中繼模式在OFDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

摘要：中繼技術(shù)能夠?qū)υ谢具M(jìn)行覆蓋增強(qiáng)，同時(shí)0FDMA技術(shù)是下一代移動(dòng)通信的主要多址方式，因而研究設(shè)計(jì)OFDMA技術(shù)約束下的中繼方案，具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。以LTE物理層幀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，針對(duì)0FDMA調(diào)制系統(tǒng)的中繼實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了深入分析，結(jié)合OFDMA系統(tǒng)靈活的時(shí)頻資源分配特點(diǎn)，提出針對(duì)0FDMA的多跳／單跳資源分配方法，最后，還提出一種針對(duì)FDD模式的0FDMA中繼實(shí)現(xiàn)方案。對(duì)認(rèn)為中繼只能用于TDD系統(tǒng)的傳統(tǒng)觀念進(jìn)行了前沿性的拓展。
關(guān)鍵詞：LTE；OFDMA；中繼；FDD

0 引 言
    NGMN(下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)組織)首先把引入(Wire—less Board Bandwidth，wBB)作為重要目標(biāo)，無線接入點(diǎn)AP是達(dá)到這一目標(biāo)的關(guān)鍵性產(chǎn)品，AP很好地實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)解決方案TCO最優(yōu)化。
    NGMN網(wǎng)絡(luò)中，3GPP空口長期演進(jìn)LTE項(xiàng)目是最為重要的無線接入技術(shù)，主要目標(biāo)是提供高速率、低時(shí)延和分組(IP)化的無線接入網(wǎng)絡(luò)。自然的，基于LTE的AP將是NGMN部署中解決無線寬帶接入最為主要的基站形態(tài)。LTE空口物理層關(guān)鍵技術(shù)中，支持FDD／TDD兩種雙工模式，支持OFDMA方式進(jìn)行資源分配和用戶區(qū)分。
    中繼技術(shù)能夠?qū)υ谢咎貏e是AP型基站進(jìn)行覆蓋增強(qiáng)，并有效提升區(qū)域特別是小區(qū)邊緣的吞吐量，因而研究設(shè)計(jì)LTE／OFDMA技術(shù)約束下的中繼方案，具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。
    該文首先對(duì)LTE物理層幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡要介紹，然后給出0FDMA系統(tǒng)中繼引入后空口資源分配方法；最后，提出一種針對(duì)FDD模式的0FDMA中繼實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)認(rèn)為中繼只能用于TDD系統(tǒng)的傳統(tǒng)觀念進(jìn)行了前沿性的拓展。

l LTE幀結(jié)構(gòu)
    0FDMA作為未來數(shù)年最重要和最有希望的接入方案，允許把一個(gè)寬頻率帶寬分裂成小的片斷來服務(wù)于不同的終端。目前，LTE／UMB以及WiMAX等體制都將OFDMA作為空口物理層基本調(diào)制技術(shù)。
    圖1為LTE的基本幀結(jié)構(gòu)，適用于FDD和TDD兩種模式?；編L10 ms，一共分為20個(gè)0．5 ms子幀，兩個(gè)子幀組成一個(gè)1 ms TTI。FDD模式下，20個(gè)子幀分別同時(shí)用于上行和下行；TDD模式下，上下行比例可以配置(#0／5子幀用于下行)。

    在基本幀結(jié)構(gòu)下，當(dāng)采用短CP模式時(shí)，下行／上行每個(gè)子幀7個(gè)OFDM／SC—FDMA符號(hào)；當(dāng)為了克服更大多徑延時(shí)而采用長CP模式時(shí)，下行／上行每個(gè)子幀支持6個(gè)OFDM／SC—FDMA符號(hào)。

    在LTE的空口資源表示中，NDLBW表示下行帶寬配置，用下行子載波數(shù)表示；NULBW表示上行帶寬配置，用上行虛擬子載波數(shù)表示；NDLsymb表示下行一個(gè)時(shí)隙(子幀)中的0FDM符號(hào)數(shù)；NULsymb表示上行一個(gè)時(shí)隙中SC—OFDM符號(hào)數(shù)；NRBBW表示頻域資源塊數(shù)(以12個(gè)子載波為基本單位)。
    圖4是LTE中基于OFDMA的下行資源柵格示意圖，基于用戶調(diào)度的資源塊定義為：時(shí)間域連續(xù)的OFDM符號(hào)數(shù)和頻率域連續(xù)子載波塊的乘積NDLsymb×NRBBW。在上行資源調(diào)度中，資源塊定義為一個(gè)子幀和參數(shù)NTX和k0。這兩個(gè)參數(shù)決定了傳輸帶寬和頻率跳頻模式。NTX也以12個(gè)虛擬子載波為單位。

    可見，LTE可以在時(shí)域和頻域分別對(duì)用戶進(jìn)行區(qū)分。因此，下面基于OFDMA的中繼技術(shù)設(shè)計(jì)可以直接應(yīng)用在LTE中。

2 基于OFDMA的中繼方案
2．1 基于OFDMA的多跳／單跳資源分配方法
    從單跳和多跳連接的不同出發(fā)，OFDMA技術(shù)可被用于將可用頻帶分裂為兩部分：一部分用于單跳通信，另一部分用于多跳通信?？梢灶A(yù)見，鄰近子載波分別被分配給多跳和單跳話務(wù)量，產(chǎn)生了兩個(gè)鄰近子頻段，一個(gè)用于多跳，一個(gè)用于單跳。這意味著，目標(biāo)系統(tǒng)的空口使用一個(gè)完整的頻段，比如100 MHz，分裂這整個(gè)頻段為兩部分。作為例子，圖5給出了基于0FDMA的空口中Nc個(gè)子載波的分配模式，MH區(qū)域表示該部分子載波用于多跳通信，SH區(qū)域表示該部分子載波用于單跳通信。

    通過利用OFDMA的特性，兩個(gè)子頻段以一種靈活的方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)分割。OFDMA允許分配不同的子載波給不同的用戶，來形成不同的連接。這里建議根據(jù)需要將子載波分配成兩個(gè)子波段，例如，高位頻段的子載波被分配給多跳子頻段，同時(shí)余下的子載波被用于單跳。分配給單跳和多跳的子載波數(shù)量能夠根據(jù)需求動(dòng)態(tài)調(diào)整。
    依賴于單跳和多跳話務(wù)量對(duì)頻率資源的需求，子頻段分割會(huì)改變，比如，如果在一個(gè)多跳固定中繼站區(qū)域的終端間有較重的本地話務(wù)量，而只有很少的一點(diǎn)帶寬需求用于和因特網(wǎng)之間傳輸數(shù)據(jù)，這樣，多跳子頻段將會(huì)減少到非常少的子載波數(shù)量。然而，如果多跳需要更多的帶寬，一些用于單跳的載波將被分配給多跳頻段。舉例而言，如果每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都和因特網(wǎng)有一個(gè)連接，多跳子頻段將會(huì)增加以支持通過固定中繼網(wǎng)絡(luò)中繼的大話務(wù)需求。
    在AP／中繼站和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間，以及AP和中繼站之間，一般通過TDD的方式來實(shí)現(xiàn)上行／下行的分割。然而，F(xiàn)DD在單跳鏈路上也可以通過這個(gè)概念來實(shí)行，同時(shí)一種混合的FDD方法可被用于多跳連接。相對(duì)而言，F(xiàn)DD的多跳實(shí)現(xiàn)相比TDD的多跳實(shí)現(xiàn)要復(fù)雜，特別是硬件方案。本節(jié)主要以TDD為例來進(jìn)行論述。
    圖6中，通過基于兩個(gè)固定中繼站的部署，對(duì)子載波被動(dòng)態(tài)分配給多跳和單跳的話務(wù)量的概念進(jìn)行模擬。在這個(gè)場景中，最多支持三跳。最初的兩跳通過AP和兩個(gè)固定中繼站之間多跳子頻段來實(shí)現(xiàn)，在中繼站2和MN3(移動(dòng)節(jié)點(diǎn)3)之間的第三跳通過單跳頻段3(SH3)來實(shí)現(xiàn)。在圖6中，在該種拓?fù)湎?，不同的帶寬分配被?biāo)示出來。MHl頻段用于AP和FMHNl(SHCommunication and MHCommLmication over FixedRelay Stations，這里指固定中繼站)之間的雙向多跳話務(wù)量，和SHl區(qū)域的單跳話務(wù)量共享子載波，SHl區(qū)域的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)直接被AP服務(wù)。MH2區(qū)域和SH2區(qū)域的多跳和單跳話務(wù)量，同樣通過動(dòng)態(tài)的方式共享子載波。在SH3區(qū)域中話務(wù)量將獨(dú)占所有子載波，因?yàn)橐呀?jīng)沒有更多的多跳連接存在。

2．2 在MS一OFDMA中的子頻段帶寬設(shè)計(jì)
    由于從AP到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的下行話務(wù)量被分布給單跳區(qū)域，而從移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到AP的上行話務(wù)量被匯聚，這導(dǎo)致針對(duì)多跳連接，朝向AP和因特網(wǎng)方向的帶寬需求逐步增長。這通過分配給AP附近MH鏈路更高數(shù)量子載波來考慮這個(gè)需求，比如圖6中的MHl鏈路。然而，其他不同子載波分配方式也是可能的，比如當(dāng)很重的本地話務(wù)量或單跳區(qū)域間通過中繼站而不是AP傳送大話務(wù)量時(shí)，MHl將比MH2分配更少的子載波。
    由于我們期望MH鏈路上的話務(wù)通過高增益天線在LOS環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，因此相同帶寬條件下，單位頻譜數(shù)據(jù)速率比AP／FMHN和MN之間的最后一跳鏈路要高很多；因而，如果假設(shè)所有的話務(wù)量都來自／去往AP和因特網(wǎng)，分配給多跳鏈路的載波數(shù)量能夠比單跳鏈路上需要的少。此外，被最后一個(gè)中繼服務(wù)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，比如MN3，會(huì)經(jīng)歷最高數(shù)量的跳數(shù)才能到達(dá)因特網(wǎng)。針對(duì)這些移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的最大分配帶寬，例如SH3區(qū)域，部分彌補(bǔ)了這種不足，一定程度上降低了所經(jīng)歷的不同鏈路的時(shí)延。
    另一方面，需要對(duì)小區(qū)尺寸進(jìn)行合適的選擇。相比FMHN服務(wù)的小區(qū)而言，最后的小區(qū)(SH3區(qū)域)將變成最大的小區(qū)(覆蓋更多的移動(dòng)節(jié)點(diǎn))。這種小區(qū)規(guī)劃能確保在整個(gè)部署區(qū)域內(nèi)每個(gè)用戶都有一個(gè)恒定的數(shù)據(jù)速率，這是在未來移動(dòng)通信系統(tǒng)中，部署方案的一個(gè)研究目標(biāo)。
    由此可見，借助新穎的方案，在端到端連接上的靈活資源分配變得可能。基于OFDMA的多跳方案引入了一種多跳話務(wù)量和單跳話務(wù)量的邏輯分割方法，這將通過在公共物理層和共享公共頻段基礎(chǔ)上的不同協(xié)議來為之服務(wù)。多跳通信相比單跳通信，在協(xié)議設(shè)計(jì)上提出了不同的需求，能夠開發(fā)和部署有效協(xié)議來獨(dú)立針對(duì)不同的問題領(lǐng)域。同時(shí)，就如常規(guī)的解決方案一樣，對(duì)于分割頻率并沒有特別的需求，只需要一個(gè)頻段。同時(shí)，單跳和多跳頻段間不需要類似常規(guī)FDMA中的保護(hù)帶，因?yàn)镺FDMA允許更近的分割，子載波在頻率域正交。

3 FDD中繼方案初步探討
    目前，雖然中繼技術(shù)用于FDD模式時(shí)硬件實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，成本相對(duì)較高，但是，F(xiàn)DD是迄今承載業(yè)務(wù)量最大的移動(dòng)通信模式，且FDD模式所占用頻段也最多，所處頻段的覆蓋能力也最為優(yōu)越。因此對(duì)FDD模式和中繼技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用是非常必要的，下面對(duì)基于FDD的兩跳模式和基站收發(fā)信機(jī)邏輯架構(gòu)進(jìn)行初步探討。
    FDD通信模式中，上行和下行通信頻段被物理分割，基站和終端間可以同時(shí)進(jìn)行上下行通信，即可以同時(shí)接收和發(fā)射。上行占用頻段處于低位，用LB表示，中心頻率定義為fLB；下行占用頻段處于高位，用HB表示，中心頻率定義為fHB；兩個(gè)頻段間的雙工間隔達(dá)數(shù)十兆赫茲fDup。
    為了節(jié)約成本，這里假設(shè)中繼站只有一套收發(fā)信機(jī)，即同時(shí)只能接收和發(fā)射一路信號(hào)。因?yàn)橹欣^站在功能上需要支持BR／RB／RM／MR(基站發(fā)中繼收／中繼發(fā)基站收／中繼發(fā)終端收／終端發(fā)中繼收)四種模式，因此需要通過時(shí)分的方式來對(duì)中繼站的收發(fā)信機(jī)資源進(jìn)行調(diào)度，在時(shí)間域上分為BR／RB和RM／MR兩種收發(fā)狀態(tài)。
    基于MS—OFDMA基本方法，分別將LB和HB頻段再分為SH和MH子頻段分別用于單跳和多跳通信。MHl／SHl是基站與中繼站以及和基站和終端分別直接通信的頻段劃分；由于中繼站采取時(shí)分的方式分別與基站和終端通信，即MH1不是一直占用發(fā)射的，在中繼站覆蓋區(qū)域和基站直接覆蓋區(qū)域保持良好隔離情況下，中繼站的單跳通信SH2可以利用全部頻段，否則采用和MHl相同頻段。這里假設(shè)SH2可以采用全部頻段，因?yàn)橹欣^站設(shè)立的初衷就是彌補(bǔ)基站的覆蓋空洞。上述頻率分配模式如圖7所示。

    這樣，得到這個(gè)兩跳系統(tǒng)的通信時(shí)隙表，見表1。從表1中可以看出，中繼站在不同時(shí)間分別充當(dāng)了基站和終端角色。這就需要中繼的發(fā)射機(jī)以分時(shí)方式支持SH(HB)2和MH(LB)1兩個(gè)子頻段的發(fā)射，接收機(jī)以分時(shí)方式支持MH(HB)1和SH(LB)2兩個(gè)子頻段的接收。

    這需要設(shè)計(jì)可變中心頻率的收發(fā)信機(jī)。圖8是一個(gè)基于零中頻架構(gòu)的收發(fā)信機(jī)架構(gòu)，通過兩個(gè)交換矩陣，支持收發(fā)信機(jī)可變中心頻率，支持雙工器濾波器收發(fā)模式改變。該架構(gòu)中，在子時(shí)隙1時(shí)，fLB被交換到發(fā)射機(jī)鎖相環(huán)，fHB被交換到接收機(jī)鎖相環(huán)，同時(shí)射頻前端發(fā)射通道被交換到支持fLB的濾波器，接收通道被交換到支持fHB的濾波器。在子時(shí)隙2時(shí)，fHB被交換到發(fā)射機(jī)鎖相環(huán)，fLB被交換到接收機(jī)鎖相環(huán)，同時(shí)射頻前端發(fā)射通道被交換到支持fHB的濾波器，接收通道被交換到支持fLB的濾波器。然后以2為周期進(jìn)行循環(huán)。

4 結(jié) 語
    基于OFDMA系統(tǒng)，中繼空口可以采取更為靈活和動(dòng)態(tài)的時(shí)頻資源分配模式，這將成為在OFDMA系統(tǒng)中中繼走向商用的關(guān)鍵因素之一，而基于FDD的中繼系統(tǒng)，也必將成為這種商用過程中優(yōu)先考慮的方面。