基于中继技术的LTE-A终端省电方案

吴德操，李方伟，朱 江

（重庆邮电大学 移动通信重点实验室，重庆 400065）

0 引言

作为LTE的演进版本，LTE-A可以满足未来无线通信市场的更高需求和更多应用，满足和超过IMT-Advanced的需求，同时还保持对LTE较好的向后兼容性[1]。LTE-A将提供1 Gbit/s的下行速率和500 Mbit/s的上行速率，成为4G通信技术的最佳候选方案。但更高的通信速率给终端功率控制带来了更大难度。同时，由于需要启用5 GHz及以上频率，电磁波衍射能力减弱导致小区覆盖缩小的问题也不容忽视。特别是在室内复杂环境下，终端设备需要使用更高发射功率以保证通信稳定可靠，使其功率增加，待机时间得不到保证。中继技术可通过信号接力的方式“拉近”终端和基站的距离，增强高速率下的信号覆盖，提升由建筑阻挡产生的深衰落区域的信号水平，3GPP已将其纳入LTE-A协议关键技术之一。

1 基于中继技术的终端省电技术

1.1 室内场景下的LTE-A中继通信

如图1所示，在家庭或办公室等移动终端（UE）相对固定的场景部署中继节点（RN），移动终端仅需与中继节点交换数据，由中继节点将数据转发至基站（eNodeB），移动终端通信距离大大缩短，有效降低其发射功率。

不过购置中继设备不但会提高LTE-A系统的使用成本和维护成本，而且为每个办公室添置中继设备也是不现实和不便捷的。由此，本文提出将中继技术集成于移动终端内部，在特定环境下为附近的其他用户提供中继服务，以降低部署中继器的成本，提高便利性和灵活性，并达到为附近用户省电的目的。

图1 中继节点降低终端发射功率演示

1.2 集成中继功能的LTE-A终端应用方案

将中继功能集成进LTE-A移动终端的最大障碍是电能问题。移动终端通常使用电池供电，无法支持启用中继服务所需的较大功耗。因此，本方案定义在移动终端处于充电状态时启用中继服务，断开电源时自动结束服务，从而避开电能问题，如图2所示。

现今的智能移动通信终端（如智能手机）因内建操作系统，功能强大而受到越来越多用户的青睐，但受到电池技术和智能终端自身较高功耗的限制，其不间断使用时间一般不超过4 h。因此，在家庭或办公室等室内场景中，用户时常需要为智能移动通信终端重新充电。此时，移动终端摆脱电能限制，当集成中继功能后，可切换到中继模式，为附近其他终端提供中继服务，最小化发射功率，从而达到省电的目的。

事实上，办公室等人群密集的室内场景中很容易找到正在充电的移动终端，或者可有意地将某个移动终端维持在充电模式下，并启用中继服务，而办公室中用户移动较少，即附近用户的大多数时间可通过中继终端进行通信，因此本方案达到的省电效果是显而易见的。

图2 集成中继功能的移动终端

1.3 集成中继的LTE-A移动终端的硬件实现

LTE-A中继节点一般工作在解码前传方式下，需要同时对多路信号进行实时编解码，需要较大计算量。如果将中继协议嵌入移动终端的基带处理器并完成所有运算，势必大大提高其复杂度，增加芯片功耗。这里，本文引入软件协助方式来实现中继服务。

现今智能移动终端大多集成高速通用ARM核心处理多媒体数据，如图3所示，主频可达1 GHz。而当LTE-A正式商用时，其性能更将成倍提高，将部分运算交由通用ARM核心完成，以软件方式实现无线链路控制（RLC）、无线资源控制（RRC）等高层中继协议，则无需对硬件进行太大改动即可集成中继服务，同时也可增强中继服务的灵活性，降低设计成本。

图3 智能终端硬件架构

2 中继协议

中继服务协议物理层主要使用同频分时传输的方式进行，基本时隙结构如图4所示。

终端数据由移动中继节点解码后重新编码并向基站转发，双方占用同一信道交替收发数据。由于终端与移动中继节点通信的发射功率很低，基站可通过空分复用分配终端数据发射时隙，从而不会对系统容量产生太大影响，这在LTE-A的分时模式（TD mode）下是较容易实现的。

LTE-A中继节点拥有独立小区ID[1]，即以微基站的形式存在,可发送自己的同步码、控制信令，能对所管辖终端进行基本管理。中继节点和基站间的信令交换由独立信道完成。而终端能够识别各个中继节点，进而可选择驻留稳定性较高的中继小区。移动中继节点可通过软件界面设置相关防火墙，能够阻止非法接入，并对下属终端进行接入管理，提供资源分配、优先级分配等。

3 基于V-MIMO技术的多中继协作传输

当附近多个移动终端因接洽电源而启用中继模式时，它们的距离一般可大于相关距离，即λ/2，因此可启用虚拟多进多出（Virtual Multiple Input Multiple Output，V-MIMO）[2]技术与基站连接。这时多个移动中继节点完成配对后，可在同一信道同时发送数据，由基站根据信号的正交性进行解码，从而提高系统容量和数据吞吐率。

具体流程为：终端检测到多个稳定的移动中继节点时，随即向多个节点的中继微小区申请驻留。这些移动中继节点将向基站申报该驻留信息。当用户终端激活通信后，基站根据微基站驻留列表对中继节点进行配对，并向终端反馈编码方式、数据分配等信令，并最终建立通信。原理图与基本时隙结构如图5和图6所示。

V-MIMO编码方式根据信道状况，可选择正交空时分组码（STBC）[3]或分层空时码（V-BLAST）[4]。当信道良好时选用分层空时码，可显著提高传输速率。当信道较差时选用正交空时分组码，可降低误码率，提高传输质量。

4 系统性能仿真

4.1 仿真模型

系统仿真模型如图7所示，移动终端UE与移动中继终端RN上行均采用QPSK调制，DFT-s-OFDM多址传输。UE发射功率为0～24 dBm，RN使用最大发射功率24 dBm。室外损耗模型采用“Cost231-Hata修正模型”（适用频率1 500～2 300 MHz）[5-7]。室内损耗模型采用“室内衰减因子模型”[8]。由于UE与RN处于静止，忽略快衰落因子，如多普勒效应产生的衰落。

仿真参数如表1所示。

表1 仿真模型参数

其中，Cost231-Hata修正模型为

式中：f表示发射频率，取值2 300 MHz；d表示收发天线距离，取值0.2 km；Hm表示终端高度，取值10 m；Hb表示基站高度，取值50 m。由此可知，200 m处的城市室外路径损耗约为104.4 dB。室内路径损耗因子模型为

式中：nSF表示同层损耗因子，取值3.0；PL（d0）表示近地参考距离d0的自由空间衰减值，取值1 m；FAF表示不同层损耗，取值0 dB。由式（2）可得，10 m处的室内路径损耗约为68 dB。附加室内多径衰落，取最大值10 dB，合计损耗为78 dB。

4.2 仿真结果及性能分析

Matlab仿真结果如图8所示，比较终端连接移动中继节点和未连接移动中继节点的情况，可见连接移动中继节点时，终端在较低发射功率条件下可有效降低传输误码率，保证正常通信。当终端功率提高时，连接中继的误码率则趋近中继与基站间的误码率。

图8 Matlab仿真结果

5 小结

本文提出了在LTE-A系统下，将中继功能集成入终端的应用方案，该方案硬件改动较小、部署灵活，能显著提升特定场景下附近终端的通信性能，降低发射功率，从而达到终端省电的目的。

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