中继模式在OFDMA系统中的应用设计

摘要：中继技术能够对原有基站进行覆盖增强，同时0FDMA技术是下一代移动通信的主要多址方式，因而研究设计OFDMA技术约束下的中继方案，具有非常现实的意义。以LTE物理层帧结构为基础，针对0FDMA调制系统的中继实现方式进行了深入分析，结合OFDMA系统灵活的时频资源分配特点，提出针对0FDMA的多跳／单跳资源分配方法，最后，还提出一种针对FDD模式的0FDMA中继实现方案。对认为中继只能用于TDD系统的传统观念进行了前沿性的拓展。
关键词：LTE；OFDMA；中继；FDD

0 引 言
NGMN(下一代移动网络组织)首先把引入(Wire―less Board Bandwidth，wBB)作为重要目标，无线接入点AP是达到这一目标的关键性产品，AP很好地实现了移动宽带数据解决方案TCO最优化。
NGMN网络中，3GPP空口长期演进LTE项目是最为重要的无线接入技术，主要目标是提供高速率、低时延和分组(IP)化的无线接入网络。自然的，基于LTE的AP将是NGMN部署中解决无线宽带接入最为主要的基站形态。LTE空口物理层关键技术中，支持FDD／TDD两种双工模式，支持OFDMA方式进行资源分配和用户区分。
中继技术能够对原有基站特别是AP型基站进行覆盖增强，并有效提升区域特别是小区边缘的吞吐量，因而研究设计LTE／OFDMA技术约束下的中继方案，具有非常现实的意义。
该文首先对LTE物理层帧结构进行简要介绍，然后给出0FDMA系统中继引入后空口资源分配方法；最后，提出一种针对FDD模式的0FDMA中继实现方案，对认为中继只能用于TDD系统的传统观念进行了前沿性的拓展。

l LTE帧结构
0FDMA作为未来数年最重要和最有希望的接入方案，允许把一个宽频率带宽分裂成小的片断来服务于不同的终端。目前，LTE／UMB以及WiMAX等体制都将OFDMA作为空口物理层基本调制技术。
图1为LTE的基本帧结构，适用于FDD和TDD两种模式。基本帧长10 ms，一共分为20个0．5 ms子帧，两个子帧组成一个1 ms TTI。FDD模式下，20个子帧分别同时用于上行和下行；TDD模式下，上下行比例可以配置(#0／5子帧用于下行)。

在基本帧结构下，当采用短CP模式时，下行／上行每个子帧7个OFDM／SC―FDMA符号；当为了克服更大多径延时而采用长CP模式时，下行／上行每个子帧支持6个OFDM／SC―FDMA符号。

在LTE的空口资源表示中，NDLBW表示下行带宽配置，用下行子载波数表示；NULBW表示上行带宽配置，用上行虚拟子载波数表示；NDLsymb表示下行一个时隙(子帧)中的0FDM符号数；NULsymb表示上行一个时隙中SC―OFDM符号数；NRBBW表示频域资源块数(以12个子载波为基本单位)。
图4是LTE中基于OFDMA的下行资源栅格示意图，基于用户调度的资源块定义为：时间域连续的OFDM符号数和频率域连续子载波块的乘积NDLsymb×NRBBW。在上行资源调度中，资源块定义为一个子帧和参数NTX和k0。这两个参数决定了传输带宽和频率跳频模式。NTX也以12个虚拟子载波为单位。

可见，LTE可以在时域和频域分别对用户进行区分。因此，下面基于OFDMA的中继技术设计可以直接应用在LTE中。

2 基于OFDMA的中继方案
2．1 基于OFDMA的多跳／单跳资源分配方法
从单跳和多跳连接的不同出发，OFDMA技术可被用于将可用频带分裂为两部分：一部分用于单跳通信，另一部分用于多跳通信。可以预见，邻近子载波分别被分配给多跳和单跳话务量，产生了两个邻近子频段，一个用于多跳，一个用于单跳。这意味着，目标系统的空口使用一个完整的频段，比如100 MHz，分裂这整个频段为两部分。作为例子，图5给出了基于0FDMA的空口中Nc个子载波的分配模式，MH区域表示该部分子载波用于多跳通信，SH区域表示该部分子载波用于单跳通信。

通过利用OFDMA的特性，两个子频段以一种灵活的方式进行动态分割。OFDMA允许分配不同的子载波给不同的用户，来形成不同的连接。这里建议根据需要将子载波分配成两个子波段，例如，高位频段的子载波被分配给多跳子频段，同时余下的子载波被用于单跳。分配给单跳和多跳的子载波数量能够根据需求动态调整。
依赖于单跳和多跳话务量对频率资源的需求，子频段分割会改变，比如，如果在一个多跳固定中继站区域的终端间有较重的本地话务量，而只有很少的一点带宽需求用于和因特网之间传输数据，这样，多跳子频段将会减少到非常少的子载波数量。然而，如果多跳需要更多的带宽，一些用于单跳的载波将被分配给多跳频段。举例而言，如果每个移动节点都和因特网有一个连接，多跳子频段将会增加以支持通过固定中继网络中继的大话务需求。
在AP／中继站和移动节点之间，以及AP和中继站之间，一般通过TDD的方式来实现上行／下行的分割。然而，FDD在单跳链路上也可以通过这个概念来实行，同时一种混合的FDD方法可被用于多跳连接。相对而言，FDD的多跳实现相比TDD的多跳实现要复杂，特别是硬件方案。本节主要以TDD为例来进行论述。
图6中，通过基于两个固定中继站的部署，对子载波被动态分配给多跳和单跳的话务量的概念进行模拟。在这个场景中，最多支持三跳。最初的两跳通过AP和两个固定中继站之间多跳子频段来实现，在中继站2和MN3(移动节点3)之间的第三跳通过单跳频段3(SH3)来实现。在图6中，在该种拓扑下，不同的带宽分配被标示出来。MHl频段用于AP和FMHNl(SHCommunication and MHCommLmication over FixedRelay Stations，这里指固定中继站)之间的双向多跳话务量，和SHl区域的单跳话务量共享子载波，SHl区域的移动节点直接被AP服务。MH2区域和SH2区域的多跳和单跳话务量，同样通过动态的方式共享子载波。在SH3区域中话务量将独占所有子载波，因为已经没有更多的多跳连接存在。