LTE-A 中继网络中的终端省电机制研究

李方伟，彭喻玮

(重庆邮电大学移动通信技术重点实验室，重庆 400065)

0 引言

作为LTE的平滑演进，先进的长期演进(long term evolution advanced，LTE-A)能够保持与LTE良好的兼容性;能提供更高的峰值速率和吞吐量，下行峰值速率为1 Gbit/s，上行峰值速率为500 Mbit/s;具有更高的频谱效率，下行提高到30 bit/(s·Hz)，上行提高到15 bit/(s·Hz);支持多种应用场景，提供从宏蜂窝到室内场景的无缝覆盖。为了满足上述要求，LTE-A引入了载波聚合(carrier aggregation，CA)、多天线增强(enhanced MIMO)、中继技术(relay)和多点协作传输(coordinated multi-point Tx/Rx，CoMP)等关键技术［1］。

目前，关于协作通信的研究已经有丰富的成果，协作通信与直接通信相比，能提供空间分集增益，实现目标用户高速、高可靠性地进行数据传输［2-3］。选择恰当的中继节点进行协作通信可以减少能量消耗，延长网络生命周期。文献［4］提出了一种中继节点选取和功率分配联合优化的策略，能够显著提高系统性能和功率效率，可以有效地用于基于中继传输的协作通信中;文献［5-6］研究了协作式MIMO技术在无线传感器网络应用中的能耗及系统容量模型的分析。这些研究大多是针对无线传感器网络，在LTE-A系统中，如何使用中继技术进行协作通信、减少终端能耗，还需要进一步研究。

1 协作式虚拟MIMO

基于对终端体积、硬件复杂度和功耗等的考量，上行传输中通常采用虚拟MIMO(virtual MIMO)技术来替代MIMO技术。将具有单天线的多个用户组合起来，在同一资源块(同一时隙、同一频率或同一码元序列)中形成虚拟的 MIMO信道，联合向具有多天线的基站发送数据。根据组成V-MIMO系统的不同方式，可以分为协作V-MIMO技术和非协作VMIMO技术两种。无协作通信方式的虚拟MIMO技术是通过基站(node B，NB)集中调度选择多个用户共享彼此的信道资源传输信息，不要求终端具有直接通信的能力。

协作通信的概念最早由 Sendonaris，Erkip和Aazhang提出，它基于中继通信，随着研究的发展又扩展了中继通信的内涵。在协作通信系统中，每个移动终端都有一个或多个合作伙伴，每个用户终端在传输自己信息的同时，也要协助其合作伙伴传输信息。这样，每个终端在传输信息的过程中同时利用了自己和其合作伙伴的空间信道，从而获取了一定的空间分集增益。通过协作，使用单天线的移动终端也可以实现空域分集，成为协作分集，是一种全新的空间分集技术。由于协作的合作伙伴共享彼此的天线，从而构成虚拟MIMO传输。目前，协作V-MIMO技术的研究主要包括用户协作和中继协作两种。

在蜂窝通信系统中，Sendonaris等最早提出用户协作的概念，研究主要针对上行链路，假设每个单天线的UE具有1个合作伙伴，2个用户相互协作与NB进行通信，每个用户设备(user equipment，UE)除了独立发送自己的信息给NB外，还将转发其合作伙伴的信息到NB，其传输结构如图1a所示。从信息论角度分析，在平坦衰落环境下，用户协作构成V-MIMO可以扩大系统容量，提高网络服务质量，改善系统性能。但是研究表明，只有当2个用户的信道质量都较好时，系统的信道容量才会得到显著提升。同时，由于用户协作构成V-MIMO传输要求系统中的用户之间相互协作，UE必须具备直接通信的能力，也必须使终端用户有足够的动机愿意使用自己的资源来协作他人完成通信，这就需要很好的激励机制和安全机制来促使用户之间的协作，因此也给实际的应用带来了一定的困难。

在LTE-A中，引入了中继技术。在源节点UE和目的节点NB之间可以引入一个或多个具有相同覆盖区域的中继站(relay station，RS)来作为中继节点，这些单天线的中继节点就形成了一个V-MIMO系统，目的节点可以合并来自源节点和来自中继节点的数据。如图1b所示。

图1 协作式V-MIMO示意图Fig.1 Schematic diagram of cooperative V-MIMO

2 基于中继协作式V-MIMO的终端省电技术

文献［7］提出了在时分长期演进(time division long term evolution，TD-LTE)系统中，利用无协作虚拟MIMO的配对、调度，达到终端省电的技术方案。随着系统演进至LTE-A，中继技术被用来提升处于阴影区域或小区边缘的终端的通信性能。中继技术通过信号接力的方式“拉近”了终端和基站的距离，增强高速率下的信号覆盖，提升由建筑阻挡产生的深衰落区域的信号水平，提高了系统容量。显然使用中继组成协作式V-MIMO进行传输数据，可以显著降低下属终端的射频发射功率，达到终端省电的目的。

2.1 室内场景下的LTE-A中继通信

如图2所示，在办公室或茶餐厅等UE相对固定的场景部署中继节点，移动终端仅需与中继节点(relay node，RN)交换数据，由中继节点将数据转发至基站，移动终端通信距离大大缩短，可以有效降低其发射功率。

但购置中继设备不但会提高LTE-A系统的使用成本和维护成本，而且为每个办公室添置中继设备也是不现实和不便捷的。由此，本文提出将中继技术集成于移动终端内部，在特定环境下为附近的其他用户提供中继服务，以降低部署中继器的成本，提高便利性和灵活性，并达到为附近用户省电的目的。

2.2 集成中继功能的LTE-A终端应用方案

将中继功能集成进LTE-A移动终端的最大障碍是电能问题。移动终端通常使用电池供电，无法支持启用中继服务所需的较大功耗。因此，本文方案定义在移动终端处于充电状态时启用中继服务，断开电源时自动结束服务，从而避开电能问题。

图2 使用中继节点和未使用中继节点场景示意图Fig.2 Chart of using relay nodes and without relay nodes scene

现今的智能移动通信终端(如智能手机)因内建操作系统且功能强大，受到越来越多用户的青睐，但受到电池技术和智能终端自身较高功耗的限制，其连续使用时间一般不超过4小时。因此，办公室等室内场景中，用户时常需要为智能移动通信终端重新充电。充电时，移动终端摆脱了电能限制，当集成中继功能后，可切换到中继模式，为附近其他终端提供中继服务，最小化它们的发射功率，从而达到省电的目的。

事实上，办公室等人群密集的室内场景中很容易找到正在充电的移动终端，或者有意地将某个移动终端维持在充电模式下，并启用中继服务。而办公室中用户移动较少，即附近用户的大多数时间可通过中继终端进行通信，因此本方案达到的省电效果是显而易见的。

2.3 中继节点部署请求

作为室内中继节点，要求节点具有稳定性，即地理位置固定，并确保能够长时间存在。同时，由于能为中继节点分配的Backhaul子帧资源十分有限，必须考虑所在区域的无线资源消耗水平，以及中继节点相互干扰的水平，因此，设计以下的部署请求流程，如图3所示。

作为中继节点使用的终端，可由用户选择是否开启中继功能。当接入电源后，终端进行一段时间的延时，以确认电源连接的稳定性，以及通过检测延时时间内是否有小区切换来确认地理位置是否固定。延时时间K=K'+t，其中K'为最小延时时间，t可由用户自定义。系统检测所在小区的信号平均水平为 SNReNB，附近其他中继节点的信号水平SNRRN'，小区切换标识为Switch_Flag。当小区的信号平均水平大于门限值SNReNB＞SNReNB_Threshold，其他中继节点的信号水平小于门限值SNRRN'＜SNRRN'_Threshold，小区切换标识 Switch_Flag=False，则认为终端状态稳定、无线状态良好，向NB请求中继节点部署。

图3 中继节点部署请求流程Fig.3 Request flow of deployment using relay nodes

NB通过多普勒效应或者智能天线技术再次检测终端移动速度，当终端位置固定，信道资源充裕的条件下，则允许中继节点部署请求，进入中继节点配置阶段。此时，NB与中继终端可根据LTE-A中继协议，分配Cell ID，分配无线资源、建立Backhaul链路等。

3 仿真分析

本文通过计算机模拟实现LTE-A中继系统的整个上行链路传输过程，由于仅对物理层链路进行仿真，这里将中继系统的数据转发过程设置为物理层的2次数据收发:终端到中继的数据收发，以及中继到基站的数据收发，并分别经历室内信道衰落和室外信道衰落。假设各终端已经分别完成终极选择和部署，系统仿真结构图如4所示。

图4 系统仿真结构图Fig.4 System simulation structural chart

3.1 LTE-A上行收发机仿真设计

由于仿真环境为室内场景，可认为基站、中继、终端相对静止，这时各种快衰落过程对本系统影响较小，因此设置无线信道模型为高斯白噪声信道，如图5所示，其中，DFT为离散傅立叶变换，IDFT为离散傅立叶反变换，DAC为数模转换器，ADC为模数转换器。

图5 收发机仿真设计原理图Fig.5 Schematic diagram of transmitter and receiver simulation design

3.2 路径损耗模型设置

终端到中继的数据收发经历室内路径损耗模型产生的衰减，中继到基站的数据收发经历城市路径损耗模型产生的衰减。

1)室内路径损耗因子模型。

(1)式中:PL(d0)为近地参考距离d0的自由空间衰减值，d0取值为1 m;d为收发天线距离;nsf为同层损耗因子，取值为3.0;FAF为不同层损耗，取值为0 dB;由(1)式可得，10 m处的室内路径损耗约为68 dB。附加室内多径衰落，取最大值10 dB，合计损耗为78 dB。

2)Cost231-Hata城市路径损耗修正模型。

由于LTE-A系统的工作频率通常大于2 000 MHz，常用的奥村模型、Hata模型、折线模型均不适用本次仿真。这里我们选用了3G系统中一般使用的Cost231-Hata修正模型，频率适用范围可扩展到

(2)式中:f为发射频率，取值为2 300 MHz;Hb为基站高度，取值为50 m;d取值为0.2 km;Hm为终端高度，取值为10 m。由(2)式可得，200 m处的城市室外路径损耗约为104.4 dB。

3.3 仿真参数设置

仿真参数如表1所示。

表1 仿真模型参数Tab.1 Simulation model parameters

3.4 仿真结果及性能分析

Matlab仿真结果如图6所示，对于终端连接移动中继节点和未连接移动中继节点的情况，可明显看出连接移动中继节点时，终端在较低发射功率条件下仍可有效降低传输误码率，保证正常通信。即说明，保证以较低误码率正常通信时，本文提出的方案可以节省终端功率。

4 结束语

本论文提出了在LTE-A系统中，利用中继协作式V-MIMO进行数据传输，以减少终端耗电的方案。同时提出，将中继功能集成入LTE-A智能终端，利用软件协议使得终端硬件改动较小、部署灵活，能显著提升特定场景下附近终端的通信性能，降低发射功率，从而达到终端省电的目的，提升了用户体验。

图6 Matlab仿真结果Fig.6 Simulation result of Matlab

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