吳德操，李方偉，朱 江

（重慶郵電大學(xué) 移動通信重點實驗室，重慶 400065）

0 引言

作為LTE的演進版本，LTE-A可以滿足未來無線通信市場的更高需求和更多應(yīng)用，滿足和超過IMT-Advanced的需求，同時還保持對LTE較好的向后兼容性[1]。LTE-A將提供1 Gbit/s的下行速率和500 Mbit/s的上行速率，成為4G通信技術(shù)的最佳候選方案。但更高的通信速率給終端功率控制帶來了更大難度。同時，由于需要啟用5 GHz及以上頻率，電磁波衍射能力減弱導(dǎo)致小區(qū)覆蓋縮小的問題也不容忽視。特別是在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下，終端設(shè)備需要使用更高發(fā)射功率以保證通信穩(wěn)定可靠，使其功率增加，待機時間得不到保證。中繼技術(shù)可通過信號接力的方式“拉近”終端和基站的距離，增強高速率下的信號覆蓋，提升由建筑阻擋產(chǎn)生的深衰落區(qū)域的信號水平，3GPP已將其納入LTE-A協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 基于中繼技術(shù)的終端省電技術(shù)

1.1 室內(nèi)場景下的LTE-A中繼通信

如圖1所示，在家庭或辦公室等移動終端（UE）相對固定的場景部署中繼節(jié)點（RN），移動終端僅需與中繼節(jié)點交換數(shù)據(jù)，由中繼節(jié)點將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至基站（eNodeB），移動終端通信距離大大縮短，有效降低其發(fā)射功率。

不過購置中繼設(shè)備不但會提高LTE-A系統(tǒng)的使用成本和維護成本，而且為每個辦公室添置中繼設(shè)備也是不現(xiàn)實和不便捷的。由此，本文提出將中繼技術(shù)集成于移動終端內(nèi)部，在特定環(huán)境下為附近的其他用戶提供中繼服務(wù)，以降低部署中繼器的成本，提高便利性和靈活性，并達到為附近用戶省電的目的。

圖1 中繼節(jié)點降低終端發(fā)射功率演示

1.2 集成中繼功能的LTE-A終端應(yīng)用方案

將中繼功能集成進LTE-A移動終端的最大障礙是電能問題。移動終端通常使用電池供電，無法支持啟用中繼服務(wù)所需的較大功耗。因此，本方案定義在移動終端處于充電狀態(tài)時啟用中繼服務(wù)，斷開電源時自動結(jié)束服務(wù)，從而避開電能問題，如圖2所示。

現(xiàn)今的智能移動通信終端（如智能手機）因內(nèi)建操作系統(tǒng)，功能強大而受到越來越多用戶的青睞，但受到電池技術(shù)和智能終端自身較高功耗的限制，其不間斷使用時間一般不超過4 h。因此，在家庭或辦公室等室內(nèi)場景中，用戶時常需要為智能移動通信終端重新充電。此時，移動終端擺脫電能限制，當集成中繼功能后，可切換到中繼模式，為附近其他終端提供中繼服務(wù)，最小化發(fā)射功率，從而達到省電的目的。

事實上，辦公室等人群密集的室內(nèi)場景中很容易找到正在充電的移動終端，或者可有意地將某個移動終端維持在充電模式下，并啟用中繼服務(wù)，而辦公室中用戶移動較少，即附近用戶的大多數(shù)時間可通過中繼終端進行通信，因此本方案達到的省電效果是顯而易見的。

圖2 集成中繼功能的移動終端

1.3 集成中繼的LTE-A移動終端的硬件實現(xiàn)

LTE-A中繼節(jié)點一般工作在解碼前傳方式下，需要同時對多路信號進行實時編解碼，需要較大計算量。如果將中繼協(xié)議嵌入移動終端的基帶處理器并完成所有運算，勢必大大提高其復(fù)雜度，增加芯片功耗。這里，本文引入軟件協(xié)助方式來實現(xiàn)中繼服務(wù)。

現(xiàn)今智能移動終端大多集成高速通用ARM核心處理多媒體數(shù)據(jù)，如圖3所示，主頻可達1 GHz。而當LTE-A正式商用時，其性能更將成倍提高，將部分運算交由通用ARM核心完成，以軟件方式實現(xiàn)無線鏈路控制（RLC）、無線資源控制（RRC）等高層中繼協(xié)議，則無需對硬件進行太大改動即可集成中繼服務(wù)，同時也可增強中繼服務(wù)的靈活性，降低設(shè)計成本。

圖3 智能終端硬件架構(gòu)

2 中繼協(xié)議

中繼服務(wù)協(xié)議物理層主要使用同頻分時傳輸?shù)姆绞竭M行，基本時隙結(jié)構(gòu)如圖4所示。

終端數(shù)據(jù)由移動中繼節(jié)點解碼后重新編碼并向基站轉(zhuǎn)發(fā)，雙方占用同一信道交替收發(fā)數(shù)據(jù)。由于終端與移動中繼節(jié)點通信的發(fā)射功率很低，基站可通過空分復(fù)用分配終端數(shù)據(jù)發(fā)射時隙，從而不會對系統(tǒng)容量產(chǎn)生太大影響，這在LTE-A的分時模式（TD mode）下是較容易實現(xiàn)的。

LTE-A中繼節(jié)點擁有獨立小區(qū)ID[1]，即以微基站的形式存在,可發(fā)送自己的同步碼、控制信令，能對所管轄終端進行基本管理。中繼節(jié)點和基站間的信令交換由獨立信道完成。而終端能夠識別各個中繼節(jié)點，進而可選擇駐留穩(wěn)定性較高的中繼小區(qū)。移動中繼節(jié)點可通過軟件界面設(shè)置相關(guān)防火墻，能夠阻止非法接入，并對下屬終端進行接入管理，提供資源分配、優(yōu)先級分配等。

3 基于V-MIMO技術(shù)的多中繼協(xié)作傳輸

當附近多個移動終端因接洽電源而啟用中繼模式時，它們的距離一般可大于相關(guān)距離，即λ/2，因此可啟用虛擬多進多出（Virtual Multiple Input Multiple Output，V-MIMO）[2]技術(shù)與基站連接。這時多個移動中繼節(jié)點完成配對后，可在同一信道同時發(fā)送數(shù)據(jù)，由基站根據(jù)信號的正交性進行解碼，從而提高系統(tǒng)容量和數(shù)據(jù)吞吐率。

具體流程為：終端檢測到多個穩(wěn)定的移動中繼節(jié)點時，隨即向多個節(jié)點的中繼微小區(qū)申請駐留。這些移動中繼節(jié)點將向基站申報該駐留信息。當用戶終端激活通信后，基站根據(jù)微基站駐留列表對中繼節(jié)點進行配對，并向終端反饋編碼方式、數(shù)據(jù)分配等信令，并最終建立通信。原理圖與基本時隙結(jié)構(gòu)如圖5和圖6所示。

V-MIMO編碼方式根據(jù)信道狀況，可選擇正交空時分組碼（STBC）[3]或分層空時碼（V-BLAST）[4]。當信道良好時選用分層空時碼，可顯著提高傳輸速率。當信道較差時選用正交空時分組碼，可降低誤碼率，提高傳輸質(zhì)量。

4 系統(tǒng)性能仿真

4.1 仿真模型

系統(tǒng)仿真模型如圖7所示，移動終端UE與移動中繼終端RN上行均采用QPSK調(diào)制，DFT-s-OFDM多址傳輸。UE發(fā)射功率為0～24 dBm，RN使用最大發(fā)射功率24 dBm。室外損耗模型采用“Cost231-Hata修正模型”（適用頻率1 500～2 300 MHz）[5-7]。室內(nèi)損耗模型采用“室內(nèi)衰減因子模型”[8]。由于UE與RN處于靜止，忽略快衰落因子，如多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的衰落。

仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型參數(shù)

其中，Cost231-Hata修正模型為

式中：f表示發(fā)射頻率，取值2 300 MHz；d表示收發(fā)天線距離，取值0.2 km；Hm表示終端高度，取值10 m；Hb表示基站高度，取值50 m。由此可知，200 m處的城市室外路徑損耗約為104.4 dB。室內(nèi)路徑損耗因子模型為

式中：nSF表示同層損耗因子，取值3.0；PL（d0）表示近地參考距離d0的自由空間衰減值，取值1 m；FAF表示不同層損耗，取值0 dB。由式（2）可得，10 m處的室內(nèi)路徑損耗約為68 dB。附加室內(nèi)多徑衰落，取最大值10 dB，合計損耗為78 dB。

4.2 仿真結(jié)果及性能分析

Matlab仿真結(jié)果如圖8所示，比較終端連接移動中繼節(jié)點和未連接移動中繼節(jié)點的情況，可見連接移動中繼節(jié)點時，終端在較低發(fā)射功率條件下可有效降低傳輸誤碼率，保證正常通信。當終端功率提高時，連接中繼的誤碼率則趨近中繼與基站間的誤碼率。

圖8 Matlab仿真結(jié)果

5 小結(jié)

本文提出了在LTE-A系統(tǒng)下，將中繼功能集成入終端的應(yīng)用方案，該方案硬件改動較小、部署靈活，能顯著提升特定場景下附近終端的通信性能，降低發(fā)射功率，從而達到終端省電的目的。

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