甘劍松1，王亥1, 劉光毅2，劉建軍2，沈曉冬2

1: 愛立信（中國）通信有限公司    2: 中國移動(dòng)通信研究院

摘要

中繼是在3GPP LTE 版本10中定義的一個(gè)新功能，其主要應(yīng)用是擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋和提高小區(qū)邊緣用戶的吞吐量。為了對實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中中繼的性能展開早期研究，愛立信在2010年研發(fā)出了TD-LTE中繼測試床，并攜手中國移動(dòng)進(jìn)行了外場技術(shù)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明中繼能夠擴(kuò)展TD-LTE系統(tǒng)的覆蓋，提升小區(qū)邊緣用戶上、下行的吞吐量。

1 背景

從目前TD-LTE (Time-Division Long-Term Evolution)外場試驗(yàn)結(jié)果看，TD-LTE提供了比以往2G、3G系統(tǒng)更高的傳輸速率和更好的用戶體驗(yàn)。TD-LTE最早期的布網(wǎng)可以首先針對熱點(diǎn)區(qū)域展開，但隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用戶量的持續(xù)提升，用戶就會(huì)希望在更大范圍享受TD-LTE帶來的高速率體驗(yàn)，要求TD-LTE系統(tǒng)能夠在各種場景下為其提供服務(wù)。這些場景包括傳播環(huán)境復(fù)雜的密集城市、偏遠(yuǎn)郊區(qū)、室內(nèi)和高速覆蓋等。

為了應(yīng)對各種復(fù)雜的無線傳播環(huán)境，3GPP（3rd Generation Partnership Project）在版本10中對中繼（Relay）進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。通過在宏基站和用戶終端之間加入一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，宏基站和終端之間的直傳鏈路被分為兩段：宏基站與中繼之間的鏈路稱為回傳鏈路（Un），中繼與終端之間的鏈路稱為接入鏈路（Uu），如圖 1。通過對中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(shí)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和更高的傳輸能力。

圖 1 中繼示意圖

在密集城市，由于高樓等建筑物的阻擋，很多區(qū)域處于基站的覆蓋陰影區(qū)，信號(hào)質(zhì)量差。引入中繼站可以有效地減少城市中常見的陰影覆蓋區(qū)域和死區(qū)；引入中繼還可以減小蜂窩網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，有效降低小區(qū)間干擾，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)容量；在城市局部熱點(diǎn)小區(qū)，通過部署中繼站可以將熱點(diǎn)小區(qū)的用戶引入負(fù)載較輕的相鄰小區(qū)，使得負(fù)載在網(wǎng)絡(luò)中得到均衡。在偏遠(yuǎn)郊區(qū)，由于傳輸距離遠(yuǎn)，路徑損耗非常大，另外TD-LTE的工作頻段較高，又導(dǎo)致了無線傳播條件的進(jìn)一步惡化。引入中繼可有效解決偏遠(yuǎn)郊區(qū)光纖資源匱乏和覆蓋問題。未來網(wǎng)絡(luò)中的高數(shù)據(jù)速率業(yè)務(wù)主要發(fā)生在室內(nèi)，而高密度的樓宇設(shè)計(jì)所造成的陰影衰落以及墻壁所造成的室內(nèi)穿透損都會(huì)為高數(shù)據(jù)速率的室內(nèi)覆蓋提出挑戰(zhàn)，中繼無線回傳可作為解決室內(nèi)覆蓋的有效手段。中繼站點(diǎn)還可以用于高速移動(dòng)的交通工具（如公共汽車、輕軌機(jī)車、高鐵等）上，為本地的高速移動(dòng)用戶進(jìn)行服務(wù)，從而提高用戶吞吐量，減少切換開銷。

目前，在站址資源與光纖資源巨大的需求壓力下，未來網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)時(shí)巨額的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和運(yùn)營成本將是運(yùn)營商面對的重要挑戰(zhàn)。除天面資源外，室內(nèi)機(jī)房是站址租金的主要核算依據(jù)。在北京地區(qū)，站間距在300-500米范圍，隨著業(yè)務(wù)速率需求的不斷提升，采用傳統(tǒng)的小區(qū)分裂方法解決網(wǎng)絡(luò)容量需求導(dǎo)致站址覆蓋半徑不斷收縮。另一方面，管道資源與建設(shè)成本是光纖資源及成本的重要組成，新站址接入到本地光纖接入環(huán)平均需要1-3km的光纖線路建設(shè)；隨著站址資源的不斷增加，系統(tǒng)對高密度光纖網(wǎng)絡(luò)需求旺盛，如何解決新站址的最后1公里接入是未來網(wǎng)絡(luò)部署與演進(jìn)的重要挑戰(zhàn)。

從更長遠(yuǎn)來看，到2020年，系統(tǒng)容量預(yù)計(jì)比現(xiàn)在增大1000倍，為此需要引入更為密集的網(wǎng)絡(luò)部署，如微微小區(qū)。目前，為微微小區(qū)提供回傳的方式包括光纖、電纜和微波。光纖和電纜鋪設(shè)成本較高，鋪設(shè)周期較長。光纖線路鋪設(shè)分管道與桿路兩種，目前大多城市規(guī)劃均要求光纖入地，低廉的桿路架設(shè)不再允許，因此，管道資源建設(shè)提高了光纖部署成本。微波需要有視距傳輸，這在很多場景下不能得到滿足。因此，利用中繼節(jié)點(diǎn)作為無線回傳就成為了一個(gè)可能的替代方案。通過部署中繼，一個(gè)弱覆蓋區(qū)域的基本覆蓋和用戶容量能夠很快得以解決。

為了盡早研究中繼在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的性能，愛立信在2010年研發(fā)出了TD-LTE中繼測試床，并攜手中國移動(dòng)進(jìn)行了外場技術(shù)試驗(yàn)。希望能通過TD-LTE中繼測試床的聯(lián)合試驗(yàn)，更深入的了解TD-LTE中繼在擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋、提升系統(tǒng)容量方面的潛力，以及可能存在的問題。

本文結(jié)構(gòu)如下：第二節(jié)對3GPP中繼標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)行了回顧，第三節(jié)介紹TD-LTE中繼測試床的設(shè)計(jì)開發(fā)方案，第四節(jié)分析了外場技術(shù)試驗(yàn)的結(jié)果，第五節(jié)對全文進(jìn)行總結(jié)。

2LTE中繼標(biāo)準(zhǔn)化回顧 2008年3月3GPP啟動(dòng)了LTE-Advanced研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目的目標(biāo)是定義LTE-Advanced系統(tǒng)的需求，并提出實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)所需要的關(guān)鍵技術(shù)。中繼是其中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)過長達(dá)一年多的論證，2009年10月3GPP設(shè)立了Work Item對中繼技術(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

LTE中繼分為帶內(nèi)中繼和帶外中繼兩類 [1]a.i.[1][1]。對于帶內(nèi)中繼，回傳鏈路和接入鏈路使用相同的頻段。而對于帶外中繼，回傳鏈路和接入鏈路使用不同的頻段。除了頻譜使用上的不同，帶外中繼和帶內(nèi)中繼具有如下的共同點(diǎn)：

-       控制自己的小區(qū)，從終端看來，這些小區(qū)都是與宏基站獨(dú)立的；

-       這些小區(qū)都有自己的小區(qū)識(shí)別號(hào)，并獨(dú)立發(fā)送同步信號(hào)、參考信號(hào)等；

-       在單小區(qū)操作的情況下，終端直接從中繼接收調(diào)度信息及HARQ反饋，并且向中繼發(fā)控制信道（如SR/CQI/ACK）；

-       從LTE版本8的終端看，中繼是LTE版本8的基站；

目前，LTE中繼技術(shù)核心部分的標(biāo)準(zhǔn)化工作已基本完成，物理層方面的規(guī)范在[2]中定義，協(xié)議架構(gòu)相關(guān)的規(guī)范在[3]中定義。

3TD-LTE中繼測試床設(shè)計(jì)與開發(fā)愛立信TD-LTE中繼測試床采用了跟3GPP相同的設(shè)計(jì)思路，例如中繼是一個(gè)新的小區(qū)，對LTE版本8的終端后向兼容等。

該中繼測試床工作在TDD配置1下（上下行配比3：2），屬于3GPP定義的帶內(nèi)中繼。如圖 2所示，在一個(gè)10 ms的無線幀中，4個(gè)下行子幀（0、1、5、6）和2個(gè)上行子幀（2、7）分配給接入鏈路。剩下的2個(gè)下行子幀（4、9）和2個(gè)上行子幀（3、8）分配給回傳鏈路。為了保持對LTE版本8用戶的后向兼容，子幀4和9在中繼小區(qū)中被配置為MBSFN（Multicast Broadcast Single Frequency Network）子幀，這樣中繼在子幀4和9的廣播部分可以不向終端發(fā)任何信號(hào)。在該配置下，下行采用兩流傳輸時(shí)，端到端的無丟包吞吐量可達(dá)到25.5 Mbps, 上行端到端的無丟包吞吐量可達(dá)到8.77 Mbps。

圖2 中繼的時(shí)隙分配

在實(shí)現(xiàn)上，該中繼測試床充分利用了TDD系統(tǒng)的特點(diǎn)。相對于FDD系統(tǒng)，TDD系統(tǒng)具有信號(hào)接收發(fā)送在同一頻段、采用同一射頻通道的特性，該特性在很大程度上使得中繼的實(shí)現(xiàn)相對于FDD系統(tǒng)更容易。由于TDD系統(tǒng)所具有的便利性，TD-LTE中繼測試床的設(shè)計(jì)思路是利用現(xiàn)有的TD-LTE產(chǎn)品，通過加載不同的軟件，使其升級(jí)為中繼。

如圖 3所示，在傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)中，各基站之間相互獨(dú)立，各自通過光纖等回傳網(wǎng)絡(luò)連接到核心網(wǎng)。該中繼測試床通過對一個(gè)普通的兩扇區(qū)基站加載不同的軟件來實(shí)現(xiàn)。具體操作是：一個(gè)扇區(qū)加載終端相關(guān)的軟件，作為中繼的終端部分，同時(shí)對該扇區(qū)的RRU（Remote Radio Unit）做相應(yīng)的參數(shù)配置，使其符合終端的接收發(fā)送時(shí)序；另一個(gè)扇區(qū)的軟件進(jìn)行相關(guān)的升級(jí)，作為中繼的基站部分。另外普通基站需要加載相應(yīng)的軟件，升級(jí)為宏基站，為中繼提供無線回傳，并從協(xié)議架構(gòu)上對中繼提供支持。

圖3 中繼測試床實(shí)現(xiàn)方案

該實(shí)現(xiàn)方案一方面能縮短了開發(fā)周期，一方面使中繼和普通基站的平滑演進(jìn)成為可能，從而能保護(hù)運(yùn)營商的投資。

4聯(lián)合外場技術(shù)試驗(yàn)愛立信和中國移動(dòng)攜手于2011年上半年針對該中繼測試床進(jìn)行了聯(lián)合外場技術(shù)試驗(yàn)。試驗(yàn)中各節(jié)點(diǎn)（宏基站，中繼的終端部分及中繼的基站部分）均為兩天線；中繼和宏基站之間的距離約為460米，中間有建筑物阻擋；站點(diǎn)部署及天線方向如圖 4所示；測試終端為LTE版本8的Aeroflex TM500（第三方終端）。

圖4 外場試驗(yàn)環(huán)境

圖 5，圖 6和圖 7分別給出了RSRP（Reference Signal Received Power）、上行吞吐量、下行吞吐量在有中繼和沒有中繼情況下的對比結(jié)果。從測試結(jié)果可以看出，通過在宏基站覆蓋邊緣安裝中繼，在宏基站的陰影覆蓋區(qū)，RSRP從-125 dBm提高為-70 dBm，上行吞吐量從0提高到接近8 Mbps，下行吞吐量從0提高到20 Mbps左右。圖 5 - 圖 7中（c）圖的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置如圖 5（b）中所示。下行速率只能達(dá)到20 Mbps，原因是回傳鏈路只能支持20 Mbps的速率，從而成為系統(tǒng)的瓶頸。

圖5 RSRP對比圖

圖6 上行吞吐量對比圖

圖7 下行吞吐量對比圖

結(jié)果表明，在實(shí)際無線環(huán)境中的外場測試結(jié)果接近中繼測試床的設(shè)計(jì)目標(biāo)。部署TD-LTE中繼能在實(shí)際無線環(huán)境中擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋，顯著提高小區(qū)邊緣用戶的吞吐量。

5結(jié)論 TD-LTE中繼是一種擴(kuò)展TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋、提高小區(qū)邊沿邊緣用戶吞吐量的經(jīng)濟(jì)有效的方案。愛立信中繼測試床的成功開發(fā)，驗(yàn)證了在TD-LTE普通基站的基礎(chǔ)上通過軟件升級(jí)實(shí)現(xiàn)TD-LTE中繼的可行性。聯(lián)合外場試驗(yàn)結(jié)果表明，部署TD-LTE中繼能夠在很大程度上擴(kuò)展傳統(tǒng)TD-LTE宏基站的覆蓋范圍，并顯著提高宏小區(qū)邊緣用戶的上下行吞吐量。中繼是LTE版本10中定義的技術(shù)，但中繼的引入不需要對LTE版本8的終端做任何修改，因此LTE版本8的終端也能受益于中繼的部署。

測試結(jié)果結(jié)果也說明，回傳鏈路可能成為影響TD-LTE中繼系統(tǒng)性能的瓶頸。因此，利用例如MIMO增強(qiáng)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高效的無線回傳，可以進(jìn)一步提升中繼節(jié)點(diǎn)給TD-LTE系統(tǒng)帶來的增益。