摘要
中繼是在3GPP LTE 版本10中定義的一個新功能，其主要應用是擴展網絡覆蓋和提高小區邊緣用戶的吞吐量。為了對實際網絡中中繼的性能展開早期研究，愛立信在2010年研發出了TD-LTE中繼測試床，并攜手中國移動進行了外場技術試驗。試驗結果表明中繼能夠擴展TD-LTE系統的覆蓋，提升小區邊緣用戶上、下行的吞吐量。
背景
從目前TD-LTE (Time-Division Long-Term Evolution)外場試驗結果看，TD-LTE提供了比以往2G、3G系統更高的傳輸速率和更好的用戶體驗。TD-LTE最早期的布網可以首先針對熱點區域展開，但隨著數據業務用戶量的持續提升，用戶就會希望在更大范圍享受TD-LTE帶來的高速率體驗，要求TD-LTE系統能夠在各種場景下為其提供服務。這些場景包括傳播環境復雜的密集城市、偏遠郊區、室內和高速覆蓋等。
為了應對各種復雜的無線傳播環境，3GPP（3rd Generation Partnership Project）在版本10中對中繼（Relay）進行了標準化。通過在宏基站和用戶終端之間加入一個中繼節點，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。通過對中繼節點進行合理的部署，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，很多區域處于基站的覆蓋陰影區，信號質量差。引入中繼站可以有效地減少城市中常見的陰影覆蓋區域和死區；引入中繼還可以減小蜂窩網絡中節點的發射功率，有效降低小區間干擾，優化網絡容量；在城市局部熱點小區，通過部署中繼站可以將熱點小區的用戶引入負載較輕的相鄰小區，使得負載在網絡中得到均衡。在偏遠郊區，由于傳輸距離遠，路徑損耗非常大，另外TD-LTE的工作頻段較高，又導致了無線傳播條件的進一步惡化。引入中繼可有效解決偏遠郊區光纖資源匱乏和覆蓋問題。未來網絡中的高數據速率業務主要發生在室內，而高密度的樓宇設計所造成的陰影衰落以及墻壁所造成的室內穿透損都會為高數據速率的室內覆蓋提出挑戰，中繼無線回傳可作為解決室內覆蓋的有效手段。中繼站點還可以用于高速移動的交通工具（如公共汽車、輕軌機車、高鐵等）上，為本地的高速移動用戶進行服務，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，未來網絡演進時巨額的網絡建設成本和運營成本將是運營商面對的重要挑戰。除天面資源外，室內機房是站址租金的主要核算依據。在北京地區，站間距在300-500米范圍，隨著業務速率需求的不斷提升，采用傳統的小區分裂方法解決網絡容量需求導致站址覆蓋半徑不斷收縮。另一方面，管道資源與建設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平均需要1-3km的光纖線路建設；隨著站址資源的不斷增加，系統對高密度光纖網絡需求旺盛，如何解決新站址的最后1公里接入是未來網絡部署與演進的重要挑戰。
從更長遠來看，到2020年，系統容量預計比現在增大1000倍，為此需要引入更為密集的網絡部署，如微微小區。目前，為微微小區提供回傳的方式包括光纖、電纜和微波。光纖和電纜鋪設成本較高，鋪設周期較長。光纖線路鋪設分管道與桿路兩種，目前大多城市規劃均要求光纖入地，低廉的桿路架設不再允許，因此，管道資源建設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，利用中繼節點作為無線回傳就成為了一個可能的替代方案。通過部署中繼，一個弱覆蓋區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際網絡中的性能，愛立信在2010年研發出了TD-LTE中繼測試床，并攜手中國移動進行了外場技術試驗。希望能通過TD-LTE中繼測試床的聯合試驗，更深入的了解TD-LTE中繼在擴展網絡覆蓋、提升系統容量方面的潛力，以及可能存在的問題。
本文結構如下：第二節對3GPP中繼標準化工作進行了回顧，第三節介紹TD-LTE中繼測試床的設計開發方案，第四節分析了外場技術試驗的結果，第五節對全文進行總結。
LTE中繼標準化回顧
2008年3月3GPP啟動了LTE-Advanced研究項目，該項目的目標是定義LTE-Advanced系統的需求，并提出實現該系統所需要的關鍵技術。中繼是其中的一項關鍵技術。經過長達一年多的論證，2009年10月3GPP設立了Work Item對中繼技術進行標準化。
LTE中繼分為帶內中繼和帶外中繼兩類 [1]a.i.[1][1]。對于帶內中繼，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，帶外中繼和帶內中繼具有如下的共同點：
控制自己的小區，從終端看來，這些小區都是與宏基站獨立的；
這些小區都有自己的小區識別號，并獨立發送同步信號、參考信號等；
在單小區操作的情況下，終端直接從中繼接收調度信息及HARQ反饋，并且向中繼發控制信道（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中繼技術核心部分的標準化工作已基本完成，物理層方面的規范在[2]中定義，協議架構相關的規范在[3]中定義。
TD-LTE中繼測試床設計與開發
愛立信TD-LTE中繼測試床采用了跟3GPP相同的設計思路，例如中繼是一個新的小區，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定義的帶內中繼。如圖 2所示，在一個10 ms的無線幀中，4個下行子幀（0、1、5、6）和2個上行子幀（2、7）分配給接入鏈路。剩下的2個下行子幀（4、9）和2個上行子幀（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任何信號。在該配置下，下行采用兩流傳輸時，端到端的無丟包吞吐量可達到25.5 Mbps, 上行端到端的無丟包吞吐量可達到8.77 Mbps。
圖 2 中繼的時隙分配
在實現上，該中繼測試床充分利用了TDD系統的特點。相對于FDD系統，TDD系統具有信號接收發送在同一頻段、采用同一射頻通道的特性，該特性在很大程度上使得中繼的實現相對于FDD系統更容易。由于TDD系統所具有的便利性，TD-LTE中繼測試床的設計思路是利用現有的TD-LTE產品，通過加載不同的軟件，使其升級為中繼。
如圖 3所示，在傳統的無線網絡中，各基站之間相互獨立，各自通過光纖等回傳網絡連接到核心網。該中繼測試床通過對一個普通的兩扇區基站加載不同的軟件來實現。具體操作是：一個扇區加載終端相關的軟件，作為中繼的終端部分，同時對該扇區的RRU（Remote Radio Unit）做相應的參數配置，使其符合終端的接收發送時序；另一個扇區的軟件進行相關的升級，作為中繼的基站部分。另外普通基站需要加載相應的軟件，升級為宏基站，為中繼提供無線回傳，并從協議架構上對中繼提供支持。
圖 3 中繼測試床實現方案
該實現方案一方面能縮短了開發周期，一方面使中繼和普通基站的平滑演進成為可能，從而能保護運營商的投資。
聯合外場技術試驗
愛立信和中國移動攜手于2011年上半年針對該中繼測試床進行了聯合外場技術試驗。試驗中各節點（宏基站，中繼的終端部分及中繼的基站部分）均為兩天線；中繼和宏基站之間的距離約為460米，中間有建筑物阻擋；站點部署及天線方向如圖 4所示；測試終端為LTE版本8的Aeroflex TM500（第三方終端）。
圖 4 外場試驗環境
圖 5，圖 6和圖 7分別給出了RSRP（Reference Signal Received Power）、上行吞吐量、下行吞吐量在有中繼和沒有中繼情況下的對比結果。從測試結果可以看出，通過在宏基站覆蓋邊緣安裝中繼，在宏基站的陰影覆蓋區，RSRP從-125 dBm提高為-70 dBm，上行吞吐量從0提高到接近8 Mbps，下行吞吐量從0提高到20 Mbps左右。圖 5 - 圖 7中（c）圖的起點和終點位置如圖 5（b）中所示。下行速率只能達到20 Mbps，原因是回傳鏈路只能支持20 Mbps的速率，從而成為系統的瓶頸。
圖 5 RSRP對比圖
圖 6 上行吞吐量對比圖
圖 7 下行吞吐量對比圖
結果表明，在實際無線環境中的外場測試結果接近中繼測試床的設計目標。部署TD-LTE中繼能在實際無線環境中擴展網絡覆蓋，顯著提高小區邊緣用戶的吞吐量。
結論
TD-LTE中繼是一種擴展TD-LTE網絡覆蓋、提高小區邊沿邊緣用戶吞吐量的經濟有效的方案。愛立信中繼測試床的成功開發，驗證了在TD-LTE普通基站的基礎上通過軟件升級實現TD-LTE中繼的可行性。聯合外場試驗結果表明，部署TD-LTE中繼能夠在很大程度上擴展傳統TD-LTE宏基站的覆蓋范圍，并顯著提高宏小區邊緣用戶的上下行吞吐量。中繼是LTE版本10中定義的技術，但中繼的引入不需要對LTE版本8的終端做任何修改，因此LTE版本8的終端也能受益于中繼的部署。
測試結果結果也說明，回傳鏈路可能成為影響TD-LTE中繼系統性能的瓶頸。因此，利用例如MIMO增強技術等先進技術實現更高效的無線回傳，可以進一步提升中繼節點給TD-LTE系統帶來的增益。
參考文獻
3GPP TR 36.814 v9.0.0, Further advancements for E-UTRA (physical layer aspects), March 2010.
3GPP TS 36.216 V10.2.0 Physical layer for relaying operation (Release 10), March 2011.
3GPP TS 36.300 V10.3.0, E-UTRAN Overall description; Stage 2 (Release 10), March 2011.
作者：
愛立信（中國）通信有限公司：甘劍松，王亥
中國移動通信研究院：劉光毅，劉建軍，沈曉冬
