張楠，栗子陽，李儒岳，曹偉

（1. 移動網(wǎng)絡(luò)和移動多媒體技術(shù)國家重點實驗室，廣東 深圳 518055； 2.中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057）

0 引言

蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋是運營商在系統(tǒng)部署和網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化時關(guān)注的核心指標(biāo)，也是制約連續(xù)廣域高速數(shù)據(jù)服務(wù)的重要因素。尤其是由于頻域資源的短缺，通信系統(tǒng)所能使用的頻段資源逐步向中高頻拓展，如新空口（new ra2io，NR）系統(tǒng)FR1頻段的部署包含3.5 GHz，且大量使用FR2頻段的網(wǎng)絡(luò)工作在28 GHz、39 GHz，甚至可以達到60 GHz[1]。隨著工作頻段的提升，無線信道不可避免地會遭受更高的路徑損耗，極易受到障礙物（如建筑物）的阻擋[2]，并存在散射、繞射以及高穿透損耗等現(xiàn)象[3-5]，因此覆蓋性能面臨與傳統(tǒng)的無線系統(tǒng)相比更大的挑戰(zhàn)。

為了增強5G的系統(tǒng)性能，業(yè)界針對覆蓋問題引入了不同層次的增強。

從信號處理的角度，針對當(dāng)前通信系統(tǒng)中的覆蓋受限信道，通過3GPP Release 17（簡稱Rel-17）NR覆蓋增強課題的研究[6]，確定了通過增加重復(fù)次數(shù)以及支持在多個時隙上的傳輸塊處理等方式提升上行數(shù)據(jù)和控制信號的強度。有研究表明[7]，不同的覆蓋增強的方式可以對上行信號產(chǎn)生0.7～3 2B的增益。此外，3GPP Rel-17增加了對跨物理上行共享信通（physical uplink share2 channel，PUSCH）重 復(fù) 的 解 調(diào) 參 考 信 號（2emo2ulation reference signal，DM-RS）綁定以及對動態(tài)物理上行鏈路控制信道（physical uplink control channel，PUCCH）重復(fù)因子指示信令的支持機制[8]。

從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計的角度，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界也對多類型傳輸節(jié)點進行了研究，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的密集部署，從而提升系統(tǒng)性能和移動運營商網(wǎng)絡(luò)部署的靈活性。

· 早在3GPP Rel-10中，中繼（relay）就被納入了3GPP標(biāo)準(zhǔn)[9]。在Rel-10中支持的中繼對UE是非透明的，這些中繼擁有自己的物理標(biāo)識（physical ID），并向UE發(fā)送所有下行物理信道，從UE的視角在網(wǎng)絡(luò)中部署的中繼節(jié)點與常規(guī)eNB（evolve2 No2eB） 具有相同功能[10]。

· 在3GPP Rel-16/ Rel-17中引入了集成接入和回傳（integrate2 access an2 backhaul，IAB）[1,11]，運營商利用其擁有的部分無線頻段實現(xiàn)回傳，減少了密集部署下的光纖需求。IAB節(jié)點的功能與普通基站一致，可以通過對接入和回程數(shù)據(jù)進行全協(xié)議棧處理，完成對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞挠行卣埂?/p>

· 文獻[12]依照節(jié)點設(shè)備本身的復(fù)雜度以及轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點包含的協(xié)議棧等級定義的不同類型中繼器也在網(wǎng)絡(luò)中有所部屬，且在3GPP Rel-17中的研究主要集中在層2/層3中繼。具體來看，層2中繼對接收的數(shù)據(jù)塊進行解碼和重新編碼，由于這種附加的信號處理，層2中繼無法同時接收和發(fā)送信號，轉(zhuǎn)發(fā)信號存在一定的時延，而且層2中繼無法利用業(yè)務(wù)流的服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS） 區(qū)分其轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)先級。層2中繼的優(yōu)勢在于噪聲和干擾不會被轉(zhuǎn)發(fā)。層3中繼是更高級別的中繼，它在IP層轉(zhuǎn)發(fā)用戶面流量數(shù)據(jù)包，可以支持QoS調(diào)度、緩存管理、流量控制、增強切換等功能，可以認(rèn)為是自回程的基站。相應(yīng)地，層3中繼的復(fù)雜度和成本也較高。 · 除了上述具備對用戶數(shù)據(jù)進行處理并轉(zhuǎn)發(fā)能力的節(jié)點，在5G應(yīng)用下，工業(yè)界也對傳統(tǒng)的射頻直放站進行了研究。由于該類節(jié)點僅具備放大和轉(zhuǎn)發(fā)其所接收到信道的能力，因此其實現(xiàn)復(fù)雜度和成本較低。基于這些特征，傳統(tǒng)射頻直放站在 2G、3G 和 4G 中均有部署，以改善常規(guī)蜂窩小區(qū)的整體覆蓋。然而，傳統(tǒng)的射頻直放站不但會轉(zhuǎn)發(fā)和放大信號，同樣也會放大網(wǎng)絡(luò)的干擾和噪聲，針對該類直放站特征，學(xué)術(shù)界對其網(wǎng)絡(luò)性能的影響展開了分析[14-18]。

本文研究內(nèi)容是在3GPP Rel-18 中引入的網(wǎng)絡(luò)控制直放站[19]，作為對傳統(tǒng)射頻直放站的增強，具有從網(wǎng)絡(luò)側(cè)接收和處理直放站控制信息的能力。該機制允許網(wǎng)絡(luò)控制直放站以更有效的方式執(zhí)行其放大和轉(zhuǎn)發(fā)信號操作，包括實現(xiàn)信號在空間域的定向增強、直放站的動態(tài)使能和簡化的網(wǎng)絡(luò)集成。

1 網(wǎng)絡(luò)控制直放站總體分析

1.1 直放站的功能和結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的直放站主要通過射頻模塊完成對信號的放大和轉(zhuǎn)發(fā)操作，射頻直放站結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要組成部分包括收/發(fā)端天線功放（包括低噪放）和濾波器。在時分雙工（time 2ivision 2uplex，TDD）模式下，直放站上下行鏈路的開關(guān)鍵控可以依照網(wǎng)絡(luò)部署進行預(yù)先設(shè)置。此外，部分直放站也有進行收發(fā)信號移頻的功能[20]，可以進一步按實際傳輸需求進行收/發(fā)頻點匹配，提升傳輸距離和降低干擾。

圖1 射頻直放站結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)控制直放站，除了能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)內(nèi)基站和用戶的數(shù)據(jù)進行簡單的放大轉(zhuǎn)發(fā)外，也存在與網(wǎng)絡(luò)之間的控制信息的交互。網(wǎng)絡(luò)控制直放站結(jié)構(gòu)如圖2所示，網(wǎng)絡(luò)控制直放站主要由兩個功能模塊——控制單元和轉(zhuǎn)發(fā)單元組成，并通過控制鏈路（指網(wǎng)絡(luò)控制直放站與基站進行通信的鏈路，該鏈路能夠完成直放站與基站間的信息交互）和轉(zhuǎn)發(fā)鏈路（指網(wǎng)絡(luò)控制直放站對于基站/終端數(shù)據(jù)通過射頻接收-放大-轉(zhuǎn)發(fā)操作的鏈路，網(wǎng)絡(luò)控制直放站對于該鏈路所承載內(nèi)容不進行任何處理）完成相關(guān)功能。

· 控制單元：主要作用包括接收與解調(diào)基站下發(fā)的控制信息，并且根據(jù)控制信息調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)單元的配置?？刂茊卧梢园葱枭芍狈耪緦W(wǎng)絡(luò)側(cè)的傳輸信號。圖2中，控制鏈路1為用于基站下發(fā)控制信息至網(wǎng)絡(luò)控制直放站，而控制鏈路2則可用于傳遞控制單元發(fā)送至基站的上行信息，如隨機接入信號和針對基站下發(fā)信息的反饋信號等。

· 轉(zhuǎn)發(fā)單元：主要作用為依照相應(yīng)的配置和指示信息完成對接收數(shù)據(jù)的放大轉(zhuǎn)發(fā)操作。與傳統(tǒng)直放站一樣，該行為包含了兩條不同方向的轉(zhuǎn)發(fā)鏈路。圖2中，轉(zhuǎn)發(fā)鏈路1和轉(zhuǎn)發(fā)鏈路3構(gòu)成了一條完整的基站到UE的轉(zhuǎn)發(fā)鏈路，而轉(zhuǎn)發(fā)鏈路2和轉(zhuǎn)發(fā)鏈路4構(gòu)成了一條完整的UE到基站的轉(zhuǎn)發(fā)鏈路。

在這兩個模塊的共同作用下，基站可以通過控制鏈路1下發(fā)的控制信息，以不同的控制粒度調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)單元的配置和工作狀態(tài)。例如，控制鏈路1的控制信息為轉(zhuǎn)發(fā)鏈路3所需的波束信息時，網(wǎng)絡(luò)控制直放站會據(jù)此調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)單元的轉(zhuǎn)發(fā)鏈路3所使用的波束實現(xiàn)精準(zhǔn)的基站到特定用戶的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2 網(wǎng)絡(luò)控制直放站結(jié)構(gòu)

1.2 部署場景和假設(shè)

關(guān)于網(wǎng)絡(luò)控制的直放站，業(yè)內(nèi)針對其潛在部署場景進行了詳細(xì)研究并確認(rèn)其能夠靈活適用于FR1/FR2頻點下的室內(nèi)外和室外覆蓋室內(nèi)（out2oor to in2oor，O2I）場景。在后續(xù)研究評估中，考慮場景的典型性，會優(yōu)先考慮FR2 頻段，以及室外和O2I場景。與此同時，考慮直放站以輕量化協(xié)議棧為主要設(shè)計目標(biāo)，因此重點關(guān)注單跳固定網(wǎng)絡(luò)控制直放站部署方式。

此外，考慮目前5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和商用化日趨成熟，為了兼容網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有終端，因此確定網(wǎng)絡(luò)控制直放站相關(guān)的增強需對終端透明。在該假設(shè)下，作為對現(xiàn)有無線覆蓋的拓展，直放站的部署和使用由運營商主導(dǎo)，通過與現(xiàn)有基站的耦合部署能夠提供有效的網(wǎng)絡(luò)性能增強，并能有效規(guī)避由第三方影響（如終端控制直放站模式）導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)擁塞的現(xiàn)象。

2 網(wǎng)絡(luò)控制信息

2.1 網(wǎng)絡(luò)側(cè)控制信息

網(wǎng)絡(luò)側(cè)控制信息主要指網(wǎng)絡(luò)通過圖 2所示控制鏈路向所關(guān)聯(lián)直放站傳輸?shù)挠糜诳刂浦狈耪具\行配置的波束信息、定時信息、TDD上下行配置信息、開關(guān)信息、功控信息。

（1）波束信息

多天線技術(shù)對無線通信網(wǎng)絡(luò)的性能提升具有重大的作用，尤其是5G通信系統(tǒng)設(shè)計時，針對中高頻通信的特點，創(chuàng)新性地引入了模擬波束成形和波束管理技術(shù)。該技術(shù)能夠使傳統(tǒng)通信鏈路在目標(biāo)方向獲得最大的天線和波束成形增益，并通過空間濾波特性降低干擾。直放站服務(wù)－干擾示意圖如圖 3所示，傳統(tǒng)射頻直放站在多天線配置僅能基于網(wǎng)絡(luò)勘測規(guī)劃等方式對目標(biāo)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)固定方向或者全向覆蓋，提升盲點覆蓋但易對其他用戶產(chǎn)生干擾。

圖3 直放站服務(wù)—干擾示意圖

在網(wǎng)絡(luò)控制直放站研究中，進一步引入波束指示信息，以實現(xiàn)針對圖 2所示各鏈路（如轉(zhuǎn)發(fā)鏈路）最佳波束的指示。通過初步的仿真驗證，該特征的引入能夠進一步強化直放站部署對網(wǎng)絡(luò)性能的改善。

（2）定時信息

傳統(tǒng)的設(shè)備在通過無線方式接入網(wǎng)絡(luò)時，需要通過接收檢測同步信號等方式完成系統(tǒng)同步和定時信息獲取。對網(wǎng)絡(luò)控制直放站，除了為保障控制鏈路正常運行（如直放站接入、控制信息接收和上行反饋等）外，也需要研究是否需要額外基站指示信息以完成轉(zhuǎn)發(fā)鏈路的正常維護和運行。

（3）TDD上下行配置信息

TDD上下行配置信息主要指示網(wǎng)絡(luò)中所使用的幀結(jié)構(gòu)信息，如上行、下行以及靈活幀的配置。圖1（b）中，在TDD系統(tǒng)中，為了準(zhǔn)確完成基站－終端數(shù)據(jù)的雙向轉(zhuǎn)發(fā)，直放站系統(tǒng)必須能夠準(zhǔn)確獲知網(wǎng)絡(luò)TDD上下行配置信息。在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)（如4G）實現(xiàn)中，該項配置一般固定不變，在相應(yīng)的直放站使用中，通過部署時預(yù)設(shè)置方式對該配置信息進行固化。在5G系統(tǒng)中，引入了對于該配置信息的指示更新機制，因此需要研究相應(yīng)的機制保證直放站的適配使用，但該機制的必要性主要取決于現(xiàn)網(wǎng)中是否會使用動態(tài)TDD的配置特征。不同時變等級的更新方案也會對直放站本身的實現(xiàn)復(fù)雜度產(chǎn)生影響，在方案設(shè)計時需要綜合考慮。

（4）開關(guān)和功控信息

圖3中，傳統(tǒng)射頻直放站在完成網(wǎng)規(guī)部署時無法根據(jù)目標(biāo)服務(wù)區(qū)域內(nèi)的用戶業(yè)務(wù)、信道變化等對自身狀態(tài)完成調(diào)整，可能引起不必要的干擾。本文針對網(wǎng)絡(luò)控制直放站，討論使能/關(guān)閉直放站的轉(zhuǎn)發(fā)功能或功率水平的機制，以便降低由直放站部署而引入的干擾。

從直放站應(yīng)用角度來看，開關(guān)和功控信息可以是控制一個或多個網(wǎng)絡(luò)控制直放站的指示，也可以是對一個直放站的某一個或多個鏈路的控制。例如，為了避免對用戶設(shè)備的干擾，又不想影響用戶設(shè)備到基站的信號強度，僅對轉(zhuǎn)發(fā)鏈路3進行關(guān)閉或降低功率，保持轉(zhuǎn)發(fā)鏈路2和鏈路4的開啟和功控狀態(tài)。需要強調(diào)的是，由于網(wǎng)絡(luò)控制直放站采用透明轉(zhuǎn)發(fā)工作模式，通過轉(zhuǎn)發(fā)鏈路傳遞的數(shù)據(jù)（如物理信道）對網(wǎng)絡(luò)控制直放站均是不可見的，因此為了完成針對轉(zhuǎn)發(fā)信道的功率調(diào)整，現(xiàn)有協(xié)議中針對物理信道的功控機制需要增強。

2.2 信令承載

在網(wǎng)絡(luò)控制直放站系統(tǒng)中，對傳輸網(wǎng)絡(luò)控制信息的信令承載設(shè)計主要依照直放站與基站交互功能的定義完成圖2所示的控制鏈路的協(xié)議棧設(shè)計。在現(xiàn)有5G通信系統(tǒng)中，為了完成基站與用戶間的數(shù)據(jù)傳輸，需要支持用戶面和控制面的完整協(xié)議棧（包括無線資源控制（ra2io resource control，RRC）、介質(zhì)訪問控制（me2ium access control，MAC）和物理層（physical layer，PHY）協(xié)議）。對直放站系統(tǒng)而言，考慮其場景應(yīng)用的靈活度（如單跳固定部署）、鏈路信道特征和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量等特征，并參考內(nèi)部控制單元實現(xiàn)的復(fù)雜度，其所需的信令配置設(shè)計存在進一步簡化的空間。當(dāng)圖2所示的直放站內(nèi)部控制單元僅具有有限通信功能，在信令承載設(shè)計時，可以側(cè)重于采用O&M （operation an2 management） 完成特定信息的預(yù)配置（如配置特定資源位置），或者簡化現(xiàn)有配置信令架構(gòu)（如裁剪冗余配置參數(shù)和功能）等。

3 直放站管理

在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中，考慮接入網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點所具備的功能，以及其對無線電接入網(wǎng)（ra2io access network，RAN）側(cè)調(diào)度和核心網(wǎng)功能的影響，需要采用不同程度的管理（包含識別和鑒權(quán)）。網(wǎng)絡(luò)控制直放站除了具備傳統(tǒng)直放站的轉(zhuǎn)發(fā)功能外，還引入了與基站交互的功能，進而使能網(wǎng)絡(luò)對直放站的控制。本文對網(wǎng)絡(luò)控制直放站的管理過程進行研究。

3.1 直放站識別

由于網(wǎng)絡(luò)控制直放站與傳統(tǒng)用戶具有不同的調(diào)度需求，以及直放站引入對正常終端調(diào)度存在潛在影響，因此在RAN側(cè)（即基站側(cè)）需要完成對直放站的識別。除了基于實現(xiàn)的方式外，考慮直放站可能采用現(xiàn)有初始接入過程完成網(wǎng)絡(luò)接入，對直放站的識別可以在該過程完成，以降低RAN側(cè)對直放站的響應(yīng)時延。例如，隨機接入機制流程如圖 4所示，通過四步隨機接入和兩步隨機接入過程完成RAN側(cè)識別。

圖4 隨機接入機制流程

具體來看，四步隨機接入過程的步驟1通過特定配置給網(wǎng)絡(luò)控制直放站的隨機接入時機和/或前導(dǎo)碼，由基站識別接入的設(shè)備是否為網(wǎng)絡(luò)控制直放站。步驟3通過特定設(shè)計用于網(wǎng)絡(luò)控制直放站的消息3的內(nèi)容，使基站識別接入設(shè)備。對于兩步隨機接入過程，可以在步驟1中通過基站接收特定前導(dǎo)碼和識別信息，完成RAN側(cè)對直放站的識別。

同時，由于直放站對基站－用戶雙向數(shù)據(jù)的采用透明化轉(zhuǎn)發(fā)，并且直放站本身對網(wǎng)絡(luò)側(cè)收費等功能均無額外影響，因此不需要在核心網(wǎng)側(cè)進行識別。

3.2 直放站鑒權(quán)

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，如IAB、中繼等，需要支持靈活的拓?fù)湔{(diào)整（支持多跳和移動性）以及對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完成不同層級的解調(diào)處理，因此需要在核心網(wǎng)側(cè)實現(xiàn)深度識別和鑒權(quán)過程。對直放站系統(tǒng)，考慮其有限的功能，與傳統(tǒng)直放站類似，并不存在安全問題，所以不需要支持接入網(wǎng)級別的鑒權(quán)過程，相應(yīng)的識別和鑒權(quán)功能均可以在RAN側(cè)實現(xiàn)。

4 仿真與分析

引入網(wǎng)絡(luò)側(cè)控制信息后，新型直放站系統(tǒng)有望克服傳統(tǒng)直放站部署引起的局部網(wǎng)絡(luò)干擾惡化現(xiàn)象，進一步提升網(wǎng)絡(luò)總體性能。本節(jié)在典型蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署模型下，對波束信息的作用進行分析。

4.1 仿真假設(shè)和布局

仿真布局示例如圖5所示，為了在如圖5（a）所示的典型蜂窩網(wǎng)絡(luò)中驗證引入網(wǎng)絡(luò)控制直放站的性能，本文仿真中除了原有基站層，還引入了如圖 5（b）所示的直放站。其中，直放站建模由兩個背靠背面板組成，分別模擬對基站側(cè)的單元（虛線表示該單元法線方向）和用于服務(wù)用戶的單元（實線表示該單元法線方向）。仿真中，直放站在各服務(wù)扇區(qū)中均勻分布，傳統(tǒng)射頻直放站在面向終端側(cè)采用固定方向波束，而網(wǎng)絡(luò)控制直放站，可以基于基站控制靈活改變其所使用的波束，采用與基站相同方式，對每個用戶使用基于波束訓(xùn)練后的服務(wù)波束。系統(tǒng)仿真假設(shè)見表 1。

4.2 仿真結(jié)果及分析

基于前文所述仿真配置，本文評估了直放站部署不同密度的網(wǎng)絡(luò)性能。下行SINR CDF分布如圖 6所示，相比于僅含有宏基站的部署，在引入傳統(tǒng)射頻直放站和網(wǎng)絡(luò)控制直放站后，網(wǎng)絡(luò)側(cè)的信干燥比（signal to interference an2 noise ratio，SINR）性能均有提升（尤其是在低SINR和中SINR區(qū)域），隨著直放站數(shù)目增加，該增益進一步擴大。該結(jié)果表明，在5G系統(tǒng)尤其高頻應(yīng)用下，直放站系統(tǒng)能夠有效彌補網(wǎng)絡(luò)覆蓋空洞。

圖5 仿真布局示例

圖6 下行SINR CDF分布

表1 系統(tǒng)仿真假設(shè)

進一步，對比基于傳統(tǒng)直放站與網(wǎng)絡(luò)控制直放站的結(jié)果可以看到，隨著引入基站指示的波束信息，網(wǎng)絡(luò)側(cè)的SINR性能得到明顯提升，其增益值最大可提升1.2倍。與此同時，可以看到在高SINR區(qū)域，隨著直放站數(shù)目的增強，傳統(tǒng)直放站系統(tǒng)的服務(wù)鏈路由于采用固定波束方向，在對本小區(qū)用戶進行服務(wù)的同時，容易對該波束覆蓋范圍內(nèi)位于其他小區(qū)中心的用戶產(chǎn)生干擾，使部分高SINR用戶性能惡化。在網(wǎng)絡(luò)控制直放站下，通過對本小區(qū)目標(biāo)終端服務(wù)側(cè)波束的調(diào)整，可以有效抑制波束指向不匹配以及旁瓣泄露等因素造成的干擾惡化，有效地保障網(wǎng)絡(luò)性能。

5 結(jié)束語

本文介紹了在5G 演進中引入的網(wǎng)絡(luò)控制直放站項目的研究內(nèi)容和基本方向，并對使能網(wǎng)絡(luò)側(cè)指示波束信息的新型直放站性能進行了評估。結(jié)果表明，在5G部署下，直放站系統(tǒng)能夠有效提升現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)性能，并且相較于傳統(tǒng)直放站，新型直放站能有效結(jié)合基站指示信息，針對性地優(yōu)化轉(zhuǎn)發(fā)鏈路的傳輸，進一步提升接收信號質(zhì)量并有效降低干擾。此外，基于本文的成果和經(jīng)驗，將為后續(xù)演進方向的智能超表面（reconfigurable intelligent surface，RIS）的研究和標(biāo)準(zhǔn)化提供基礎(chǔ)，更好地發(fā)揮智能超表面的優(yōu)勢[21-25]。