中继技术（增加基站与移动台间中继节点的技术）

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更新时间：2023-05-21
中继技术
增加基站与移动台间中继节点的技术
中继（Relay）技术，就是在基站与移动台之间增加了一个或多个中继节点，负责对无线信号进行一次或者多次的转发，即无线信号要经过多跳才能到达移动台。以较简单的两跳中继为例，就是将一个基站—终端链路分割为基站—中继站和中继站—终端两个链路，从而有机会将一个质量较差的链路替换为两个质量较好的链路，以获得更高的链路容量及更好的覆盖。
基本信息
外文名
Relay
简介
相比以往的移动通信系统，LTE-Advanced可能使用覆盖能力较差的高频载波以及支持高数据速率业务的需求，因此可能需要部署更多的站点。如果所有的基站与核心网之间的回程链路（Backhaul）仍然使用传统的有线连接方式，会对运营商带来较大的部署难度和部署成本，站点部署灵活性也受到较大的限制。因此3GPP在LTE-Advanced启动了中继技术的研究来解决上述问题，提供无线的回程链路解决方案。从更广的角度来看，如图10-8所示，中继技术不仅能够解决部署灵活性和成本的问题，还有非常广泛的应用前景，因此吸引了众多运营商和厂商的兴趣。
中继节点（RN，Relay Node）通过无线连接到其归属的eNode B小区（Donor Cell），如图10-9所示，其中共有3条空中链路：
① RN与其归属小区之间的接口为Un接口，或称回程链路（Backhaul Link）；
② R-UE（归属到RN的UE）与RN之间的接口为Uu接口，或称接入链路（Access Link）；
③ UE与eNode B之间的接口为Uu接口，或称直传链路（Direct Link）。
根据中继节点在网络中实现功能的不同，可以将中继分为如下的类型。
（1）按照RN接入Donor cell的方式分类
① 带内（Inband）RN：回程链路和接入链路复用相同的载波频率资源。
② 带外（Outband）RN：回程链路和接入链路使用不同的载波频率资源。
（2）按照RN的工作方式分类
① 透明（Transparent）RN：R-UE无法感受到正通过透明RN进行通信。
② 非透明（Non-transparent）RN：R-UE能够感受到正通过非透明RN进行通信。
（3）按照RN具有的功能分类
① 不独立管理小区的RN：此类RN没有独立的小区ID，没有独立的无线资源管理功能（至少部分无线资源管理功能主要由Donor Cell所在的eNode B完成）。Smart repeater、解码转发中继，层2中继以及后面描述的类型2中继都属于此类的RN。
图10-8 几种中继技术的应用场景
图10-9 引入中继节点后的空中接口
② 独立管理小区的RN：此类RN具有独立的小区ID，具有独立的无线资源管理功能，其管理的小区能够接入LTE R8终端。层3中继以及后面描述的类型Ⅰ中继都属于此类的RN。
中继物理层技术
类型1 中继（Type I Relay）
在LTE-Advanced研究中，3GPP RAN主要研究和标准化“类型Ⅰ中继”，其特性如下。
① 类型Ⅰ中继是带内中继（Inband Relay）。
② 类型Ⅰ中继管理独立的小区，并拥有独立的物理层小区ID，发送独立的同步信号、参考符号等。
③ 归属到类型Ⅰ中继的R-UE直接从中继节点接收调度信令和HARQ反馈信令，并直接向中继节点发送上行控制和反馈信息。
④ 类型Ⅰ中继允许LTE R8终端的接入。
⑤ 对于LTE-A终端，类型Ⅰ中继允许提供有别于普通LTE R8 eNode B的增强特性以提高系统性能。
可以看到，类型Ⅰ中继属于前面提到的带内、非透明、独立管理小区的RN，类型Ⅰ中继具有与普通eNode B类似的功能。
根据前面的定义，带内类型的RN在接入链路和回程链路上复用相同的载波频率资源，若这两条链路的信号收发同时进行，由于RN节点的收/发通道之间并不总是有良好的信号隔离，因此，将出现RN的发送信号干扰自身的接收信号的情况，如图10-10所示。为了避免此类自干扰的出现，类型Ⅰ中继以时分的方式工作在接入链路和回程链路上，特别地，针对TDD模式的类型Ⅰ中继：
l　Donor eNode B→RN的传输在eNode B和RN的下行子帧完成；
图10-10 带内中继自干扰示意图
l　RN→Donor eNode B的传输在eNode B和RN的上行子帧完成。
在LTE R8中，终端在非DRX状态下每个下行子帧都对控制区域进行检测和测量，为了保证类型Ⅰ中继进行回程链路的接收不对LTE R8终端造成影响，采用了R8协议中已经定义的MBSFN子帧的工作方式，如图10-11所示。在一个MBSFN子帧的非控制区域，RN接收来自于Donor eNode B的下行回程数据，同时不向R-UE发送任何信号。基站通过高层信令告知RN作为回程传输的下行子帧。同时，基站需要预先告知RN作为回程传输的上行子帧，RN避免在这些上行子帧中对R-UE进行调度。
图10-11 MBSFN子帧接收Donor eNode B数据
对于存在RN部署的TD-LTE-Advanced系统，为了支持上下行对称和非对称业务，接入链路可以配置为上下行对称和非对称的子帧配比，因此，回程链路也应当支持根据实际业务情况支持灵活的子帧分配方式，如图10-12所示，这部分内容还在3GPP RAN1研究和讨论过程中。
图10-12 两种不同的RN帧配置方式
RN在MBSFN子帧的控制区域需要向R-UE发送控制信令，由于自干扰的限制，无法同时接收Donor eNode B发送的信号，因此3GPP RAN1正在研究和讨论专门针对RN的下行控制信令设计，称为R-PDCCH（Relay-PDCCH）。目前主流的两种P-PDCCH设计方案有两大类。
（1）常规R-PDCCH：Donor eNode B为归属于其下的多个RN分配相同的R-PDCCH区域，每个RN在该公共区域内采用类似LTE R8 UE盲检的方式获得各自的控制信令。
（2）RN specific R-PDCCH：Donor eNode B为每个RN分配专属的R-PDCCH资源，每个RN在各自的资源内获得控制信令。
同时，3GPP RAN1也在研究回程下行子帧中R-PDCCH与R-PDSCH （回程下行数据传输信道）的复用设计。目前有如下的3种复用设计方案尚在讨论中，为简单起见，这里没有描述RN收发切换对回程传输带来的影响。
（1）TDM复用方式：在MBSFN子帧的非控制区域中，R-PDCCH与R-PDSCH为单纯的时分复用的关系，如图10-13所示。其中R-PDCCH频率上占用整个系统带宽，时间上占用的OFDM符号数目可以由基站配置。
图10-13 R-PDCCH与R-PDSCH时分复用
（2）FDM复用方式：在MBSFN子帧的非控制区域中，R-PDCCH与R-PDSCH为单纯的频分复用关系，如图10-14所示。其中R-PDCCH时间上占用MBSFN子帧中非控制区域的所有OFDM符号，频率上占用的PRB数目可以由基站配置。
图10-14 R-PDCCH与R-PDSCH频分复用
（3）TDM+FDM混合方式：在MBSFN子帧的非控制区域中，R-PDCCH与占用相同频域位置的R-PDSCH资源为TDM复用方式，与另一部分R-PDSCH资源为FDM复用方式，如图10-15所示。其中R-PDCCH占用PRB和符号数目可以由基站配置。
图10-15 R-PDCCH与R-PDSCH时/频分混合复用
类型Ⅱ 中继（Type II Relay）
在讨论“类型Ⅰ中继”的同时，3GPP RAN1也对其他的中继类型进行了研究，一种“类型Ⅱ中继”方案吸引了部分公司的研究兴趣，类型Ⅱ中继具有如下的特性：
① 类型Ⅱ中继是一种带内中继节点；
② 它没有独立的物理层小区标识，不能创建新的小区；
③ 它对LTE R8终端是透明的，即此类终端意识不到Type II中继节点的存在；
④ 它能够传输PDSCH；
⑤ 它至少不传输CRS和PDCCH。
可以看到，类型Ⅱ中继属于“不独立管理小区的”、“透明的”中继类型，主要用于增强终端的PDSCH接收性能，从而达到提高小区整体吞吐量的目的。类型Ⅱ中继由于不发送CRS和PDCCH等公共信号，因此不能作为扩展小区覆盖的解决方案。类型Ⅱ中继的工作方案，主要有如下的3种类型，分别如图10-16至图10-18所示。
① 下行非协作传输，即基站将（重传）调度信息和下行数据包发送给中继节点，下行数据初传和重传都是在中继节点和用户终端之间进行，基站不参与向用户终端的下行数据传输；
② 下行协作初传和重传，即基站将（重传）调度信息和下行数据包发送给中继节点，下行数据的初传和重传都是由基站和中继节点协作完成的；
③ 下行协作重传，即下行数据初传在基站和用户终端之间进行，当需要重传时，基站将重传调度信息发送给中继节点，基站和中继节点协作向用户终端发送下行数据包。
图10-16 下行非协作传输
图10-17 下行协作初传和重传步骤
图10-18 下行协作重传步骤
总体上看，3GPP RAN1对类型Ⅱ中继的研究还处于初步的可行性讨论阶段，具体的工作方案还没有一致的意见。
中继高层技术
中继研究的首要问题是类型I中继的架构选择，根据协议栈结构的不同，中继架构主要分为架构A和B。架构A包含3种架构选项，分别称为Alt1、Alt2和Alt3；架构B只包含一种架构选项，称为Alt4。
中继架构A
架构A的特征为：S1接口的用户平面和控制平面都终结于RN。在架构A中，Alt1是其中最基础的架构选项，Alt2和Alt3是对Alt1进行优化得到的。
图10-19 RN网络架构示意图—架构A
如图10-19所示，RN由两部分逻辑功能组成：eNode B功能和UE功能（又称为Relay-UE）。其中，eNode B功能用于为User-UE（在RN下工作的UE）提供接入服务；Relay-uE功能用于在回程连接上收发数据。为使RN的UE功能可以正常工作，LTE-Advanced系统中引入了Relay-UE的MME和Relay-UE的SGW/PGW功能。
从图10-19可以看出，架构选项Alt1、Alt2和Alt3的差异对于RN而言是透明的，它们属于同一种架构体系，之间的区别体现在将不同的功能实体集成到DeNode B中。在Alt1中，DeNode B功能和RN的Relay-UE对应的SGW/PGW功能分别位于不同的物理节点；而在Alt2和Alt3中，DeNode B功能和RN的Relay-UE对应的SGW/PGW功能被集成到DeNode B中。
需要注意的是，图10-19中的中继GW功能是可选的，其只存在于架构选项Alt2中。中继网关用于完成Home eNode B GW的功能，集成在DeNode B实体中，其使得DeNode B可以以代理的方式查看并中转经过其传输的S1接口和X2接口消息。中继网关功能对于RN、UE的核心网节点以及其他eNode B而言都是不可见的。
对于上述3种架构选项，现有的S1接口协议无需做任何改动。在Alt1和Alt3下，DeNode B只是将被封装入隧道的S1接口消息映射到一条Un接口承载上进行传输，DeNode B无法获悉其中转的S1接口消息的具体内容。在Alt2中，DeNode B可以获悉经其中转的S1接口消息。Alt2中DeNode B的中继GW功能带来的另一个优点是降低了DeNode B下RN的数量扩展对UE核心网节点的影响。DeNode B将为UE服务的RN与UE的核心网节点屏蔽开，在UE的核心网节点看来RN控制的小区就是DeNode B所控制的小区；同时DeNode B对RN屏蔽了UE的核心网节点，在RN看来DeNode B就是UE的核心网节点。
与S1接口协议类似，对于上述3种架构选项，X2接口协议也无需做任何改动。在Alt2下，DeNode B能够获悉经其中转的X2接口消息。在Alt2下，DeNode B对邻eNode B屏蔽了其服务的RN，在邻eNode B看来RN控制的小区就是DeNode B所控制的小区；DeNode B对RN屏蔽了邻eNode B，在RN看来其邻小区都是DeNode B控制的小区。
1．Alt1/3中的数据传输过程
对于Alt1和Alt3，UE和RN承载以及下行数据包传输过程如图10-20所示。
（1）发往UE的数据包由UE的PGW根据相应的数据包过滤规则（通常根据数据包所属业务的QoS进行分类）确定其所属的UE EPS承载，并通过对应的GTP隧道（位于UE的SGW/PGW和RN之间）进行传输。
（2）对于上述数据包，UE SGW/PGW根据包过滤规则分类（通常根据数据包所属业务的QoS进行分类）确定其所属的RN EPS承载类型，并在IP包头中的DS域中进行指示。
（3）RN的PGW接收到目的地址为RN的GTP隧道数据包，根据数据包过滤规则（基于IP包头中的DS域）将其分类为不同的RN承载，并根据分类结果将该数据包通过第二层GTP隧道（位于RN的SGW/PGW和DeNode B之间）进行传输。对于由同一个RN服务的多个UE，具有相似QoS需求的多条UE EPS承载被映射到同一条RN EPS承载上。
图10-20 用户数据传输过程—Alt1/3
（4）DeNode B维护RN GTP隧道与RN无线承载之间的一一映射关系，根据收到的数据包所属的RN GTP隧道确定对应的RN无线承载，并在Un接口将数据包发往RN。
（5）RN维护UE GTP隧道与UE无线承载之间的一一映射关系，根据收到的数据包所属的UE GTP隧道确定对应的UE无线承载，并在Uu接口将数据包发往UE。
在上行，RN基于UE承载的QCI来完成UE承载到RN承载的映射。
2．Alt2中的数据传输过程
图10-21 用户数据传输过程—Alt2
对于Alt2，在UE的SGW/PGW和DeNode B之间，每个UE承载对应一条GTP隧道，这条隧道在DeNode B被转化为另一条GTP隧道，用于从DeNode B到RN的传输，两条GTP隧道一一映射，下行数据包的传输过程如图10-21所示，Alt2与Alt1/3的不同主要体现在以下两方面。
（1）DeNode B可以通过解析S1消息知道每一条UE EPS承载的QoS信息，所以，由DeNode B基于收到的数据包所属的UE EPS承载的QCI（通过承载设置时建立起的GTP TEID与之的关系进行过滤）确定该数据包所属的RN无线承载。
（2）DeNode B将从SGW/PGW来的UE承载的GTP隧道转化为另一条指向RN的UE承载GTP隧道，二者为一对一映射。这种将UE承载GTP隧道截断的做法使得RN和核心网相互之间不可见，提高了网络的可扩展性。
对于上行，RN基于UE承载的QCI完成UE承载到RN承载的映射。
对比图10-20和图10-21，可以看出一个显著的区别是：在Alt1/3下，UE承载GTP隧道对DeNode B是不可见的；而在Alt2下，UE承载GTP隧道对DeNode B是可见的。
需要说明的是，EPS承载由GTP隧道和对应的无线承载组成。在Alt2和Alt3中，由于DeNode B中集成了RN的SGW/PGW功能，RN承载的GTP隧道在逻辑上仍然是存在的，所以RN的EPS承载也是客观存在的。这形成了架构A的另一个特征：UE EPS承载与RN EPS承载之间存在嵌套关系。
架构A中的3种选项中各具优势：Alt1对现有网络具有最好的兼容性；Alt3将RN的SGW/PGW功能并入DeNode B后，减少了数据传输途径的节点数，相比Alt1降低了数据传输时延；Alt2下，RN所服务的UE的信息对DeNode B可见，为进一步进行流程优化提供了可能。
架构A的3种子选项采用了相同的Un接口。这意味着，同一种RN可以适用于架构A的所有子选项，在标准上无需对架构A下的3种RN架构再做区分，这也为网络部署带来了实现的灵活度。运营商可以选择Alt1，对现有网络进行简单升级后快速部署RN；也可以选择Alt2和Alt3，对现有网络进行复杂升级后部署RN，以获得更好的网络性能。
中继架构B
架构B的特征为：S1接口的用户平面终结于DeNode B，而控制平面终结于RN。此架构下，DeNode B集成了中继GW的功能，可以解析经过其传递的S1和X2接口消息。与Alt2类似，从核心网节点和相邻eNode B看来，RN表现为DeNode B管理下的小区。
图10-22 RN网络架构示意图—架构B
与架构A的不同在于，架构B中Un口的用户平面承载结构不再采用在UE EPS承载外层嵌套RN EPS承载的结构，而是将UE EPS承载直接一一映射为Un接口RN无线承载。这样的映射方式避免了GTP隧道嵌套带来的Un接口的协议开销过大的问题。同时，由于在User-UE的数据传输过程中，不再需要RN EPS承载，所以与RN EPS承载相关的功能，如中继的UE功能、Relay-UE的MME和SGW/PGW功能等，在User-UE的数据传输过程中不再发挥作用，如图10-22所示。
在架构B下，RN PGW/SGW虽然对User-UE的数据传输过程没有贡献，但其仍然是不可缺少的，因为RN的控制信息，如OAM信息等，需要经过RN PGW/SGW发送到RN。
GTP隧道不延伸到Un接口也会带来一定的缺点，如DeNode B对于收到的需要中转给RN的用户平面数据，需要先对其做协议转换，即先从GTP隧道中取出，再发送给RN，这一过程的引入无疑增加了协议的复杂度。
对于Alt4，UE和RN的承载以及下行数据包传输过程如图10-23所示。
对于连接到RN的UE，其每一条GTP隧道将和Un接口的RN无线承载一一映射，即每条GTP隧道独占一条Un接口RN无线承载。需要注意的是，独享的UE RN承载不含有GTP隧道的标识信息，所以不是GTP隧道。与架构A使用GTP隧道的标识信息用于区分不同UE承载不同，架构B需要在Un接口的PDCP，RLC或者MAC 协议层需要增加UE标识，即需要对Uu接口的MAC/RLC/PDCP协议需要进行改造。
图10-23 用户数据传输步骤—Alt4
架构选择
架构A的优势在于对协议影响小，部署灵活，而缺点是Un接口效率低。架构B的优点在于Un接口效率高，但缺点是对现有协议过程的改动较大。两种架构相比各有优势和不足，尚需进一步的评估。