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

中繼技術中繼架構A

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

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;Relay-uE功能用于在回程連接上收發(fā)數據。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體系,之間的區(qū)別體現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,其只存在于架構選項Alt2中。中繼網關用于完成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經過其傳輸的S1接口和X2接口消息。中繼網關功能對于RN、UE的核心網節(jié)點以及其他eNode B而言都是不可見的。

對于上述3種架構選項,現有的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無法獲悉其中轉的S1接口消息的具體內容。在Alt2中,DeNode B可以獲悉經其中轉的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的數量擴展對UE核心網節(jié)點的影響。DeNode B將為UE服務的RN與UE的核心網節(jié)點屏蔽開,在UE的核心網節(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的核心網節(jié)點,在RN看來DeNode B就是UE的核心網節(jié)點。

與S1接口協(xié)議類似,對于上述3種架構選項,X2接口協(xié)議也無需做任何改動。在Alt2下,DeNode B能夠獲悉經其中轉的X2接口消息。在Alt2下,DeNode B對鄰eNode B屏蔽了其服務的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中的數據傳輸過程

對于Alt1和Alt3,UE和RN承載以及下行數據包傳輸過程如圖10-20所示。

(1)發(fā)往UE的數據包由UE的PGW根據相應的數據包過濾規(guī)則(通常根據數據包所屬業(yè)務的QoS進行分類)確定其所屬的UE EPS承載,并通過對應的GTP隧道(位于UE的SGW/PGW和RN之間)進行傳輸。

(2)對于上述數據包,UE SGW/PGW根據包過濾規(guī)則分類(通常根據數據包所屬業(yè)務的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隧道數據包,根據數據包過濾規(guī)則(基于IP包頭中的DS域)將其分類為不同的RN承載,并根據分類結果將該數據包通過第二層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。

(4)DeNode B維護RN GTP隧道與RN無線承載之間的一一映射關系,根據收到的數據包所屬的RN GTP隧道確定對應的RN無線承載,并在Un接口將數據包發(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系,根據收到的數據包所屬的UE GTP隧道確定對應的UE無線承載,并在Uu接口將數據包發(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中的數據傳輸過程

對于Alt2,在UE的SGW/PGW和DeNode B之間,每個UE承載對應一條GTP隧道,這條隧道在DeNode B被轉化為另一條GTP隧道,用于從DeNode B到RN的傳輸,兩條GTP隧道一一映射,下行數據包的傳輸過程如圖10-21所示,Alt2與Alt1/3的不同主要體現在以下兩方面。

(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基于收到的數據包所屬的UE EPS承載的QCI(通過承載設置時建立起的GTP TEID與之的關系進行過濾)確定該數據包所屬的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和核心網相互之間不可見,提高了網絡的可擴展性。

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A的另一個特征:UE EPS承載與RN EPS承載之間存在嵌套關系。

架構A中的3種選項中各具優(yōu)勢:Alt1對現有網絡具有最好的兼容性;Alt3將RN的SGW/PGW功能并入DeNode B后,減少了數據傳輸途徑的節(jié)點數,相比Alt1降低了數據傳輸時延;Alt2下,RN所服務的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A的所有子選項,在標準上無需對架構A下的3種RN架構再做區(qū)分,這也為網絡部署帶來了實現的靈活度。運營商可以選擇Alt1,對現有網絡進行簡單升級后快速部署RN;也可以選擇Alt2和Alt3,對現有網絡進行復雜升級后部署RN,以獲得更好的網絡性能。

中繼技術中繼架構B

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

與架構A的不同在于,架構B中Un口的用戶平面承載結構不再采用在UE EPS承載外層嵌套RN EPS承載的結構,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的數據傳輸過程中,不再需要RN EPS承載,所以與RN EPS承載相關的功能,如中繼的UE功能、Relay-UE的MME和SGW/PGW功能等,在User-UE的數據傳輸過程中不再發(fā)揮作用,如圖10-22所示。

在架構B下,RN PGW/SGW雖然對User-UE的數據傳輸過程沒有貢獻,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給RN的用戶平面數據,需要先對其做協(xié)議轉換,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)議的復雜度。

對于Alt4,UE和RN的承載以及下行數據包傳輸過程如圖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隧道的標識信息,所以不是GTP隧道。與架構A使用GTP隧道的標識信息用于區(qū)分不同UE承載不同,架構B需要在Un接口的PDCP,RLC或者MAC 協(xié)議層需要增加UE標識,即需要對Uu接口的MAC/RLC/PDCP協(xié)議需要進行改造。

中繼技術架構選擇

架構A的優(yōu)勢在于對協(xié)議影響小,部署靈活,而缺點是Un接口效率低。架構B的優(yōu)點在于Un接口效率高,但缺點是對現有協(xié)議過程的改動較大。兩種架構相比各有優(yōu)勢和不足,尚需進一步的評估。

中繼技術造價信息

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中繼技術類型1 中繼(Type I Relay)

在LTE-Advanced研究中,3GPP RAN主要研究和標準化“類型Ⅰ中繼”,其特性如下。

① 類型Ⅰ中繼是帶內中繼(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、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。

根據前面的定義,帶內類型的RN在接入鏈路和回程鏈路上復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,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;

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的下行回程數據,同時不向R-UE發(fā)送任何信號?;就ㄟ^高層信令告知RN作為回程傳輸的下行子幀。同時,基站需要預先告知RN作為回程傳輸的上行子幀,RN避免在這些上行子幀中對R-UE進行調度。

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,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,回程鏈路也應當支持根據實際業(yè)務情況支持靈活的子幀分配方式,如圖10-12所示,這部分內容還在3GPP RAN1研究和討論過程中。

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的下行控制信令設計,稱為R-PDCCH(Relay-PDCCH)。目前主流的兩種P-PDCCH設計方案有兩大類。

(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 (回程下行數據傳輸信道)的復用設計。目前有如下的3種復用設計方案尚在討論中,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為單純的時分復用的關系,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符號數目可以由基站配置。

(2)FDM復用方式:在MBSFN子幀的非控制區(qū)域中,R-PDCCH與R-PDSCH為單純的頻分復用關系,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數目可以由基站配置。

(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復用方式,與另一部分R-PDSCH資源為FDM復用方式,如圖10-15所示。其中R-PDCCH占用PRB和符號數目可以由基站配置。

中繼技術類型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中繼是一種帶內中繼節(jié)點;

② 它沒有獨立的物理層小區(qū)標識,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)調度信息和下行數據包發(fā)送給中繼節(jié)點,下行數據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據傳輸;

② 下行協(xié)作初傳和重傳,即基站將(重傳)調度信息和下行數據包發(fā)送給中繼節(jié)點,下行數據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,即下行數據初傳在基站和用戶終端之間進行,當需要重傳時,基站將重傳調度信息發(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)送下行數據包。

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。

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據速率業(yè)務的需求,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)。

根據中繼節(jié)點在網絡中實現功能的不同,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(Inband)RN:回程鏈路和接入鏈路復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。

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。

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結合工程實例,對開挖工作坑、后背制作、滑板制作、箱身預制、頂進施工等框架箱涵頂進施工工藝進行了闡述,并對頂進過程中需注意的問題進行了論述,最后對糾偏措施做了介紹,以推廣該技術。

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中繼包括以下三種形式:

l 模擬中繼

我們熟悉的固定電話線采用的就是模擬中繼。一路模擬中繼在同一時間只能支持一路通話。

l 數字中繼

數字中繼與模擬中繼的形態(tài)差別比較大。電信運營商通常使用光端機把光纖的光信號轉為電信號。一路電信號就是一路數字中繼,它能同時支持30路通話,相當于30路模擬中繼的容量。在用的數字中繼主要是PRI(Primary Rate Interface,基群速率接口)中繼,也稱為PRA(Primary Rate Access,基群速率接入)中繼。

l IP中繼

通過互聯(lián)網向用戶提供接入服務。兩點之間沒有實體線路,使用VoIP(Voice over Internet Protocol,在IP協(xié)議上傳送語音)技術。用戶的IP PBX(Private Branch Exchange,專用交換分機)注冊到互聯(lián)網服務商的平臺之后就可以進行通話。

1.中繼臺的關鍵技術

中繼臺的技術參數除發(fā)射功率,頻率穩(wěn)定度,調制特性,接收機靈敏度,音頻輸出功率和失真,調制接收帶寬等技術參數與對講機、車載臺相同或較高外,根本的區(qū)別在于全雙工工作,即接收信號的同時,又要發(fā)射信號,其關鍵的技術參數是雙工工作時的接收靈敏度,即自身的收發(fā)干擾情況如何,好的中繼臺發(fā)射時應不影響接收機的靈敏度。中繼臺若存在收發(fā)干擾,意味著接收機靈敏度的下降,在系統(tǒng)工作時,直接影響到對講機和車載臺的通訊距離。

2.形成中繼臺收發(fā)干擾的因素

(1)發(fā)射機大功率信號串入接收機前端造成接收機的阻塞,使接收靈敏度下降。

(2)發(fā)射機邊帶頻譜中的接收機頻率成分過大形成類似于同頻干擾的情況,使接收機靈敏度下降。

3.解決中繼臺收發(fā)干擾的要點

除了中繼臺自身發(fā)射機和接收機有較高的技術指標外,重要在于發(fā)射機天線端口和接收機天線端口要有較高的隔離衰減。發(fā)射機和接收機天線端口之間隔離通常有2種方法:(1)雙工器方式;(2)收發(fā)天線同軸垂直間隔方式。

4.使用雙工器的優(yōu)缺點

(1)使用雙工器的優(yōu)點

a.收發(fā)共用一根天線,一根電纜,架設方便;

b.通常使用陷波型雙工器,體積小,重量輕,插損小,有較好的收發(fā)隔離性能,能保證良好的收發(fā)干擾指標。

(2)使用雙工器的缺點

a.要求天線頻帶較寬,往往天線對收發(fā)頻率不能兼顧;

b.陷波型雙工器的阻帶很窄,當設置多信道使用時,所使用的頻率有所限制,必須限定在雙工器的阻帶寬度內。

5.使用雙天線的優(yōu)缺點

(1)使用雙天線的優(yōu)點

a.收發(fā)分別使用各自的天線,可獲得較好的匹配及增益;

b.可在較寬的頻率范圍內,任意設置信道所用的收發(fā)頻率。

(2)使用雙天線的缺點

雙天線要達到一定程度的收發(fā)隔離,架設時有嚴格的要求,往往不易滿足,導致收發(fā)干擾指標惡化,嚴重影響通訊距離。

(3)使用雙天線架設的要求

a.雙天線水平架設時,兩天線間的水平距離應≥390λ;

b.雙天線同軸垂直架設時,兩天線間的垂直距離≥9λ。

(4)雙天線架設一覽表:(表一)

6.雙天線架設后中繼臺收發(fā)干擾指標的測試

(1)使用對講機測試方法

首先將對講機發(fā)射功率設置最低檔,中繼臺置于不轉發(fā)狀態(tài):摘掉對講機天線,短時間間斷發(fā)射,讓對講機與中繼臺逐步拉開距離,直到中繼臺接收對講信號有雜音止,此時再將中繼臺置于轉發(fā)狀態(tài)或使用中繼臺的話筒發(fā)射,聽中繼臺的雜音不應有變化,若雜音加強或靜噪電路關閉聽不到雜音,說明存在收發(fā)干擾。

(2)使用儀器測試方法

使用RF射頻信號源,輸出端口接儀表自帶天線或對講機天線,將信號源輸出調至中繼臺接收有雜音止(中繼臺處于不轉發(fā)狀態(tài)),此時啟動中繼臺的發(fā)射,聽雜音不應有明顯的變化。

在網絡互聯(lián)時,一般都不能簡單地直接相連,而是通過一個中間設備,稱為中繼系統(tǒng)。

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