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中繼技術(shù)（增加基站與移動臺間中繼節(jié)點的技術(shù)）

次瀏覽 | 更新時間：2023-05-21

來源：網(wǎng)絡(luò)整理

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中繼技術(shù)

增加基站與移動臺間中繼節(jié)點的技術(shù)

中繼（Relay）技術(shù)，就是在基站與移動臺之間增加了一個或多個中繼節(jié)點，負責(zé)對無線信號進行一次或者多次的轉(zhuǎn)發(fā)，即無線信號要經(jīng)過多跳才能到達移動臺。以較簡單的兩跳中繼為例，就是將一個基站—終端鏈路分割為基站—中繼站和中繼站—終端兩個鏈路，從而有機會將一個質(zhì)量較差的鏈路替換為兩個質(zhì)量較好的鏈路，以獲得更高的鏈路容量及更好的覆蓋。

基本信息

外文名

Relay

簡介

相比以往的移動通信系統(tǒng)，LTE-Advanced可能使用覆蓋能力較差的高頻載波以及支持高數(shù)據(jù)速率業(yè)務(wù)的需求，因此可能需要部署更多的站點。如果所有的基站與核心網(wǎng)之間的回程鏈路（Backhaul）仍然使用傳統(tǒng)的有線連接方式，會對運營商帶來較大的部署難度和部署成本，站點部署靈活性也受到較大的限制。因此3GPP在LTE-Advanced啟動了中繼技術(shù)的研究來解決上述問題，提供無線的回程鏈路解決方案。從更廣的角度來看，如圖10-8所示，中繼技術(shù)不僅能夠解決部署靈活性和成本的問題，還有非常廣泛的應(yīng)用前景，因此吸引了眾多運營商和廠商的興趣。

中繼節(jié)點（RN，Relay Node）通過無線連接到其歸屬的eNode B小區(qū)（Donor Cell），如圖10-9所示，其中共有3條空中鏈路：

① RN與其歸屬小區(qū)之間的接口為Un接口，或稱回程鏈路（Backhaul Link）；

② R-UE（歸屬到RN的UE）與RN之間的接口為Uu接口，或稱接入鏈路（Access Link）；

③ UE與eNode B之間的接口為Uu接口，或稱直傳鏈路（Direct Link）。

根據(jù)中繼節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)功能的不同，可以將中繼分為如下的類型。

（1）按照RN接入Donor cell的方式分類

① 帶內(nèi)（Inband）RN：回程鏈路和接入鏈路復(fù)用相同的載波頻率資源。

② 帶外（Outband）RN：回程鏈路和接入鏈路使用不同的載波頻率資源。

（2）按照RN的工作方式分類

① 透明（Transparent）RN：R-UE無法感受到正通過透明RN進行通信。

② 非透明（Non-transparent）RN：R-UE能夠感受到正通過非透明RN進行通信。

（3）按照RN具有的功能分類

① 不獨立管理小區(qū)的RN：此類RN沒有獨立的小區(qū)ID，沒有獨立的無線資源管理功能（至少部分無線資源管理功能主要由Donor Cell所在的eNode B完成）。Smart repeater、解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼，層2中繼以及后面描述的類型2中繼都屬于此類的RN。

圖10-8 幾種中繼技術(shù)的應(yīng)用場景

圖10-9 引入中繼節(jié)點后的空中接口

② 獨立管理小區(qū)的RN：此類RN具有獨立的小區(qū)ID，具有獨立的無線資源管理功能，其管理的小區(qū)能夠接入LTE R8終端。層3中繼以及后面描述的類型Ⅰ中繼都屬于此類的RN。

中繼物理層技術(shù)

類型1 中繼（Type I Relay）

在LTE-Advanced研究中，3GPP RAN主要研究和標(biāo)準(zhǔn)化“類型Ⅰ中繼”，其特性如下。

① 類型Ⅰ中繼是帶內(nèi)中繼（Inband Relay）。

② 類型Ⅰ中繼管理獨立的小區(qū)，并擁有獨立的物理層小區(qū)ID，發(fā)送獨立的同步信號、參考符號等。

③ 歸屬到類型Ⅰ中繼的R-UE直接從中繼節(jié)點接收調(diào)度信令和HARQ反饋信令，并直接向中繼節(jié)點發(fā)送上行控制和反饋信息。

④ 類型Ⅰ中繼允許LTE R8終端的接入。

⑤ 對于LTE-A終端，類型Ⅰ中繼允許提供有別于普通LTE R8 eNode B的增強特性以提高系統(tǒng)性能。

可以看到，類型Ⅰ中繼屬于前面提到的帶內(nèi)、非透明、獨立管理小區(qū)的RN，類型Ⅰ中繼具有與普通eNode B類似的功能。

根據(jù)前面的定義，帶內(nèi)類型的RN在接入鏈路和回程鏈路上復(fù)用相同的載波頻率資源，若這兩條鏈路的信號收發(fā)同時進行，由于RN節(jié)點的收/發(fā)通道之間并不總是有良好的信號隔離，因此，將出現(xiàn)RN的發(fā)送信號干擾自身的接收信號的情況，如圖10-10所示。為了避免此類自干擾的出現(xiàn)，類型Ⅰ中繼以時分的方式工作在接入鏈路和回程鏈路上，特別地，針對TDD模式的類型Ⅰ中繼：

l　Donor eNode B→RN的傳輸在eNode B和RN的下行子幀完成；

圖10-10 帶內(nèi)中繼自干擾示意圖

l　RN→Donor eNode B的傳輸在eNode B和RN的上行子幀完成。

在LTE R8中，終端在非DRX狀態(tài)下每個下行子幀都對控制區(qū)域進行檢測和測量，為了保證類型Ⅰ中繼進行回程鏈路的接收不對LTE R8終端造成影響，采用了R8協(xié)議中已經(jīng)定義的MBSFN子幀的工作方式，如圖10-11所示。在一個MBSFN子幀的非控制區(qū)域，RN接收來自于Donor eNode B的下行回程數(shù)據(jù)，同時不向R-UE發(fā)送任何信號?；就ㄟ^高層信令告知RN作為回程傳輸?shù)南滦凶訋Ｍ瑫r，基站需要預(yù)先告知RN作為回程傳輸?shù)纳闲凶訋?，RN避免在這些上行子幀中對R-UE進行調(diào)度。

圖10-11 MBSFN子幀接收Donor eNode B數(shù)據(jù)

對于存在RN部署的TD-LTE-Advanced系統(tǒng)，為了支持上下行對稱和非對稱業(yè)務(wù)，接入鏈路可以配置為上下行對稱和非對稱的子幀配比，因此，回程鏈路也應(yīng)當(dāng)支持根據(jù)實際業(yè)務(wù)情況支持靈活的子幀分配方式，如圖10-12所示，這部分內(nèi)容還在3GPP RAN1研究和討論過程中。

圖10-12 兩種不同的RN幀配置方式

RN在MBSFN子幀的控制區(qū)域需要向R-UE發(fā)送控制信令，由于自干擾的限制，無法同時接收Donor eNode B發(fā)送的信號，因此3GPP RAN1正在研究和討論專門針對RN的下行控制信令設(shè)計，稱為R-PDCCH（Relay-PDCCH）。目前主流的兩種P-PDCCH設(shè)計方案有兩大類。

（1）常規(guī)R-PDCCH：Donor eNode B為歸屬于其下的多個RN分配相同的R-PDCCH區(qū)域，每個RN在該公共區(qū)域內(nèi)采用類似LTE R8 UE盲檢的方式獲得各自的控制信令。

（2）RN specific R-PDCCH：Donor eNode B為每個RN分配專屬的R-PDCCH資源，每個RN在各自的資源內(nèi)獲得控制信令。

同時，3GPP RAN1也在研究回程下行子幀中R-PDCCH與R-PDSCH （回程下行數(shù)據(jù)傳輸信道）的復(fù)用設(shè)計。目前有如下的3種復(fù)用設(shè)計方案尚在討論中，為簡單起見，這里沒有描述RN收發(fā)切換對回程傳輸帶來的影響。

（1）TDM復(fù)用方式：在MBSFN子幀的非控制區(qū)域中，R-PDCCH與R-PDSCH為單純的時分復(fù)用的關(guān)系，如圖10-13所示。其中R-PDCCH頻率上占用整個系統(tǒng)帶寬，時間上占用的OFDM符號數(shù)目可以由基站配置。

圖10-13 R-PDCCH與R-PDSCH時分復(fù)用

（2）FDM復(fù)用方式：在MBSFN子幀的非控制區(qū)域中，R-PDCCH與R-PDSCH為單純的頻分復(fù)用關(guān)系，如圖10-14所示。其中R-PDCCH時間上占用MBSFN子幀中非控制區(qū)域的所有OFDM符號，頻率上占用的PRB數(shù)目可以由基站配置。

圖10-14 R-PDCCH與R-PDSCH頻分復(fù)用

（3）TDM+FDM混合方式：在MBSFN子幀的非控制區(qū)域中，R-PDCCH與占用相同頻域位置的R-PDSCH資源為TDM復(fù)用方式，與另一部分R-PDSCH資源為FDM復(fù)用方式，如圖10-15所示。其中R-PDCCH占用PRB和符號數(shù)目可以由基站配置。

圖10-15 R-PDCCH與R-PDSCH時/頻分混合復(fù)用

類型Ⅱ 中繼（Type II Relay）

在討論“類型Ⅰ中繼”的同時，3GPP RAN1也對其他的中繼類型進行了研究，一種“類型Ⅱ中繼”方案吸引了部分公司的研究興趣，類型Ⅱ中繼具有如下的特性：

① 類型Ⅱ中繼是一種帶內(nèi)中繼節(jié)點；

② 它沒有獨立的物理層小區(qū)標(biāo)識，不能創(chuàng)建新的小區(qū)；

③ 它對LTE R8終端是透明的，即此類終端意識不到Type II中繼節(jié)點的存在；

④ 它能夠傳輸PDSCH；

⑤ 它至少不傳輸CRS和PDCCH。

可以看到，類型Ⅱ中繼屬于“不獨立管理小區(qū)的”、“透明的”中繼類型，主要用于增強終端的PDSCH接收性能，從而達到提高小區(qū)整體吞吐量的目的。類型Ⅱ中繼由于不發(fā)送CRS和PDCCH等公共信號，因此不能作為擴展小區(qū)覆蓋的解決方案。類型Ⅱ中繼的工作方案，主要有如下的3種類型，分別如圖10-16至圖10-18所示。

① 下行非協(xié)作傳輸，即基站將（重傳）調(diào)度信息和下行數(shù)據(jù)包發(fā)送給中繼節(jié)點，下行數(shù)據(jù)初傳和重傳都是在中繼節(jié)點和用戶終端之間進行，基站不參與向用戶終端的下行數(shù)據(jù)傳輸；

② 下行協(xié)作初傳和重傳，即基站將（重傳）調(diào)度信息和下行數(shù)據(jù)包發(fā)送給中繼節(jié)點，下行數(shù)據(jù)的初傳和重傳都是由基站和中繼節(jié)點協(xié)作完成的；

③ 下行協(xié)作重傳，即下行數(shù)據(jù)初傳在基站和用戶終端之間進行，當(dāng)需要重傳時，基站將重傳調(diào)度信息發(fā)送給中繼節(jié)點，基站和中繼節(jié)點協(xié)作向用戶終端發(fā)送下行數(shù)據(jù)包。

圖10-16 下行非協(xié)作傳輸

圖10-17 下行協(xié)作初傳和重傳步驟

圖10-18 下行協(xié)作重傳步驟

總體上看，3GPP RAN1對類型Ⅱ中繼的研究還處于初步的可行性討論階段，具體的工作方案還沒有一致的意見。

中繼高層技術(shù)

中繼研究的首要問題是類型I中繼的架構(gòu)選擇，根據(jù)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)的不同，中繼架構(gòu)主要分為架構(gòu)A和B。架構(gòu)A包含3種架構(gòu)選項，分別稱為Alt1、Alt2和Alt3；架構(gòu)B只包含一種架構(gòu)選項，稱為Alt4。

中繼架構(gòu)A

架構(gòu)A的特征為：S1接口的用戶平面和控制平面都終結(jié)于RN。在架構(gòu)A中，Alt1是其中最基礎(chǔ)的架構(gòu)選項，Alt2和Alt3是對Alt1進行優(yōu)化得到的。

圖10-19 RN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖—架構(gòu)A

如圖10-19所示，RN由兩部分邏輯功能組成：eNode B功能和UE功能（又稱為Relay-UE）。其中，eNode B功能用于為User-UE（在RN下工作的UE）提供接入服務(wù)；Relay-uE功能用于在回程連接上收發(fā)數(shù)據(jù)。為使RN的UE功能可以正常工作，LTE-Advanced系統(tǒng)中引入了Relay-UE的MME和Relay-UE的SGW/PGW功能。

從圖10-19可以看出，架構(gòu)選項Alt1、Alt2和Alt3的差異對于RN而言是透明的，它們屬于同一種架構(gòu)體系，之間的區(qū)別體現(xiàn)在將不同的功能實體集成到DeNode B中。在Alt1中，DeNode B功能和RN的Relay-UE對應(yīng)的SGW/PGW功能分別位于不同的物理節(jié)點；而在Alt2和Alt3中，DeNode B功能和RN的Relay-UE對應(yīng)的SGW/PGW功能被集成到DeNode B中。

需要注意的是，圖10-19中的中繼GW功能是可選的，其只存在于架構(gòu)選項Alt2中。中繼網(wǎng)關(guān)用于完成Home eNode B GW的功能，集成在DeNode B實體中，其使得DeNode B可以以代理的方式查看并中轉(zhuǎn)經(jīng)過其傳輸?shù)腟1接口和X2接口消息。中繼網(wǎng)關(guān)功能對于RN、UE的核心網(wǎng)節(jié)點以及其他eNode B而言都是不可見的。

對于上述3種架構(gòu)選項，現(xiàn)有的S1接口協(xié)議無需做任何改動。在Alt1和Alt3下，DeNode B只是將被封裝入隧道的S1接口消息映射到一條Un接口承載上進行傳輸，DeNode B無法獲悉其中轉(zhuǎn)的S1接口消息的具體內(nèi)容。在Alt2中，DeNode B可以獲悉經(jīng)其中轉(zhuǎn)的S1接口消息。Alt2中DeNode B的中繼GW功能帶來的另一個優(yōu)點是降低了DeNode B下RN的數(shù)量擴展對UE核心網(wǎng)節(jié)點的影響。DeNode B將為UE服務(wù)的RN與UE的核心網(wǎng)節(jié)點屏蔽開，在UE的核心網(wǎng)節(jié)點看來RN控制的小區(qū)就是DeNode B所控制的小區(qū)；同時DeNode B對RN屏蔽了UE的核心網(wǎng)節(jié)點，在RN看來DeNode B就是UE的核心網(wǎng)節(jié)點。

與S1接口協(xié)議類似，對于上述3種架構(gòu)選項，X2接口協(xié)議也無需做任何改動。在Alt2下，DeNode B能夠獲悉經(jīng)其中轉(zhuǎn)的X2接口消息。在Alt2下，DeNode B對鄰eNode B屏蔽了其服務(wù)的RN，在鄰eNode B看來RN控制的小區(qū)就是DeNode B所控制的小區(qū)；DeNode B對RN屏蔽了鄰eNode B，在RN看來其鄰小區(qū)都是DeNode B控制的小區(qū)。

1．Alt1/3中的數(shù)據(jù)傳輸過程

對于Alt1和Alt3，UE和RN承載以及下行數(shù)據(jù)包傳輸過程如圖10-20所示。

（1）發(fā)往UE的數(shù)據(jù)包由UE的PGW根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)包過濾規(guī)則（通常根據(jù)數(shù)據(jù)包所屬業(yè)務(wù)的QoS進行分類）確定其所屬的UE EPS承載，并通過對應(yīng)的GTP隧道（位于UE的SGW/PGW和RN之間）進行傳輸。

（2）對于上述數(shù)據(jù)包，UE SGW/PGW根據(jù)包過濾規(guī)則分類（通常根據(jù)數(shù)據(jù)包所屬業(yè)務(wù)的QoS進行分類）確定其所屬的RN EPS承載類型，并在IP包頭中的DS域中進行指示。

（3）RN的PGW接收到目的地址為RN的GTP隧道數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包過濾規(guī)則（基于IP包頭中的DS域）將其分類為不同的RN承載，并根據(jù)分類結(jié)果將該數(shù)據(jù)包通過第二層GTP隧道（位于RN的SGW/PGW和DeNode B之間）進行傳輸。對于由同一個RN服務(wù)的多個UE，具有相似QoS需求的多條UE EPS承載被映射到同一條RN EPS承載上。

圖10-20 用戶數(shù)據(jù)傳輸過程—Alt1/3

（4）DeNode B維護RN GTP隧道與RN無線承載之間的一一映射關(guān)系，根據(jù)收到的數(shù)據(jù)包所屬的RN GTP隧道確定對應(yīng)的RN無線承載，并在Un接口將數(shù)據(jù)包發(fā)往RN。

（5）RN維護UE GTP隧道與UE無線承載之間的一一映射關(guān)系，根據(jù)收到的數(shù)據(jù)包所屬的UE GTP隧道確定對應(yīng)的UE無線承載，并在Uu接口將數(shù)據(jù)包發(fā)往UE。

在上行，RN基于UE承載的QCI來完成UE承載到RN承載的映射。

2．Alt2中的數(shù)據(jù)傳輸過程

圖10-21 用戶數(shù)據(jù)傳輸過程—Alt2

對于Alt2，在UE的SGW/PGW和DeNode B之間，每個UE承載對應(yīng)一條GTP隧道，這條隧道在DeNode B被轉(zhuǎn)化為另一條GTP隧道，用于從DeNode B到RN的傳輸，兩條GTP隧道一一映射，下行數(shù)據(jù)包的傳輸過程如圖10-21所示，Alt2與Alt1/3的不同主要體現(xiàn)在以下兩方面。

（1）DeNode B可以通過解析S1消息知道每一條UE EPS承載的QoS信息，所以，由DeNode B基于收到的數(shù)據(jù)包所屬的UE EPS承載的QCI（通過承載設(shè)置時建立起的GTP TEID與之的關(guān)系進行過濾）確定該數(shù)據(jù)包所屬的RN無線承載。

（2）DeNode B將從SGW/PGW來的UE承載的GTP隧道轉(zhuǎn)化為另一條指向RN的UE承載GTP隧道，二者為一對一映射。這種將UE承載GTP隧道截斷的做法使得RN和核心網(wǎng)相互之間不可見，提高了網(wǎng)絡(luò)的可擴展性。

對于上行，RN基于UE承載的QCI完成UE承載到RN承載的映射。

對比圖10-20和圖10-21，可以看出一個顯著的區(qū)別是：在Alt1/3下，UE承載GTP隧道對DeNode B是不可見的；而在Alt2下，UE承載GTP隧道對DeNode B是可見的。

需要說明的是，EPS承載由GTP隧道和對應(yīng)的無線承載組成。在Alt2和Alt3中，由于DeNode B中集成了RN的SGW/PGW功能，RN承載的GTP隧道在邏輯上仍然是存在的，所以RN的EPS承載也是客觀存在的。這形成了架構(gòu)A的另一個特征：UE EPS承載與RN EPS承載之間存在嵌套關(guān)系。

架構(gòu)A中的3種選項中各具優(yōu)勢：Alt1對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)具有最好的兼容性；Alt3將RN的SGW/PGW功能并入DeNode B后，減少了數(shù)據(jù)傳輸途徑的節(jié)點數(shù)，相比Alt1降低了數(shù)據(jù)傳輸時延；Alt2下，RN所服務(wù)的UE的信息對DeNode B可見，為進一步進行流程優(yōu)化提供了可能。

架構(gòu)A的3種子選項采用了相同的Un接口。這意味著，同一種RN可以適用于架構(gòu)A的所有子選項，在標(biāo)準(zhǔn)上無需對架構(gòu)A下的3種RN架構(gòu)再做區(qū)分，這也為網(wǎng)絡(luò)部署帶來了實現(xiàn)的靈活度。運營商可以選擇Alt1，對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進行簡單升級后快速部署RN；也可以選擇Alt2和Alt3，對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進行復(fù)雜升級后部署RN，以獲得更好的網(wǎng)絡(luò)性能。

中繼架構(gòu)B

架構(gòu)B的特征為：S1接口的用戶平面終結(jié)于DeNode B，而控制平面終結(jié)于RN。此架構(gòu)下，DeNode B集成了中繼GW的功能，可以解析經(jīng)過其傳遞的S1和X2接口消息。與Alt2類似，從核心網(wǎng)節(jié)點和相鄰eNode B看來，RN表現(xiàn)為DeNode B管理下的小區(qū)。

圖10-22 RN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖—架構(gòu)B

與架構(gòu)A的不同在于，架構(gòu)B中Un口的用戶平面承載結(jié)構(gòu)不再采用在UE EPS承載外層嵌套RN EPS承載的結(jié)構(gòu)，而是將UE EPS承載直接一一映射為Un接口RN無線承載。這樣的映射方式避免了GTP隧道嵌套帶來的Un接口的協(xié)議開銷過大的問題。同時，由于在User-UE的數(shù)據(jù)傳輸過程中，不再需要RN EPS承載，所以與RN EPS承載相關(guān)的功能，如中繼的UE功能、Relay-UE的MME和SGW/PGW功能等，在User-UE的數(shù)據(jù)傳輸過程中不再發(fā)揮作用，如圖10-22所示。

在架構(gòu)B下，RN PGW/SGW雖然對User-UE的數(shù)據(jù)傳輸過程沒有貢獻，但其仍然是不可缺少的，因為RN的控制信息，如OAM信息等，需要經(jīng)過RN PGW/SGW發(fā)送到RN。

GTP隧道不延伸到Un接口也會帶來一定的缺點，如DeNode B對于收到的需要中轉(zhuǎn)給RN的用戶平面數(shù)據(jù)，需要先對其做協(xié)議轉(zhuǎn)換，即先從GTP隧道中取出，再發(fā)送給RN，這一過程的引入無疑增加了協(xié)議的復(fù)雜度。

對于Alt4，UE和RN的承載以及下行數(shù)據(jù)包傳輸過程如圖10-23所示。

對于連接到RN的UE，其每一條GTP隧道將和Un接口的RN無線承載一一映射，即每條GTP隧道獨占一條Un接口RN無線承載。需要注意的是，獨享的UE RN承載不含有GTP隧道的標(biāo)識信息，所以不是GTP隧道。與架構(gòu)A使用GTP隧道的標(biāo)識信息用于區(qū)分不同UE承載不同，架構(gòu)B需要在Un接口的PDCP，RLC或者MAC 協(xié)議層需要增加UE標(biāo)識，即需要對Uu接口的MAC/RLC/PDCP協(xié)議需要進行改造。