中繼技術(shù)（增加基站與移動(dòng)臺間中繼節點(diǎn)的技術(shù)）
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中繼技術(shù)
增加基站與移動(dòng)臺間中繼節點(diǎn)的技術(shù)
中繼（Relay）技術(shù)，就是在基站與移動(dòng)臺之間增加了一個(gè)或多個(gè)中繼節點(diǎn)，負責對無(wú)線(xiàn)信號進(jìn)行一次或者多次的轉發(fā)，即無(wú)線(xiàn)信號要經(jīng)過(guò)多跳才能到達移動(dòng)臺。以較簡(jiǎn)單的兩跳中繼為例，就是將一個(gè)基站—終端鏈路分割為基站—中繼站和中繼站—終端兩個(gè)鏈路，從而有機會(huì )將一個(gè)質(zhì)量較差的鏈路替換為兩個(gè)質(zhì)量較好的鏈路，以獲得更高的鏈路容量及更好的覆蓋。
基本信息
| 外文名 | Relay |
簡(jiǎn)介
相比以往的移動(dòng)通信系統，LTE-Advanced可能使用覆蓋能力較差的高頻載波以及支持高數據速率業(yè)務(wù)的需求，因此可能需要部署更多的站點(diǎn)。如果所有的基站與核心網(wǎng)之間的回程鏈路（Backhaul）仍然使用傳統的有線(xiàn)連接方式，會(huì )對運營(yíng)商帶來(lái)較大的部署難度和部署成本，站點(diǎn)部署靈活性也受到較大的限制。因此3GPP在LTE-Advanced啟動(dòng)了中繼技術(shù)的研究來(lái)解決上述問(wèn)題，提供無(wú)線(xiàn)的回程鏈路解決方案。從更廣的角度來(lái)看，如圖10-8所示，中繼技術(shù)不僅能夠解決部署靈活性和成本的問(wèn)題，還有非常廣泛的應用前景，因此吸引了眾多運營(yíng)商和廠(chǎng)商的興趣。
中繼節點(diǎn)（RN，Relay Node）通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接到其歸屬的eNode B小區（Donor Cell），如圖10-9所示，其中共有3條空中鏈路：
① RN與其歸屬小區之間的接口為Un接口，或稱(chēng)回程鏈路（Backhaul Link）；
② R-UE（歸屬到RN的UE）與RN之間的接口為Uu接口，或稱(chēng)接入鏈路（Access Link）；
③ UE與eNode B之間的接口為Uu接口，或稱(chēng)直傳鏈路（Direct Link）。
根據中繼節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現功能的不同，可以將中繼分為如下的類(lèi)型。
（1）按照RN接入Donor cell的方式分類(lèi)
① 帶內（Inband）RN：回程鏈路和接入鏈路復用相同的載波頻率資源。
② 帶外（Outband）RN：回程鏈路和接入鏈路使用不同的載波頻率資源。
（2）按照RN的工作方式分類(lèi)
① 透明（Transparent）RN：R-UE無(wú)法感受到正通過(guò)透明RN進(jìn)行通信。
② 非透明（Non-transparent）RN：R-UE能夠感受到正通過(guò)非透明RN進(jìn)行通信。
（3）按照RN具有的功能分類(lèi)
① 不獨立管理小區的RN：此類(lèi)RN沒(méi)有獨立的小區ID，沒(méi)有獨立的無(wú)線(xiàn)資源管理功能（至少部分無(wú)線(xiàn)資源管理功能主要由Donor Cell所在的eNode B完成）。Smart repeater、解碼轉發(fā)中繼，層2中繼以及后面描述的類(lèi)型2中繼都屬于此類(lèi)的RN。
圖10-8 幾種中繼技術(shù)的應用場(chǎng)景
圖10-9 引入中繼節點(diǎn)后的空中接口
② 獨立管理小區的RN：此類(lèi)RN具有獨立的小區ID，具有獨立的無(wú)線(xiàn)資源管理功能，其管理的小區能夠接入LTE R8終端。層3中繼以及后面描述的類(lèi)型Ⅰ中繼都屬于此類(lèi)的RN。
中繼物理層技術(shù)
類(lèi)型1 中繼（Type I Relay）
① 類(lèi)型Ⅰ中繼是帶內中繼（Inband Relay）。
② 類(lèi)型Ⅰ中繼管理獨立的小區，并擁有獨立的物理層小區ID，發(fā)送獨立的同步信號、參考符號等。
③ 歸屬到類(lèi)型Ⅰ中繼的R-UE直接從中繼節點(diǎn)接收調度信令和HARQ反饋信令，并直接向中繼節點(diǎn)發(fā)送上行控制和反饋信息。
④ 類(lèi)型Ⅰ中繼允許LTE R8終端的接入。
⑤ 對于LTE-A終端，類(lèi)型Ⅰ中繼允許提供有別于普通LTE R8 eNode B的增強特性以提高系統性能。
可以看到，類(lèi)型Ⅰ中繼屬于前面提到的帶內、非透明、獨立管理小區的RN，類(lèi)型Ⅰ中繼具有與普通eNode B類(lèi)似的功能。
根據前面的定義，帶內類(lèi)型的RN在接入鏈路和回程鏈路上復用相同的載波頻率資源，若這兩條鏈路的信號收發(fā)同時(shí)進(jìn)行，由于RN節點(diǎn)的收/發(fā)通道之間并不總是有良好的信號隔離，因此，將出現RN的發(fā)送信號干擾自身的接收信號的情況，如圖10-10所示。為了避免此類(lèi)自干擾的出現，類(lèi)型Ⅰ中繼以時(shí)分的方式工作在接入鏈路和回程鏈路上，特別地，針對TDD模式的類(lèi)型Ⅰ中繼：
l Donor eNode B→RN的傳輸在eNode B和RN的下行子幀完成；
圖10-10 帶內中繼自干擾示意圖
在LTE R8中，終端在非DRX狀態(tài)下每個(gè)下行子幀都對控制區域進(jìn)行檢測和測量，為了保證類(lèi)型Ⅰ中繼進(jìn)行回程鏈路的接收不對LTE R8終端造成影響，采用了R8協(xié)議中已經(jīng)定義的MBSFN子幀的工作方式，如圖10-11所示。在一個(gè)MBSFN子幀的非控制區域，RN接收來(lái)自于Donor eNode B的下行回程數據，同時(shí)不向R-UE發(fā)送任何信號?；就ㄟ^(guò)高層信令告知RN作為回程傳輸的下行子幀。同時(shí)，基站需要預先告知RN作為回程傳輸的上行子幀，RN避免在這些上行子幀中對R-UE進(jìn)行調度。
圖10-11 MBSFN子幀接收Donor eNode B數據
圖10-12 兩種不同的RN幀配置方式
（1）常規R-PDCCH：Donor eNode B為歸屬于其下的多個(gè)RN分配相同的R-PDCCH區域，每個(gè)RN在該公共區域內采用類(lèi)似LTE R8 UE盲檢的方式獲得各自的控制信令。
（2）RN specific R-PDCCH：Donor eNode B為每個(gè)RN分配專(zhuān)屬的R-PDCCH資源，每個(gè)RN在各自的資源內獲得控制信令。
同時(shí)，3GPP RAN1也在研究回程下行子幀中R-PDCCH與R-PDSCH （回程下行數據傳輸信道）的復用設計。目前有如下的3種復用設計方案尚在討論中，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，這里沒(méi)有描述RN收發(fā)切換對回程傳輸帶來(lái)的影響。
（1）TDM復用方式：在MBSFN子幀的非控制區域中，R-PDCCH與R-PDSCH為單純的時(shí)分復用的關(guān)系，如圖10-13所示。其中R-PDCCH頻率上占用整個(gè)系統帶寬，時(shí)間上占用的OFDM符號數目可以由基站配置。
圖10-13 R-PDCCH與R-PDSCH時(shí)分復用
圖10-14 R-PDCCH與R-PDSCH頻分復用
圖10-15 R-PDCCH與R-PDSCH時(shí)/頻分混合復用
類(lèi)型Ⅱ 中繼（Type II Relay）
在討論“類(lèi)型Ⅰ中繼”的同時(shí)，3GPP RAN1也對其他的中繼類(lèi)型進(jìn)行了研究，一種“類(lèi)型Ⅱ中繼”方案吸引了部分公司的研究興趣，類(lèi)型Ⅱ中繼具有如下的特性：
① 類(lèi)型Ⅱ中繼是一種帶內中繼節點(diǎn)；
② 它沒(méi)有獨立的物理層小區標識，不能創(chuàng )建新的小區；
③ 它對LTE R8終端是透明的，即此類(lèi)終端意識不到Type II中繼節點(diǎn)的存在；
④ 它能夠傳輸PDSCH；
⑤ 它至少不傳輸CRS和PDCCH。
可以看到，類(lèi)型Ⅱ中繼屬于“不獨立管理小區的”、“透明的”中繼類(lèi)型，主要用于增強終端的PDSCH接收性能，從而達到提高小區整體吞吐量的目的。類(lèi)型Ⅱ中繼由于不發(fā)送CRS和PDCCH等公共信號，因此不能作為擴展小區覆蓋的解決方案。類(lèi)型Ⅱ中繼的工作方案，主要有如下的3種類(lèi)型，分別如圖10-16至圖10-18所示。
① 下行非協(xié)作傳輸，即基站將（重傳）調度信息和下行數據包發(fā)送給中繼節點(diǎn)，下行數據初傳和重傳都是在中繼節點(diǎn)和用戶(hù)終端之間進(jìn)行，基站不參與向用戶(hù)終端的下行數據傳輸；
② 下行協(xié)作初傳和重傳，即基站將（重傳）調度信息和下行數據包發(fā)送給中繼節點(diǎn)，下行數據的初傳和重傳都是由基站和中繼節點(diǎn)協(xié)作完成的；
③ 下行協(xié)作重傳，即下行數據初傳在基站和用戶(hù)終端之間進(jìn)行，當需要重傳時(shí)，基站將重傳調度信息發(fā)送給中繼節點(diǎn)，基站和中繼節點(diǎn)協(xié)作向用戶(hù)終端發(fā)送下行數據包。
圖10-16 下行非協(xié)作傳輸
圖10-17 下行協(xié)作初傳和重傳步驟
圖10-18 下行協(xié)作重傳步驟
總體上看，3GPP RAN1對類(lèi)型Ⅱ中繼的研究還處于初步的可行性討論階段，具體的工作方案還沒(méi)有一致的意見(jiàn)。
中繼高層技術(shù)
中繼研究的首要問(wèn)題是類(lèi)型I中繼的架構選擇，根據協(xié)議棧結構的不同，中繼架構主要分為架構A和B。架構A包含3種架構選項，分別稱(chēng)為Alt1、Alt2和Alt3；架構B只包含一種架構選項，稱(chēng)為Alt4。
中繼架構A
圖10-19 RN網(wǎng)絡(luò )架構示意圖—架構A
從圖10-19可以看出，架構選項Alt1、Alt2和Alt3的差異對于RN而言是透明的，它們屬于同一種架構體系，之間的區別體現在將不同的功能實(shí)體集成到DeNode B中。在A(yíng)lt1中，DeNode B功能和RN的Relay-UE對應的SGW/PGW功能分別位于不同的物理節點(diǎn)；而在A(yíng)lt2和Alt3中，DeNode B功能和RN的Relay-UE對應的SGW/PGW功能被集成到DeNode B中。
需要注意的是，圖10-19中的中繼GW功能是可選的，其只存在于架構選項Alt2中。中繼網(wǎng)關(guān)用于完成Home eNode B GW的功能，集成在DeNode B實(shí)體中，其使得DeNode B可以以代理的方式查看并中轉經(jīng)過(guò)其傳輸的S1接口和X2接口消息。中繼網(wǎng)關(guān)功能對于RN、UE的核心網(wǎng)節點(diǎn)以及其他eNode B而言都是不可見(jiàn)的。
對于上述3種架構選項，現有的S1接口協(xié)議無(wú)需做任何改動(dòng)。在A(yíng)lt1和Alt3下，DeNode B只是將被封裝入隧道的S1接口消息映射到一條Un接口承載上進(jìn)行傳輸，DeNode B無(wú)法獲悉其中轉的S1接口消息的具體內容。在A(yíng)lt2中，DeNode B可以獲悉經(jīng)其中轉的S1接口消息。Alt2中DeNode B的中繼GW功能帶來(lái)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是降低了DeNode B下RN的數量擴展對UE核心網(wǎng)節點(diǎn)的影響。DeNode B將為UE服務(wù)的RN與UE的核心網(wǎng)節點(diǎn)屏蔽開(kāi)，在UE的核心網(wǎng)節點(diǎn)看來(lái)RN控制的小區就是DeNode B所控制的小區；同時(shí)DeNode B對RN屏蔽了UE的核心網(wǎng)節點(diǎn)，在RN看來(lái)DeNode B就是UE的核心網(wǎng)節點(diǎn)。
與S1接口協(xié)議類(lèi)似，對于上述3種架構選項，X2接口協(xié)議也無(wú)需做任何改動(dòng)。在A(yíng)lt2下，DeNode B能夠獲悉經(jīng)其中轉的X2接口消息。在A(yíng)lt2下，DeNode B對鄰eNode B屏蔽了其服務(wù)的RN，在鄰eNode B看來(lái)RN控制的小區就是DeNode B所控制的小區；DeNode B對RN屏蔽了鄰eNode B，在RN看來(lái)其鄰小區都是DeNode B控制的小區。
1．Alt1/3中的數據傳輸過(guò)程
對于A(yíng)lt1和Alt3，UE和RN承載以及下行數據包傳輸過(guò)程如圖10-20所示。
（1）發(fā)往UE的數據包由UE的PGW根據相應的數據包過(guò)濾規則（通常根據數據包所屬業(yè)務(wù)的QoS進(jìn)行分類(lèi)）確定其所屬的UE EPS承載，并通過(guò)對應的GTP隧道（位于UE的SGW/PGW和RN之間）進(jìn)行傳輸。
（2）對于上述數據包，UE SGW/PGW根據包過(guò)濾規則分類(lèi)（通常根據數據包所屬業(yè)務(wù)的QoS進(jìn)行分類(lèi)）確定其所屬的RN EPS承載類(lèi)型，并在IP包頭中的DS域中進(jìn)行指示。
（3）RN的PGW接收到目的地址為RN的GTP隧道數據包，根據數據包過(guò)濾規則（基于IP包頭中的DS域）將其分類(lèi)為不同的RN承載，并根據分類(lèi)結果將該數據包通過(guò)第二層GTP隧道（位于RN的SGW/PGW和DeNode B之間）進(jìn)行傳輸。對于由同一個(gè)RN服務(wù)的多個(gè)UE，具有相似QoS需求的多條UE EPS承載被映射到同一條RN EPS承載上。
圖10-20 用戶(hù)數據傳輸過(guò)程—Alt1/3
（5）RN維護UE GTP隧道與UE無(wú)線(xiàn)承載之間的一一映射關(guān)系，根據收到的數據包所屬的UE GTP隧道確定對應的UE無(wú)線(xiàn)承載，并在Uu接口將數據包發(fā)往UE。
在上行，RN基于UE承載的QCI來(lái)完成UE承載到RN承載的映射。
2．Alt2中的數據傳輸過(guò)程
圖10-21 用戶(hù)數據傳輸過(guò)程—Alt2
（1）DeNode B可以通過(guò)解析S1消息知道每一條UE EPS承載的QoS信息，所以，由DeNode B基于收到的數據包所屬的UE EPS承載的QCI（通過(guò)承載設置時(shí)建立起的GTP TEID與之的關(guān)系進(jìn)行過(guò)濾）確定該數據包所屬的RN無(wú)線(xiàn)承載。
（2）DeNode B將從SGW/PGW來(lái)的UE承載的GTP隧道轉化為另一條指向RN的UE承載GTP隧道，二者為一對一映射。這種將UE承載GTP隧道截斷的做法使得RN和核心網(wǎng)相互之間不可見(jiàn)，提高了網(wǎng)絡(luò )的可擴展性。
對于上行，RN基于UE承載的QCI完成UE承載到RN承載的映射。
對比圖10-20和圖10-21，可以看出一個(gè)顯著(zhù)的區別是：在A(yíng)lt1/3下，UE承載GTP隧道對DeNode B是不可見(jiàn)的；而在A(yíng)lt2下，UE承載GTP隧道對DeNode B是可見(jiàn)的。
需要說(shuō)明的是，EPS承載由GTP隧道和對應的無(wú)線(xiàn)承載組成。在A(yíng)lt2和Alt3中，由于DeNode B中集成了RN的SGW/PGW功能，RN承載的GTP隧道在邏輯上仍然是存在的，所以RN的EPS承載也是客觀(guān)存在的。這形成了架構A的另一個(gè)特征：UE EPS承載與RN EPS承載之間存在嵌套關(guān)系。
架構A中的3種選項中各具優(yōu)勢：Alt1對現有網(wǎng)絡(luò )具有最好的兼容性；Alt3將RN的SGW/PGW功能并入DeNode B后，減少了數據傳輸途徑的節點(diǎn)數，相比Alt1降低了數據傳輸時(shí)延；Alt2下，RN所服務(wù)的UE的信息對DeNode B可見(jiàn)，為進(jìn)一步進(jìn)行流程優(yōu)化提供了可能。
架構A的3種子選項采用了相同的Un接口。這意味著(zhù)，同一種RN可以適用于架構A的所有子選項，在標準上無(wú)需對架構A下的3種RN架構再做區分，這也為網(wǎng)絡(luò )部署帶來(lái)了實(shí)現的靈活度。運營(yíng)商可以選擇Alt1，對現有網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行簡(jiǎn)單升級后快速部署RN；也可以選擇Alt2和Alt3，對現有網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行復雜升級后部署RN，以獲得更好的網(wǎng)絡(luò )性能。
中繼架構B
架構B的特征為：S1接口的用戶(hù)平面終結于DeNode B，而控制平面終結于RN。此架構下，DeNode B集成了中繼GW的功能，可以解析經(jīng)過(guò)其傳遞的S1和X2接口消息。與Alt2類(lèi)似，從核心網(wǎng)節點(diǎn)和相鄰eNode B看來(lái)，RN表現為DeNode B管理下的小區。
圖10-22 RN網(wǎng)絡(luò )架構示意圖—架構B
在架構B下，RN PGW/SGW雖然對User-UE的數據傳輸過(guò)程沒(méi)有貢獻，但其仍然是不可缺少的，因為RN的控制信息，如OAM信息等，需要經(jīng)過(guò)RN PGW/SGW發(fā)送到RN。
GTP隧道不延伸到Un接口也會(huì )帶來(lái)一定的缺點(diǎn)，如DeNode B對于收到的需要中轉給RN的用戶(hù)平面數據，需要先對其做協(xié)議轉換，即先從GTP隧道中取出，再發(fā)送給RN，這一過(guò)程的引入無(wú)疑增加了協(xié)議的復雜度。
對于A(yíng)lt4，UE和RN的承載以及下行數據包傳輸過(guò)程如圖10-23所示。
對于連接到RN的UE，其每一條GTP隧道將和Un接口的RN無(wú)線(xiàn)承載一一映射，即每條GTP隧道獨占一條Un接口RN無(wú)線(xiàn)承載。需要注意的是，獨享的UE RN承載不含有GTP隧道的標識信息，所以不是GTP隧道。與架構A使用GTP隧道的標識信息用于區分不同UE承載不同，架構B需要在Un接口的PDCP，RLC或者M(jìn)AC 協(xié)議層需要增加UE標識，即需要對Uu接口的MAC/RLC/PDCP協(xié)議需要進(jìn)行改造。
圖10-23 用戶(hù)數據傳輸步驟—Alt4
架構選擇
架構A的優(yōu)勢在于對協(xié)議影響小，部署靈活，而缺點(diǎn)是Un接口效率低。架構B的優(yōu)點(diǎn)在于Un接口效率高，但缺點(diǎn)是對現有協(xié)議過(guò)程的改動(dòng)較大。兩種架構相比各有優(yōu)勢和不足，尚需進(jìn)一步的評估。
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