（信号与信息处理专业论文）基于中继技术的ltea终端省电的研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 待机时间和持续工作时间是无线通信终端设计中的重要指标。在终端性能迅速 提升和化学储能技术发展缓慢的背景下，终端省电技术受到越来越多的重视。作为 第四代通信技术的最佳候选方案，l t e 。a 系统可极大的提高传输速率和频谱利用率。 但其更大的频谱带宽也会增加终端的平均射频发射功率。特别是在室内场景下，由 于l t e - a 系统的工作频点可能设定在3 g h z 甚至5 g h z ，射频衍射能力减弱，导致 受到室内门窗和室外建筑物阻挡后的通信上行信道质量严重恶化，终端必须增大射 频发射功率才能保证正常通信所需的较低误码率，使得终端功率控制变得更加困难。 l t e a 协议允许使用中继节点提升处于阴影区域或小区边缘的终端的通信性能。这 种中继节点对终端发送的数据进行解码重传，可避免传统直放站引入的放大噪音， 可在误码率一定的条件下降低了终端的射频发射功率。同时，由于中继节点中引入 了和普通基站相同的管理调度能力，使中继条件下的无线组网更加容易和灵活。但 也存在一些缺点，如部署中继节点需要额外的硬件成本，需要专业人员进行管理和 维护，部署方式相对固定等。对于室内场景，广泛部署中继节点是不现实和不便捷 的。因此，事实上较难利用此技术进行室内终端的省电优化。 本文主要研究用于中继条件下室内场景的终端省电优化方案，利用智能终端不 断提高的计算能力，以及室内环境下终端时常需要充电的特点，将中继协议集成入 智能终端内部，在连接电源的条件下切换为中继节点，为附近其他终端进行数据接 力，通过缩短的通信距离，降低它们的射频发射功率，从而达到省电的目的。同时， 本文还研究了多中继环境下，利用v - m i m o 技术增强中继系统性能的实现方法。 论文结构上，首先探讨l t e a 中继技术的基本原理，介绍了中继技术的发展、 分类以及物理层协议中的一些关键技术。接着，研究了终端集成中继协议的硬件实 现方法和这种带中继功能的终端的部署方案，并讨论这种中继节点所需的协议方面 的改进，以保证系统的稳定性。然后，研究了多中继环境下的利用v - m i m o 技术提 升系统整体性能的方法，特别是引入t y p ei i 中继节点降低多中继环境下的相互干 扰，简化构建多天线系统的协议流程。最后，通过搭建l t e - a 物理层上行链路仿真 平台，进行了仿真和相关性能分析，仿真结果表明该方案在室内环境下，能有效降 低附近终端的射频发射功率，表明本文所作工作达到了预期的效果，实现了l t e - a 终端省电的目的。本方案对通信协议改动小，部署简单，几乎不增加用户的使用成 本，因此具有较大的实用价值。 关键词：l t e a ，中继，终端省电，v - m i m o 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t s t a n d b ya n dw o r k i n gh o u r si s a ni m p o r t a n ti n d i c a t o ro ft h ed e s i g no fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e r m i n a l s i nt h ec o n t e x to fr a p i di n c r e a s ei np e r f o r m a n c eo ft h et e r m i n a l a n dt h es l o wd e v e l o p m e n to ft h e c h e m i c a le n e r g ys t o r a g et e c h n o l o g y , t h et e r m i n a l e n e r g y - s a v i n gt e c h n o l o g yg e t sm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n a st h eb e s tc a n d i d a t eo f f o u r t h - g e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , l t e - as y s t e mc a ng r e a t l yi m p r o v et h e t r a n s m i s s i o nr a t ea n ds p e c t r u me f f i c i e n c y b u tt h ei n c r e a s e ds p e c t r u mb a n d w i d t hw i l la l s o i n c r e a s et h ea v e r a g er fp o w e r e s p e c i a l l yi ni n d o o rs c e n e s ，d u et ot h el t e - as y s t e m f r e q u e n c ym a y b es e ta t3 g h zo r5 g h z , r fd i f f r a c t i o nh a sd e c l i n e d s i g n a l sb l o c k e db y t h ed o o r s ，w i n d o w so ro t h e rb u i l d i n g sl e a dt oas e r i o u sd e t e r i o r a t i o ni nt h eq u a l i t yo ft h e u p l i n kc h a n n e l t h et e r m i n a lm u s tu s eg r e a t e rr fp o w e rt oe n s u r et h el o wb i te r r o rr a t ei n t h ec o m m u n i c a t i o n t h et e r m i n a lp o w e rc o n t r o lb e c o m e sm o r ed i f f i c u l t l t e - ap r o t o c o la l l o w s u s i n g t h e r e l a y n o d e st oe n h a n c ec o m m u n i c a t i o n p e r f o r m a n c eo ft h et e r m i n a li nt h ec e l le d g eo rs h a d o wa r e a t h i st y p eo fr e l a yn o d e d e c o d et h et r a n s m i t t e dd a t af r o mt e r m i n a l sa n dr e - t r a n s m i tt ot h eb a s es t a t i o n , w h i c hc a i l a v o i dt h en o i s ea m p l i f i c a t i o ni n t r o d u c e db yt h et r a d i t i o n a lr e p e a t e ra n dr e d u c et h er f t r a n s m i s s i o np o w e ro ft h et e r m i n a lu n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s l t e ar e l a yn o d ea l s o i n t r o d u c e dt h es i m i l a rc a p a c i t yo fb a s es t a t i o ns u c ha sr a d i or e s o u r c em a n a g i n ga n d s c h e d u l i n g ，i no r d e rt om a k et h er e l a yn e t w o r k i n ge a s i e ra n dm o r ef l e x i b l e b u tt h e r ea r e s o m ed i s a d v a n t a g e s f o r i n s t a n c e ，d e p l o y m e n to fr e l a yn o d e sr e q u i r e s a d d i t i o n a l h a r d w a r ec o s t , a n dr e q u i r ep r o f e s s i o n a lm a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c e ；d e p l o y m e n ti s r e l a t i v e l yf i x e da n ds oo n f o rt h ei n d o o rs c e n e s ，w i d e l yd e p l o y e dr e l a yn o d e sa r e u n r e a l i s t i ca n dn o tc o n v e n i e n t s o ，i ti sd i f f i c u l tt ou s et h i st e c h n o l o g yf o rp o w e r o p t i m i z a t i o no ft h ei n d o o rt e r m i n a l s t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st e r m i n a lp o w e ro p t i m i z a t i o ns c h e m ei nt h er e l a yn o d e a p p e a r i n gi n d o o rs c e n e s m a k i n gu s eo fi n c r e a s i n gp e r f o r m a n c eo fs m a r tt e r m i n a l sa n d t h ef e a t u r et h a tt e m a i n a lo f t e ns t a y so nc h a r g ec o n d i t i o ni n t h ei n d o o re n v i r o n m e n t , s m a r t t e r m i n a lc a ni n t e g r a t e 、 ，i mr e l a yp r o t o c o la n ds w i t c ht ot h er e l a yn o d ew h e nc o n n e c t e dt o t h ep o w e r t h e n , i tc a nr e l a yt h ed a t at r a n s m i t t e db yo t h e rt e r m i n a l sn e a r b yt os h o r t e n t h e i rc o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ea n dr e d u c et h er ft r a n s m i s s i o np o w e r , s oa st oa c h i e v e p o w e rs a v i n gp u r p o s e s a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e ra l s o s t u d i e s t ou s ev - m i m o i i 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t t e c h n o l o g yt oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fr e l a ys y s t e mi nt h em u l t i r e l a ye n v i r o n m e n t i nt h ep a p e r ss t r u c t u r e ，f i r s t l y , t h i sp a p e rd i s c u s s e st h el t e ab a s i cp r i n c i p l eo f r e l a yt e c h n o l o g ya n di n t r o d u c e si t sp h y s i c a ll a y e rp r o t o c o l ，c l a s s i f i c a t i o na n d s o m eo ft h e k e yt e c h n o l o g i e s t h e n , t h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no ft h et e r m i n a li n t e g r a t e dw i t h r e l a yp r o t o c o la n dt h ed e p l o y m e n to f s u c ht e r m i n a la r es t u d i e d a n ds o m ei m p r o v e m e n t s o f t h er e l a yp r o t o c o la r ed i s c u s s e dt oe n s u r et h es t a b i l i t yo f t h es y s t e m a f t e rt h a t , m a k i n gu s eo fv - m i m ot e c h n o l o g yt oe n h a n c et h es y s t e mp e r f o r m a n c e i nm u l t i r e l a ye n v i r o n m e n ti ss t u d i e d p a r t i c u l a r l y , w i mt h ei n t r o d u c t i o no ft y p ei ir e l a y , t h em u t u a li n t e r f e r e n c ei sr e d u c e di nm u l t i r e l a ye n v i r o n m e n t , a n dt h em u l t i - - a n t e n n a p r o t o c o li ss i m p l i f i e d f i n a l l y , l t e - ap h y s i c a ll a y e ru p l i n ks i m u l a t i o np l a t f o r mi sb u i l tt oa n a l y s i st h e r e l a t e dp e r f o r m a n c e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es c h e m ec a nr e d u c et h er f t r a n s m i s s i o np o w e ro ft h et e r m i n a l sn e a r b yi nt h ei n d o o re n v i r o n m e n t , a n dp r o v et h a tt h e d e s i r e dr e s u l t sa r ea c h i e v e dt or e a l i z et h ep u r p o s e so fl t e - at e m f i n a lp o w e r t h i ss c h e m e c h a n g e sl i t t l et ot h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，a n di se a s yt od e p l o yw i t h o u ti n c r e a s i n g t h eu s e r s c o s t s oi th a sg r e a tp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：l t e - a , r e l a y , t e r m i n a lp o w e r - s a v i n g ，v - m i m o i i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1l t e a 技术简介 第一章绪论 随着物质和文化生活水平的逐步提高，人们也不断追求容量更大、业务更丰富 的移动通信，为了更好地满足社会发展的需求，移动通信系统一直在不断地发展和 演进 1 】，如图1 1 所示。 高 速 蚕 由 速 曩 1 4 一i ( b p s枷k 啦- , 4 0 娜啪m b p 55 0 0 m 啷逶瘁 图1 1 无线接入技术的发展和演进 l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) ，也被称为e u t r a ( e v o l v e du m t st e r r e s t r i a lr a d i o a c c e s s ) ，是目前定义为取代u m t s 第三代( 3 g ) 系统的新一代蜂窝网技术标准。而 l t e a ( l 1 毛a d v a n c e d ) ，作为l t e 的演进版本，通过制定更高的数据速率，更短 的延迟，更大的容量以满足未来移动宽带服务的需求。它将提供的数据传输速率高 达1 0 0m b p s 的广域覆盖以及高达1g b p s 的局部覆盖。同时l t e a 能尽可能兼容l t e 系统，能在l t e 原有的频谱上部署l t e a 系统，同时对现有的l t e 终端没有影响。 这种频谱兼容性对于l t e 低成本、平滑过渡到l t e 。a 系统至关重要。3 g p p ( t h i r d g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 已将其作为为第四代( 4 g ) 无线接入技术的最佳候 选方案，落实i t u r 定义的对i m t - a d v a n c e d 系统的要求【2 圳，如表1 1 所示。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 表1 2 不同系统的峰值速率与峰值频谱效率的对比 l t el t e a d v a n c e di m t a d v a n c e d d l3 0 0m b p s 1g b p s 峰值速率 1g b p s u l 7 5m b p s5 0 0m b p s 峰值频谱效率 d l1 53 01 5 【b p s i - i z u l 3 7 51 56 7 5 l t e a 的关键技术包括以下四个方面【5 l ： ( 1 ) 载波聚合技术 载波聚合技术，通过聚合两个或更多的成员载波，从而解决l t e - a 系统对频带 资源的需求。 ( 2 ) 4 多天线增强 l t e 支持4 x 4 天线的配置，l t e a 将s u m i m o 扩展到上行4 4 ，下行8 8 配置的场景。 ( 3 ) 多点协作传输技术( c o m p ) 多点协作传输是对传统单基站m i m o 的技术的补充和扩展，它能同时接收到来 自多个小区的信号，同时它自己的传输也能被多个小区同时接收。在下行，如果对 来自多个小区的发射信号进行协调以规避彼此间的干扰，能大大提升下行性能。 ( 4 ) 中继( r e l a y ) 中继节点( r e l a yn o d e ，r n ) 用来传递e n b ( e v o l v e dn o d e b ，演进的节点b ) 和 终端之间的业务信令传输，目的是为了增强高数据速率的覆盖、临时性网络部署、 小区边界吞吐量提升、覆盖扩展和增强、支持群移动等，同时也能提供较低的网络 部署成本。 1 2论文选题背景与研究现状 随着无线数据业务的快速发展，无线多媒体终端( 如智能手机终端) 受到越来 越多用户的青睐。终端多媒体技术的完善，使其整体性能每年成倍的速度增长。更 强的信息处理能力必然导致更高的电能消耗。连线杂志早在1 9 9 7 年就发出了“1 0 年电池瓶颈的警告预言，不过当时的手机更多面向的是语音通讯业务，远非今天 的智能手机终端和3 g 那样拥有大量无线数据应用，所以并没有引起广泛的重视。 近年来，随着运算速度和功能的提高，通信终端设备在追求高性能移动通讯和多媒 体体验的同时，伴生的高电能消耗成为难以翻越的障碍，这无疑打破了目前电子设 备高性能、使用时间与电池重量三者间的平衡。因此“电池寿命”，即无线多媒体终 端的持续使用时间，已成为无线终端能否持续发展的一个关键因素。然而即使现代 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 化学储能技术达到几乎极限的1 0 0 m a h g ，也远远不能满足移动终端长效使用的要 求，这使得近年来对提高电池寿命的研究更倾向于对无线终端进行省电优化设计的 研究。 无线终端的电能消耗模型如图1 2 所示，电能消耗主要集中在射频部分、处理 器部分与人机接口部分。 r f 与空中接口筮哼噬：理嚣a口设备 i 固ll 囤li 圈 圉一园一国 - , l g ，。1 。j 卜其他i l 一一一一一一一一一一一一一一一i 图1 2 无线终端的电能消耗模型 现阶段省电技术的研究主要针对模型中涉及的主要耗能部件进行制作工艺的提 升和进行自适应休眠，以降低整体功耗，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 数字处理器的工艺升级和自适应变频技术 数字处理器作为无线终端的核心元件，主要实现基带信号的编解码以及多媒体 信息处理。特别是现今无线终端越来越强调多媒体处理能力，高性能处理器的功耗 是相当可观的，根据不同的业务类型，可占整机功耗的2 0 一5 0 ，特别是对于影音 播放等多媒体业务，其功耗会更高。而提升处理器的制作工艺是最直接的省电手段。 通常处理器的制作工艺分可为6 5 n m 、4 5 n m 、4 0 n m 、3 2 n m 等，每一次工艺升级都 可带来大约5 0 的功耗降低，或者是保持原有功耗的基础上提升两倍的性能。但随 着晶体管的体积已接近原子级，工艺的提升将变得越来越困难。 自适应变频技术指的是通过检测终端不同业务所要求的负载，自动调节处理器 的运行频率达到降低功耗的目的。一般情况下，处理器的功耗和运行频率成正比， 频率降低带来的功耗节省是十分显著的。但自动变频会产生高负载运算延时，即变 频算法通常不能立即提升频率来满足突发的高负载运算的需求，导致系统暂时性停 顿，降低了用户的使用体验。因此需设计不同的变频算法让用户选择，以满足不同 的应用环境。 门限式算法：当处理器占用率超过一定门限值时，提高工作频率。相反，低于 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 某一门限值时减低频率。此为目前最常用的算法，但门限值设置过高会产生运算延 时，门限值设置过低会减弱省电效果。 交互式算法：当处理器占用率超过- - ! 3 限值时，立即提高工作频率至最大值， 而后缓慢降低至负载需求的水平。此算法可使用户操作终端交互界面时不会出现延 时，确保用户体验，但省电能力显然不如门限式算法。 ( 2 ) l c d 自适应背光技术 l c d 作为人机交互的关键部件，现代无线终端在成本允许的条件下都会选择尽 可能大的l c d 面板，以提供更为优异的用户使用体验，这显然会进一步增加整体 功耗。自适应背光技术，一方面通过添加光线传感器感知外界光强，由此自动调节 背光亮度。另一方面可通过分析当前显示图像，利用对比度增强算法与背光亮度调 节算法改变图像色彩比例，实现最低背光条件下图像的正常显示1 6 j ，如图1 3 所示。 自适应背光调节技术 l cd 图像数据 上i e l ! 亡j ，母山 l -一= ，l 收旧丁崔丹，厶 ii t 粼 _ 背光调节算法 r r l 胃尢勇埙 图1 3 自适应背光调节技术原理 ( 3 ) 终端自动休眠技术 终端自动休眠技术，主要是指终端在空闲状态或者极低数据流量状态下，短时 间的关闭基带处理器、停止射频输出而达到省电的目的。这通常需要无线协议的支 持，否则容易使终端断开无线连接而不能正常工作。例如t d s c d m a 协议支持终 端驻留在某个小区上时，允许终端短时间休眠，并在规定时间唤醒以更新小区状态。 而当终端处于r r c 连接模式下的c e l lf a c h 状态与u r ap c h 状态，仍可支持 相似的低功耗休眠模式。此时终端可以利用非连续性接收技术d r x ( d i s c o n t i n u o u s r e c e p t i o n ) ，在每个d r x 周期监听相关的寻呼信息块，其它时间段则进入休眠，从 而终端降低能耗【7 j 。 以上省电技术已经相对成熟，通过对这些技术进行改进提升省电水平已较为困 难。而作为无线通信终端的核心部分，射频输出所消耗的能量不可忽视。通常，射 频功率大小直接决定了无线终端的待机时间和最长通话时间两项最为关键的电池寿 命指标。随着第三代移动通信技术乃至第四代移动通信技术的引入，无线终端为用 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 户提供更高速率的数据服务的同时，其射频平均功率也随之显著增加，特别是使用 传统通信业务时，如语音通信和短信业务。文献【8 】中指出，相同无线终端分别使用 2 g 和3 g 网络进行语音通话和短信发送时，3 g 网络需要的功率显著提高，如图1 4 和表1 2 所示。 晰s ” g s 】- 一 ，一 ，一 。 一一 s o o o1 5 0 2 0 02 s 0 3 0 0 鬟静4 0 04 5 05 0 0 长度晒删 图1 4 分别使用g s m 和u m t s 发送不同长度的短信的功率值 表1 2 不同场景下使用语音服务的功率值 场景g s mu m t s 接听来电6 1 2 7 m w 12 2 4 3 m w 拨打电话6 8 3 6 m w 12 6 5 7 m w 空闲模式1 5 1 m w2 5 3 m w 由于l t e - a 系统相比u m t s ( 3 g ) 系统占用更大的带宽，并提供更高的传输 速率，可以认为，其传统通信业务的所要求射频功率会进一步增加。同时，由于现 有频谱资源已经十分紧张，要找到适合l t e a 系统使用的低频频谱已十分困难。这 必然需要启用5 g h z 及以上频率。随着无线频率提高，电磁波衍射能力逐渐减弱可 能导致极强的阴影衰落，城市环境下的蜂窝小区可能会出现较多的信号盲点。特别 是在室内环境下，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，电池寿命更得不到保证。 因此，本文主要研究下面几个问题： 1 ) 研究使用中继技术进行l t e a 终端省电的方案。 2 ) 研究无线终端集成中继协议硬件实现和组网方法。 3 ) 研究多中继环境下的v - m i m o 性能优化方法。 4 ) 进行l t e - a 物理层上行链路仿真，验证无线终端在中继网络环境下能够的 降低射频输出功率。对多中继v - m i m o 系统上行链路进行仿真，验证其对系统性能 改善的情况。 5 聃 啪 啪 狮 o i 量静嚣 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 3论文结构 本文研究应用于l t e a 系统中存在中继的室内场景，通过集成中继协议于终端 内部实现室内的中继系统快速部署，使室内的其他终端通过中继转发数据，缩短无 线传输距离，从而降低所需的射频输出功率，达到终端省电的目的，主要包括：讨 论了将中继协议集成入无线终端的实现方法。研究通过将特定终端切换为中继节点 为附近其他终端的转发数据的具体实现方案。并给出多中继条件下的v - m i m o 通信 性能增强方案。最后通过仿真论证该方案的省电性能和性能增强效果。全文共分六 章，各章内容具体安排如下： 第一章介绍了l t e a 的发展、选题意义、以及无线终端省电技术研究现状。 第二章介绍了本课题研究的必要基础知识，l t e a 中继技术的特点、分类、已 经物理层的相关协议。 第三章给出了使用中继技术进行终端省电的具体方案。讨论了使用中继技术进 行终端省电的原理。然后介绍将中继协议集成入终端内部的硬件实现方法，以及这 种带中继功能的终端的部署方法。最后提出了对于集成化中继终端对于室内场景的 部署需要进行的中继协议改进。 第四章研究了室内多中继节点的性能优化方法。提出将多个中继节点通过 v - m i m o 组网实现性能优化的方法。然后讨论了应用t y p ei i 中继技术对降低 v - m i m o 系统的干扰水平，简化中继协议起到的作用。 第五章首先讨论了l t e - a 物理层上行链路仿真的基本模型。而后进一步给出室 内中继系统在室内和室外场景下信号传输的损耗模型。通过仿真证明当使用中继系 统时，终端在保证误码率相同的情况下可大幅降低传输功率，实现省电作用。最后， 通过构建多中继v - m i m o 仿真平台，验证多中继条件下使用v - m i m o 对中继系统 性能的影响。 第六章概括总结了本文所做的工作，对研究中的不足和未来的可能研究方向做 了分析。 6 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e a 中继技术的基本原理 第二章l t e - a 中继技术的基本原理 与l t e 系统相比，l t e a 系统将提供更高的速率标准。特别是对小区边缘用户 也要求比l t e 系统提供数倍的性能。而高速率必然要求使用更大的无线带宽，对于 无线资源已经十分紧张的今天，启用5 g h z 及以上频段是唯一的选择。高频信号的 衍射能力减弱，传输损耗较大，实现小区高速率覆盖变得十分困难。为此，引入中 继系统无疑对网络覆盖提供了一种良好的解决方案。 2 1 中继技术的原理和特点 相对于传统无线通信技术中终端与基站直接无线连接的方法，中继技术，终端 和基站之间没有直接连接，通信是经过r n 转发完成，由于r n 通常可实现信号的 放大增强，因此能扩大小区的覆盖面积，提高通信系统容量，为小区边缘的用户和 被建筑物阻挡产生严重阴影衰落的用户提供信号，如图2 1 所示。 图2 1 中继0 i e l a y ) 系统 使用中继系统的主要目的有 s l ： 一扩展网络覆盖 一临时性网络快速部署 一提升小区边界吞吐量 一群移动支持 一降低网络部署成本。 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e a 中继技术的基本原理 图2 2 给出了可应用中继系统的一些典型场景。 农场广域覆盖 德 、 公卅 r n 崾 j ，。 二 2 2 中继技术发展历程 城市热点 图2 2 中继系统的应用场景 2 2 1 学术界中对中继站的分类 在学术界对中继有多种分类方法【1 0 1 ： ( 1 ) 根据r n 与终端所占用的频段，可分为带内中继( h b a r i dr e l a y ) 与带外 中继( o u t b a n dr e l a y ) 。 带内中继：宿主基站和r n 之间的无线链路( l i n k ) 与终端和r n 之间的无线 链路共享同一频带。 带外中继：宿主基站和r n 之间的无线链路与终端和r n 之间的无线链路位于 不同的频带。 ( 2 ) 根据终端是否感知r n 的存在，可分为透明中继与非透明中继。 透明中继：即终端在通信中无法感知r n 的存在。 非透明中继：即终端感知r n 的存在，并通过主动连接r n ，实现中继通信。 ( 3 ) 根据r n 的移动性，可分为固定中继、游牧中继与移动中继。 固定中继：表示长时间不会移动的r n ，通常由运营商在网络规划时进行部署。 游牧中继：表示临时部署的r n ，可能根据某时间的发生和结束启用和停止， 8 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e a 中继技术的基本原理 但其部署位置通常固定。 移动中继：表示出于快速移动中的r n ，通常应用于公共交通领域。由于r n 需要经常切换宿主基站，所以其中继协议的设置与前两种中继有较大区别。 ( 4 ) 根据爱立信公司提出的按照中继协议栈的不同来区分，可以分为l 1r e l a y 、 l 2r e l a y 、l 3r e l a y l 9 。 l 1r e l a y 也被称为r e p e a t e r ( 与直放站类似) ，它仅将信号放大后重新传输( a f ， a m p l i f yf o r w a r d ) 。其优点在于结构简单、时延小。但其缺点也显而易见，即r e p e a t e r 会将干扰一同放大，不能提高系统信噪比，同时还需在发射端与接收端设置良好的 物理屏蔽。因此在3 g p pl t e a 的研究阶段最终排除了l 1r e l a y 进入l t e a 协议。 l 2r e l a y - r 作在m a c 层，能够实现对数据的解码、纠错、编码，即解码前传 ( d e c o d ef o r w a r d ) 。这样有利于改善信号信噪比，还可根据r a n 与终端的链路状况 调整编码方式，迸一步提高与终端间的数据可靠性。但d f 方式也引入了较大延时， 特别是d e n d 与r n 之间的链路不稳定时，延时会更加恶化。 l 3r e l a y 除了能够实现l 2r e l a y 的全部功能外，亦可实现部分或者全部的r r c 功能，拥有和基站类似的管理能力，这种中继功能完善，由于具有本地判决能力， 延时相比l 2r e l a y 大大缩小，但中继结构更复杂、造价也更高。 2 2 23 g p p 中对中继站的分类 通过3 g p p 的长期讨论，在r a n l # 5 5 次会议后逐渐形成了对r n 的分类方法。 1 ) t y p ei 与t y p ei i 中继 3 g p pr e l 1 0 中定义了两种中继类型【1 1 - 1 2 1 ：t y p el 中继与t y p ei i 中继： t y p ei 中继具有如下特点： 具有与d e n b ( d o n o re n o d e b ，宿主基站) 相独立的c e l li d 、传输独立的 同步信道、参考信号，具有自己独立的小区。 终端直接从r n 端收取调度信息和h a r q 信令，并直接向r n 发送控制信 令( s r c q i a c k ) 。 具备对r e l8 终端的后向兼容性，对于r e l8 终端，r n 就是一个普通基站。 t y p ei i 中继具有以下特征： 没有独立的c e l li d 、不传输的同步信道、参考信号，没有自己独立的小区 具备对r e l8 终端的后向兼容性，至少对于r e l8 终端，r n 就是透明中继。 可以发送p d s c h ，但至少不发送c r s 和p d c c h 2 ) t y p el a 与t y p ei b 中继 t y p el 中继根据频带使用的方式的不同可分为：t y p el a 与t y p ei b 。 9 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e a 中继技术的基本原理 t y p ei a ：即上节提到的带外中继，通过分频隔离a c c e s sl i n k 和b a c k h a u ll i n k 。 t y p ei b ：即上节提到的带内中继，通过分时隔离a c c e s sl i n k 和b a c k h a u ll i n k 。 由以上描述，可以得出3 g p p 定义的中继的特点如表2 1 所示： 表2 13 g p p 定义的中继特性对比 t y p e it y p e i av y p e i bt y p e i i c e l li d 是是是 否 透明性否否否 是 r e l 8 兼容性是是是是 协议层 l 3l 3l 3l 2 频谱复用方式带内带外带内带内 天线隔离不隔离不隔离隔离不隔离 由以上分析可知，t y p ei 中继适用于扩展小区覆盖，为信号质量较差的区域提 供信号覆盖，如小区边界、建筑物阻挡、室内环境等。t y p ei 中继则是利用r n 对 一些热点地区进行重复覆盖，以提高系统容量和性能。 t y p ei 中继由于性能更优越，使用灵活，在3 g p p 的会议中给予更多关注。讨 论的重点在于通过什么方式解决a c c e s sl i n k 和b a c k h a u ll i n k 信号相互干扰的问题如 图2 3 所示。 千托 图2 3b a c k h a u ll i n k 和a c c e s sl i n k 信号相互干扰 3 ) 移动中继( m o b i l er e l a y ) 与室内中继( i n d o o rr e l a y ) 除了上文所述的几种中继模式外，移动中与室内中继也得到相当程度的关注。 移动中继相对于其他几种中继模式相对固定的部署方式不同，它被部署在一些 快速移动的交通工具中，如公交汽车或者火车之上。按3 g p pr e l a y 分类，移动中 继应属于t y p ei 中继，但快速移动场景需要使用相关控制技术进行优化： 动态功率控制：r n 所辖终端除了接收r n 发送的下行信号外，也会被邻近e n b 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e - a 中继技术的基本原理 的下行信号所干扰。当r n 快速移动时，与邻近e n b 的相对位置会发生变化，如果 r n 的发射功率不变，则所辖终端的接收信噪比会发生剧烈变化。同时，邻近e n b 也会被r n 的下行信号所干扰。因此，需动态控制r n 的下行发射功率，以稳定所 辖终端的接收信噪比，降低对邻近e n b 的干扰。 群体切换优化：当r n 所辖终端数量众多时，当随着r n 的移动而切换d e n b 时，r n 会携带所辖终端一同切换到下一个d e n b 。如果下一d e n b 资源占用较高 时，则会使d e n b 超载。同时，如果因快速移动而多次切换d e n b ，也会使所辖终 端的通信产生较大延时，降低用户体验。因此需要设置一些优化方法，避免群体切 换产生的一些问题。 图2 4 移动中继的应用场景 室内中继也是中继技术的一个重要应用场景。对于小区边缘的一些建筑的室内 由于信号衰减较大而无法实现高质量覆盖。或者是某些对布线比较敏感的场所，如 文物保护区，安装e n b 是比较困难的，而使用布设r n 实现室内覆盖是十分理想的 方案。 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e a 中继技术的基本原理 图2 5 室内中继的应用场景 由于技术上原因以及标准制定时间的要求，t y p ei i 中继以及移动中继最终没能 在r e l 1 0 中实现。但其依然有一定的应用价值，特别是很多运营商和设备商都表示 出较高的兴趣。因此，在3 g p p 的后续版本仍然有可能得到进一步的讨论。 2 2 33 g p p 定义的中继系统框架 引入中继后，和传统网络架构相比，现有架构出现了一些不同。如图2 6 、图 2 7 所示，r n 通过x 2 与s l 接口与d e n b 连接，同时r n 的x 2 与s 1 接口在d e n b 结束。通过提供对x 2 与s 1 接口代理，d e n b 为r n 传递g t p 数据包、x 2 信令消 息、u e 专用s l 等x 2 、s l 接口功能。因此，在r n 看来，d e n b 是它的e n b 和 m m e 、s g w 。 m m e ，a w 图2 6 传统网络框架结构 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e - a 中继技术的基本原理 州b 器协 图2 7l t e - a 中继框架结构 2 3l t e a 中继的物理层协议 2 3 1 引入中继后的链路划分 引入中继节点后，无线网络需要添加新的链路来保证中继节点的正常通信。在 使用中继的小区内，根据服务对象不同，链路可分为三种，分别是接入链路( a c c e s s l i n k ) 、直连链路( d i r e c tl i n k ) 以及回传链路( b a c k h a u ll i n k ) 【l 争1 4 1 。如图2 8 所示， 直连链路用于基站与终端之间的直接通信；接入链路用于中继与正在使用中继服务 的终端之间的通信；回传链路则是用于中继与基站间的信令和数据交换。图中u e l 被称为m a c r ou e ；u e 2 被称为r - u e ( r e m o t eu e ) 。 u e l 图2 8 引入中继后的无线链路划分 1 3 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e - a 中继技术的基本原理 2 3 2b a c k h a u ll i n k 资源分配 3 g p pr e l 1 0 已确定b a c k h a u ll i n k ，a c c e s sl i n k 以带内方式传输，使用时分方 式，以避免互干扰。也就是说r n 及其下属u e 将交替发送数据，下行方向e n b 至 r n 的数据发送与r n 至u e 的数据发送交替进行；上行方向，u e 至r n 的数据上 传与r n 至e n b 的数据上传交替进行，如图2 9 所示。 u l u l f 1 ) ul(f2)dl(f1) 图2 9 中继系统的链路资源分配( u e i 为r - u e ，u e 2 为m a c r ou e ) 为了让r n 能正常接收来自e n b 的r - p d c c h ，而又不影响m a c r ou e 与r - u e 的p d c c h 接收，将e n b 的b a c k h