TD-LTE中繼標(biāo)準(zhǔn)化、測(cè)試床開(kāi)發(fā)及外場(chǎng)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(duì)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中中繼的性能展開(kāi)早期研究，愛(ài)立信在2010年研發(fā)出了TD-LTE中繼測(cè)試床，并攜手中國(guó)移動(dòng)進(jìn)行了外場(chǎng)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(chǎng)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(duì)熱點(diǎn)區(qū)域展開(kāi)，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(lái)的高速率體驗(yàn)，要求TD-LTE系統(tǒng)能夠在各種場(chǎng)景下為其提供服務(wù)。這些場(chǎng)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(duì)各種復(fù)雜的無(wú)線傳播環(huán)境，3GPP(3rd Generation Partnership Project)在版本10中對(duì)中繼(Relay)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。通過(guò)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(guò)對(duì)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(wú)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(jiàn)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(guò)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(wú)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(wèn)題。未來(lái)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(wú)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(kāi)銷。

目前，在站址資源與光纖資源巨大的需求壓力下，未來(lái)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(yíng)成本將是運(yùn)營(yíng)商面對(duì)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(duì)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(lái)網(wǎng)絡(luò)部署與演進(jìn)的重要挑戰(zhàn)。

從更長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)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(zhǎng)。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(chǎng)景下不能得到滿足。因此，利用中繼節(jié)點(diǎn)作為無(wú)線回傳就成為了一個(gè)可能的替代方案。通過(guò)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(ài)立信在2010年研發(fā)出了TD-LTE中繼測(cè)試床，并攜手中國(guó)移動(dòng)進(jìn)行了外場(chǎng)技術(shù)試驗(yàn)。希望能通過(guò)TD-LTE中繼測(cè)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(wèn)題。

本文結(jié)構(gòu)如下：第二節(jié)對(duì)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(cè)試床的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方案，第四節(jié)分析了外場(chǎng)技術(shù)試驗(yàn)的結(jié)果，第五節(jié)對(duì)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(guò)長(zhǎng)達(dá)一年多的論證，2009年10月3GPP設(shè)立了Work Item對(duì)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(duì)于帶內(nèi)中繼，回傳鏈路和接入鏈路使用相同的頻段。而對(duì)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(lái)，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(cè)試床設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

愛(ài)立信TD-LTE中繼測(cè)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(duì)LTE版本8的終端后向兼容等。

該中繼測(cè)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(wú)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(duì)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(wú)丟包吞吐量可達(dá)到25.5 Mbps, 上行端到端的無(wú)丟包吞吐量可達(dá)到8.77 Mbps。

圖 2 中繼的時(shí)隙分配

在實(shí)現(xiàn)上，該中繼測(cè)試床充分利用了TDD系統(tǒng)的特點(diǎn)。相對(duì)于FDD系統(tǒng)，TDD系統(tǒng)具有信號(hào)接收發(fā)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(shí)現(xiàn)相對(duì)于FDD系統(tǒng)更容易。由于TDD系統(tǒng)所具有的便利性，TD-LTE中繼測(cè)試床的設(shè)計(jì)思路是利用現(xiàn)有的TD-LTE產(chǎn)品，通過(guò)加載不同的軟件，使其升級(jí)為中繼。

如圖 3所示，在傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，各基站之間相互獨(dú)立，各自通過(guò)光纖等回傳網(wǎng)絡(luò)連接到核心網(wǎng)。該中繼測(cè)試床通過(guò)對(duì)一個(gè)普通的兩扇區(qū)基站加載不同的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體操作是：一個(gè)扇區(qū)加載終端相關(guān)的軟件，作為中繼的終端部分，同時(shí)對(duì)該扇區(qū)的RRU(Remote Radio Unit)做相應(yīng)的參數(shù)配置，使其符合終端的接收發(fā)送時(shí)序;另一個(gè)扇區(qū)的軟件進(jìn)行相關(guān)的升級(jí)，作為中繼的基站部分。另外普通基站需要加載相應(yīng)的軟件，升級(jí)為宏基站，為中繼提供無(wú)線回傳，并從協(xié)議架構(gòu)上對(duì)中繼提供支持。

圖 3 中繼測(cè)試床實(shí)現(xiàn)方案

該實(shí)現(xiàn)方案一方面能縮短了開(kāi)發(fā)周期，一方面使中繼和普通基站的平滑演進(jìn)成為可能，從而能保護(hù)運(yùn)營(yíng)商的投資。

聯(lián)合外場(chǎng)技術(shù)試驗(yàn)

愛(ài)立信和中國(guó)移動(dòng)攜手于2011年上半年針對(duì)該中繼測(cè)試床進(jìn)行了聯(lián)合外場(chǎng)技術(shù)試驗(yàn)。試驗(yàn)中各節(jié)點(diǎn)(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(diǎn)部署及天線方向如圖 4所示;測(cè)試終端為L(zhǎng)TE版本8的Aeroflex TM500(第三方終端)。

圖 4 外場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)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(méi)有中繼情況下的對(duì)比結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果可以看出，通過(guò)在宏基站覆蓋邊緣安裝中繼，在宏基站的陰影覆蓋區(qū)，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(diǎn)和終點(diǎn)位置如圖 5(b)中所示。下行速率只能達(dá)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(tǒng)的瓶頸。

圖 5 RSRP對(duì)比圖

圖 6 上行吞吐量對(duì)比圖

圖 7 下行吞吐量對(duì)比圖

結(jié)果表明，在實(shí)際無(wú)線環(huán)境中的外場(chǎng)測(cè)試結(jié)果接近中繼測(cè)試床的設(shè)計(jì)目標(biāo)。部署TD-LTE中繼能在實(shí)際無(wú)線環(huán)境中擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋，顯著提高小區(qū)邊緣用戶的吞吐量。

結(jié)論

TD-LTE中繼是一種擴(kuò)展TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋、提高小區(qū)邊沿邊緣用戶吞吐量的經(jīng)濟(jì)有效的方案。愛(ài)立信中繼測(cè)試床的成功開(kāi)發(fā)，驗(yàn)證了在TD- LTE普通基站的基礎(chǔ)上通過(guò)軟件升級(jí)實(shí)現(xiàn)TD-LTE中繼的可行性。聯(lián)合外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，部署TD-LTE中繼能夠在很大程度上擴(kuò)展傳統(tǒng)TD-LTE宏基站的覆蓋范圍，并顯著提高宏小區(qū)邊緣用戶的上下行吞吐量。中繼是LTE版本10中定義的技術(shù)，但中繼的引入不需要對(duì)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(cè)試結(jié)果結(jié)果也說(shuō)明，回傳鏈路可能成為影響TD-LTE中繼系統(tǒng)性能的瓶頸。因此，利用例如MIMO增強(qiáng)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高效的無(wú)線回傳，可以進(jìn)一步提升中繼節(jié)點(diǎn)給TD-LTE系統(tǒng)帶來(lái)的增益。