、#2、#3、#4和#6的子帧结构支持DeNB到中继的上/下行通信。上/下行配置为#0和#5的子帧结构无法支持DeNB到中继的上/下行通信。

3.2 同步技术
    由于中继从DeNB接收数据有一定的信号传输时延，并且中继在接收完DeNB的数据后再对下属UE发送也需要一定的收发转换时延，因而导致了中继小区下行帧与DeNB小区下行帧之间的同步问题。

    具体地，3GPP要求中继的下行发送帧要保证中继能够从DeNB接收到最后一个发送的正交频分复用(OFDM)符号。当然，DeNB可以使中继下行发送的OFDM符号数被限制在一个时隙里的一些OFDM符号子集内。第1时隙中，DeNB对中继下行发送的起始位置可以是第1、第2、第3个OFDM符号位置，结束位置都在第6个OFDM符号位置。第2个时隙中，DeNB对中继下行发送的起始位置都是第0个OFDM符号，结束位置可以是第5个或者第6个OFDM符号位置。如果DeNB小区与中继小区采用的下行帧能够保证每个子帧的定时界线是完全对齐的，则DeNB对中继下行发送的第2个时隙的结束OFDM符号位置为第5个OFDM符号，否则，DeNB对中继下行发送的第2个时隙的结束OFDM符号位置为第6个OFDM符号。

3.3 物理下行控制信道设计
    DeNB-中继链路的物理下行控制信道(R-PDCCH)设计是中继技术中一项关键技术，还需要考虑该段链路的控制信道与数据信道如何复用。

    在中继物理下行控制信道中，下行资源指示信令与上行资源授予信令的放置位置，采用的方式如下：

    (1)下行资源指示信令总在子帧的第一时隙内发送。

    (2)如果一个下行资源指示信令在某对物理资源块的第一个时隙内发送，则上行资源授予信令可能会在该对物理资源块的第二个时隙之内发送。

    (3)在专用解调参考信号的情况下，一对物理资源块内的下行资源指示信令和上行资源授予信令只能用于同一个中继。

    (4)在公共参考信号情况下，一对物理资源块里的下行资源指示信令和上行资源授予信令可用于同一个中继或者是多个不同的中继。

    中继物理下行控制信道的放置方法有两种：一种是频域集中式的放置，另一种是频域分散式的放置。多个中继的物理下行控制信道可以相互交织地放置在一个或者多个物理资源块内，也可以不相互交织地放置在一个或者多个物理资源块内。

    当多个中继的物理下行控制信道不交织时，物理资源块上只有用于发送参考信号的资源粒子(RE)不能用于物理下行控制信道。

    当多个中继的物理下行控制信道相互交织时，这些物理下行控制信道的信号基本上按照Rel-8标准的物理下行控制信道采用的方式进行复用、加扰、调制、预编码、映射到天线各层及相应的资源粒子RE上。与Rel-8系统的物理下行控制信道映射方式的不同之处在于：首先，UE特有的参考信号不会映射到用于发送互交织物理下行控制信道的物理资源块对上；其次，中继物理下行控制信道的一个资源粒子组(REG)由一个物理资源块内的一个OFDM符号中以升序子载波排列的4个连续可获得的资源粒子组成。如果某个资源粒子已经用于发送天线端口0上的小区公共参考信号，那么天线端口1上发送小区公共参考信号的那些资源粒子就不能用于映射中继的物理下行控制信道。如果还需要发送信道状态信息的参考信号，则天线端口15到天线端口22上发送信道状态信息参考信号的那些资源粒子也不能用于映射中继的物理下行控制信道。

4 中继节点高层技术

4.1 启动过程以及配置
    中继的启动过程分为两个阶段，如图5所示[3]。第1阶段为中继的预配置接入，中继节点开机的时候作为用户的身份接入E-UTRAN/EPC，下载初始的配置参数(譬如从中继的运行管理维护设备(OAM)中下载主基站参数)，这个过程完成后，中继将从网络中以用户的身份断开，然后触发第2个阶段；第2阶段为中继的运行接入，中继将从第1阶段中获取的主基站列表中选择一个主基站建立连接。移动管理实体(MME)将向主基站表明中继被授权作为中继节点接入。在主基站建立S1/X2的承载之后，中继会开始建立与主基站之间的S1和X2连接。

    中继启动过程中主基站和移动管理实体需要确认节点是中继，因此在下行的S1信令中利用新的信息元素指示中继的身份。中继的关口选择是基于主基站告知的，至今为止中继的初始启动过程已标准化。

4.2 中继系统切换的考虑
    加入中继节点后用户发起切换时会碰到如图6所示的问题：左图表示用户从基站切换到中继节点时，基站发起的切换请求中不确定中继归属于哪一个主基站，为解决此问题中继系统确定中继节点的身份号与其归属的主基站身份号相同；右图表示用户从中继切换到基站的简图，由于中继不能确定主基站和基站之间是否存在X2接口，另外中继不确定主基站和基站是否属于同一片移动管理实体区，因此，中继不能确定采用哪种类型的切换(S1或X2切换)。中继系统确定中继需要知道其归属的主基站与目标基站是否有X2接口，此消息通过中继接入时X2基站配置更新程序而获知。

    中继系统中用户的切换不仅会出现上述问题，还会出现数据的来回传输，既浪费会成回程链路资源，也导致切换时延加大，因此，中继系统确定当主基站接收到中继下属用户的切换请求时立即终止数据到中继节点的传输。

4.3 Un接口无线链路失败的考虑
    运营商通常会选择Un接口中链路稳定的位置部署中继，但不能保证Un接口无线链路失败存在的可能性。如果Un接口无线链路失败，其归属的用户将受到影响，因此，中继系统需要解决当Un接口发生无线链路失败后如何恢复的问题。当Un接口无线链路失败后，为了避免影响中继下属用户的通话，中继将执行正常的基于竞争的无线接入控制信道过程重新与网络连接。当中继与主基站的无线资源控制连接重建成功后，其连接的重配置和Un子帧的重配置过程与中继初始启动过程一致。如果中继与主基站连接重建失败，中继将进入空闲状态，然后尝试恢复。

4.4 回程链路子帧配置和系统信息的传输
    针对中继和主基站之间回程链路子帧的配置最初有两种方案：

    (1)运行管理维护设备配置回程链路子帧，中继从OAM处获取。

    (2)主基站通过无线资源控制信令配置回程链路子帧。

    从运行管理维护设备中下载Un接口子帧配置方法是一种静态简单的方案，但Un接口所用的时频资源块由主基站控制，即使中继初始从运行管理维护设备处获取Un接口的配置方式，主基站也会根据Un接口实际情况重新进行配置。因此中继系统中确定初始的Un接口子帧配置和重配置都由主基站发送无线资源控制信令配置。中继一旦收到子帧重配置的信息就开始在Un接口使用更新的配置，此时，Un接口的子帧配置和中继小区的子帧配置短时间内不会同步，Un接口会先于Uu接口采用新配置。

    网络加入中继节点后影响了系统信息的传输，主要因为一些重要的系统信息(如主信息块和系统信息1)是基站固定在一些子帧(如子帧0, 5等)中发送，而这些子帧不能作为中继和主基站之间的回程链路子帧，因此，中继无法收到更新的系统信息。为解决这类问题，中继系统中确定主基站通过发送专用的无线资源控制信令通知中继更新的系统信息。

5 结束语
    中继不但可以为蜂窝网络带来容量提升、覆盖扩展等性能增强，更可以提供灵活、快速的部署，弥补回传链路缺失的问题，以满足网络快速部署的需求。因此，LTE-A把中继作为关键技术开展研究并进行标准化技术征集。本文分别从中继的物理层和高层两方面入手，概要的描述了中继在LTE-A R10中关键技术点的进展以及最新标准化情况。今后将继续开展中继技术的研究，重点研究移动中继以及多跳中继技术。

6 参考文献
[1] 3GPP TR36.806 V9.0.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Relay architectures for E-UTRA(LTE-Advanced) [S]. 2010.
[2] 3GPP TS36.300. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description [S]. 2011.
[3] 张晨璐, 杨馨, 徐景. 包括中继站的通信系统的上下行链路帧同步通信办法: 中国. 201010129910.1 [P].2010.10.12.

收稿日期：2011-07-25

[摘要] 中继技术以其能增加覆盖、提升容量、减小发射功率并且灵活快速部署的特点在无线通信领域得到重视。将中继技术引入传统的蜂窝结构形成“基站-中继点-用户终端”的系统结构，能有效地利用整个系统的时间、频率、空间资源，因而成为LTE-Advanced的关键候选技术之一。文章从应用场景、接口与协议架构、物理层技术以及高层协议4个方面总结并归纳了LTE-Advance系统中继技术的最新标准化进展。

[关键词] 中继；LTE-advanced系统；无线通信

[Abstract] Relay technology in wireless networks has attracted interest because of its outstanding ability to improve coverage and capacity and reduce transmission power. It can also be easily deployed. With relay technologies, a traditional cell network can be configured as base-relay-UE system that uses time, frequency, and spatial resources effectively. The relay is one of the key technologies in an LTE-Advanced system. This paper gives an overview of recent advances in relay technologies for LTE-Advanced system. Application scenarios, interface, protocol structure, physical technologies, and high layer protocol are discussed.

[Keywords] relay; LTE-Advanced; wireless communication