TD-LTE中继：标准化、测试床开发及外场技术试验

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摘要
中继是在3GPP LTE 版本10中定义的一个新功能，其主要应用是扩展网络覆盖和提高小区边缘用户的吞吐量。为了对实际网络中中继的性能展开早期研究，爱立信在2010年研发出了TD-LTE中继测试床，并携手中国移动进行了外场技术试验。试验结果表明中继能够扩展TD-LTE系统的覆盖，提升小区边缘用户上、下行的吞吐量。
背景
从目前TD-LTE (Time-Division Long-Term Evolution)外场试验结果看，TD-LTE提供了比以往2G、3G系统更高的传输速率和更好的用户体验。TD-LTE最早期的布网可以首先针对热点区域展开，但随着数据业务用户量的持续提升，用户就会希望在更大范围享受TD-LTE带来的高速率体验，要求TD-LTE系统能够在各种场景下为其提供服务。这些场景包括传播环境复杂的密集城市、偏远郊区、室内和高速覆盖等。
为了应对各种复杂的无线传播环境，3GPP（3rd Generation Partnership Project）在版本10中对中继（Relay）进行了标准化。通过在宏基站和用户终端之间加入一个中继节点，宏基站和终端之间的直传链路被分为两段：宏基站与中继之间的链路称为回传链路（Un），中继与终端之间的链路称为接入链路（Uu），如图 1。通过对中继节点进行合理的部署，拆分后的两段链路都能具有比直传链路更短的传播距离，同时传播路线中的遮挡物也能减少，使得拆分后的两段链路都具有比直传链路更好的无线传播条件和更高的传输能力。

  
图 1 中继示意图
在密集城市，由于高楼等建筑物的阻挡，很多区域处于基站的覆盖阴影区，信号质量差。引入中继站可以有效地减少城市中常见的阴影覆盖区域和死区；引入中继还可以减小蜂窝网络中节点的发射功率，有效降低小区间干扰，优化网络容量；在城市局部热点小区，通过部署中继站可以将热点小区的用户引入负载较轻的相邻小区，使得负载在网络中得到均衡。在偏远郊区，由于传输距离远，路径损耗非常大，另外TD-LTE的工作频段较高，又导致了无线传播条件的进一步恶化。引入中继可有效解决偏远郊区光纤资源匮乏和覆盖问题。未来网络中的高数据速率业务主要发生在室内，而高密度的楼宇设计所造成的阴影衰落以及墙壁所造成的室内穿透损都会为高数据速率的室内覆盖提出挑战，中继无线回传可作为解决室内覆盖的有效手段。中继站点还可以用于高速移动的交通工具（如公共汽车、轻轨机车、高铁等）上，为本地的高速移动用户进行服务，从而提高用户吞吐量，减少切换开销。
目前，在站址资源与光纤资源巨大的需求压力下，未来网络演进时巨额的网络建设成本和运营成本将是运营商面对的重要挑战。除天面资源外，室内机房是站址租金的主要核算依据。在北京地区，站间距在300-500米范围，随着业务速率需求的不断提升，采用传统的小区分裂方法解决网络容量需求导致站址覆盖半径不断收缩。另一方面，管道资源与建设成本是光纤资源及成本的重要组成，新站址接入到本地光纤接入环平均需要1-3km的光纤线路建设；随着站址资源的不断增加，系统对高密度光纤网络需求旺盛，如何解决新站址的最后1公里接入是未来网络部署与演进的重要挑战。
从更长远来看，到2020年，系统容量预计比现在增大1000倍，为此需要引入更为密集的网络部署，如微微小区。目前，为微微小区提供回传的方式包括光纤、电缆和微波。光纤和电缆铺设成本较高，铺设周期较长。光纤线路铺设分管道与杆路两种，目前大多城市规划均要求光纤入地，低廉的杆路架设不再允许，因此，管道资源建设提高了光纤部署成本。微波需要有视距传输，这在很多场景下不能得到满足。因此，利用中继节点作为无线回传就成为了一个可能的替代方案。通过部署中继，一个弱覆盖区域的基本覆盖和用户容量能够很快得以解决。
为了尽早研究中继在实际网络中的性能，爱立信在2010年研发出了TD-LTE中继测试床，并携手中国移动进行了外场技术试验。希望能通过TD-LTE中继测试床的联合试验，更深入的了解TD-LTE中继在扩展网络覆盖、提升系统容量方面的潜力，以及可能存在的问题。
本文结构如下：第二节对3GPP中继标准化工作进行了回顾，第三节介绍TD-LTE中继测试床的设计开发方案，第四节分析了外场技术试验的结果，第五节对全文进行总结。
LTE中继标准化回顾
2008年3月3GPP启动了LTE-Advanced研究项目，该项目的目标是定义LTE-Advanced系统的需求，并提出实现该系统所需要的关键技术。中继是其中的一项关键技术。经过长达一年多的论证，2009年10月3GPP设立了Work Item对中继技术进行标准化。
LTE中继分为带内中继和带外中继两类 [1]a.i.[1][1]。对于带内中继，回传链路和接入链路使用相同的频段。而对于带外中继，回传链路和接入链路使用不同的频段。除了频谱使用上的不同，带外中继和带内中继具有如下的共同点：
控制自己的小区，从终端看来，这些小区都是与宏基站独立的；
这些小区都有自己的小区识别号，并独立发送同步信号、参考信号等；
在单小区操作的情况下，终端直接从中继接收调度信息及HARQ反馈，并且向中继发控制信道（如SR/CQI/ACK）；
从LTE版本8的终端看，中继是LTE版本8的基站；
目前，LTE中继技术核心部分的标准化工作已基本完成，物理层方面的规范在[2]中定义，协议架构相关的规范在[3]中定义。
TD-LTE中继测试床设计与开发
爱立信TD-LTE中继测试床采用了跟3GPP相同的设计思路，例如中继是一个新的小区，对LTE版本8的终端后向兼容等。
该中继测试床工作在TDD配置1下（上下行配比3：2），属于3GPP定义的带内中继。如图 2所示，在一个10 ms的无线帧中，4个下行子帧（0、1、5、6）和2个上行子帧（2、7）分配给接入链路。剩下的2个下行子帧（4、9）和2个上行子帧（3、8）分配给回传链路。为了保持对LTE版本8用户的后向兼容，子帧4和9在中继小区中被配置为MBSFN（Multicast Broadcast Single Frequency Network）子帧，这样中继在子帧4和9的广播部分可以不向终端发任何信号。在该配置下，下行采用两流传输时，端到端的无丢包吞吐量可达到25.5 Mbps, 上行端到端的无丢包吞吐量可达到8.77 Mbps。

  
图 2 中继的时隙分配
在实现上，该中继测试床充分利用了TDD系统的特点。相对于FDD系统，TDD系统具有信号接收发送在同一频段、采用同一射频通道的特性，该特性在很大程度上使得中继的实现相对于FDD系统更容易。由于TDD系统所具有的便利性，TD-LTE中继测试床的设计思路是利用现有的TD-LTE产品，通过加载不同的软件，使其升级为中继。
如图 3所示，在传统的无线网络中，各基站之间相互独立，各自通过光纤等回传网络连接到核心网。该中继测试床通过对一个普通的两扇区基站加载不同的软件来实现。具体操作是：一个扇区加载终端相关的软件，作为中继的终端部分，同时对该扇区的RRU（Remote Radio Unit）做相应的参数配置，使其符合终端的接收发送时序；另一个扇区的软件进行相关的升级，作为中继的基站部分。另外普通基站需要加载相应的软件，升级为宏基站，为中继提供无线回传，并从协议架构上对中继提供支持。

  
图 3 中继测试床实现方案

该实现方案一方面能缩短了开发周期，一方面使中继和普通基站的平滑演进成为可能，从而能保护运营商的投资。
联合外场技术试验
爱立信和中国移动携手于2011年上半年针对该中继测试床进行了联合外场技术试验。试验中各节点（宏基站，中继的终端部分及中继的基站部分）均为两天线；中继和宏基站之间的距离约为460米，中间有建筑物阻挡；站点部署及天线方向如图 4所示；测试终端为LTE版本8的Aeroflex TM500（第三方终端）。

  
图 4 外场试验环境
图 5，图 6和图 7分别给出了RSRP（Reference Signal Received Power）、上行吞吐量、下行吞吐量在有中继和没有中继情况下的对比结果。从测试结果可以看出，通过在宏基站覆盖边缘安装中继，在宏基站的阴影覆盖区，RSRP从-125 dBm提高为-70 dBm，上行吞吐量从0提高到接近8 Mbps，下行吞吐量从0提高到20 Mbps左右。图 5 - 图 7中（c）图的起点和终点位置如图 5（b）中所示。下行速率只能达到20 Mbps，原因是回传链路只能支持20 Mbps的速率，从而成为系统的瓶颈。

  
图 5 RSRP对比图

  
图 6 上行吞吐量对比图

  
图 7 下行吞吐量对比图
结果表明，在实际无线环境中的外场测试结果接近中继测试床的设计目标。部署TD-LTE中继能在实际无线环境中扩展网络覆盖，显著提高小区边缘用户的吞吐量。
结论
TD-LTE中继是一种扩展TD-LTE网络覆盖、提高小区边沿边缘用户吞吐量的经济有效的方案。爱立信中继测试床的成功开发，验证了在TD-LTE普通基站的基础上通过软件升级实现TD-LTE中继的可行性。联合外场试验结果表明，部署TD-LTE中继能够在很大程度上扩展传统TD-LTE宏基站的覆盖范围，并显著提高宏小区边缘用户的上下行吞吐量。中继是LTE版本10中定义的技术，但中继的引入不需要对LTE版本8的终端做任何修改，因此LTE版本8的终端也能受益于中继的部署。
测试结果结果也说明，回传链路可能成为影响TD-LTE中继系统性能的瓶颈。因此，利用例如MIMO增强技术等先进技术实现更高效的无线回传，可以进一步提升中继节点给TD-LTE系统带来的增益。