中繼技術(shù)（增加基站與移動(dòng)臺(tái)間中繼節(jié)點(diǎn)的技術(shù)）
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中繼技術(shù)
增加基站與移動(dòng)臺(tái)間中繼節(jié)點(diǎn)的技術(shù)
中繼（Relay）技術(shù)，就是在基站與移動(dòng)臺(tái)之間增加了一個(gè)或多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)對(duì)無(wú)線信號(hào)進(jìn)行一次或者多次的轉(zhuǎn)發(fā)，即無(wú)線信號(hào)要經(jīng)過(guò)多跳才能到達(dá)移動(dòng)臺(tái)。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(jī)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(tǒng)，LTE-Advanced可能使用覆蓋能力較差的高頻載波以及支持高數(shù)據(jù)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(tǒng)的有線連接方式，會(huì)對(duì)運(yùn)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(yīng)用前景，因此吸引了眾多運(yùn)營(yíng)商和廠商的興趣。
中繼節(jié)點(diǎn)（RN，Relay Node）通過(guò)無(wú)線連接到其歸屬的eNode B小區(qū)（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(qū)之間的接口為Un接口，或稱回程鏈路（Backhaul Link）；
② R-UE（歸屬到RN的UE）與RN之間的接口為Uu接口，或稱接入鏈路（Access Link）；
③ UE與eNode B之間的接口為Uu接口，或稱直傳鏈路（Direct Link）。
根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)功能的不同，可以將中繼分為如下的類型。
（1）按照RN接入Donor cell的方式分類
① 帶內(nèi)（Inband）RN：回程鏈路和接入鏈路復(fù)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
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
① 不獨(dú)立管理小區(qū)的RN：此類RN沒(méi)有獨(dú)立的小區(qū)ID，沒(méi)有獨(dú)立的無(wú)線資源管理功能（至少部分無(wú)線資源管理功能主要由Donor Cell所在的eNode B完成）。Smart repeater、解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼，層2中繼以及后面描述的類型2中繼都屬于此類的RN。
圖10-8 幾種中繼技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景
圖10-9 引入中繼節(jié)點(diǎn)后的空中接口
② 獨(dú)立管理小區(qū)的RN：此類RN具有獨(dú)立的小區(qū)ID，具有獨(dú)立的無(wú)線資源管理功能，其管理的小區(qū)能夠接入LTE R8終端。層3中繼以及后面描述的類型Ⅰ中繼都屬于此類的RN。
中繼物理層技術(shù)
類型1 中繼（Type I Relay）
① 類型Ⅰ中繼是帶內(nèi)中繼（Inband Relay）。
② 類型Ⅰ中繼管理獨(dú)立的小區(qū)，并擁有獨(dú)立的物理層小區(qū)ID，發(fā)送獨(dú)立的同步信號(hào)、參考符號(hào)等。
③ 歸屬到類型Ⅰ中繼的R-UE直接從中繼節(jié)點(diǎn)接收調(diào)度信令和HARQ反饋信令，并直接向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送上行控制和反饋信息。
④ 類型Ⅰ中繼允許LTE R8終端的接入。
⑤ 對(duì)于LTE-A終端，類型Ⅰ中繼允許提供有別于普通LTE R8 eNode B的增強(qiáng)特性以提高系統(tǒng)性能。
可以看到，類型Ⅰ中繼屬于前面提到的帶內(nèi)、非透明、獨(dú)立管理小區(qū)的RN，類型Ⅰ中繼具有與普通eNode B類似的功能。
根據(jù)前面的定義，帶內(nèi)類型的RN在接入鏈路和回程鏈路上復(fù)用相同的載波頻率資源，若這兩條鏈路的信號(hào)收發(fā)同時(shí)進(jìn)行，由于RN節(jié)點(diǎn)的收/發(fā)通道之間并不總是有良好的信號(hào)隔離，因此，將出現(xiàn)RN的發(fā)送信號(hào)干擾自身的接收信號(hào)的情況，如圖10-10所示。為了避免此類自干擾的出現(xiàn)，類型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(duì)TDD模式的類型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(nèi)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(duì)控制區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量，為了保證類型Ⅰ中繼進(jìn)行回程鏈路的接收不對(duì)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(qū)域，RN接收來(lái)自于Donor eNode B的下行回程數(shù)據(jù)，同時(shí)不向R-UE發(fā)送任何信號(hào)。基站通過(guò)高層信令告知RN作為回程傳輸?shù)南滦凶訋Ｍ瑫r(shí)，基站需要預(yù)先告知RN作為回程傳輸?shù)纳闲凶訋琑N避免在這些上行子幀中對(duì)R-UE進(jìn)行調(diào)度。
圖10-11 MBSFN子幀接收Donor eNode B數(shù)據(jù)
圖10-12 兩種不同的RN幀配置方式
（1）常規(guī)R-PDCCH：Donor eNode B為歸屬于其下的多個(gè)RN分配相同的R-PDCCH區(qū)域，每個(gè)RN在該公共區(qū)域內(nèi)采用類似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分配專屬的R-PDCCH資源，每個(gè)RN在各自的資源內(nèi)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(shù)據(jù)傳輸信道）的復(fù)用設(shè)計(jì)。目前有如下的3種復(fù)用設(shè)計(jì)方案尚在討論中，為簡(jiǎn)單起見，這里沒(méi)有描述RN收發(fā)切換對(duì)回程傳輸帶來(lái)的影響。
（1）TDM復(fù)用方式：在MBSFN子幀的非控制區(qū)域中，R-PDCCH與R-PDSCH為單純的時(shí)分復(fù)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(tǒng)帶寬，時(shí)間上占用的OFDM符號(hào)數(shù)目可以由基站配置。
圖10-13 R-PDCCH與R-PDSCH時(shí)分復(fù)用
圖10-14 R-PDCCH與R-PDSCH頻分復(fù)用
圖10-15 R-PDCCH與R-PDSCH時(shí)/頻分混合復(fù)用
類型Ⅱ 中繼（Type II Relay）
在討論“類型Ⅰ中繼”的同時(shí)，3GPP RAN1也對(duì)其他的中繼類型進(jìn)行了研究，一種“類型Ⅱ中繼”方案吸引了部分公司的研究興趣，類型Ⅱ中繼具有如下的特性：
① 類型Ⅱ中繼是一種帶內(nèi)中繼節(jié)點(diǎn)；
② 它沒(méi)有獨(dú)立的物理層小區(qū)標(biāo)識(shí)，不能創(chuàng)建新的小區(qū)；
③ 它對(duì)LTE R8終端是透明的，即此類終端意識(shí)不到Type II中繼節(jié)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，類型Ⅱ中繼屬于“不獨(dú)立管理小區(qū)的”、“透明的”中繼類型，主要用于增強(qiáng)終端的PDSCH接收性能，從而達(dá)到提高小區(qū)整體吞吐量的目的。類型Ⅱ中繼由于不發(fā)送CRS和PDCCH等公共信號(hào)，因此不能作為擴(kuò)展小區(qū)覆蓋的解決方案。類型Ⅱ中繼的工作方案，主要有如下的3種類型，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(diào)度信息和下行數(shù)據(jù)包發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)，下行數(shù)據(jù)初傳和重傳都是在中繼節(jié)點(diǎn)和用戶終端之間進(jìn)行，基站不參與向用戶終端的下行數(shù)據(jù)傳輸；
② 下行協(xié)作初傳和重傳，即基站將（重傳）調(diào)度信息和下行數(shù)據(jù)包發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)，下行數(shù)據(jù)的初傳和重傳都是由基站和中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成的；
③ 下行協(xié)作重傳，即下行數(shù)據(jù)初傳在基站和用戶終端之間進(jìn)行，當(dāng)需要重傳時(shí)，基站將重傳調(diào)度信息發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)，基站和中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)作向用戶終端發(fā)送下行數(shù)據(jù)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(duì)類型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。
中繼高層技術(shù)
中繼研究的首要問(wèn)題是類型I中繼的架構(gòu)選擇，根據(jù)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)的不同，中繼架構(gòu)主要分為架構(gòu)A和B。架構(gòu)A包含3種架構(gòu)選項(xiàng)，分別稱為Alt1、Alt2和Alt3；架構(gòu)B只包含一種架構(gòu)選項(xiàng)，稱為Alt4。
中繼架構(gòu)A
架構(gòu)A的特征為：S1接口的用戶平面和控制平面都終結(jié)于RN。在架構(gòu)A中，Alt1是其中最基礎(chǔ)的架構(gòu)選項(xiàng)，Alt2和Alt3是對(duì)Alt1進(jìn)行優(yōu)化得到的。
圖10-19 RN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖—架構(gòu)A
從圖10-19可以看出，架構(gòu)選項(xiàng)Alt1、Alt2和Alt3的差異對(duì)于RN而言是透明的，它們屬于同一種架構(gòu)體系，之間的區(qū)別體現(xiàn)在將不同的功能實(shí)體集成到DeNode B中。在Alt1中，DeNode B功能和RN的Relay-UE對(duì)應(yīng)的SGW/PGW功能分別位于不同的物理節(jié)點(diǎn)；而在Alt2和Alt3中，DeNode B功能和RN的Relay-UE對(duì)應(yīng)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(gòu)選項(xiàng)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(zhuǎn)經(jīng)過(guò)其傳輸?shù)腟1接口和X2接口消息。中繼網(wǎng)關(guān)功能對(duì)于RN、UE的核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)以及其他eNode B而言都是不可見的。
對(duì)于上述3種架構(gòu)選項(xiàng)，現(xiàn)有的S1接口協(xié)議無(wú)需做任何改動(dòng)。在Alt1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(zhuǎn)的S1接口消息的具體內(nèi)容。在Alt2中，DeNode B可以獲悉經(jīng)其中轉(zhuǎn)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(shù)量擴(kuò)展對(duì)UE核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的影響。DeNode B將為UE服務(wù)的RN與UE的核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)屏蔽開，在UE的核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)看來(lái)RN控制的小區(qū)就是DeNode B所控制的小區(qū)；同時(shí)DeNode B對(duì)RN屏蔽了UE的核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，在RN看來(lái)DeNode B就是UE的核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。
與S1接口協(xié)議類似，對(duì)于上述3種架構(gòu)選項(xiàng)，X2接口協(xié)議也無(wú)需做任何改動(dòng)。在Alt2下，DeNode B能夠獲悉經(jīng)其中轉(zhuǎn)的X2接口消息。在Alt2下，DeNode B對(duì)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(qū)就是DeNode B所控制的小區(qū)；DeNode B對(duì)RN屏蔽了鄰eNode B，在RN看來(lái)其鄰小區(qū)都是DeNode B控制的小區(qū)。
1．Alt1/3中的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程
對(duì)于Alt1和Alt3，UE和RN承載以及下行數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程如圖10-20所示。
（1）發(fā)往UE的數(shù)據(jù)包由UE的PGW根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)包過(guò)濾規(guī)則（通常根據(jù)數(shù)據(jù)包所屬業(yè)務(wù)的QoS進(jìn)行分類）確定其所屬的UE EPS承載，并通過(guò)對(duì)應(yīng)的GTP隧道（位于UE的SGW/PGW和RN之間）進(jìn)行傳輸。
（2）對(duì)于上述數(shù)據(jù)包，UE SGW/PGW根據(jù)包過(guò)濾規(guī)則分類（通常根據(jù)數(shù)據(jù)包所屬業(yè)務(wù)的QoS進(jìn)行分類）確定其所屬的RN EPS承載類型，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(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包過(guò)濾規(guī)則（基于IP包頭中的DS域）將其分類為不同的RN承載，并根據(jù)分類結(jié)果將該數(shù)據(jù)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(duì)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 用戶數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程—Alt1/3
（5）RN維護(hù)UE GTP隧道與UE無(wú)線承載之間的一一映射關(guān)系，根據(jù)收到的數(shù)據(jù)包所屬的UE GTP隧道確定對(duì)應(yīng)的UE無(wú)線承載，并在Uu接口將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸過(guò)程
圖10-21 用戶數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包所屬的UE EPS承載的QCI（通過(guò)承載設(shè)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(shù)據(jù)包所屬的RN無(wú)線承載。
（2）DeNode B將從SGW/PGW來(lái)的UE承載的GTP隧道轉(zhuǎn)化為另一條指向RN的UE承載GTP隧道，二者為一對(duì)一映射。這種將UE承載GTP隧道截?cái)嗟淖龇ㄊ沟肦N和核心網(wǎng)相互之間不可見，提高了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。
對(duì)于上行，RN基于UE承載的QCI完成UE承載到RN承載的映射。
對(duì)比圖10-20和圖10-21，可以看出一個(gè)顯著的區(qū)別是：在Alt1/3下，UE承載GTP隧道對(duì)DeNode B是不可見的；而在Alt2下，UE承載GTP隧道對(duì)DeNode B是可見的。
需要說(shuō)明的是，EPS承載由GTP隧道和對(duì)應(yīng)的無(wú)線承載組成。在Alt2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承載也是客觀存在的。這形成了架構(gòu)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(gòu)A中的3種選項(xiàng)中各具優(yōu)勢(shì)：Alt1對(duì)現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸途徑的節(jié)點(diǎn)數(shù)，相比Alt1降低了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延；Alt2下，RN所服務(wù)的UE的信息對(duì)DeNode B可見，為進(jìn)一步進(jìn)行流程優(yōu)化提供了可能。
架構(gòu)A的3種子選項(xiàng)采用了相同的Un接口。這意味著，同一種RN可以適用于架構(gòu)A的所有子選項(xiàng)，在標(biāo)準(zhǔn)上無(wú)需對(duì)架構(gòu)A下的3種RN架構(gòu)再做區(qū)分，這也為網(wǎng)絡(luò)部署帶來(lái)了實(shí)現(xiàn)的靈活度。運(yùn)營(yíng)商可以選擇Alt1，對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡(jiǎn)單升級(jí)后快速部署RN；也可以選擇Alt2和Alt3，對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行復(fù)雜升級(jí)后部署RN，以獲得更好的網(wǎng)絡(luò)性能。
中繼架構(gòu)B
架構(gòu)B的特征為：S1接口的用戶平面終結(jié)于DeNode B，而控制平面終結(jié)于RN。此架構(gòu)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類似，從核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和相鄰eNode B看來(lái)，RN表現(xiàn)為DeNode B管理下的小區(qū)。
圖10-22 RN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖—架構(gòu)B
在架構(gòu)B下，RN PGW/SGW雖然對(duì)User-UE的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程沒(méi)有貢獻(xiàn)，但其仍然是不可缺少的，因?yàn)镽N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(duì)于收到的需要中轉(zhuǎn)給RN的用戶平面數(shù)據(jù)，需要先對(duì)其做協(xié)議轉(zhuǎn)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(fù)雜度。
對(duì)于Alt4，UE和RN的承載以及下行數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程如圖10-23所示。
對(duì)于連接到RN的UE，其每一條GTP隧道將和Un接口的RN無(wú)線承載一一映射，即每條GTP隧道獨(dú)占一條Un接口RN無(wú)線承載。需要注意的是，獨(dú)享的UE RN承載不含有GTP隧道的標(biāo)識(shí)信息，所以不是GTP隧道。與架構(gòu)A使用GTP隧道的標(biāo)識(shí)信息用于區(qū)分不同UE承載不同，架構(gòu)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(biāo)識(shí)，即需要對(duì)Uu接口的MAC/RLC/PDCP協(xié)議需要進(jìn)行改造。
圖10-23 用戶數(shù)據(jù)傳輸步驟—Alt4
架構(gòu)選擇
架構(gòu)A的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)協(xié)議影響小，部署靈活，而缺點(diǎn)是Un接口效率低。架構(gòu)B的優(yōu)點(diǎn)在于Un接口效率高，但缺點(diǎn)是對(duì)現(xiàn)有協(xié)議過(guò)程的改動(dòng)較大。兩種架構(gòu)相比各有優(yōu)勢(shì)和不足，尚需進(jìn)一步的評(píng)估。
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