隨著無線移動通信市場的發展，移動用戶數量飛速增加，業務種類和帶寬的需求也不斷增加，現有的通信系統已遠遠不能滿足未來用戶需求。以寬帶、高效、全移動和全業務為特征的新一代寬帶無線移動通信網的研究迫在眉睫。因此，3GPP啟動了第四代移動通信系統LTE-Advanced(簡稱LTE-A)的技術征集。

LTE-A是在LTE版本8/版本9(R8/R9-Release 8/Release 9)基礎上的進一步演進和增強。LTE-A系統將能夠支持全業務數據傳輸速率，即在高速移動環境下支持高達100 Mb/s峰值速率的移動接入，以及在游牧/本地無線接入等低速移動環境下支持1 Gb/s的峰值速率。除了更高的系統性能需求，LTE-A還要求考慮后向兼容性，以降低運營商網絡升級的成本。中繼增強蜂窩網作為高速率、高覆蓋要求下的一種有效通信方式，成為LTE-A系統的關鍵新技術之一。與傳統蜂窩網相比，中繼技術不僅可以擴展小區的覆蓋范圍，消除或減少通信盲點，同時還可以根據實際網絡環境的負載分布進行負載平衡，轉移熱點地區的業務，提高系統的頻譜利用效率；引入中繼技術可以增加終端接入選擇自由度，節省終端的發射功率，從而延長電池壽命；中繼站還具有架設布網方便、運營維護成本低的優點。

1 中繼技術的應用場景

中繼的應用場景最初主要有如表1所示的幾種?？紤]應用場景的優先級，R10中主要關注固定的以及兩跳的中繼，因此，R10版本中研究移動中繼和多跳中繼優先級較低，對移動中繼和多跳中繼技術以及相應的應用場景討論較少。但LTE-A中繼的后續進展中不排除其余應用場景的研究，因此在R10中選擇中繼的協議架構以及研究中繼的物理層技術和高層技術時需要考慮對中繼移動性的支持。

2 中繼節點接口與協議架構的確定

網絡中加入中繼節點后，網絡接口如圖1所示。主基站是與中繼節點建立無線連接的基站(eNB)，中繼節點是處于用戶(UE)和主基站之間的節點。在中繼系統中需要考慮兼容R8的用戶。一個中繼節點包含兩個物理層實體。一個實體用于和其下屬用戶通信；另一個實體具有用戶功能，用于和主基站通信。對部署中繼的接入網，將中繼和主基站之間的空口命名為Un接口，用戶和中繼之間的接口仍為Uu接口。每個主基站支持中繼的數目確定為30～40個。

關于中繼的協議架構，早期共有4種備選的方案[1]：方案1完備層3功能中繼，其對主基站透明；方案2代理S1/X2接口；方案3在主基站處終止中繼節點的承載；方案4在主基站處終止S1接口。

經過對4種架構進行多次分析和比較，從設備復雜度、對現有網絡節點的影響、部署的靈活性、對標準化的影響和復雜度、數據包的頭部開銷、UE移動性的支持以及服務質量(QoS)的保障、S1/X2接口的維護等方面考慮，中繼系統最終確定方案2為中繼節點的協議架構。主基站將代理中繼的所有S1和X2接口，主基站增加中繼節點后進化了的通用移動通信系統陸地無線接入網(E-UTRAN)的架構如圖2[2]所示。

中繼節點選取方案2架構后，其用戶面和控制面的協議棧分別如圖3和圖4所示。

3 中繼節點物理層技術

LTE-Advanced支持兩種類型的中繼節點，分別是“類型1”中繼和“類型1a”中繼。“類型1”中繼是帶內中繼，其特征如下：

(1)控制一個或者多個小區，每個小區對UE來說是一個不同于主基站(DeNB)小區的獨立小區。
(2)小區有自己的物理小區號，中繼節點發送獨立的同步信號、參考信號等信號。
(3)在每個小區操作中，UE從中繼節點接收調度信息和上行數據包的確認反饋，并發送探測信號、信道質量信息、數據包確認收到等信息給中繼節點。
(4)為保證后向兼容性，對于Rel-8 UE來說，中繼節點就像一個Rel-8的eNB。
(5)對于LTE-A UE，中繼節點有可能顯示出不同于Rel-8 eNB的特性，以增強性能。

“類型1a”中繼擁有“類型1”中繼的以上所列特點，唯一不同的是“類型1a”中繼是帶外中繼，對層1的標準化影響很小，因而3GPP的中繼技術討論主要針對“類型1”中繼展開研究。

3.1 資源分配和復用

由于中繼的發射機會對自身的接收機產生干擾，同時在同頻段中繼要實現對DeNB的接收和對下屬UE的發送是不可能的，類似地，中繼也不可能同時在同頻段完成對下屬UE的上行接收和對DeNB的上行發送。

一個可能的解決方案是在中繼對下屬UE的通信中制造一段“空隙”，在該“空隙”中，中繼不需要與下屬UE進行通信，而是與DeNB進行通信。當然，這個“空隙”的設置需要Rel-8 UE能識別。下行的“空隙”可以通過中繼將某個下行子幀設置為MBSFN子幀來實現，上行的“空隙”可以通過中繼調度其下屬UE不在某個上行子幀發送來實現。

由上述描述可見，中繼與DeNB的通信以及中繼與下屬UE的通信之間的資源分配采用的是時分復用方式，而中繼與DeNB通信采用的具體子幀號由高層配置。

DeNB與中繼的下行通信占用下行子幀位置，DeNB與中繼的上行通信占用上行子幀位置。當中繼需要在某個下行子幀與DeNB進行下行通信時，中繼必須事先向本小區用戶告知該子幀設置為多播單頻網絡(MBSFN)子幀。

對于頻分雙工(FDD)系統，DeNB到中繼以及中繼到下屬UE的通信發生在下行頻段，中繼到DeNB以及UE到中繼的通信發生在上行頻段。具體地，對于FDD系統，一個子幀只要能用于MBSFN的子幀就可以被設置為用于DeNB到中繼的下行通信。對于時分雙工(TDD)系統，目前只有上/下行配置為#1、#2、#3、#4和#6的子幀結構支持DeNB到中繼的上/下行通信。上/下行配置為#0和#5的子幀結構無法支持DeNB到中繼的上/下行通信。

3.2 同步技術

由于中繼從DeNB接收數據有一定的信號傳輸時延，并且中繼在接收完DeNB的數據后再對下屬UE發送也需要一定的收發轉換時延，因而導致了中繼小區下行幀與DeNB小區下行幀之間的同步問題。

具體地，3GPP要求中繼的下行發送幀要保證中繼能夠從DeNB接收到最后一個發送的正交頻分復用(OFDM)符號。當然，DeNB可以使中繼下行發送的OFDM符號數被限制在一個時隙里的一些OFDM符號子集內。第1時隙中，DeNB對中繼下行發送的起始位置可以是第1、第2、第3個OFDM符號位置，結束位置都在第6個OFDM符號位置。第2個時隙中，DeNB對中繼下行發送的起始位置都是第0個OFDM符號，結束位置可以是第5個或者第6個OFDM符號位置。如果DeNB小區與中繼小區采用的下行幀能夠保證每個子幀的定時界線是完全對齊的，則DeNB對中繼下行發送的第2個時隙的結束OFDM符號位置為第5個OFDM符號，否則，DeNB對中繼下行發送的第2個時隙的結束OFDM符號位置為第6個OFDM符號。

3.3 物理下行控制信道設計

DeNB-中繼鏈路的物理下行控制信道(R-PDCCH)設計是中繼技術中一項關鍵技術，還需要考慮該段鏈路的控制信道與數據信道如何復用。

在中繼物理下行控制信道中，下行資源指示信令與上行資源授予信令的放置位置，采用的方式如下：

(1)下行資源指示信令總在子幀的第一時隙內發送。
(2)如果一個下行資源指示信令在某對物理資源塊的第一個時隙內發送，則上行資源授予信令可能會在該對物理資源塊的第二個時隙之內發送。
(3)在專用解調參考信號的情況下，一對物理資源塊內的下行資源指示信令和上行資源授予信令只能用于同一個中繼。
(4)在公共參考信號情況下，一對物理資源塊里的下行資源指示信令和上行資源授予信令可用于同一個中繼或者是多個不同的中繼。

中繼物理下行控制信道的放置方法有兩種：一種是頻域集中式的放置，另一種是頻域分散式的放置。多個中繼的物理下行控制信道可以相互交織地放置在一個或者多個物理資源塊內，也可以不相互交織地放置在一個或者多個物理資源塊內。

當多個中繼的物理下行控制信道不交織時，物理資源塊上只有用于發送參考信號的資源粒子(RE)不能用于物理下行控制信道。

當多個中繼的物理下行控制信道相互交織時，這些物理下行控制信道的信號基本上按照Rel-8標準的物理下行控制信道采用的方式進行復用、加擾、調制、預編碼、映射到天線各層及相應的資源粒子RE上。與Rel-8系統的物理下行控制信道映射方式的不同之處在于：首先，UE特有的參考信號不會映射到用于發送互交織物理下行控制信道的物理資源塊對上；其次，中繼物理下行控制信道的一個資源粒子組(REG)由一個物理資源塊內的一個OFDM符號中以升序子載波排列的4個連續可獲得的資源粒子組成。如果某個資源粒子已經用于發送天線端口0上的小區公共參考信號，那么天線端口1上發送小區公共參考信號的那些資源粒子就不能用于映射中繼的物理下行控制信道。如果還需要發送信道狀態信息的參考信號，則天線端口15到天線端口22上發送信道狀態信息參考信號的那些資源粒子也不能用于映射中繼的物理下行控制信道。

4 中繼節點高層技術

4.1 啟動過程以及配置

中繼的啟動過程分為兩個階段，如圖5所示[3]。第1階段為中繼的預配置接入，中繼節點開機的時候作為用戶的身份接入E-UTRAN/EPC，下載初始的配置參數(譬如從中繼的運行管理維護設備(OAM)中下載主基站參數)，這個過程完成后，中繼將從網絡中以用戶的身份斷開，然后觸發第2個階段；第2階段為中繼的運行接入，中繼將從第1階段中獲取的主基站列表中選擇一個主基站建立連接。移動管理實體(MME)將向主基站表明中繼被授權作為中繼節點接入。在主基站建立S1/X2的承載之后，中繼會開始建立與主基站之間的S1和X2連接。

中繼啟動過程中主基站和移動管理實體需要確認節點是中繼，因此在下行的S1信令中利用新的信息元素指示中繼的身份。中繼的關口選擇是基于主基站告知的，至今為止中繼的初始啟動過程已標準化。

4.2 中繼系統切換的考慮

加入中繼節點后用戶發起切換時會碰到如圖6所示的問題：左圖表示用戶從基站切換到中繼節點時，基站發起的切換請求中不確定中繼歸屬于哪一個主基站，為解決此問題中繼系統確定中繼節點的身份號與其歸屬的主基站身份號相同；右圖表示用戶從中繼切換到基站的簡圖，由于中繼不能確定主基站和基站之間是否存在X2接口，另外中繼不確定主基站和基站是否屬于同一片移動管理實體區，因此，中繼不能確定采用哪種類型的切換(S1或X2切換)。中繼系統確定中繼需要知道其歸屬的主基站與目標基站是否有X2接口，此消息通過中繼接入時X2基站配置更新程序而獲知。

中繼系統中用戶的切換不僅會出現上述問題，還會出現數據的來回傳輸，既浪費會成回程鏈路資源，也導致切換時延加大，因此，中繼系統確定當主基站接收到中繼下屬用戶的切換請求時立即終止數據到中繼節點的傳輸。

4.3 Un接口無線鏈路失敗的考慮

運營商通常會選擇Un接口中鏈路穩定的位置部署中繼，但不能保證Un接口無線鏈路失敗存在的可能性。如果Un接口無線鏈路失敗，其歸屬的用戶將受到影響，因此，中繼系統需要解決當Un接口發生無線鏈路失敗后如何恢復的問題。當Un接口無線鏈路失敗后，為了避免影響中繼下屬用戶的通話，中繼將執行正常的基于競爭的無線接入控制信道過程重新與網絡連接。當中繼與主基站的無線資源控制連接重建成功后，其連接的重配置和Un子幀的重配置過程與中繼初始啟動過程一致。如果中繼與主基站連接重建失敗，中繼將進入空閑狀態，然后嘗試恢復。

4.4 回程鏈路子幀配置和系統信息的傳輸

針對中繼和主基站之間回程鏈路子幀的配置最初有兩種方案：

(1)運行管理維護設備配置回程鏈路子幀，中繼從OAM處獲取。
(2)主基站通過無線資源控制信令配置回程鏈路子幀。

從運行管理維護設備中下載Un接口子幀配置方法是一種靜態簡單的方案，但Un接口所用的時頻資源塊由主基站控制，即使中繼初始從運行管理維護設備處獲取Un接口的配置方式，主基站也會根據Un接口實際情況重新進行配置。因此中繼系統中確定初始的Un接口子幀配置和重配置都由主基站發送無線資源控制信令配置。中繼一旦收到子幀重配置的信息就開始在Un接口使用更新的配置，此時，Un接口的子幀配置和中繼小區的子幀配置短時間內不會同步，Un接口會先于Uu接口采用新配置。

網絡加入中繼節點后影響了系統信息的傳輸，主要因為一些重要的系統信息(如主信息塊和系統信息1)是基站固定在一些子幀(如子幀0, 5等)中發送，而這些子幀不能作為中繼和主基站之間的回程鏈路子幀，因此，中繼無法收到更新的系統信息。為解決這類問題，中繼系統中確定主基站通過發送專用的無線資源控制信令通知中繼更新的系統信息。

5 結束語

中繼不但可以為蜂窩網絡帶來容量提升、覆蓋擴展等性能增強，更可以提供靈活、快速的部署，彌補回傳鏈路缺失的問題，以滿足網絡快速部署的需求。因此，LTE-A把中繼作為關鍵技術開展研究并進行標準化技術征集。本文分別從中繼的物理層和高層兩方面入手，概要的描述了中繼在LTE-A R10中關鍵技術點的進展以及最新標準化情況。今后將繼續開展中繼技術的研究，重點研究移動中繼以及多跳中繼技術。

6 參考文獻

[1] 3GPP TR36.806 V9.0.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Relay architectures for E-UTRA(LTE-Advanced) [S]. 2010.
[2] 3GPP TS36.300. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description [S]. 2011.
[3] 張晨璐, 楊馨, 徐景. 包括中繼站的通信系統的上下行鏈路幀同步通信辦法: 中國. 201010129910.1 [P].2010.10.12.