基于le-a协议的移动终端中继技术研究

基于le-a协议的移动终端中继技术研究

0通信速率的选择作为lta的发展版本，lt-a可以满足未来无线通信市场的更高需求和更多应用，以满足或超过imt的需求，并保持对lt的良好横向兼容。LTE-A将提供1Gbit/s的下行速率和500Mbit/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5GHz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基于端点技术的终端省级技术1.1节点内部分设备安装不便捷如图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。1.2能为智能移动通信终端新充电将中继功能集成进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4h。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。1.3网络模型及实现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1GHz。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。2tdmote-a中节点通信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(TDmode)下是较容易实现的。LTE-A中继节点拥有独立小区ID,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移动部分节点与基础网络的连接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(VirtualMultipleInputMultipleOutput,V-MIMO)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)或分层空时码(V-BLAST)。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系统性能模拟4.1室内路径损耗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0~24dBm,RN使用最大发射功率24dBm。室外损耗模型采用“Cost231-Hata修正模型”(适用频率1500~2300MHz)。室内损耗模型采用“室内衰减因子模型”。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。其中,Cost231-Hata修正模型为式中:f表示发射频率,取值2300MHz;d表示收发天线距离,取值0.2km;Hm表示终端高度,取值10m;Hb表示基站高度,取值50m。由此可知,200m处的城市室外路径损耗约为104.4dB。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1m;FAF表示不同层损耗,取值0dB。由式(2)可得,10m处的室内路径损耗约为68dB。附加室内多径衰落,取最大值10dB,合计损耗为78dB。4.2移动中性节点的通信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