Relay技术引入对无线网络规划的思考与研究

董江波, 程伟, 陈燕雷, 韩云波

（1 中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080；2 工业和信息化部电信研究院，北京 100083)

LTE以其高速率低时延等优点，得到世界各主流通信设备商和运营商的广泛关注。当前各地LTE测试工作不断展开，并逐步开始规模商用。作为LTE的平滑演进，LTE-Advanced系统能够保持与LTE良好的兼容性；并且提供更高的峰值速率和吞吐量，下行的峰值速率为1Gbit/s，上行峰值速率为 500Mbit/s；具有更高的频谱效率，下行链路将提高到30bit/s/Hz，上行链路将提高到15bit/s/Hz；支持多种应用场景，提供从宏蜂窝到室内场景的无缝覆盖。为了满足上述要求，LTEAdvanced系统引入载波聚合(Carrier Aggregation，CA)、多天线增强(Enhanced MIMO)、中继技术(Relay)和多点协作传输(Coordinated Multi-point Tx/Rx， CoMP)等关键技术。3GPP R10版本满足了LTE Advanced系统的最小功能需求，在后续R11以及R12版本中对上述新技术进一步完善。随着移动互联网时代的到来，小区吞吐量以及边缘用户吞吐量成为影响用户体验的重要因素，而Relay、CA等新技术作为提升小区边缘以及小区平均吞吐量的重要手段，很可能会加速应用。

因此，在LTE扩大规模试验网运营期间，及时研究LTE-Advanced系统新技术，特别是研究R10版本中引入的新技术对于未来无线网络规划的影响将十分重要，是未来快速高质进行LTE网络建设和运营的基础。本文就主要围绕LTE-Advanced系统R10版本中重要关键技术Relay的新技术点和技术性能展开研究，然后在此基础上对这些新技术对无线网络规划、无线网络结构以及无线网络规划工具研发的影响进行深入分析。

1 Relay的技术特点

在LTE-Advanced系统中，Relay作为核心技术之一，在引入基带信号处理功能后不仅能够放大信号，抵抗移动信道的大尺度衰落，从而扩展网络覆盖的能力；而且还可以抑制干扰与噪声，具备提高网络容量的可能。

依据不同的功能定位，3GPP共定义了两种类型的Relay，分别是类型1 Relay与类型2 Relay。类型1Relay拥有独立的物理层小区ID，独立的同步信道和独立的公共导频；为了确保系统后向兼容，R8版本的LTE UE可将类型一Relay视为R8版本的LTE eNB；为了获得更好的系统性能，未来基于R10版本的LTE-Advanced UE可区分类型1Relay与LTE eNB。类型2 Relay不具备独立的物理层小区ID，不能建立新的小区；R8版本的LTE UE不会察觉到类型2 Relay的存在。

Relay作为中继节点，十分关键的就是对于回传（Backhaul）链路的设计以及回传子帧中R-PDCCH和R-PDSCH信道的设计。下面将分别进行介绍。

1.1 回传链路设计

对于回传链路，当eNB与Relay通信时，目前并没有限定eNB端使用子帧的结构，但是由于在10 ms帧结构中，子帧0和子帧5传同步信号，FDD的子帧4和子帧9，TDD的子帧1和子帧6用来传寻呼(Paging)信号， 因此FDD的子帧{0，4，5，9}和TDD的子帧{0，1，5，6}不能够作为回传子帧承载eNB到Relay之间的通信。

对于回传链路的Relay侧，为了保证在该子帧内，Relay能够接收到下行回传的控制信令，而又不影响Relay从eNB接收下行数据，因此将Relay处的接收回传的子帧配置为MBSFN子帧。在该子帧中，Relay首先在MBSFN的控制信令部分向其服务的UE发送下行PDCCH信道，然后经过一个由发送到接收的转换时间后， Relay开始从eNB接收回传下行的数据。而此时，对于Relay服务的UE来说，由于其收到的调度指示该子帧为MBSFN子帧，因此这些UE在接收完该子帧的控制信道部分后，就不再接收其后的数据部分了，因此对Relay服务的UE，此时是一个下行的空白时间段，如图1所示。

图1 Relay下行子帧数据传输示意图

其中，Relay首先在其自己所在子帧内进行下行的传输；在回传子帧内，Relay首先向其UE发送下行PDCCH信道，然后开始从eNB接收回传下行的数据，此时Relay服务的UE没有任何的数据传输。在3GPP R10版本中，最终确定TD-LTE中Relay 回传子帧配置列表如表1所示，其中TDD子帧配置0由于下行子帧过少，没有多余的子帧用作回传子帧；而TDD子帧配置5，由于上行子帧过少，也没有多余的子帧用作回传子帧；因此可以配置回传子帧的TDD子帧配置就是1、2、3、4、6这5种。在36.216 V10.1.0中决定用作回传的子帧列表如表1所示18种。

表1 TD-LTE Relay回传子帧配置表

1.2 R-PDCCH以及R-PDSCH信道设计

由于主服务eNB发给Relay节点的数据被最终决定放在MBSFN子帧中传输，而主服务eNB发给Relay节点的数据又分为数据部分（R-PDSCH）和控制信令部分（R-PDCCH），因此，R-PDSCH和R-PDCCH如何复用成为一个重要问题。

从复用方式上可以分成TDM、FDM、TDM+FDM等3种方式来确定R-PDSCH以及R-PDCCH的传输方案。

图2 R-PDCCH/R-PDSCH复用示意图（省略了gap）

如图2所示，区域A、B用来放置R-PDCCH或者R-PDSCH。区域C用来放置主服务eNB给宏小区服务UE的PDSCH。同时，R-PDSCH不能和R-PDCCH放在同一个区域。

2 Relay的技术性能研究

下面主要通过仿真来对Relay新技术性能进行研究。在仿真中，假设整个服务区由3层19个小区组成。小区的形状为6边形，每个小区分为3个扇区，每个扇区天线主瓣的中心指向六边形的一条边，天线间夹角为120°，每个扇区固定撒1、2、4、10个Relay节点，每个扇区均匀撒25个用户，由接收功率大小判断用户的服务基站，Relay节点摆放方案如图3所示。

在仿真中，采用了Relay节点的70°定向接收天线（DA）指向其服务eNB以及直接对路损和LOS概率进行补偿（SP）这两种方法来增强回传链路的质量，图4中3种方案分别比较了这两种加强方案使用以及部分使用的性能。

当每个扇区分布10个RN时，回传链路的SINR CDF曲线图如图4所示，从仿真结果可以看出采用加强技术时，网络的平均SINR水平能够提升约7dB。

在仿真中接入链路（Access，UE到Relay节点）、回传链路（Backhaul，Relay节点到服务eNB）和直连链路（Direct，eNB到宏小区UE）的快衰模型分别基于ITU UMa、UMi、macro-relay；Un子帧配置以40ms为周期，在3种Un子帧配置下，Un与Uu的子帧比例分别为24：16，9：31，3：37。所有用户，包括宏小区服务UE和Relay服务UE的吞吐量仿真结果，以及Relay服务 UE的百分比如表2所示。

图3 RN摆放方案

图4 回传链路SINR CDF分布曲线

由此可以得出，从小区平均吞吐量的角度考虑随着小区中Relay节点数量的增加，Relay节点服务的用户数逐渐增多，宏基站服务下的用户信道质量逐渐变好，小区平均吞吐量逐渐增大；但是小区边缘吞吐量随着Relay节点下服务用户数的增多，每小区10个RN下的边缘吞吐量小于每小区4个RN下的边缘吞吐量。由此我们可以看出，在实际网络运营中，每个小区最大可部署的RN数量以及Un子帧的配置比例均需要根据实际无线网络环境进行优化配置。

表2 不同子帧配置以及不同RN数量下吞吐量仿真结果

3 Relay引入对无线网络规划的影响

3.1 对覆盖范围的影响

传统的小区选择的方法是Relay服务UE导频信号强度超过eNB服务该UE信号强度的区域为Relay覆盖区域，此时UE归属于Relay节点；反之，eNB服务UE导频信号强度超过Relay服务UE信号强度的区域为BS覆盖区域，此时UE归属于eNB节点。这种方法会导致接入Relay的用户数少，而接入eNB的用户数多。因为eNB的发射功率大，而Relay的发射功率较小。并且eNB的站高通常与Relay节点的站高差距较大。这样会抑制Relay的性能增益。因此需要扩展Relay节点的覆盖范围。

传统的小区选择机制是指用户在Relay节点与eNB之间的小区选择基于以下公式：

根据UE接收到的导频功率进行比较，UE到所有eNB和Relay节点的导频接收功率中选择导频接收功率最大的小区作为其归属小区。新的小区选择机制是指用户在Relay节点与eNB之间的小区选择基于以下公式：

biasi为小区选择偏移值。其中eNB对应的bias值为0，Relay对应的bias值为δ，这样就使得更多的用户选择Relay作为自己的归属小区，扩大了Relay的覆盖范围。bias值越大Relay的覆盖范围越大。但此时可能对于那些不采用bias归属于eNB，而采用bias后归属于Relay的用户来说，现在宏基站对于这些用户存在强干扰。所以bias的取值十分重要，δ取值过低，Relay覆盖范围扩展带来的增益不明显；bias的取值过高，又会造成某些用户受到的干扰过大，导致信噪比过低而无法解调。

在未来无线网络规划与运营中，恰当地发挥Relay节点的作用提升TD-LTE网络的覆盖性能将依赖于上述参数的规划与配置。而这些参数的取值均需要在实际现网中根据不同场景进行验证。

3.2 对无线资源分配的影响

对于Relay节点来说回传链路与接入链路采用时分复用的方式。那么在非回传子帧内，对于接入链路和直连链路而言，接入服务eNB与接入Relay节点的RB资源分配方式将影响网络容量的性能。如果接入链路和直连链路采用完全相同的频率资源，那么对于上下行链路受到的干扰将来自于所有Relay节点和eNB。

[8]的假设，设定系统可用带宽内PRB资源数目为N，eNB可用资源为N1，Relay1可用资源为N2，Relay2可用资源为N3，……Relay m可用资源为Nm，从效率角度考虑有如下关系式：

图5 eNB用户和Relay用户使用不同的频率资源

当N1=N2=…=N时，由于eNB用户和Relay用户使用的资源完全重叠，如图6所示，干扰最为严重，但系统可用资源最多，系统容量可能较大。

图6 eNB用户和Relay用户使用重叠的频率资源

Relay节点引入后不同的无线资源分配方法从理论上均各有优势，而在真正复杂的无线网络环境中，如何才能最大化地减小eNB用户与Relay用户之间的干扰，发挥Relay节点对于覆盖以及吞吐量提升的优势，将需要无线网络规划过程中结合实际环境进行深入评估。

4 小结

本文首先对LTE-Advanced中的关键技术Relay从技术原理以及涉及到的关键技术点进行深入研究，明晰了R10版本中Relay的实现方式。通过系统仿真的方式对Relay引入后的系统性能进行了评估。通过仿真结果显示，合理应用Relay技术能够提升小区吞吐量以及边缘用户吞吐量，从而提升LTE网络中的用户体验。最后，从无线网络规划的角度，深入分析了Relay引入后对覆盖、容量、无线资源分配等方面的影响，为后续进行LTE-Advanced的无线网络规划以及无线网络规划工具的开发奠定了技术基础。

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