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射频波束赋形技术改善TD-LTE蜂窝小区边缘性能
射频波束赋形技术改善TD-LTE蜂窝小区边缘性能
从很早以前，多天线技术便已在移动无线系统中得到使用。在早期的基站发射和车载移动台接收时期，大蜂窝小区网络拓扑结构中多路径传播会产生选择性衰落，因而影响到信号质量，特别是在市区内这样的问题更加严重。以往的办法是使用基站发射和车载接收机天线分集来解决这个问题。随着手机变得越来越小，车载通信装置经过简化而开始采用蓝牙音频连通性技术，移动设备中的接收分集已经逐渐淘汰。不过，这一趋势很快将发生变化：最新的无
从很早以前，多技术便已在无线系统中得到使用。在早期的发射和车载移动台接收时期，大蜂窝小区拓扑结构中多路径传播会产生选择性衰落，因而影响到信号质量，特别是在市区内这样的问题更加严重。以往的办法是使用基站发射和车载接收机天线分集来解决这个问题。随着变得越来越小，车载通信装置经过简化而开始采用音频连通性技术，移动设备中的接收分集已经逐渐淘汰。不过，这一趋势很快将发生变化：最新的无线实施使用了多天线空间流，能够增加发射带宽和速度。随着实施这一先进技术的低成本硬件的问世，首次发布的 LTE（第三代合作伙伴计划长期演进）标准，特别是其（时分双工）版本已经提议并实施了各种多天线技术。再次说明一下，基础的无线信道使用的是单路发射和单路接收天线，称为SISO（单路输入单路输出）。这种简单的无线信道设定了信号传输性能的基准，在此基础上可以对所有更复杂的传输配置进行测量。SIMO（单路输入多路输出）提供了比SISO基准更大的接收天线冗余，支持在接收机中使用接收分集技术，例如最大比合并等。这可以改善在设备接收机上观测到的SINR，并有助于改善信道衰落条件下的性能。 MISO（多路输入单路输出）提供发射天线冗余，像在情况中一样，支持使用Alamouti符号编码或空频分组编码（SFBC）等发射分集技术。与SIMO一样，这也可以改善在设备接收机上观测到的SINR，并可帮助提供保护，防止信道衰落。 无论是SIMO还是MISO都不能提高数据吞吐量，但它们可以降低误码率，从而减少需要重发的数据量。（多路输入多路输出）提供额外的发射和接收天线冗余。如果将相同的数据发送到发射天线，这一冗余可用来改善上面所述使用相同发射和接收分集技术的设备接收机上的SINR，或者可以牺牲部分或全部可能的SINR性能改善，以便获得更高的频谱效率。空间多路复用发射技术（使用发射天线发送独立数据流）可以为单一用户提供更高的数据吞吐量（SU-MIMO或单用户MIMO），或增加系统蜂窝小区容量（MU-MIMO或多用户MIMO）。除了这些分集和空间技术之外，还可以使用多天线配置将发射或接收集中在特定方向上。这种技术称为波束赋形，取决于具体应用，可以采用固定波束赋形或可变波束赋形，并能够改善系统性能。波束赋形技术可在许多不同频率的应用中使用，包括声纳和地震学、声学、、射电天文学和等。总之，无论何时从两个或多个空间分离的发射点发送相同的信号，都会出现干扰方向图。发射波束赋形就是利用这种干扰方向图进行工作的。无论何时利用波束赋形技术从两个或多个空间分离的接收点接收相同的信号，都可使用同样的原则。举一个简单的例子，当使用单个全向天线发射射频无线信号时，产生的信号相对场强如图1(a)中的蓝色实线所示。为了能够发射波束赋形信号，需要添加另一个同样的全向天线阵元，与第一个天线阵元距离间隔半个载波波长，见图1(b)。在此例中，两个天线阵元都传输待发射信号信息符号的相同副本。我们可以立即看到，在大约0&方位角的方向上发生了相长（同相）干扰，合并后的场强增加，在这个方向上产生有效相干信号功率增益。相反，在大约+/-90&的方向上会发生相消（异相）干扰，合并后的场强会降低或衰减。在同一个轴上与前两个天线阵元间隔半个射频载波波长的位置上添加第三个天线阵元，可改善合并后相对场强的空间选择性，见图1(c)。在此例子中，天线单元经过同极化、相关，并沿着单一天线阵元轴向均匀分隔，构成了一个均匀线性阵列（ULA）天线系统。在相对ULA宽边为0&的方向上的单一主瓣信息清晰可见。在这个方向上会发生最大相长（或同相）干扰，在合并后的场强波束方向图中产生最大的功率增益。现在我们可以看到两个不同的功率衰减零点（null）的信息，主瓣一侧位于+/-42&方位角上。这两个最小功率位置表示在合并后的场强波束方向图中发生了最大相消（或异相）干扰的方位方向。图1：ULA波束赋形实例最后向ULA添加第4个天线阵元可进一步改善主瓣选择性，见图1(d)。功率零点的数量也从两个增加到三个。两个零点现在位于+/-30&方位角，第三个位于ULA天线轴线上。现在，两个不同功率旁瓣的信息清晰可见，位于+/-50&方位角处。两个旁瓣的功率电平都低于主瓣。最终的波束方向图不仅由ULA物理几何形状和阵元间距决定，还受到每个天线阵元上发射的每个信息符号副本所接受的相对幅度和相位加权的影响。这可以通过在四个天线阵元中的每一个上引入+90 &相对相移来证明。结果是主波束位置从0&方位角转移到-30&方位角，如图1(e)所示。请注意，零位和旁瓣位置还受新加权值的影响。通过精心设计波束赋形天线阵列的几何形状，再加上精确控制对每个天线阵元所应用的相对幅度和相位加权，不仅可以控制主瓣功率传输的选择性形状和方位方向，还可以控制功率零点方位位置和旁瓣电平。让我们现在单独考虑添加额外的天线阵元对在目标设备接收机上观测到的结果波束方向图的有效功率增益的影响。图1(b)显示了添加另一个天线阵元的过程。该天线阵元与第一个天线阵元发射完全相同的符号副本。在此例中，相长（同相）信号之和将会导致位于0&方位角主波束位置处的目标设备接收机观测到相干功率增益增加6dB。因此，如果没有应用归一化，图1绘图(b)双天线实例中的主瓣最大值理论上将是绘图(a)单天线实例中的主瓣最大值的两倍。这个6dB相干增益改善可被视为由于使用两个空间分离的天线阵元，与单天线发射相比在目标设备接收机上观测到的波束赋形增益改善。实际上，在两个天线阵元中的每个上发射的符号功率电平都可能降低3dB，达到初始单天线符号功率电平的一半，保持与单天线配置相同的总发射机功率。虽然如此，这仍会导致在目标设备接收机上观测到波束赋形与单天线发射相比有3dB的增益使用多天线波束赋形发射，由于结合了波束赋形选择性、干扰管理和相干信号增益等多种优势，对于现代无线通信系统非常有吸引力。图2：波束赋形术语我们总结了一些重要的方面和术语，用于描述图2中的波束赋形发射：* 主瓣：主要的最大发射功率瓣，通常指向目标设备或发射路径（该发射路径将通过在无线传播信道中进行反射到达目标设备）。* 旁瓣：次要的功率发射瓣，有可能对服务小区或邻近小区中的其他用户设备产生多余的干扰。* 功率零点：发射波束方向图中功率最小的位置，系统可以选择使用和控制该位置，以减少对服务小区或邻近小区中设备的干扰。* 主波瓣宽度（&P）：主瓣发射选择性，在主瓣两个 3 dB 点上方位角宽度的测量结果。* 主瓣至旁瓣的电平：预期主瓣发射功率相对于多余旁瓣发射功率的选择性功率差。在现代无线蜂窝通信系统中，一个最大的挑战是蜂窝小区边缘性能。这是波束赋形技术在提供 LTE 业务方面能够发挥关键作用的主要原因。图3显示了两个实际的情景示例，它们均利用了波束赋形的先进特性以改善现代蜂窝无线通信系统中的性能。图3(a)为两个相邻的蜂窝小区，每个蜂窝小区都与位于两个蜂窝小区之间边界上的单独用户设备进行通信。此图显示，eNB1正在与目标设备UE1通信，eNB1发射使用波束赋形来最大限度提高 UE1方位方向中的信号功率。同时，我们还可看到，eNB1正尝试通过控制UE2方向中的功率零点位置，最大限度地减少对UE2的干扰。同样，eNB2正使用波束赋形最大限度提高其在UE2方向上的发射接收率，同时减少对UE1的干扰。在此情景中，使用波束赋形显然能够为蜂窝小区边缘用户提供非常大的性能改善。必要时，可以使用波束赋形增益来提高蜂窝小区覆盖率。图3(a)：用于蜂窝小区边缘性能改善的波束赋形。图3(b)：用于使用 MU-MIMO 进行蜂窝小区容量改善的波束赋形图3(b)描述了与两个空间分离的设备（UE3和UE4）同时进行的单小区（eNB3）通信。由于可以独立地对每个空间多路复用传输层应用不同的波束赋形加权值，所以可以结合使用空分多址（SDMA） 和 多用户MIMO（MU-MIMO）传输，提供经过改善的小区容量。
型号/产品名
深圳市翌龙智能科技有限公司
深圳市江宇电子有限公司
深圳市科圳威电子有限公司浅谈3D-MIMO技术
随着标准和技术的不断发展和演进，4.5G在网络容量、峰值速率、时延等技术指标层面与4G相比均有了质的提升。2017年，中国移动基于TD-LTE网络积极部署了CA（载波聚合）、3D-MIMO、NB-IoT等技术，引领了行业发展趋势。其中3D MIMO作为4.5G/5G的核心技术之一，打破传统天线只能提供水平维度的限制。通过引入二维天线阵列，可实现3D（水平和垂直方向上）MIMO。进一步提升MIMO可利用的空间维度，将MIMO多天线技术推向了一个更高的发展阶段，从而提高数据传输效率、系统容量、可靠性，为全面提升无线通信系统性能提供了更多发展空间。本期《揪纠达人》栏目将针对3D-MIMO技术及应用进行详细阐述，一同揭开3D-MIMO的神秘面纱。
3D-MIMO技术背景
早期原有的MIMO传输方案由于受限于传统的基站天线构架，一般只能在水平维度实现对信号空间分布特性的控制，还无法充分利用3D信道中垂直维度的自由度，未能从更深层次挖掘出MIMO技术对于改善移动通信系统整体效率与性能及最终用户体验的潜能。而随着天线设计构架的演进以及AAS（有源天线系统）技术的实用化发展，移动通信系统底层设计及网络结构设计思路也发生了巨大变化，直接推动着MIMO技术向着更高维度发展。
随着移动通信的发展，4.5G作为4G的平滑演进，是人们进入智能生活的重要推进器。它将移动通信首次带入1Gbps时代，并倾力打造低时延、无处不在的全连接智能移动网络，3D MIMO作为5G Massive MIMO技术应用于4.5G的一个重要特性，具有组网灵活、有效降低选址难度、增强覆盖、降低干扰、提升容量等优点。
3D-MIMO技术原理
MIMO多天线技术作为LTE系统物理层的基本构成之一，主要可以分为空间复用、传输分集和波束赋形三种模式。而3D-MIMO技术采用大规模阵列天线、以波束赋形算法为基础，并结合了SDMA技术实现多场景覆盖。
波束赋形(Beamforming)：在波束成形技术中，基站拥有多根天线，通过调节各个天线发射信号的相位，使其在手机接收点形成电磁波的叠加，从而达到提高接收信号强度的目的。从基站方面看，利用信号处理产生的叠加效果就如同完成了基站端虚拟天线的方向图，因此称为“波束赋形”。通过这一技术，发射能量可以汇集到用户所在位置，而不向其他方向扩散，并且基站可以通过监测用户的信号，对其进行实时跟踪，使最佳发射方向跟随用户的移动，保证在任何时候手机接收点的电磁波信号都处于叠加状态。在实际应用中，多天线可以同时瞄准多个用户，构造朝向多个目标客户的不同波束，并有效减小各个波束之间的干扰。这种多用户的波束成形在空间上有效地分离了不同用户间的电磁波。
SDMA：空分多址，3D MIMO天线在覆盖高层楼宇的同时，通过多个波束对应不同楼层形成虚拟分区，实现了空分复用的效果，同时也提升了频谱效率。
大规模天线阵列技术：空间自由度是MIMO多天下技术的安身立命之本。在有源天线系统技术的有力支持下，垂直维度的空间自由度的大门已悄然向MIMO技术开启，简单来说，有了有源天线系统技术，3D MIMO技术在不需要改变现有天线尺寸的条件下，可以将每个垂直的天线阵子分割成多个阵子（天线数目大幅增加），大规模天线阵列正是基于多用户波束成形的原理，在基站端布置多根天线，对几十个目标接收机调制各自的波束，通过空间信号隔离，在同一频率资源上同时传输几十条信号。从而开发出MIMO的另一个垂直方向的空间自由度，使得进一步降低小区间干扰、提高系统吞吐量和频谱效率成为可能。
图1 大规模天线阵列演进
3D-MIMO技术优势
与传统MIMO不同的是，3D MIMO中所采用的天线规模发生了巨大变化，天线数目大幅增加，随着基站天线数目趋向于很多时，各UE的信道将趋向于正交，用户间的干扰趋于消失，由此带来的巨大的天线阵列增益将有效提升每个用户的信噪比，因此可在相同的时频资源上支持更多用户的传输，提升小区的平均频谱效率、降低邻小区干扰、提升系统容量。
1）3D MIMO从室外覆盖高层楼宇更经济
图2 普通扇区天线与3D MIMO天线室外覆盖高层楼宇场景
传统的基站为提高增益，垂直波瓣较窄，在覆盖高层建筑时，往往只能覆盖到部分楼层，从而需要多面天线来做覆盖的场景。使用3D MIMO技术，则可以分裂出指向不同楼层位置的波瓣，在减少了天面建设需求的同时，也通过多个并行数据流传输，提高了频率利用效率。
占用天面少：利用常规天线覆盖高层楼宇时，需要分别针对低层、中层和高层设置多个天面，而3D MIMO技术的天面需求则很少。
垂直面覆盖宽：3D MIMO天线相比常规天线，可实现单天线阵覆盖整个楼层，垂直面的覆盖角度可达+/-30度（而普通天线一般只能做到+/-8度），提升了频谱效率。
2） 3D MIMO技术的应用可以降低对邻区的干扰
图3 3D MIMO天线在垂直面跟踪终端
相比于常规天线的垂直面不能随终端的位置实时调整，3D MIMO天线可通过AAS（有源天线阵子）组合而成，每个阵子均可独立调整权值，波束在垂直面跟踪终端，从而可从整体上降低对邻区的干扰。
3） 3D MIMO可实现垂直面空分多址，提升频谱效率。
图4 常规天线波束无法在垂直维度区分用户
图5 3D MIMO天线在垂直维度区分用户
相比于常规天线在垂直面不能实现针对终端的多波束，3D MIMO天线可实现针对不同
终端的垂直面多波束，实现了垂直面空分，提升频谱效率。上图中UE1、2、4在水平面维度上与基站的夹角不同，所以基站可以在水平面维度形成3个分别对准他们的波束进行服务；然而UE2和UE3在水平维度上与基站的夹角相同，那么UE2和UE3的波束会形成相互干扰。
3D MIMO技术提供了垂直面波束赋形，将UE2与UE3从垂直维度上再进行一次区分，分别形成对准他们的波束为其进行服务。
3D-MIMO技术瓶颈
1）每根天线用户位置的确定算法
移动通信中，手机估计其信道并反馈给基站的做法在大规模天线中并不可行，因为基站天线数量众多，手机在向基站反馈时所需消耗的上行链路资源过于庞大。目前，最可行的方案是基于时分双工(TDD)的上行和下行链路的信道对称性，通过手机向基站发送导频，在基站端监测上行链路，基于信道对称性，推断基站到手机端的下行链路信息。
2）导频数量限制造成的干扰
获得上行链路信息，手机终端需向基站发送导频，可是导频数量总是有限的，这样不可避免地需要在不同小区复用，从而会导致导频干扰。
3）波束成形算法限制
很多大规模天线波束成形的算法基于矩阵求逆运算，其复杂度随天线数量和其同时服务的用户数量上升而快速增加，导致硬件不能实时完成波束成形算法。
3D-MIMO的技术应用
虽然3D MIMO的天线产品和技术本身还存在许多有待深度研究的内容，但是目前的研究成果显示，3D MIMO中新天线和新技术的引入对于现有网络中天线技术的应用场景实现了成功的突破，可灵活适应高楼覆盖、热点宏覆盖、体育场覆盖、最后一公里等多种场景的室外宏覆盖。
1）热点区域16流空分复用，相比8流吞吐量提升一倍
在热点区域，用户数多且用户在3维空间分布范围大，结合精确的信道估计、用户配对算法，即可实现空域16层及以上的视频资源空分复用，让无线网络的频谱效率再上一个台阶。华为的外场测试验证结果显示：近点用户场景，16流空分复用，相比8流空分复用可以获得接近一倍的吞吐量增益；用户均匀分布在小区远中近点场景，16流相比8流空分复用可以获得60%的容量增益；即使对于用户密集分布场景，16流相比8流空分复用也能获得45%的容量增益。
2）华为联合深圳移动完成3DMIMO32流外场验证 峰值速率达到1.38Gbps
深圳移动与华为联合验证3D MIMO 32流空分复用技术，在外场使用32个商用终端仅用20MHz频谱达到1.38Gbps的峰值速率。这是全球首次实现32流空分复用，是华为与深圳移动针对3D MIMO研究进程上的又一个里程碑突破。
图6 3D MIMO 32流外场测试峰值
3）中兴通讯与中国移动联合展示5G 3D/Massive MIMO预商用基站
在巴塞罗那举办的2015年世界移动通信大会上，中兴通讯与中国移动联合展示了5G 3D/Massive MIMO预商用基站。该基站应用了MIMO多用户多流空分复用技术，在双方的联合外场测试中，实测峰值速率达传统基站的3倍，创造了频谱效率和单载波容量的新纪录。
3D/Massive MIMO是5G的核心技术之一，利用多天线技术可以成倍提升无线频谱效率，增强网络覆盖和系统容量，帮助运营商最大限度利用已有站址和频谱资源。此次展示的创新基站为64端口128天线3D/Massive MIMO的基带射频一体化室外型Pre5G基站，集成度更高。虽然天线数达到128个，但整机迎风面积与普通8天线接近。Pre5G创新基站将基带、射频、天线统一集成，相对于传统移动基站只需要三分之一的安装空间，安装维护更方便，充分降低运营商的成本。该基站性能卓越，外形设计别具匠心，并且已初具商用能力。将5G的3D/Massive MIMO关键技术提前引入现网，可以帮助运营商在4G时代占据5G先机。
4）大唐移动联合中国移动、国信天线推出3D-MIMO样机
大唐移动、中国移动、国信天线联合启动了3D-MIMO样机的合作开发工作，于2014年1月推出了首台3D-MIMO样机，并于2014年9月率先进行了外场测试。该样机工作频段覆盖2.575GHz-2.635GHz，共有64个天线单元，各天线单元可以独立控制，支持三维智能波束赋形。
郑重声明：以上是《揪纠达人》栏目的主要探讨内容，上述内容仅代表个人观点，与栏目和通信大视野无关，如有雷同，不胜荣幸。
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LTE及LTEAdvanced小区边缘性能提升的中继技术研究
中国科学技术大学 硕士学位论文 LTE及LTE-Advanced小区边缘性能提升的中继技术研究 姓名：董荣荣 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：洪佩琳 2011-05摘要摘要作为下一代的宽带移动通信系统，LTE 及 LTE-Advanced 均将提高小区边缘 的传输性能作为系统关键的需求指标。 在目前各种主流的小区边缘性能的提升技 术中， 通过中继节点实现的蜂窝多跳技术以及协作分集技术可以有效提高小区边 缘用户的吞吐量，增加系统的覆盖范围。与实用性较弱的用户中继不同，固定中 继已成为下一代宽带移动通信系统的关键技术，如 LTE-Advanced 系统中的层 3 中继和层 2 中继。 然而，作为独立小区的层 3 中继在为 LTE-Advanced 系统带来更高吞吐量和 更大覆盖范围的同时，也带来更复杂的干扰结构、切换场景以及资源分配等一系 列潜在的问题。随着 WLAN 技术的迅速发展与广泛应用，目前大量移动终端在配 置有蜂窝移动通信模块的同时还配置有 WLAN 接口，而在 LTE 系统日益广泛的应 用过程中，配置有 LTE、WLAN 两种接口的双模终端将会陆续出现，这使得基于 LTE 与 WLAN 的新型中继网络成为可能。 本文针对 LTE 三扇区系统提出一种新型的基于 LTE/WLAN 的异构中继网路， 用于提高小区边缘用户的吞吐量，增加系统的覆盖范围。文中首先对基于 LTE/WLAN 的异构中继网络的架构进行研究，给出其网络覆盖模型；然后对该网 络的相关工作原理进行研究，主要包括两跳接入/退出机制、空中接口协议栈以 及两跳切换机制三个方面；此外，对该网络的性能进行理论分析与仿真评估。 与层 3 中继的独立控制方式不同， 2 中继主要以解码转发的方式协助小区 层 边缘用户进行数据传输， 其中利用层 2 中继实现的协作分集技术可以为小区边缘 用户带来分集增益，提高其传输性能。随着网络规模的不断增大，有限的频率资 源日益成为限制系统吞吐量的瓶颈， 协作分集技术通过引入网络编码以提高系统 资源利用率， 增加系统吞吐量， 其中基于复数域网络编码 （Complex Field Network Coding，CFNC）的协作分集技术的资源利用率最高。然而由于直接分集链路的存 在，若将现有的基于 CFNC 的协作分集技术直接用于 LTE-Advanced 系统，将导致 更加严重的小区间干扰，甚至降低系统的吞吐量。 本文针对 LTE-Advanced 层 2 中继系统提出一种基于 CFNC 的两跳协作分集技 术，用于提高小区边缘用户的上行传输性能。通过将两跳传输与 CFNC 相结合， 使协作分集技术在保持较低的小区间干扰以及较高的系统资源利用率的基础上， 提高小区边缘用户的传输性能。文中首先基于最基本的协作场景对基于 CFNC 的 两跳协作分集技术进行研究，然后将其扩展为一般的协作模型，并对该协作分集 技术的性能进行理论分析与仿真评估。 关键字： LTE、LTE-Advanced、中继、WLAN、协作分集、复数域网络编码IAbstractAbstractAs the next generation broadband mobile communication system, LTE and LTE-Advanced take the cell-edge performance as the key system demand. In the main techniques of the cell-edge performance improvement in current, the cellular multi-hop technology and the cooperative diversity technology through relay nodes can improve throughputs of cell-edge users and the system coverage efficiently. Being different with the user relay, the fixed relay has become the key technology of the next generation broadband mobile communication system, such as the layer 3 relay and the layer 2 relay in LTE-Advanced. However, as an independent cell, the layer 3 relay brings a series of potential problems such as more complex inter-cell interference, handover scenes and resource allocation when it improves the system throughput and coverage. With the rapid development and wide use of the WLAN technology, a large number of mobile devices are equipped with the WLAN interface in addition to the cellular interface. With the increasing popularity of the LTE, dual-mode mobile devices equipped with interfaces of both LTE and WLAN will appears gradually, which makes novel relay networks based on LTE and WLAN possible. This thesis proposes an integrated LTE/WLAN heterogeneous relay network for the tri-sector site of LTE networks in order to improve throughputs of cell-edge users and the system coverage. Firstly, studies the architecture of the novel network, and present the coverage model of the network. Secondly, studies working principles of the network, including the two-hop access mechanism, the protocol stacks and the handover mechanism of two-hop users. Finally, through theoretical analysis and simulations we evaluate the performance of the network. Being different with the layer 3 relay which controls independently, the layer 2 relay assists data transmissions of cell-edge users through in manner of decoding and forwarding. And the cooperative diversity technology through the layer 2 relay brings diversity gains to cell-edge users, and improves their transmission performances. As the network size increases, the limited frequency resource increasingly becomes the bottleneck of the system throughput. The cooperative diversity technology brings in the network coding to improve the resource utilization rate and system throughput. Among them, the cooperative diversity technology based on the Complex FieldIIAbstractNetwork Coding (CFNC) achieves the highest resource utilization rate. However, due to the existence of the direct link, if used directly in LTE-Advanced networks, the current cooperative diversity technology based on the CFNC will result in more serious inter-cell interference, and even deteriorate system throughput. This thesis proposes an two-hop cooperative diversity technology based on the CFNC for LTE-Advanced layer 2 relay networks to improve the uplink transmission performance of cell-edge users. Through the combination of the two-hop transmission and the CFNC, the cooperative diversity technology improves the transmission performance of cell-edge users with lower inter-cell interference and higher resource utilization rate. Firstly, studies the two-hop cooperative diversity technology based on the basic scene, and then extends it to the general model. Finally, through theoretical analysis and simulations to evaluate the performance of two-hop cooperative diversity technology. Key Words: LTE, LTE-Advanced, Relay, WLAN, Cooperative DiversityIII中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。 与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：___________ 签字日期：_______________中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学 位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、 汇编学位论文。 本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 □公开 □保密（____年） 作者签名：_______________ 签字日期：_______________ 导师签名：_______________ 签字日期：_______________第一章 绪论第一章绪论1.1引言随着蜂窝移动通信系统向着更高传输速率、 更高频谱利用率以及更大系统吞吐量的方向发展，传统的以码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA） 技术为核心的第三代移动通信（The 3rd Generation Telecommunication，简称 3G）系统已无法适应这一需求，同时以正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM）技术为核心的 WiMAX、WLAN、UWB 以及 IEEE 802.20 等无线通信系统的高数据速率和高频谱利用率引起了业界的广泛关注。 基于对移 动通信宽带化的认识，同时为了应对宽带接入移动化的挑战，第 3 代合作伙伴计 划（The 3rd Generation Partnership Project，3GPP）于 2004 年底开始了通 用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）的长 期演进（Long Term Evolution，LTE）项目。这项令人瞩目的技术在空中接口方 面采用基于 OFDM 的多址方式、 多输入多输出 （Multiple Input Multiple Output， MIMO）以及链路自适应（Link Adaptation，LA）等关键技术，旨在提高数据的 传输速率，增加系统的吞吐量与覆盖范围；在网络结构方面，采用全 IP 的扁平 化架构，旨在降低系统延时及网络运营成本。 在 LTE 的标准化工作趋于完成之际，3GPP 于 2008 年启动了 LTE 的后续演进 （LTE-Advanced）项目，旨在成为第四代移动通信的候选技术。在从 LTE 平滑过 渡的基础上，LTE-Advanced 引入了载波聚合（Carrier Aggregation，CA）、协 作多点传输与接收(Coordinated Multi-Point transmission/reception， CoMP)、 上下行 MIMO 扩展、中继（Relay）以及家庭基站（Home eNodeB）等关键技术， 以进一步提升网络性能，提高用户对于移动通信业务的体验，降低组网与运维成 本。 在现有的蜂窝移动通信系统（如 3G 系统）中，小区边缘与小区中心的数据 传输速率存在很大的差异，这将影响移动用户的业务体验，限制系统的吞吐量， 影响用户服务的公平性。作为下一代的宽带移动通信系统，LTE 及 LTE-Advanced 均将小区边缘性能作为评判系统性能的关键指标， 强调要提高小区边缘用户的吞 吐量。然而，除了自身链路质量较差以外，由于 LTE 系统采用频率复用因子为 1 的小区部署，小区边缘用户受到较严重的小区间干扰，从而导致其传输性能大幅 度降低。因此，提高小区边缘用户的传输性能是 LTE 以及 LTE-Advanced 系统亟 待解决的关键问题。1第一章 绪论1.2LTE 及 LTE-Advanced 系统概述LTE 的标准化工作主要分为研究阶段和工作阶段，其中研究阶段主要以研究的方式对 LTE 标准的可行性作出判断，并形成可行性技术报告（Technology Report，TR） 。根据 3GPP 在研究阶段形成的需求报告 TR 25.913，LTE 系统的主 要性能指标可以概括为以下几点： （1）频谱配置：支持成对（频分双工，FDD）或非成对（时分双工，TDD） 的频谱，灵活配置 1.4～20MHz 不同大小的带宽； （2）峰值速率：在 20MHz 的系统带宽下提供下行峰值速率 100Mbps（频谱 效率 5bps/Hz） 、上行峰值速率 50Mbps（频谱效率 2.5bps/Hz） ； （3）系统延迟：用户平面单向传输延迟小于 5ms，控制平面驻留状态到激 活状态的的延迟小于 100ms，5MHz 带宽下最少支持 200 个用户； （4）小区边缘性能：提高小区边缘的传输性能，改善小区边缘的服务质量； （5）移动性：为 0-15km/h 低速移动优化，15-120km/h 高速移动下实现高 性能，120-350km/h 下能够保持蜂窝网络的移动性； （6）覆盖度：吞吐量、频谱效率以及移动性指标在半径为 5km 以下的小区 内应全面满足， 在半径为 30km 的小区内性能可有所下降， 最大支持半径为 100km 的小区。 为了实现上述性能指标，在空中接口方面，LTE 采用全新的 OFDM、MIMO 以 及链路自适应等关键技术，以提高的数据传输速率，增加系统的吞吐量与覆盖范 围。鉴于 OFDM 具有较强的抗多径能力以及较高的频谱利用率等特性，LTE 采用 基于 OFDM 的多址方式，其中下行采用正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access， OFDMA） 上行采用单载波频分多址 ， （Single Carrier Frequency Division Multiple Access，SC-FDMA）以获得较低的峰均功率比 （ Peak-to Average Ratio，PAPR） 。同时，为了有效提高数据的传输速率，LTE 采用 MIMO 作为其关键技术，其中下行 MIMO 主要包括传输分集、空间复用以及波 束赋型等技术， 上行 MIMO 只支持传输天线选择和多用户 MIMO 技术以降低用户终 端实现的复杂度。此外，为了适应无线信道的时变特性，最大限度的利用无线信 道的传输能力，LTE 采用链路自适应作为其关键技术，主要包括自适应调制与编 码（Adaptive Modulation and Coding，AMC） 、功率控制以及混合自动重传请求 （Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ）等技术。 在网络构架方面， LTE 将无线网络控制器 （Radio Network Controller， RNC） 的功能分散到演进型 NodeB（evolved NodeB，eNodeB）和接入网关（access Gateway，aGW）中，从而将三层体系结构简化为两层扁平网络架构，以降低系统 延迟及网络运营成本。2第一章 绪论在 LTE 的标准化工作趋于完成之际，3GPP 于 2008 年启动了 LTE-Advanced 项目的研究工作，旨在成为第四代移动通信的候选技术。经过一系列的讨论， LTE-Advanced 系统的主要性能指标可以概括为以下几点： （1）平滑演进与强兼容：LTE-Advanced 需要支持 LTE 的全部功能，并支持 与 LTE 的前后向兼容性； （2）针对室内和热点游牧场景进行优化：室内、低速、热点将成为未来宽 带移动通信更重要的应用场景，LTE-Advanced 的工作重点应该放在对室内和热 点游牧场景进行优化； （3）支持新频段与大带宽应用：LTE-Advanced 系统的可用频段呈高低分化 趋势，通过多频段的紧密协作、优势互补，可有效满足 IMT-Advanced 在高容量 和广覆盖方面的双重需求；在系统带宽方面，LTE-Advanced 提出最大可支持 100MHz 的系统带宽； （4）峰值速率大幅提升与频谱效率有限改进：LTE-Advanced 提出在 100MHz 的系统带宽下提供下行峰值速率 1Gbps、上行峰值速率 500Mbps；在频谱效率方 面，提出在 LTE 系统原有的应用场景下，小区平均频谱效率提高 50%。 为了实现上述新的需求指标，在 LTE 系统已经使用 OFDM、MIMO 以及链路自 适应等先进技术的基础上，LTE-Advanced 引入了频谱聚合，上下行 MIMO 扩展， 协作多点传输与接收，中继以及家庭基站等新的关键技术，以进一步提升网络性 能，提高用户对于移动通信业务的体验，降低组网与运维成本。1.3LTE 小区边缘性能分析蜂窝移动通信系统利用信号功率随着传播距离的增大而减小的特性， 实现系统频率资源的复用。为了满足用户日益增长的吞吐量需求，提高系统的频率利用 率， 采用频率复用因子为 1 的小区部署， LTE 即相邻各小区使用相同的时频资源， 从而产生小区间干扰的问题。 根据信号的传输方向，小区间干扰分为上行干扰和下行干扰，其中上行干扰 是指基站接收到相邻小区用户的干扰信号，如图 1.1（a）所示，由于 LTE 系统 根据实际的信道质量等情况对用户的上行传输进行功率控制， 因此干扰大小由移 动用户的位置及其发射功率共同决定； 下行干扰是指用户接收到相邻基站的干扰 信号，如图 1.1（b）所示，由于 LTE 系统的下行数据传输不采用功率控制，因 此干扰大小由被干扰用户相对于干扰基站的位置决定。3第一章 绪论有用信号 干扰信号 UE 2 基站 1 UE1 基站 2（a）上行干扰有用信号 干扰信号 UE 2 基站 1 UE1 基站 2（b）下行干扰 图 1.1 小区间干扰示意图在 LTE 系统中，小区间干扰对于小区边缘用户的影响更大。在上行传输中， 小区边缘用户由于距离接入基站较远而采用较高的发射功率， 同时由于距离相邻 基站较近，对相邻小区用户产生的干扰较大；在下行传输中，小区边缘用户由于 距离相邻基站较近，受到相邻基站的干扰较大。除了受到较严重的小区间干扰， 由于自身链路质量较差，小区边缘用户的传输性能较差。以图 1.1（a）所示的 上行传输为例，用户 UE1、UE2 分别在相同的时频资源上向各自的基站 l、2 发送 信息，如果 UE1、UE2 距离较近（例如小区 l、2 的交界区域） ，并且两者的发送 功率以及信道响应相近，则 UE1、UE2 到达基站 l、2 的信号强度基本相同，从而 造成相互之间的强干扰，在某些特殊情况下，如果 UE2 到达基站 1 的信道响应要 好于 UE1，将会造成 UE1 的干扰信号大于有用信号的结果。 此外，LTE 系统基于部分更高的频带资源（如 2GHz） ，由于无线电波在高频 段传播时的路径损耗和穿透损耗较大，从而导致站间距（Inter-Site Distance， ISD）进一步减小。对于用户密集的城市区域和用户稀疏的乡村区域，LTE 分别 采用站间距为 500m 和 1732m 两种小区部署。对于较小的站间距，小区间干扰的 影响更加严重，如图 1.2 所示，对于站间距为 1732m 的小区部署，SINR 相比信 噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）小 5dB，而对于站间距为 500m 的小区部 署，SINR 相比 SNR 小 22dB。4第一章 绪论图 1.2不同站间距下 SINR 与 SNR 的比较由此可见，在 LTE 系统中，由于自身链路质量较差且受到较严重的小区间干 扰，小区边缘用户的传输性能较差，这不仅影响用户服务的公平性，限制系统的 吞吐量，而且导致移动用户在不同位置所得到的服务质量波动较大，影响用户对 于移动通信业务的体验。1.4小区边缘性能提升技术概述由 1.2 节的内容可知，LTE 及 LTE-Advanced 系统均将提高小区边缘的传输性能作为系统的需求指标。提高小区边缘用户的传输性能，一方面可以通过降低 或避免小区间干扰的影响，另一方面可以通过提高小区边缘用户自身的链路质 量。在目前各种主流的小区边缘性能的提升技术中，LTE 主要从小区间干扰的角 度出发， 通过采用小区间干扰协调技术降低或避免小区间干扰对于小区边缘用户 的影响，从而提高小区边缘用户的传输性能；LTE-Advanced 主要通过协作多点 传输与接收以及中继技术提高小区边缘用户的吞吐量， 同时涉及到小区间干扰与 用户自身链路质量两个方面。1.4.1小区间干扰协调技术小区间干扰协调（Inter-Cell Interference Coordination，ICIC）技术是 以相邻小区间相互协调的方式，对各小区内无线资源的使用进行某种限制，包括 对部分时频资源以及部分时频资源上的发射功率进行限制， 从而降低小区间干扰 的影响，提高小区边缘用户的传输性能。 与小区中心用户相比，小区边缘用户通常采用较高的传输功率，从而对相邻 小区产生的干扰较大， 因此对各小区内无线资源的使用限制主要是针对小区边缘 用户进行。目前主流的小区间干扰协调技术主要包括软频率复用技术、部分频率5第一章 绪论复用技术、部分功率控制技术以及协作空间资源调度技术。 1.4.1.1 软频率复用软频率复用（Soft Frequency Reuse，SFR）技术的原理如图 1.3 所示，即 相邻小区分别只能在相互正交的频带上以满功率的方式进行传输， 而在其余频带 上只能以降功率的方式进行传输。以小区 1 边缘的传输性能为例，由于小区 1 内的边缘用户能够以满功率的方式在频带 1 上进行传输， 而小区 2 和 3 内的边缘 用户只能以较低的功率在频带 1 上进行传输， 以降低对小区 1 内边缘用户的干扰， 从而为小区 1 内的边缘用户创造出一个优于平均信道性能的传输环境。Power Cell 1 Power Cell 2 Power Cell 3 3 1 2 Frequency 2 1 3 Frequency 1 2 3 Frequency图 1.3软频率复用原理图1.4.1.2部分频率复用部分频率复用（Fractional Frequency Reuse，FFR）技术的原理如图 1.4 所示，即单独划分部分子频带用于小区中心用户的等功率传输（频率复用因子为 1） ，其余子频带的功率分配可进一步分为部分功率隔离和全功率隔离两种方式。 在部分频率隔离中，如图 1.4（a）所示，相邻三个小区的边缘区域采用软频率 复用的方式，而在全功率隔离中，如图 1.4（b）所示，相邻三个小区的边缘区 域采用频率复用因子为 3 的方式。Power Cell 1 0 1 2 Power Cell 2 0 1 Power Cell 3 0 1 2 Frequency 2 3 Frequency 3 3 Frequency Cell 1 Power 0 1 Frequency 2 Frequency 3 FrequencyPower Cell 2 0Power Cell 3 0（a）边缘区域采用 SFR 图 1.4（b）边缘区域频率复用因子为 3 部分频率复用原理图6第一章 绪论上述两种方案通过对相邻小区内频率资源的使用进行某种程度的限制， 从而 降低小区间干扰对于小区边缘用户的影响，提高其传输性能。然而在降低小区间 干扰的同时，对频率资源的使用进行限制可能会影响系统中部分用户的传输性 能，若限制不当可能会抑制整个系统的性能。 1.4.1.3 部分功率控制对于单小区场景中的功率控制， 基站只需要根据用户反馈的信道信息调整其 发射功率，从而满足基站对于接收信号强度的要求。然而在多小区场景中，增加 某个用户的发射功率可能会增大对相邻各小区产生的干扰， 若系统中的每个小区 均提高各自用户的发射功率， 可能导致整个系统的吞吐量由于小区间干扰的增加 而降低。 为了避免这种情况的发生，LTE 上行传输采用部分功率控制的方法，一方面 对用户进行功率控制，以满足基站对于接收信号强度的要求，另一方面对用户发 射功率的增加幅度进行某种程度的限制， 以避免该用户对相邻小区造成较大的干 扰，从而优化系统的总吞吐量。 1.4.1.4 协作空间资源调度LTE-Advanced 将 LTE 系统中关于频率资源的协作调度扩展到空间域，从而 形成协作预编码和协作波束赋型两种小区间干扰协调技术。 协作预编码通过限制相邻小区边缘用户可用的空间域预编码矩阵以降低小 区间干扰。为了简化分析，考虑如图 1.5 所示的两个小区的场景，则小区 1 内用 户 UE1 的接收信号如式（1-1）所示：Y1 = H11w1s1 + H 21w2 s2 + n（1-1）其中 H i1 为小区 i 到 UE1 的信道增益，si 为小区 i 传输的数据，wi 为小区 i 使用的预 编码矩阵。其中 H 21w2 s2 为 UE1 受到小区 2 的下行干扰，则 UE1 的接收信号干扰 噪声比（Signal to Interference and Noise Ratio，SINR）如式（1-2）所示：SINR1 = H11w1 P 1 H 21w2 P2 + N2 2（1-2）其中 Pi 为小区 i 关于数据 si 的发射功率。 由式（1-2）可见，UE1 的接收 SINR 与小区 2 所使用的预编码矩阵 w2 有关， 因此为了降低小区间干扰对于 UE1 的影响， 小区 2 选择的预编码矩阵应尽量满足 UE1 对于下行接收 SINR 的最低要求，如式（1-3）所示：w2 = arg H11w1 P 1 H 21w P2 + N72 2 w∈Ω≥ SINR _ thd（1-3）第一章 绪论其中 Ω 为 LTE 系统所使用的预编码矩阵的集合。H11H21Cell 1UE1Cell 2图 1.5协作预编码原理图协作波束赋形通过相邻小区间协调以避免多个波束的主瓣方向指向同一边 缘用户，从而避免小区间干扰，如图 1.6 所示：图 1.6协作波束赋型原理图与频率资源的协作调度相比， 协作预编码与协作波束赋型技术能够在不降低 系统的频率利用率的前提下降低或避免小区间干扰， 因此适用于网络负载较高的 情况。然而，协作预编码与协作波束赋型技术需要相邻小区间根据协作用户的实 时信道信息进行协作调度， 因此移动用户信道特性的动态变化以及信道特性等信 息在相邻小区间交互的延时将导致协作的有效性降低。1.4.2多小区联合发射与接收LTE-Advanced 提出多小区联合发射与接收技术，通过多个相邻小区在相同8第一章 绪论的时频资源上对同一用户进行发射或接收， 能够将该用户的主要干扰信号转化为 有用信号，从而有效提高该用户的吞吐量。 以两个小区的联合发射为例，如图 1.5 所示，如果小区 1 和小区 2 分别服务 各自的用户，则小区 1 内用户 UE1 的接收 SINR 如式（1-2）所示，如果小区 1 与小区 2 形成传输集合， 即在相同的频率资源上同时对 UE1 传输相同的数据信息， 则 UE1 的接收 SINR 如式（1-4）所示：H w P + H 21w2 P2 SINR1 = 11 1 1 N2 2（1-4）由式（1-2）（1-4）可见，多小区联合发射将边缘用户的主要干扰信号转化 、 为有用信号，从而有效提高小区边缘用户的吞吐量。 然而，该方案要求多个小区在相同的时频资源上对同一个用户进行数据传 输，以较低的频率利用率为代价，换取小区边缘用户吞吐量的有效提高，因此适 用于网络负载较低的情况。此外，协作小区间需要交互大量的数据信息，导致网 络负载加重， 同时存在由于移动用户信道特性的动态变化以及信道特性等信息在 相邻小区间交互的延时而导致的协作有效性降低的问题。1.4.3中继技术在蜂窝移动通信系统中， 通过中继节点实现的蜂窝多跳技术以及协作分集技 术可以有效提高小区边缘用户的吞吐量，增加系统的覆盖范围。其中通过用户中 继实现的多跳链路以及协作分集链路存在稳定性差、 复杂度高以及安全性差等诸 多问题，实用性较弱。相反，固定中继已成为下一代宽带移动通信系统的关键技 术，如 LTE-Advanced 系统中的层 3 中继和层 2 中继。 1.4.3.1 蜂窝多跳技术在蜂窝移动通信系统中， 通过中继节点的转发作用可以将小区边缘用户与基 站间链路质量较差的高功率直接传输转化为链路质量较高的低功率多跳传输， 在 提高用户自身链路质量的同时降低小区间干扰，从而提高小区边缘用户的吞吐 量，增加系统的覆盖范围。9第一章 绪论有用信号 干扰信号Relay 1UE1eNBUE2 Relay 2 UE3 Relay 3 UE4 Relay 4图 1.7LTE-Advanced 层 3 中继系统示意图然而， 不同类型的固定中继在为系统带来性能增益的同时也导致一系列潜在 的问题。在 LTE-Advanced 系统中，作为独立小区的层 3 中继在为系统带来更高 吞吐量和更大覆盖范围的同时，也带来以下问题： （1）层 3 中继使用与基站相同的频率资源与接入中继的用户进行通信，导 致 LTE-Advanced 系统的干扰结构更加复杂。如图 1.7 所示，接入层 3 中继 1 的 用户 UE1 受到基站的下行干扰， 接入基站的用户 UE2 受到层 3 中继 2 的下行干扰， 以及接入层 3 中继 4 的用户 UE4 受到层 3 中继 3 的下行干扰。 （2）层 3 中继采用如图 1.8 所示的时分方式与基站以及接入中继的用户进 行通信，从而导致接入层 3 中继的用户的传输延时增加。基站到中继的传输 One subframe层3中继CtrlDataCtrlData中继到用户的传输图 1.8LTE-Advanced 层三中继的时分方式示意图（3）由于具有独立的物理小区 ID 和小区专用参考信号，层 3 中继形成自己 独立的小区，从而引入更多的移动切换问题； （4）由于发射功率较小，层 3 中继的覆盖范围较小，接入层 3 中继的用户 数量有限， 即使在每个小区的边缘部署多个层 3 中继仍无法完全解决小区边缘用 户传输性能较差的问题。10第一章 绪论1.4.3.2协作分集技术在蜂窝移动通信系统中， 通过中继节点的协作传输可以为小区边缘用户带来 分集增益，从而提高其传输性能。 传统的协作分集技术主要基于图 1.9（a）所示的 S-R-D 三点模型分析不同 协作机制所带来的分集增益。随着网络规模的不断增大，有限的频率资源日益成 为限制系统吞吐量的瓶颈，协作分集技术引入网络编码以提高系统的资源利用 率，增加系统的吞吐量，其中基于复数域网络编码 Complex Field Network Coding，CFNC）的协作分集技术的资源利用率最高。如图 1.9（b）所示，源节 点 S1、…、SN 在时隙 1 发送各自符号，目的节点 D 和中继节点 R 进行接收，其中 R 将来自 S1、…、SN 的符号进行复数域网络编码并在时隙 2 发送至 D，即复数域 网络编码的引入使得对 N 个源节点的协作分集只需要两个时隙来完成。时隙1 时隙2S1 S2θ1 x1时隙1 时隙2Rx ? Dθ 2 x2RSx? ? θ1 x1 + ... + θ N xNDSNθ N xN（a）传统的协作分集 图 1.9（b）基于 CFNC 的协作分集 协作分集技术与层 3 中继的独立控制方式不同，LTE-Advanced 系统中的层 2 中继主要以 解码转发的方式协助小区边缘用户进行数据传输， 其中利用层 2 中继实现的协作 分集技术可以为小区边缘用户带来分集增益，提高其传输性能。 然而，现有的协作分集技术对每个用户的协作均由 S-D 直接链路和 S-R-D 两跳链路组成，若将基于 CFNC 的协作分集技术直接用于 LTE-Advanced 系统，直 接分集链路的存在将导致更严重的小区间干扰，甚至降低系统的吞吐量。如图 1.10 所示，当小区边缘用户 S1、 S2 在时隙 1 的相同频率资源上进行 S-D 直接传 输时，相邻小区 2 内使用相同频率资源的用户 S3 受到的上行干扰将会加倍，从 而降低其传输性能。有用信号 干扰信号S1BS1RS1S2S3BS2图 1.10基于 CFNC 的协作分集导致的小区间干扰示意图11第一章 绪论1.5论文的研究思路及内容安排由本章前面的内容可知，作为下一代的宽带移动通信系统，LTE 以及LTE-Advanced 均将提高小区边缘的传输性能作为系统关键的需求指标，强调要 提高小区边缘用户的吞吐量。在目前各种主流的小区边缘性能的提升技术中，通 过中继节点实现的蜂窝多跳技术以及协作分集技术可以有效提高小区边缘用户 的吞吐量，增加系统的覆盖范围。与实用性较弱的用户中继不同，固定中继已成 为下一代宽带移动通信系统的关键技术，如 LTE-Advanced 系统中的层 3 中继和 层 2 中继。 然而， 不同类型的固定中继在为系统带来性能增益的同时也导致一系列潜在 的问题。在 LTE-Advanced 系统中，作为独立小区的层 3 中继在为系统带来更高 吞吐量和更大覆盖范围的同时，也带来更复杂的干扰结构、切换场景以及资源分 配等诸多问题。随着 WLAN 技术的迅速发展与广泛应用，目前大量移动终端在配 置有蜂窝移动通信模块的同时还配置有 WLAN 接口，而在 LTE 系统日益广泛的应 用过程中，配置有 LTE、WLAN 两种接口的双模终端将会陆续出现，这使得基于 LTE 与 WLAN 的新型中继网络成为可能。本文针对 LTE 三扇区系统提出一种新型 的基于 LTE/WLAN 的异构中继网路，用于提高小区边缘用户的吞吐量，增加系统 的覆盖范围。 与层 3 中继的独立控制方式不同， 2 中继主要以解码转发的方式协助小区 层 边缘用户进行数据传输， 其中利用层 2 中继实现的协作分集技术可以为小区边缘 用户带来分集增益，提高其传输性能。随着网络规模的不断增大，有限的频率资 源日益成为限制系统吞吐量的瓶颈， 协作分集技术引入网络编码以提高系统的资 源利用率，增加系统的吞吐量，其中基于复数域网络编码（CFNC）的协作分集技 术的资源利用率最高。然而由于直接分集链路的存在，若将现有的基于 CFNC 的 协作分集技术直接用于 LTE-Advanced 系统，将导致更加严重的小区间干扰，甚 至降低系统的吞吐量。本文针对 LTE-Advanced 层 2 中继系统提出一种基于 CFNC 的两跳协作分集技术，用于提高小区边缘用户的上行传输性能。通过将两跳传输 与 CFNC 相结合，使协作分集技术在保持较低的小区间干扰以及较高的资源利用 率的基础上，提高小区边缘用户的传输性能。 本论文后续章节的内容安排如下： 第二章介绍 LTE、LTE-Advanced 系统以及 WLAN 网络的相关技术；第三章针 对 LTE 三扇区系统提出一种新型的基于 LTE/WLAN 的异构中继网络，主要对该网 络的架构以及相关工作原理进行研究；第四章对基于 LTE/WLAN 的异构中继网络 的性能进行理论分析、相关算法研究以及仿真评估；第五章针对 LTE-Advanced 层 2 中继系统提出一种基于复数域网络编码的两跳协作分集技术， 并对其性能进12第一章 绪论行理论分析与仿真评估；第六章总结全文所做的研究工作，并对后续的研究工作 进行展望。13第二章 相关技术第二章相关技术2.1 LTE 及 LTE-Advanced 系统介绍LTE 是 3GPP 在十几年 B3G（Beyond 3G）研究的技术储备的基础上研发的准 4G 技术。在空中接口方面，LTE 采用基于 OFDM 的多址方式代替 3GPP 长期使用的 码分多址（CDMA）方式，并采用多输入多输出（MIMO）以及链路自适应（LA）等 关键技术，以提高数据的传输速率，增加系统的吞吐量与覆盖范围；在网络架构 方面，LTE 取消了 UMTS 标准长期采用的无线网络控制器（RNC）节点，代之以全 新的两层扁平结构，以降低系统延迟及网络运营成本。与第 3 代移动通信系统相 比，LTE 在物理层的传输技术、空中接口协议结构层以及网络结构等方面都发生 了革命性的变化，因此，与其说是 3G 技术的演进，不如说是 3G 技术的革命。 在 LTE 的标准化工作趋于完成之际，3GPP 又开始了 LTE 的后续演进 （LTE-Advanced）项目，旨在成为第四代移动通信的候选技术。在从 LTE 平滑过 渡的基础上， LTE-Advanced 引入了载波聚合、 协作多点传输与接收、 上下行 MIMO 扩展、中继以及家庭基站等关键技术，以进一步提升网络性能，提高用户对于移 动通信业务的体验，降低组网与运维成本。2.1.1LTE 需求指标3GPP 于 2004 年 11 月正式开始致力于 LTE 的标准化工作，其研究工作基本 可分为研究阶段和工作阶段， 其中研究阶段主要以研究的方式确定 LTE 的基本框 架和关键技术选择，对 LTE 标准的可行性作出判断。经过 1 年 10 个月的研究， 3GPP 在研究阶段形成的需求报告 TR 25.913 给出了 LTE 在接入层与接入网方面 的七个主要性能指标： （1）能力：峰值速率与延迟要求 在峰值速率方面， 要求在更宽的频带资源内提供更高的峰值速率。 FDD LTE 以 系统为例，系统带宽为 20MHz 时，终端下行为 2 根接收天线，上行为 1 根发射天 线（两收一发）时，提供下行峰值速率 100Mbps，上行峰值速率 50Mbps。 延迟要求包括控制平面和用户平面。对于控制平面，LTE 要求更小的延迟以 及容纳更多的用户，主要包括从空闲状态转换到激活状态的延迟要小于 100ms， 从寻呼状态转换到激活状态的延迟要小于 50ms，对于 5MHz 的系统带宽，要求处 于激活状态的用户数不低于 200， 而寻呼和空闲状态的用户更多。 对于用户平面， 在轻负载的情况下，用户平面的延迟要小于 5ms。14第二章 相关技术（2）系统性能：吞吐量、移动性、覆盖范围和多媒体广播多播业务的支持 与峰值速率和峰值频谱效率相比， 更有意义的系统性能指标是小区平均频谱 效率和小区边缘频谱效率。与两收一发的 HSPA（High Speed Packet Access， 3GPP 的 R6 版本）相比，系统的平均吞吐量和小区边缘用户（CDF 5%用户）的吞 吐量要求如表 2.1 所示。表 2.1 性能 用户平均吞吐量 边缘用户吞吐量 频谱利用率（bps/Hz/cell） LTE 用户吞吐量指标 上行（与 HSUPA 相比） 2-3 倍 2-3 倍 2-3 倍下行（与 HSDPA 相比） 3-4 倍 2-3 倍 3-4 倍移动性支持是指系统对终端移动速度的支持程度。LTE 要求终端的移动速度 为 0-15km/h 时， 系统提供极限性能； 15-120km/h 时， 系统提供较高的数据速率； 超过 120km/h 时，系统仍能保证用户的连接性，最大支持 350km/h 的移动速度。 在覆盖范围方面，LTE 要求半径为 5km 的小区达到系统的极限性能；半径为 30km 的小区系统性能有所降低；最大支持半径为 100km 的小区。 在多媒体广播多播业务（Multimedia Broadcast Multicast Service，MBMS） 方面，LTE 要求支持比 HDSPA(High Speed Downlink Packet Access)更高性能的 MBMS 业务。其中广播的频谱效率在 1bps/Hz，5MHz 的系统带宽可以支持 16 个速 率为 300kbps 的移动电视频道；支持在单载波上提供 MBMS 服务；MBMS 业务可以 与语音和数据业务同时工作。 （3）部署运营：运营部署环境、频谱分配及扩展性、与 3G 的共存问题 LTE 可以单独部署， 也可与 3G 等其它系统共存。 的频谱范围在 IMT-2000 LTE 规定的范围内，可以工作在频分双工（FDD）模式（使用成对的频率）和时分双 工 （TDD） （使用不成对的频率） LTE 支持可变的频段， 模式 ； 包括 l.25MHz、 1.6MHz、 2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz 和 20MHz；LTE 的工作频带具有可扩展性，可以随 着业务的需求扩大与缩小。LTE 还要求能够与现有的 GSM、WCDMA、TD-SCDMA 等 系统进行切换，支持各种无线接入技术（Radio Access Technology，RAT）间的 互操作。 （4）体系构架与升级过渡 LTE 要求支持单一的体系架构，以包交换为主，提供端到端的 QoS 服务，并 尽量减少各模块间的接口以及接口间的延迟；支持增强的 IP 多媒体子系统（IP Multimedia Subsystem，IMS）以及核心网。在性能改进与后向兼容之间平衡的 基础上追求后向兼容，取消电路交换域（Circuit Switch，CS） ，而 CS 域的业务 通过 VoIP 等方式在包交换域（Packet Switch，PS）中实现。15第二章 相关技术（5）无线资源管理 LTE 要求确保不同业务的端到端 QoS 服务；支持高层协议的有效传输，如上 层 IP 协议到空中接口的头压缩；支持不同接入系统间的负载均衡和资源管理， 如 GSM、HSPA 等系统间的负载均衡和切换优化。 （6）复杂度 LTE 要求降低系统以及终端的复杂度，系统方面主要考虑减少不必要的选 项，减少协议状态和不必要的过程等。终端的复杂度及成本主要从终端的尺寸大 小、重量、电池寿命等方面考虑，并且考虑多模终端。 （7）部署运营成本和服务要求 在部署运营方面，LTE 要求尽可能运用已部署的网络，降低建网成本；空中 接口部分支持不同设备的互操作； 支持更有效的后台维护管理。 在服务方面， LTE 要求系统能同时支持网页浏览、 视频流、 VoIP、 文件传输 FTP 及其它数据流服务。2.1.2LTE 架构及关键技术为了实现 LTE 系统的各种需求指标，在网络构架方面，LTE 将原有的无线网 络控制器（RNC）的功能分散到演进型 NodeB（evolved NodeB，eNodeB）和接入 网关（access Gateway,aGW)中，将原有的三层体系结构转变为两层扁平网络架 构，以降低系统的传输延迟与控制延迟，降低组网与运营成本。MME/SGW EPC S1 EPSX2MME/SGWEUTRAN eNBX2eNB X2eNB图 2.1LTE 系统的网络架构如图 2.1 所示，LTE 系统的总体架构由演进型分组核心网（Evolved Packet Core Network，EPC）和演进型接入网（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network，E-UTRAN）构成，其中 EPC 由移动性管理实体（Mobility Management Entity，MME）和服务网关（Serving Gateway，SGW）组成，E-UTRAN 由演进型节点（eNodeB）组成。在 E-UTRAN 内，eNodeB 提供用户到接入层控制 平面和用户平面的协议终止点，而 eNodeB 之间则通过 X2 逻辑接口进行连接。16第二章 相关技术在 E-UTRAN 到 EPC 之间，每个 eNodeB 通过 S1 逻辑接口与 EPC 相连，其用户平面 终止于 SGW，控制平面终止于 MME。 在空中接口方面，LTE 采用全新的 OFDM、MIMO 以及链路自适应等关键技术， 以提高数据的传输速率，增加系统的吞吐量与覆盖范围。 （1）OFDM OFDM 作为一种多载波调制（Multi-Carrier Modulation，MCM）技术，通过 将高速数据流串并变换为多路（假设为 N 路）低速子数据流并分别调制 N 路子载 波，实现数据的并行传输，使符号周期扩大为原来的 N 倍，从而具有较强的抗多 径衰落能力。与其他多载波传输技术不同，OFDM 在要求子载波间相互正交的前 提下，允许子载波间频谱相互重叠，因而具有更高的频率利用率。进一步，在 OFDM 符号前加入循环前缀（Cyclic Prefix，CP） ，并使 CP 大于无线信道的时延 扩展则可以完全消除符号间的干扰，还可以避免由多径导致的子载波间的干扰。 CP 的长度决定了 OFDM 的抗多径能力和覆盖能力，长 CP 有利于克服多径干扰、 支持大范围覆盖，但系统开销也会相应增加，导致数据传输能力下降，为此 LTE 采用长、短两套循环前缀的方案，根据具体场景进行选择：短 CP 方案为基本选 项，长 CP 方案用于支持 LTE 大范围的小区覆盖和多小区广播业务等。 以 OFDM 技术为基础，LTE 下行采用 OFDMA 的多址方式，根据每个用户的带 宽需求和信道状况，分配不同的子载波，然后以 OFDM 的方式将多个用户的频域 信号以一个 OFDM 时域符号的形式发送出去。 由于多路信号在频域上的并行传输， 叠加后形成的时域信号具有较大的动态范围，即峰均功率比（PAPR） ，因此，在 上行方向上，考虑到终端设备在成本、功耗以及尺寸等方面的限制，LTE 最终决 定采用峰均功率比较低的单载波频分多址（SC-FDMA）作为上行多址方式。 （2）MIMO 为了满足 LTE 在高数据速率和高系统吞吐量方面的需求， 系统采用 MIMO LTE 作为其关键技术。目前 LTE 已经确定的下行 MIMO 的基本天线配置是 2x2，最大 支持 4x4 的高阶配置。LTE 系统的下行 MIMO 技术主要包括传输分集（空时编码、 循环延时分集、天线切换分集） 、空间复用（开环空间复用、预编码技术） 、波束 赋型技术以及多用户 MIMO 技术。其中传输分集与波束赋型技术适用于信噪比较 低的情况，如小区边缘用户，可以有效提高接收信噪比，从而增加数据的传输速 率和系统的覆盖范围；而空间复用技术适用于信噪比较高的情况，可以进一步提 高数据的传输速率。 与下行 MIMO 相比， 鉴于用户终端实现的复杂度等问题， 系统的上行 MIMO LTE 技术只支持传输天线选择和多用户 MIMO。与下行多用户 MIMO 不同，上行多用户 MIMO 中的每个用户只发送一个数据流，多个数据流占用相同的时频资源，形成17第二章 相关技术一个虚拟 MIMO 系统。目前 LTE 已经确定的上行 MIMO 的基本天线配置为 1x2。 （3）链路自适应 为了适应无线信道的时变特性， 在有限的带宽上最大限度的提高数据的传输 速率和频谱利用率，LTE 采用链路自适应技术作为其关键技术。链路自适应技术 的基本原理是指系统根据当前获取的信道信息，自适应的调整系统的传输参数， 用于克服或适应当前信道变化带来的影响， 从而实现系统对于无线信道传输能力 的最大化利用。 目前 LTE 采用的链路自适应技术主要包括自适应调制与编码（AMC）技术、 混合自动重传请求（HARQ）技术以及功率控制技术等。其中 AMC 技术是指系统根 据无线信道的变化，动态调整链路传输所采用的调制与编码方式（Modulation and Coding Scheme，MCS） ，最大程度的利用无线信道的传输能力，目前 LTE 规 定了 15 种调制与编码的组合方案。 HARQ 技术是指通过调整数据传输的冗余信息， 从而在接收端获得重传/合并增益，实现对信道小动态范围内的、精确的、快速 的自适应。LTE 主要采用增量冗余（Incremental Redundancy,IR）的 HARQ 技术， 即通过第一次传输发送信息比特和一部分冗余比特， 而通过重传发送额外的冗余 比特，从而实现更高的解码成功率。LTE 下行采用自适应的异步 HARQ 方式，上 行采用非自适应的同步 HARQ 方式，两者的区别在于每次重传的所采用的系统资 源以及每个 HARQ 进程的时域位置是否可变。功率控制技术是指系统根据无线信 道的变化动态调整发射功率，以满足接收信噪比的要求。LTE 下行物理共享信道 （PDSCH）不采用功率控制，而上行功率控制方案在满足系统对于接收信号强度 要求的同时还需要考虑小区间干扰的影响。2.1.3LTE-Advanced 关键技术2.2 WLAN 网络介绍WLAN（Wireless Local Area Network，无线局域网）是近年来发展迅速的 一种无线接入技术，作为计算机网络与无线通信结合的产物，它通过无线电波作 为传输媒介实现计算机之间的通信。由于具有便于部署、易于扩展、数据传输速 率较高以及成本较低等诸多优势，WLAN 市场得到了大规模的发展。目前，从家 庭娱乐终端、移动便携设备到手机终端，WLAN 的应用无处不在，据统计，2008 年全球销售了 3 亿 8 千多万颗 WLAN 芯片，较 2007 年增长了 26%。 WLAN 产业的蓬勃发展与 WLAN 技术标准的不断完善形成了良好的互动。WLAN 技术标准主要由 IEEE 802.11 工作组负责制定，第一个 IEEE 802.11 协议标准诞18第二章 相关技术生于 1997 年并于 1999 年完成修订。随着用户对于吞吐量需求的不断增加，以及 WLAN 早期协议暴露的安全等方面的问题，IEEE 802.11 工作组随后又陆续推出了 802.11a、802.11b、802.11g、802.11e、802.11n 等大量标准。2.2.1WLAN 协议标准（1）IEEE 802.11 1997 年 IEEE 发布第一个 WLAN 标准--IEEE 802.11，该标准定义了物理层与 媒体接入控制（Media Access Control，MAC）层的技术规范，与其他标准体系 不同，802.11 在统一的 MAC 层下，根据无线传输方式的不同规范了不同的物理 层，以适应未来技术发展的需求。如图 2.2 所示，802.11 规定了三种物理层介 质，分别是直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS） 、跳频扩 频（Frequency Hopping Spread Spectrum，FHSS）和红外线传输，根据调制方 式的不同，802.11 支持 1、2Mbps 两种传输速率。MAC 层主要引入了带冲突避免 的 载 波 侦 听 多 址 接 入 （ Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance， CSMA /CA） 协议和请求发送/允许发送 （Ready To Send/Clear To Send， RTS/CTS） 协议等。 这些技术和协议都是后续标准的基础, 尤其是 DSSS、 CSMA/CA 和 RTS/CTS。MAC 子层 802.11 红外线 图 2.2 802.11 FHSS 802.11 DSSSIEEE 802.11 标准规范内容（2）IEEE 802.11b 由于 802.11 在传输速率和传输距离上都不能满足人们的需求， 1999 年 IEEE 推出了 802.11b 标准，对 802.11 标准进行了修改和补充，其中最重要的改进是 在 802.11 的基础上增加了 5.5Mbps 和 11Mbps 两种更高的传输速率。802.11b 工 作 2.4GHz 频段，采用 DSSS 和补码键控（CCK）技术，数据传输速率根据实际情 况在 11Mbps、5.5Mbps、2Mbps 以及 1Mbps 之间自动切换，且在 2Mbps 和 1Mbps 速率时与 802.11 相互兼容，得到了广泛的应用。 （3）IEEE 802.11a 尽管 802.11b 的数据传输速率已达到 11Mbps，但仍不能满足用户对于多媒 体数据传输的需求，同年 IEEE 又推出了 802.11a 标准。802.11a 工作在 5GHz 的频段，采用了全新的 OFDM 调制技术，最高支持 54Mbps 的数据传输速率。然而 802.11a 与 802.11b 标准无法实现兼容， 并且 802.11a 标准的芯片由于价格昂贵，19第二章 相关技术空中接力能力较差，点对点连接不经济，不适用于小型设备，其应用受到了一定 程度的限制。 （4）IEEE 802.11g 为了解决 802.11a 与 802.11b 之间由于工作频段与调制方式等不同而互不兼 容的问题， 进一步推动无线局域网的发展， IEEE 于 2003 年推出了 802.11g 标准。 它建构在既有的 802.11b 的物理层与 MAC 层标准基础上，工作在 2.4GHz 频段， 采用 OFDM 和 CCK 技术，最高传输速率可达 54Mbps。由于 802.11g 提供了高速的 数据传输速率，并且以较低的成本实现了对原有标准的兼容，从而得到了快速的 发展，2006 年成为 WLAN 市场的主流。 （5）IEEE 802.11n 随着用户需求的变化和新技术的不断发展，2009 年 IEEE 正式批准通过 802.11n 成为正式标准。 802.11n 采用了多种先进技术， 在物理层方面， 采用 OFAM 调制方式和 MIMO 技术， 使传输速率增加至 108Mbps 以上， 最高速率可达 600Mbps， 智能天线技术使无线局域网的传输距离大大增加，独特的双频带工作模式包括 2.4GHz 和 5GHz 两个工作频段， 保障了与以往 802.11a/b/g 等标准的兼容。 MAC 在 层方面，802.11n 进一步优化了数据帧结构，提高了网络吞吐量。2009 年 6 月之 后的笔记本基本都支持 802.11n 标准。2.2.2WLAN 组成与拓扑结构WLAN 主要由无线站点（STAtion，STA）和无线接入点（Access Point，AP） 等组成，其中无线 STA 是指配置有无线网卡的终端设备，而无线 AP 类似于蜂窝 网络中的基站，主要负责为无线 STA 之间的通信提供帧转发等功能。 WLAN 的基本拓扑结构包括 Ad Hoc 网络和基础设施网络两种： （1）Ad Hoc 网络 Ad Hoc 网络是由一组无线 STA 通过无线传输媒介组成的网络，由于在彼此 的无线信号覆盖范围内，无线 STA 之间能够进行直接通信，如图 2.3 所示。在 Ad Hoc 网络中，各无线 STA 通过非集中式的 MAC 协议竞争同一无线信道，当节 点过多时，信道竞争成为限制网络性能的关键问题，因此适合于小规模的网络。20第二章 相关技术BSS/IBSSSTASTASTA STA图 2.3Ad Hoc 网络在 WLAN 网络中，一个不包含无线 AP 的无线 STA 集合或者是与一个无线 AP 相关联的一个无线 STA 组被称为基本业务群（Basic Service Set，BSS） ，可见 Ad Hoc 网络属于前一种情况，也被称为独立基本业务群（Independent Basic Service Set，IBSS） 。 （2）基础设施网络 最简单的基础设施网络是由一个无线 AP 及一组与无线 AP 相关联的无线 STA 组成的以该无线 AP 为中心的 BSS。 在基础设施网络中，无线 STA 之间不能直接通信，必须在无线 AP 的协调下 接入到无线信道，对网络进行访问，如图 2.4 中的 BSS1 和 BSS2 所示。由于每个 无线 STA 只需要在无线 AP 的覆盖范围内即可与其他的无线 STA 进行通信，所以 网络布局受环境限制相对较小。 更大的基础设施网络是由多个以无线 AP 为中心的 BSS 通过分布式系统 （Distribution System， 互连组成的， DS） 也称为扩展业务群 （Extended Service Set，ESS） ，其中 DS 可以是一个交换机，一个有线网络或者一个无线网络，而无 线 STA 可以在 ESS 内移动漫游，如图 2.4 所示：DSAP1 AP2STA1 BSS1STASTA BSS2 ESSSTA2图 2.4基础设施网络21第二章 相关技术2.2.3WLAN 信道特性与网络部署早期的大部分传播模型都是基于室外无线信道的，随着 WLAN 技术的应用和 发展，对室内无线信道特性的研究越来越多。 （1）室外信道特性 室外部署 WLAN 用于服务室外以及室内用户，通常采用自由空间传播模型， 自由空间场景下的接收信号功率如式（2-1）所示：Pre =2 Ptr ? Gt ? Gr ? ht2 ? hr(dα ? λ)（2-1）其中 Ptr 、 Pre 分别为发射功率和接收功率， Gt 、 Gr 与 ht 、 hr 分别发射天线和接收α 天线的增益与高度，d 为发射天线与接收天线间的距离， 为路径损耗因子，λ 为电磁波波长。 在不考虑干扰和噪声的前提下， 当传输速率为 R 的帧到达接收端的功率大于 其对应的接收灵敏度 Psensitivity ( R ) 时，接收端才能正确接收该数据帧，如式（2-2） 所示：P ( R) Pre ( R ) = tr α ? C ≥ Psensitivity ( R ) d（2-2）其中 C = Gt ? Gr ? ht2 ? hr2 λ 。表 2.2 为 Freescale LPb/g 无线网卡所支持 的各种传输速率所对应的接收灵敏度：表 2.2 802.11g Rate(Mbps) 6 9 12 18 Sensitivity (dBm) -91 -89.7 -87.3 -85.8 传输速率及其接收灵敏度 Sensitivity (dBm) -81.4 -78.4 -74.8 -73 802.11b Rate(Mbps) 1 2 5.5 11 Sensitivity (dBm) -97.1 -93.6 -92.2 -89.5802.11g Rate(Mbps) 24 36 48 54最大发射功率 Pmax 是指 WLAN 标准所支持的最低传输速率 Rmin （如 IEEE 802.11b 所支持的 1Mbps）要实现传输距离 d 所需的发射功率，如式（2-3）所示:Pmax ≥Psensitivity ( Rmin ) ? d αC（2-3）在计算出发射功率 Pmax 后保持固定不变， 根据最低传输速率 Rmin 的接收灵敏度及 其传输距离，以及表 2.2 所示的各种传输速率所对应的接收灵敏度，可以求得其 他各种传输速率 Ri 所对应的传输距离 di ，如式（2-4）所示：22第二章 相关技术? P ? sensitivity Ri ? ? Psensitivity Rmin ?(( ))α ? ? ? × d min ? ?= di（2-4）以 IEEE 802.11b 为例，若要实现最低传输速率 1Mbps 所达到的传输距离为 200m，根据公式（2-4）可得到其他各种传输速率所对应的最大传输距离，如表 2.3 所示，其中路径损耗因子取值为 α = 3 。表 2.3 IEEE 802.11b 各种传输速率及其传输距离 Sensitivity (dBm) -97.1 -93.6 -92.2 -89.5 Range(m) 200 152 137 111802.11b Rate(Mbps) 1 2 5.5 11（2）室内信道特性 在室内环境中，电磁信号的传播受到建筑物的布局、建筑物材料和建筑物的 类型以及各种干扰等因素的影响，通常采用衰减因子模型作为室内无线传播模 型，它包含了建筑物类型的影响以及阻挡物引起的变化。衰减因子模型的表达式 如（2-5）所示：? d ? L ( d ) = L ( d0 ) + 10 ? γ SF ? lg ? ? + α ? d + FAF ?d ? ? 0?（2-5）其中 d0 为参考距离，一般取经验值 1m，d 为发射机与接收机之间的距离，α 为信道衰减指数，典型办公环境中 α 取值为 0.2， γ SF 为同一建筑楼层测试的路 径损耗指数，对于不同类型的覆盖区域中 γ SF 有所不同，如表 2.4 所示：表 2.4 不同类型覆盖区域的路径损耗指数 开阔区域 2.5 半封闭区域 3 全封闭区域 3.5 覆盖区域类型γ SFFAF （Floor Attenuation Factor）为附加楼层衰减因子，在遇到障碍物时，可根据障碍物的类型折算相应的损耗，典型障碍物的 FAF 如表 2.5 所示：表 2.5 典型障碍物的附加楼层衰减因子 玻璃 2～3 砖墙 8～10 钢筋混凝土 15～18 金属、隔音墙 &25衰减因子模型的误差比较大，常用于覆盖估计，工程中也常用实际模拟测试 修正衰减因子。对于室内环境中的传播损耗预测，可以采用经验公式法，即通过23第二章 相关技术多组实际测试数据对上述理论传播模型进行校正， 获得接近室内实际使用环境下 的 WLAN 无线信号传播模型。 在 WLAN 的网络部署方面，为了避免信道间的干扰，同一区域内无线 AP 的工 作信道不能相互重叠。以 IEEE 802.11b 为例，2.4～2.4835GHz 的工作频段被划 分为 14 个信道，每个信道的带宽为 22MHz，邻近的信道间相互重叠。其中频率 范围为 2.401～2.473GHz 的前 11 个信道，最多只有 3 个信道相互间完全没有重 叠，分别是 1、6、11 三个信道，如图 2.5 所示：图 2.5IEEE 802.11 正交信道WLAN 的网络部署包括面向覆盖和面向容量两种方案，分别如图 2.6（a）、 （b）所示，前者的部署目标是用最少的无线 AP 提供最大的覆盖范围，而后者的 部署目标则是为每个用户提供尽可能大的吞吐量， 可以根据实际应用的需求选择 相应的网络部署方案。（a）面向覆盖 图 2.6 WLAN 网络部署类型（b）面向吞吐量WLAN 的室外网络部署用于服务室外以及室内用户，传统的 WLAN 室外覆盖的 解决方案通常采用无线 AP 与定向天线的方式对视距范围内的空旷区域实现覆 盖。 该方案的特点是部署简单， 成本较低， 但以信号覆盖为主， 系统吞吐量较小， 且通过室外覆盖室内用户时，实现室内的深度覆盖难度较大。 新型的 WLAN 室外覆盖的解决方案包括两种结构： 无线 AP 与智能天线或高增 益天线，无线 AP 与智能天线或高增益天线以及中继设备。新方案与传统方案的 主要区别在于新方案采用了智能天线或高增益天线，可以克服更大的路径损耗。 这两种新方案都是在建筑物顶部/已有移动通信塔桅上架设 WLAN 基站，用无线24第二章 相关技术AP 和智能天线或高增益天线对目标区域进行覆盖，区别仅在于是否在室内部署 中继设备，以实现对室内的深度覆盖。2.3本章小结本章主要介绍了 LTE 及 LTE-Advanced 系统的需求指标及关键技术， 其中 LTE及 LTE-Advanced 均将提高小区边缘用户的传输性能作为系统关键的需求指标。 同时，为了对基于 LTE/WLAN 的异构中继网络进行研究，本章还介绍了 WLAN 的协 议标准、网络组成与拓扑结构，并重点介绍了 WLAN 的室内外信道特性及其网络 部署。25第三章 基于 LTE/WLAN 的异构中继网络第三章基于 LTE/WLAN 的异构中继网络3.1引言由第一章的内容可知，LTE 系统的小区边缘用户的传输性能较差，这将影响移动用户的业务体验，限制系统的吞吐量，影响用户服务的公平性。在目前各种 主流的小区边缘性能的提升技术中， 通过中继节点实现的蜂窝多跳技术可以有效 提高小区边缘用户的吞吐量，增加系统的覆盖范围。与实用性较弱的用户中继不 同，固定中继已成为下一代宽带移动通信系统的关键技术。 然而不同类型的固定中继在为系统带来性能增益的同时也带来一系列潜在 的问题，其中 LTE-Advanced 系统中的层 3 中继在为系统带来更高吞吐量与更大 覆盖范围的同时， 也带来更复杂的干扰结构、 切换场景以及资源分配等诸多问题。 随着 WLAN 技术的迅速发展与广泛应用，目前出现的大量移动终端尤其是智 能终端，在配置有蜂窝移动通信接口的基础上还配置有 WLAN 接口，而在 LTE 日 益广泛的应用过程中，配置有 LTE、WLAN 两种接口的双模终端将会陆续出现，这 使得基于 LTE 与 WLAN 的新型中继网络成为可能。 本章 LTE 三扇区系统提出一种新型的基于 LTE/WLAN 的异构中继网路，并对 该网络的架构以及相关的工作原理进行研究。3.23.2.1LTE/WLAN 异构中继网络架构LTE 三扇区覆盖模型根据 3GPP 关于 LTE 射频场景的技术报告 TR 36.942 可知，LTE 系统的小区 布局呈正六边形网格状，如图 3.1 所示，每个基站的覆盖范围由三个方向天线形 成的三个扇区组成，若定义扇区的覆盖半径为 R，则站间距为 3R。由于每个扇区 具有各自独立的物理小区 ID 和小区专用参考信号，因此也称为小区。 与全向天线相比，通过三个方向天线将基站的覆盖范围划分为三个小区，可 以限制小区间的干扰区域，从而降低相邻基站间的干扰。同时，设置系统频率资 源在扇区间的复用因子为 1，可以有效提高 LTE 系统的频率利用率，增加系统的 吞吐量。26第三章 基于 LTE/WLAN 的异构中继网络Cell radius RCell range 2RInter-site distance 3R图 3.1LTE 系统的小区布局然而在图 3.1 所示的 LTE 三扇区系统中， 时频资源在相邻扇区间的完全复用 导致扇区边缘用户受到较严重的小区间干扰，同时由于自身链路质量较差，扇区 边缘用户的传输性能相比扇区中心用户较差，具体分析如下： 在 LTE 三扇区系统的下行传输中，定义每个扇区天线的发射功率为 Pt ，每个 扇区内的可用子载波数为 N sub ，子载波带宽为 Wsub ，业务模型采用 Full Buffer 即所有用户始终有下行数据需要传输， 假设每个扇区天线的发射功率 Pt 在 N sub 个 子载波间平均分配，则对于系统中心扇区内的某点 i ( di ,θi ) ，其在单个子载波上的 下行接收 SINR 如式（3-1）所示：P N + L ( di ) + A (θi ) SINRi = t ∞ sub I + N ?W ∑j =1 i ? j（3-1）0sub其中 Ii ? j 为相邻扇区 j 对中心扇区内点 i 所产生的下行干扰， L ( di ) 、 A (θi ) 分别为 点 i ( di ,θi ) 与扇区发射天线间的路径损耗和天线增益。根据 3GPP TR 36.942 提供 的仿真参数，LTE 三扇区系统的下行接收 SINR 分布如图 3.2 所示：图 3.2LTE 三扇区系统的下行接收 SINR 分布图27第三章 基于 LTE/WLAN 的异构中继网络由图 3.2 可见，在 LTE 系统的每个扇区内，下行接收 SINR 值由扇区中心区 域（扇区天线附近）向扇区边缘区域逐渐降低。为了便于新型中继网络架构的研 究，将图 3.2 所示的 LTE 三扇区系统的下行接收 SINR 分布特性进行简化得到如 图 3.3 所示的覆盖模型：D/3 D d图 3.3LTE 三扇区系统的简化覆盖模型如图 3.3 所示， 系统各扇区的覆盖范围呈图 3.1 所示的正六边形网格状， LTE 定义站间距为 D ，则各扇区的覆盖均为边长为 D 3 的正六边形。在此基础上，将 图 3.2 所示的每个扇区内靠近扇区天线的下行接收 SINR 值较高的中心区域简化 为边长为 d ( d & D 3) 的正六边形（如图中的阴影区域所示） 。而每个扇区内阴影区 域以外的部分即为扇区的边缘区域，具有相对较低的下行接收 SINR 值。对于相 同的带宽，位于边缘区域的用户其传输速率相对较低，这不仅影响用户服务的公 平性，限制整个 LTE 系统的吞吐量，而且导致移动用户在不同位置所得到的服务 质量波动较大，影响用户对于移动通信业务的体验。3.2.2LTE/WLAN 异构中继网络覆盖模型为了提高 LTE 三扇区系统中各扇区边缘用户的吞吐量，将配置有 LTE、WLAN 两种接口的双模中继部署于每个扇区的边缘区域， 用于扇区边缘用户进行两跳传 输，如图 3.4 所示。 假设系统中的用户终端在配置有 LTE 接口的同时均配置有 WLAN 接口（即 LTE/WLAN 双模终端） ，则位于各扇区边缘区域的 LTE 直传链路质量较差的用户可 以通过其 WLAN 接口接入双模中继， 而双模中继通过其 LTE 接口与基站进行通信，28第三章 基于 LTE/WLAN 的异构中继网络用于转发相应边缘用户的数据，从而实现扇区边缘用户的两跳数据传输。LTE接口WLAN 接口双模中继图 3.4LTE/WLAN 异构中继网络示意图以下行两跳数据传输为例，如图 3.4 所示，基站将来自网络侧的某边缘用户 的数据通过 LTE 接口发送至双模中继，再由双模中继通过其 WLAN 接口发送至相 应的用户，从而实现小区边缘用户与基站间的两跳数据传输。 上述双模中继在其 WLAN 接口的覆盖模型如图 3.5 所示，双模中继在其 WLAN 接口采用全向天线进行覆盖，WLAN 接口相应标准支持的最低传输速率所对应的 传输距离即为双模中继在其 WLAN 接口的传输半径（如 IEEE 802.11b 中 1Mbps 的传输距离）定义双模中继在其 WLAN 接口的传输半径为 r ， 。 则双模中继在其 WLAN 接口的干扰半径为 2r ，为了避免相邻双模中继在其 WLAN 接口的信道干扰，使用 相同信道的两个双模中继间的距离应至少为 3r 。3r 2rr 双模中继图 3.5双模中继在 WLAN 接口的覆盖模型29第三章 基于 LTE/WLAN 的异构中继网络双模中继在每个扇区内的具体部署需要考虑以下几点： （1）回程链路质量 定义双模中继与基站间基于 LTE 接口的通信链路为回程链路（backhaul link） ，对于两跳传输用户而言，回程链路质量将影响其两跳传输的最终吞吐量， 因此双模中继的部署应确保较高的回程链路质量。 定义各扇区内双模中继的位置为 (θ , x ) ，其中 θ 与 x 分别为双模中继与扇区天 线主瓣方向间的夹角以及与扇区天线间的距离。为了获得较高的回程链路质量， 从而使回程链路的天线增益较 双模中继应位于扇区天线的主瓣方向上， θ = 0 ， 即 高，如图 3.6 所示。 然而， x 的设置涉及到相互矛盾的两个方面：一方面，双模中继主要用于扇 区边缘用户的 WLAN 接入，应部署在扇区的边缘区域，即 x 值较大；而另一方面， 双模中继与扇区天线间的距离影响回程链路的路径损耗，若 x 值较大则降低回程 链路的质量。D/3 d2r rx=D/2 lD图 3.6双模中继在扇区内的部署（2）接入链路质量 定义双模中继与两跳传输用户之间基于 WLAN 接口的通信链路为接入链路 （access link） ，同理，接入链路质量也将影响两跳传输用户的最终吞吐量，因 此双模中继的部署应确保较高的接入链路质量。 在单点无线 AP 覆盖的 WLAN 网络中，用户与无线 AP 间距离的增大将导致用 户的传输速率降低，因此双模中继应以较小的传输半径覆盖扇区边缘用户，以获30第三章 基于 LTE/WLAN 的异构中继网络得较高的接入链路质量。 除了考虑单个双模中继下两跳传输用户的接入链路质量以外， 还需要考虑部 署于相邻扇区的多个双模中继之间的信道干扰。为了避免相邻双模中继在 WLAN 接口的信道干扰，采用相同 WLAN 信道的双模中继间的距离（表示为 l ）应至少为3r ，即 l ≥ 3r ，如图3.6 所示。而部署于相邻扇区的双模中继需要采用相互正交的 WLAN 信道以避免相邻小区间在 WLAN 接口的信道干扰。 如图 3.6 所示，由于各个双模中继在每个扇区内部署的位置相同，则采用相 同 WLAN 信道的双模中继间的最小距离为 D ，即 l = D ，因此 r ≤ D 3 ，即