LTE-Advanced系统中Relay技术的研究与应用

李昶，安静

（1.中国移动通信集团河北有限公司，河北 石家庄 050035；2.石家庄职业技术学院信息工程系，河北 石家庄 050081）

LTE-Advanced系统中Relay技术的研究与应用

李昶1，安静2

（1.中国移动通信集团河北有限公司，河北 石家庄 050035；2.石家庄职业技术学院信息工程系，河北 石家庄 050081）

中继技术作为LTE-Advanced的关键技术之一，可以扩大小区的覆盖范围，改善小区边缘用户的性能。首先介绍了Relay的引入背景和网络结构，然后对Relay的分类和双工方式进行了分析，最后选取了城市深度覆盖补盲、高速公路连续覆盖和农村覆盖延伸3个场景进行了试验。从试验结果可以看出，部署Relay可以有效提升网络覆盖能力。

LTE-Advanced 中继 Type I Relay Type II Relay

1 研究背景

Relay作为LTE-Advanced系统中重要的关键技术，可以扩大覆盖范围、消除覆盖盲点和提升系统容量。在基站和用户之间增加一个中继节点，从而缩短了两者之间的传输距离，有效改善了信道质量，降低了终端的功耗。按照3GPP的定义，未来Relay的成本仅为传统宏基站的十分之一，将其与其它的无线关键技术相结合，可以极大地提升系统性能增益，Relay在LTEAdvanced中的网络结构如图1所示[1-5]。

2 Relay的分类

在LTE-Advanced对Relay的定义中，对Relay的主要功能和应用场景进行了假设，LTE-Advanced Relay的系统结构如图2所示。如果按照用户平面的构成方式，则可以分为L0/L1/L2/L3层Relay[1,5,6]：

（1）L0 Relay为传统的直放站，其将收到的所有信号直接进行放大并转发。主要优点是处理时延小，一般小于OFDM（Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，正交频分复用）符号中CP的长度，但其缺点是实现RF隔离较为困难。

（2）L1 Relay先将收到的信号进行快速傅里叶反变换，然后再对采样后的数据进行放大和转发。L1 Relay可以认为是增强型直放站，可以进行适当的功率控制和频率选择性放大。但和L0 Relay类似，由于没有对收到的信号进行译码，它并不能对噪声和干扰进行有效的过滤，容易造成噪声积累，并不能改善用户的信噪比。

（3）L2 Relay在L1 Relay的基础上，将收到的数据再进行译码和校验，并进行再次编码，其具有独立的MAC层的功能，可以对用户进行灵活的调度和控制。由于采用的是译码转发方式，不容易产生积累噪声，从而可以获得更好的性能增益。

（4）L3 Relay在L2 Relay的基础上引入了IP层的功能，可以使用现网设备的S1和X2信令接口，实现灵活部署，但这种方式传输开销较大，并需要对核心网进行升级。

在3GPP中，根据Relay的技术特性，可将其分为2类，即Type I Relay和Type II Relay[7-8]。

（1）Type I Relay

Type I Relay可以认为是一个具有无线回传功能的简化版的eNodeB，它的发射功率较小，通过无线链路与归属基站建立连接，属于L3设备，其具有如下特点：

1）具有独立的控制信道、同步信道和Cell ID，终端能够区分其接入的是Relay还是eNodeB；

2）具有独立的调度功能，可以独立地对归属Relay UE进行调度；

3）具有独立的接入功能，UE可直接与其归属的Relay同步。

Type I Relay具有独立的控制信道和Ce ll ID，既可以用于扩大覆盖，又可以用于提升容量的场景，具体如图3所示。

（2）Type II Relay

Type II Relay可以看做是L1或L2 Relay，它是一种透明的Relay，具有相对独立的PHY/MAC/RLC/ PDCP功能。但由于Type II Relay没有独立的控制信道，受其所属的eNodeB调度，只具有部分的RRC功能。其主要优点是时延较小，可以实现在多个Relay之间以及eNodeB和Relay之间的协同。具有如下特点：

1）没有独立的Cell ID，其使用与归属eNodeB相同的Cell ID；

2）对R8 UE来讲是透明的，即R8 UE不知道它接入的是Relay还是eNodeB。

由于Type II Relay没有独立的控制信道，因此主要用于提高系统容量的场景，无法用于扩大覆盖的场景，具体如图3所示。

Type I Relay和Type II Relay的主要差异和应用场景如表1所示[9-10]。

图1 Relay在LTE-Advanced中的网络结构示意图

图2 LTE-Advanced Relay的系统结构

3 Relay的双工模式

在引入Relay之后，无线蜂窝网络由单跳变为多跳，即有eNodeB到Relay的回传链路和由Relay到UE的接入链路。现有技术Relay无法做到在同一个时频资源上同时进行发送和接收，故在基于LTE-Advanced的Relay系统中，主要采用半双工模式，即FDD和TDD双工模式[1]。

表1 Type I Relay和Type II Relay的主要差异

3.1 基于LTE FDD的双工模式

（1）FDD-FDD双工模式

在FDD-FDD的双工模式下，各个不同链路之间为频分。其中，eNodeB→RN链路与RN→UE链路以频分的方式工作在FDD下行链路上；RN→eNodeB链路与UE→RN链路以频分的方式工作在FDD上行链路上。与FDDTDD相比，FDD-FDD双工方式频率资源分配灵活、传输时延小，但需要在不同的频段之间预留一定的保护带，频谱效率较低。

（2）FDD-TDD双工模式

在FDD-TDD的双工模式下，eNodeB→RN链路与RN→UE链路占用相同的FDD下行资源，两跳之间通过时间进行区分；RN→eNodeB链路与UE→RN链路占用相同的FDD上行资源，两跳链路之间通过时分复用进行区分。这种方式对原有的LTE用户有很好的兼容性。

图3 Type I Relay和Type II Relay的应用场景

3.2 基于LTE TDD的双工模式

（1）TDD-FDD双工模式

在TDD-FDD双工模式下，eNodeB→RN链路与RN→UE链路占用相同TDD下行时隙，两跳之间通过频率进行区分；RN→eNodeB链路与UE→RN链路占用相同TDD上行时隙，两跳之间通过频率进行区分。同样，需要在不同的频段之间预留一定的保护带。

（2）TDD-TDD双工模式

在TDD-TDD双工模式下，eNodeB→RN链路与RN→UE链路占用相同TDD下行时隙，两跳之间通过时间进行区分；RN→eNodeB链路与UE→RN链路占用相同TDD上行时隙，两跳链路之间通过时间进行区分。这种TDD-TDD双工模式对隔离度要求很低，因此适用场景非常广泛，但Relay只有在固定的时频资源上才能够传送数据，传输时延较大。

4 Relay的应用场景及性能优势

通过在基站和终端之间部署Relay节点，将宏基站和终端之间的直传链路分为两段，拆分后的两段链路都能具有比直传链路更短的传播距离、更少的遮挡物和更好的无线传播条件。Relay可以对射频信号进行基带解调译码并重新编码调制后转发，其带来的网络底噪抬升很小，部署Relay方案不依赖于光纤或微波等传输资源，可以快速实现低成本的覆盖延伸。目前商用的Relay主要是Type I Relay，可灵活应用在城市深度覆盖补盲、农村和景区覆盖延伸、高速和高铁以及近海海岛覆盖。

4.1 居民小区深度覆盖场景

某城市一环内老城区，主要为典型的居民区，基本上都是6~8层的多层居民楼建筑，室内外穿墙路损大概为20~30dB。在宏站覆盖情况下，存在局部覆盖盲区，用户投诉严重。由于信号强度RSRP在–110dBm以下的盲区范围较小且主要是楼宇内，范围大概为100m左右、6~8栋居民楼。经过站址勘察，此覆盖盲区采用微站进行补盲最为合适。前期物业协调较为顺利，楼顶具备施工的条件，但没有“有线传输”，最终采用Relay方案。Relay微站建在某8层楼顶的小塔楼上，站高30m，Relay的宿主宏站站高50m，Relay和DeNB的直线距离为376m，如图4所示：

图4 Relay外场安装实物图

只有宏站覆盖情况下，UE接入宿主宏站小区里，楼内楼道最深处RSRP为–125dBm，已经处于灵敏度边缘，楼内基本无法进行业务。Relay打开下，UE接入Relay小区，楼内楼道最深处RSRP在–100dBm左右，FTP下载速率最高可达到33Mbps以上，Relay引入后解决了室内覆盖弱的问题，有效提升了深度覆盖能力。抽取3栋楼做楼道遍历测试，对Relay开启前后的下载速率进行对比，提升效果明显，具体如表2所示：

表2 Relay开启前后速率变化情况

4.2 高速公路连续覆盖方案

通过对现网覆盖的高速公路的LTE站点进行测试可以看出，在平原地区，当站间距在2.53km~3km时，可以保证基本的连续覆盖。但目前高速公路现网2G站点的平均站间距在4km以上，如果直接采用共址2G站点新建LTE，则存在覆盖不足的问题。通过在宏站覆盖不足的区域采取新建微站或Relay的方式补充覆盖，在站间距处于3km~5km的宏站覆盖空洞之间，背靠背安装Relay设备及其回传和接入设备，覆盖公路的两个方向，如图5所示。从而形成连续覆盖，切换速率可达10Mbps以上，提升效果明显。

4.3 农村及景区覆盖应用案例

良好的网络广覆盖是用户优质体验的基础，但是农村、景区和海岛等场景往往因为有线传输部署困难或者部署成本过高而成为弱覆盖区域。LTE Relay解决方案将宏站的覆盖范围进行有效延伸，将具备有线传输资源的宏站作为宿主基站，宿主基站在为用户提供覆盖的同时给传输资源缺乏的Relay站点提供无线回传链路，低成本、快捷地扩展了宿主基站的覆盖范围，具体如图6所示。

图5 高速公路Relay连续覆盖场景

图6 农村及景区Relay覆盖场景

4.4 Relay的性能优势

TD-LTE Relay解决方案将宏站的覆盖范围进行延伸，将具备有线传输资源的宏站作为宿主基站，宿主基站在为用户提供覆盖的同时给传输资源缺乏的Relay站点提供无线回传链路，低成本、快捷地扩展了宿主基站的覆盖范围。LTE Relay回传模块可以与小站、宏站灵活组合，满足不同的覆盖需求，相比于微波传输，Relay方案受环境和气候影响较小，设备更加紧凑，便于施工维护，并且支持非视距传输，可以将4G覆盖延伸至室内和地下。和直放站相比具有噪声小、易于监控、传输距离远等优点，具体如表3所示：

表3 Relay的性能优势对比

5 结束语

Relay技术作为LTE-Advanced的关键技术之一，将为小区带来更好的链路性能、更大的覆盖范围、更高的资源利用率以及更廉价的建网成本。本文分析了Relay在LTE-Advanced系统中的分类、双工方式的实现以及典型的应用场景，并通过现场试验，证明了在现网部署Relay的可行性。

[1] 李昶. 用于下一代无线通信系统的协同中继网络关键技术研究[D]. 北京: 北京邮电大学, 2011.

[2] 郑毅,李中年,王亚峰,等. LTE-A系统中继技术的研究[J]. 现代电信科技, 2009(6): 45-49.

[3] 符立涛,张建国,黄正彬. TD-LTE Relay网络规划研究[J]. 移动通信, 2015,39(3/4): 46-49.

[4] 汪鹏. Relay技术在LTE覆盖解决方案中的应用研究[J].电信工程技术与标准化, 2014(11): 25-28.

[5] 郑侃,彭岳星,龙航,等. 协作通信及其在LTE-Advanced中的应用[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2010.

[6] 3GPP R1-082397. Discussion on the various types of relays[R]. Panasonic, 2008.

[7] 3GPP R1-091423. Comparison of Type I Relay and Cooperative Relay[R]. ZTE, 2009.

[8] 3GPP R1-091941. Discussion of Type II (Transparent) Relays for LTE-A[R]. Motorola, 2009.

[9] 3GPP R1-091098. WF on relaying operation for LTEA[R]. Ericsson, 2009.

[10] 3GPP R1-092264. Way forward for type II relay[R]. Alcatel-Lucent, 2009.★

李昶：工程师，博士毕业于北京邮电大学通信与信息系统专业，现任职于中国移动通信集团河北有限公司，从事移动通信技术研究和无线网络优化等工作。

安 静：讲师，硕士毕业于石家庄铁道学院计算机专业，现任职于石家庄职业技术学院，从事信息技术相关的教学和科研工作。

Research and Application of Relay Technique in LTE-Advanced System

LI Chang1, AN Jing2
(1. China Mobile Group Hebei Co., Ltd., Shijiazhuang 050035, China; 2. Department of Information Engineering, Shijiazhuang Vocational Technology Institute, Shijiazhuang 050081, China)

As one of key techniques in LTE-A, Relay technique is able to extend cell coverage, increase system throughput and improve cell-edge user performance. First, the background of Relay technique and its network structure were introduced. Then, its classifi cation and duplex mode were analyzed. Finally, three scenes including dense urban areas, highway and rural coverage extension were selected to be tested. Tested results show that Relay deployment can effectively enhance network capacity.

LTE-Advanced Relay Type I Relay Type II Relay

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.13.017

TN929.5

A

1006-1010(2015)13-0082-05

李昶,安静. LTE-Advanced系统中Relay技术的研究与应用[J]. 移动通信, 2015,39(13): 82-86.

2015-06-01

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn