LTE-Advanced系统的中继技术研究

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