TD-LTE中繼標(biāo)準(zhǔn)化、測試床開發(fā)及外場技術(shù)試驗(yàn)

摘要

中繼是在3GPP LTE 版本10中定義的一個(gè)新功能，其主要應(yīng)用是擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋和提高小區(qū)邊緣用戶的吞吐量。為了對實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中中繼的性能展開早期研究，愛立信在2010年研發(fā)出了TD-LTE中繼測試床，并攜手中國移動(dòng)進(jìn)行了外場技術(shù)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明中繼能夠擴(kuò)展TD-LTE系統(tǒng)的覆蓋，提升小區(qū)邊緣用戶上、下行的吞吐量。

背景

從目前TD-LTE (Time-Division Long-Term Evolution)外場試驗(yàn)結(jié)果看，TD-LTE提供了比以往2G、3G系統(tǒng)更高的傳輸速率和更好的用戶體驗(yàn)。TD-LTE最早期的布網(wǎng)可以首先針對熱點(diǎn)區(qū)域展開，但隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用戶量的持續(xù)提升，用戶就會(huì)希望在更大范圍享受 TD-LTE帶來的高速率體驗(yàn)，要求TD-LTE系統(tǒng)能夠在各種場景下為其提供服務(wù)。這些場景包括傳播環(huán)境復(fù)雜的密集城市、偏遠(yuǎn)郊區(qū)、室內(nèi)和高速覆蓋等。

為了應(yīng)對各種復(fù)雜的無線傳播環(huán)境，3GPP(3rd Generation Partnership Project)在版本10中對中繼(Relay)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。通過在宏基站和用戶終端之間加入一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，宏基站和終端之間的直傳鏈路被分為兩段：宏基站與中繼之間的鏈路稱為回傳鏈路(Un)，中繼與終端之間的鏈路稱為接入鏈路(Uu)，如圖 1。通過對中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理的部署，拆分后的兩段鏈路都能具有比直傳鏈路更短的傳播距離，同時(shí)傳播路線中的遮擋物也能減少，使得拆分后的兩段鏈路都具有比直傳鏈路更好的無線傳播條件和更高的傳輸能力。

圖 1 中繼示意圖

在密集城市，由于高樓等建筑物的阻擋，很多區(qū)域處于基站的覆蓋陰影區(qū)，信號(hào)質(zhì)量差。引入中繼站可以有效地減少城市中常見的陰影覆蓋區(qū)域和死區(qū);引入中繼還可以減小蜂窩網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，有效降低小區(qū)間干擾，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)容量;在城市局部熱點(diǎn)小區(qū)，通過部署中繼站可以將熱點(diǎn)小區(qū)的用戶引入負(fù)載較輕的相鄰小區(qū)，使得負(fù)載在網(wǎng)絡(luò)中得到均衡。在偏遠(yuǎn)郊區(qū)，由于傳輸距離遠(yuǎn)，路徑損耗非常大，另外TD-LTE的工作頻段較高，又導(dǎo)致了無線傳播條件的進(jìn)一步惡化。引入中繼可有效解決偏遠(yuǎn)郊區(qū)光纖資源匱乏和覆蓋問題。未來網(wǎng)絡(luò)中的高數(shù)據(jù)速率業(yè)務(wù)主要發(fā)生在室內(nèi)，而高密度的樓宇設(shè)計(jì)所造成的陰影衰落以及墻壁所造成的室內(nèi)穿透損都會(huì)為高數(shù)據(jù)速率的室內(nèi)覆蓋提出挑戰(zhàn)，中繼無線回傳可作為解決室內(nèi)覆蓋的有效手段。中繼站點(diǎn)還可以用于高速移動(dòng)的交通工具(如公共汽車、輕軌機(jī)車、高鐵等)上，為本地的高速移動(dòng)用戶進(jìn)行服務(wù)，從而提高用戶吞吐量，減少切換開銷。

目前，在站址資源與光纖資源巨大的需求壓力下，未來網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)時(shí)巨額的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和運(yùn)營成本將是運(yùn)營商面對的重要挑戰(zhàn)。除天面資源外，室內(nèi)機(jī)房是站址租金的主要核算依據(jù)。在北京地區(qū)，站間距在300-500米范圍，隨著業(yè)務(wù)速率需求的不斷提升，采用傳統(tǒng)的小區(qū)分裂方法解決網(wǎng)絡(luò)容量需求導(dǎo)致站址覆蓋半徑不斷收縮。另一方面，管道資源與建設(shè)成本是光纖資源及成本的重要組成，新站址接入到本地光纖接入環(huán)平均需要1-3km的光纖線路建設(shè);隨著站址資源的不斷增加，系統(tǒng)對高密度光纖網(wǎng)絡(luò)需求旺盛，如何解決新站址的最后1公里接入是未來網(wǎng)絡(luò)部署與演進(jìn)的重要挑戰(zhàn)。

從更長遠(yuǎn)來看，到2020年，系統(tǒng)容量預(yù)計(jì)比現(xiàn)在增大1000倍，為此需要引入更為密集的網(wǎng)絡(luò)部署，如微微小區(qū)。目前，為微微小區(qū)提供回傳的方式包括光纖、電纜和微波。光纖和電纜鋪設(shè)成本較高，鋪設(shè)周期較長。光纖線路鋪設(shè)分管道與桿路兩種，目前大多城市規(guī)劃均要求光纖入地，低廉的桿路架設(shè)不再允許，因此，管道資源建設(shè)提高了光纖部署成本。微波需要有視距傳輸，這在很多場景下不能得到滿足。因此，利用中繼節(jié)點(diǎn)作為無線回傳就成為了一個(gè)可能的替代方案。通過部署中繼，一個(gè)弱覆蓋區(qū)域的基本覆蓋和用戶容量能夠很快得以解決。

為了盡早研究中繼在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的性能，愛立信在2010年研發(fā)出了TD-LTE中繼測試床，并攜手中國移動(dòng)進(jìn)行了外場技術(shù)試驗(yàn)。希望能通過TD-LTE中繼測試床的聯(lián)合試驗(yàn)，更深入的了解TD-LTE中繼在擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋、提升系統(tǒng)容量方面的潛力，以及可能存在的問題。

本文結(jié)構(gòu)如下：第二節(jié)對3GPP中繼標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)行了回顧，第三節(jié)介紹TD-LTE中繼測試床的設(shè)計(jì)開發(fā)方案，第四節(jié)分析了外場技術(shù)試驗(yàn)的結(jié)果，第五節(jié)對全文進(jìn)行總結(jié)。

LTE中繼標(biāo)準(zhǔn)化回顧

2008年3月3GPP啟動(dòng)了LTE-Advanced研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目的目標(biāo)是定義LTE-Advanced系統(tǒng)的需求，并提出實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)所需要的關(guān)鍵技術(shù)。中繼是其中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)過長達(dá)一年多的論證，2009年10月3GPP設(shè)立了Work Item對中繼技術(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

LTE中繼分為帶內(nèi)中繼和帶外中繼兩類 [1]a.i.[1][1]。對于帶內(nèi)中繼，回傳鏈路和接入鏈路使用相同的頻段。而對于帶外中繼，回傳鏈路和接入鏈路使用不同的頻段。除了頻譜使用上的不同，帶外中繼和帶內(nèi)中繼具有如下的共同點(diǎn)：

控制自己的小區(qū)，從終端看來，這些小區(qū)都是與宏基站獨(dú)立的;

這些小區(qū)都有自己的小區(qū)識(shí)別號(hào)，并獨(dú)立發(fā)送同步信號(hào)、參考信號(hào)等;

在單小區(qū)操作的情況下，終端直接從中繼接收調(diào)度信息及HARQ反饋，并且向中繼發(fā)控制信道(如SR/CQI/ACK);

從LTE版本8的終端看，中繼是LTE版本8的基站;

目前，LTE中繼技術(shù)核心部分的標(biāo)準(zhǔn)化工作已基本完成，物理層方面的規(guī)范在[2]中定義，協(xié)議架構(gòu)相關(guān)的規(guī)范在[3]中定義。

TD-LTE中繼測試床設(shè)計(jì)與開發(fā)

愛立信TD-LTE中繼測試床采用了跟3GPP相同的設(shè)計(jì)思路，例如中繼是一個(gè)新的小區(qū)，對LTE版本8的終端后向兼容等。

該中繼測試床工作在TDD配置1下(上下行配比3：2)，屬于3GPP定義的帶內(nèi)中繼。如圖 2所示，在一個(gè)10 ms的無線幀中，4個(gè)下行子幀(0、1、5、6)和2個(gè)上行子幀(2、7)分配給接入鏈路。剩下的2個(gè)下行子幀(4、9)和2個(gè)上行子幀(3、8)分配給回傳鏈路。為了保持對LTE版本8用戶的后向兼容，子幀4和9在中繼小區(qū)中被配置為MBSFN(Multicast Broadcast Single Frequency Network)子幀，這樣中繼在子幀4和9的廣播部分可以不向終端發(fā)任何信號(hào)。在該配置下，下行采用兩流傳輸時(shí)，端到端的無丟包吞吐量可達(dá)到25.5 Mbps, 上行端到端的無丟包吞吐量可達(dá)到8.77 Mbps。