中繼模式在OFDMA系統(tǒng)中的應用設計

中繼技術能夠?qū)υ谢具M行覆蓋增強，同時0FDMA技術是下一代移動通信的主要多址方式，因而研究設計OFDMA技術約束下的中繼方案，具有非?，F(xiàn)實的意義。以LTE物理層幀結構為基礎，針對0FDMA調(diào)制系統(tǒng)的中繼實現(xiàn)方式進行了深入分析，結合OFDMA系統(tǒng)靈活的時頻資源分配特點，提出針對0FDMA的多跳／單跳資源分配方法，最后，還提出一種針對FDD模式的0FDMA中繼實現(xiàn)方案。對認為中繼只能用于TDD系統(tǒng)的傳統(tǒng)觀念進行了前沿性的拓展。
關鍵詞：LTE；OFDMA；中繼；FDD

0 引 言
??? NGMN(下一代移動網(wǎng)絡組織)首先把引入(Wire—less Board Bandwidth，wBB)作為重要目標，無線接入點AP是達到這一目標的關鍵性產(chǎn)品，AP很好地實現(xiàn)了移動寬帶數(shù)據(jù)解決方案TCO最優(yōu)化。
??? NGMN網(wǎng)絡中，3GPP空口長期演進LTE項目是最為重要的無線接入技術，主要目標是提供高速率、低時延和分組(IP)化的無線接入網(wǎng)絡。自然的，基于LTE的AP將是NGMN部署中解決無線寬帶接入最為主要的基站形態(tài)。LTE空口物理層關鍵技術中，支持FDD／TDD兩種雙工模式，支持OFDMA方式進行資源分配和用戶區(qū)分。
??? 中繼技術能夠?qū)υ谢咎貏e是AP型基站進行覆蓋增強，并有效提升區(qū)域特別是小區(qū)邊緣的吞吐量，因而研究設計LTE／OFDMA技術約束下的中繼方案，具有非常現(xiàn)實的意義。
??? 該文首先對LTE物理層幀結構進行簡要介紹，然后給出0FDMA系統(tǒng)中繼引入后空口資源分配方法；最后，提出一種針對FDD模式的0FDMA中繼實現(xiàn)方案，對認為中繼只能用于TDD系統(tǒng)的傳統(tǒng)觀念進行了前沿性的拓展。

l LTE幀結構
??? 0FDMA作為未來數(shù)年最重要和最有希望的接入方案，允許把一個寬頻率帶寬分裂成小的片斷來服務于不同的終端。目前，LTE／UMB以及WiMAX等體制都將OFDMA作為空口物理層基本調(diào)制技術。
??? 圖1為LTE的基本幀結構，適用于FDD和TDD兩種模式。基本幀長10 ms，一共分為20個0．5 ms子幀，兩個子幀組成一個1 ms TTI。FDD模式下，20個子幀分別同時用于上行和下行；TDD模式下，上下行比例可以配置(#0／5子幀用于下行)。

??? 在基本幀結構下，當采用短CP模式時，下行／上行每個子幀7個OFDM／SC—FDMA符號；當為了克服更大多徑延時而采用長CP模式時，下行／上行每個子幀支持6個OFDM／SC—FDMA符號。

在LTE的空口資源表示中，NDLBW表示下行帶寬配置，用下行子載波數(shù)表示；NULBW表示上行帶寬配置，用上行虛擬子載波數(shù)表示；NDLsymb表示下行一個時隙(子幀)中的0FDM符號數(shù)；NULsymb表示上行一個時隙中SC—OFDM符號數(shù)；NRBBW表示頻域資源塊數(shù)(以12個子載波為基本單位)。
??? 圖4是LTE中基于OFDMA的下行資源柵格示意圖，基于用戶調(diào)度的資源塊定義為：時間域連續(xù)的OFDM符號數(shù)和頻率域連續(xù)子載波塊的乘積NDLsymb×NRBBW。在上行資源調(diào)度中，資源塊定義為一個子幀和參數(shù)NTX和k0。這兩個參數(shù)決定了傳輸帶寬和頻率跳頻模式。NTX也以12個虛擬子載波為單位。

??? 可見，LTE可以在時域和頻域分別對用戶進行區(qū)分。因此，下面基于OFDMA的中繼技術設計可以直接應用在LTE中。

2 基于OFDMA的中繼方案
2．1 基于OFDMA的多跳／單跳資源分配方法
??? 從單跳和多跳連接的不同出發(fā)，OFDMA技術可被用于將可用頻帶分裂為兩部分：一部分用于單跳通信，另一部分用于多跳通信?？梢灶A見，鄰近子載波分別被分配給多跳和單跳話務量，產(chǎn)生了兩個鄰近子頻段，一個用于多跳，一個用于單跳。這意味著，目標系統(tǒng)的空口使用一個完整的頻段，比如100 MHz，分裂這整個頻段為兩部分。作為例子，圖5給出了基于0FDMA的空口中Nc個子載波的分配模式，MH區(qū)域表示該部分子載波用于多跳通信，SH區(qū)域表示該部分子載波用于單跳通信。

??? 通過利用OFDMA的特性，兩個子頻段以一種靈活的方式進行動態(tài)分割。OFDMA允許分配不同的子載波給不同的用戶，來形成不同的連接。這里建議根據(jù)需要將子載波分配成兩個子波段，例如，高位頻段的子載波被分配給多跳子頻段，同時余下的子載波被用于單跳。分配給單跳和多跳的子載波數(shù)量能夠根據(jù)需求動態(tài)調(diào)整。
??? 依賴于單跳和多跳話務量對頻率資源的需求，子頻段分割會改變，比如，如果在一個多跳固定中繼站區(qū)域的終端間有較重的本地話務量，而只有很少的一點帶寬需求用于和因特網(wǎng)之間傳輸數(shù)據(jù)，這樣，多跳子頻段將會減少到非常少的子載波數(shù)量。然而，如果多跳需要更多的帶寬，一些用于單跳的載波將被分配給多跳頻段。舉例而言，如果每個移動節(jié)點都和因特網(wǎng)有一個連接，多跳子頻段將會增加以支持通過固定中繼網(wǎng)絡中繼的大話務需求。

在AP／中繼站和移動節(jié)點之間，以及AP和中繼站之間，一般通過TDD的方式來實現(xiàn)上行／下行的分割。然而，F(xiàn)DD在單跳鏈路上也可以通過這個概念來實行，同時一種混合的FDD方法可被用于多跳連接。相對而言，F(xiàn)DD的多跳實現(xiàn)相比TDD的多跳實現(xiàn)要復雜，特別是硬件方案。本節(jié)主要以TDD為例來進行論述。
??? 圖6中，通過基于兩個固定中繼站的部署，對子載波被動態(tài)分配給多跳和單跳的話務量的概念進行模擬。在這個場景中，最多支持三跳。最初的兩跳通過AP和兩個固定中繼站之間多跳子頻段來實現(xiàn)，在中繼站2和MN3(移動節(jié)點3)之間的第三跳通過單跳頻段3(SH3)來實現(xiàn)。在圖6中，在該種拓撲下，不同的帶寬分配被標示出來。MHl頻段用于AP和FMHNl(SHCommunication and MHCommLmication over FixedRelay Stations，這里指固定中繼站)之間的雙向多跳話務量，和SHl區(qū)域的單跳話務量共享子載波，SHl區(qū)域的移動節(jié)點直接被AP服務。MH2區(qū)域和SH2區(qū)域的多跳和單跳話務量，同樣通過動態(tài)的方式共享子載波。在SH3區(qū)域中話務量將獨占所有子載波，因為已經(jīng)沒有更多的多跳連接存在。

2．2 在MS一OFDMA中的子頻段帶寬設計
??? 由于從AP到移動節(jié)點的下行話務量被分布給單跳區(qū)域，而從移動節(jié)點到AP的上行話務量被匯聚，這導致針對多跳連接，朝向AP和因特網(wǎng)方向的帶寬需求逐步增長。這通過分配給AP附近MH鏈路更高數(shù)量子載波來考慮這個需求，比如圖6中的MHl鏈路。然而，其他不同子載波分配方式也是可能的，比如當很重的本地話務量或單跳區(qū)域間通過中繼站而不是AP傳送大話務量時，MHl將比MH2分配更少的子載波。
??? 由于我們期望MH鏈路上的話務通過高增益天線在LOS環(huán)境中實現(xiàn)，因此相同帶寬條件下，單位頻譜數(shù)據(jù)速率比AP／FMHN和MN之間的最后一跳鏈路要高很多；因而，如果假設所有的話務量都來自／去往AP和因特網(wǎng)，分配給多跳鏈路的載波數(shù)量能夠比單跳鏈路上需要的少。此外，被最后一個中繼服務的移動節(jié)點，比如MN3，會經(jīng)歷最高數(shù)量的跳數(shù)才能到達因特網(wǎng)。針對這些移動節(jié)點的最大分配帶寬，例如SH3區(qū)域，部分彌補了這種不足，一定程度上降低了所經(jīng)歷的不同鏈路的時延。
??? 另一方面，需要對小區(qū)尺寸進行合適的選擇。相比FMHN服務的小區(qū)而言，最后的小區(qū)(SH3區(qū)域)將變成最大的小區(qū)(覆蓋更多的移動節(jié)點)。這種小區(qū)規(guī)劃能確保在整個部署區(qū)域內(nèi)每個用戶都有一個恒定的數(shù)據(jù)速率，這是在未來移動通信系統(tǒng)中，部署方案的一個研究目標。

由此可見，借助新穎的方案，在端到端連接上的靈活資源分配變得可能?；贠FDMA的多跳方案引入了一種多跳話務量和單跳話務量的邏輯分割方法，這將通過在公共物理層和共享公共頻段基礎上的不同協(xié)議來為之服務。多跳通信相比單跳通信，在協(xié)議設計上提出了不同的需求，能夠開發(fā)和部署有效協(xié)議來獨立針對不同的問題領域。同時，就如常規(guī)的解決方案一樣，對于分割頻率并沒有特別的需求，只需要一個頻段。同時，單跳和多跳頻段間不需要類似常規(guī)FDMA中的保護帶，因為OFDMA允許更近的分割，子載波在頻率域正交。

3 FDD中繼方案初步探討
??? 目前，雖然中繼技術用于FDD模式時硬件實現(xiàn)比較復雜，成本相對較高，但是，F(xiàn)DD是迄今承載業(yè)務量最大的移動通信模式，且FDD模式所占用頻段也最多，所處頻段的覆蓋能力也最為優(yōu)越。因此對FDD模式和中繼技術的結合應用是非常必要的，下面對基于FDD的兩跳模式和基站收發(fā)信機邏輯架構進行初步探討。
??? FDD通信模式中，上行和下行通信頻段被物理分割，基站和終端間可以同時進行上下行通信，即可以同時接收和發(fā)射。上行占用頻段處于低位，用LB表示，中心頻率定義為fLB；下行占用頻段處于高位，用HB表示，中心頻率定義為fHB；兩個頻段間的雙工間隔達數(shù)十兆赫茲fDup。
??? 為了節(jié)約成本，這里假設中繼站只有一套收發(fā)信機，即同時只能接收和發(fā)射一路信號。因為中繼站在功能上需要支持BR／RB／RM／MR(基站發(fā)中繼收／中繼發(fā)基站收／中繼發(fā)終端收／終端發(fā)中繼收)四種模式，因此需要通過時分的方式來對中繼站的收發(fā)信機資源進行調(diào)度，在時間域上分為BR／RB和RM／MR兩種收發(fā)狀態(tài)。
??? 基于MS—OFDMA基本方法，分別將LB和HB頻段再分為SH和MH子頻段分別用于單跳和多跳通信。MHl／SHl是基站與中繼站以及和基站和終端分別直接通信的頻段劃分；由于中繼站采取時分的方式分別與基站和終端通信，即MH1不是一直占用發(fā)射的，在中繼站覆蓋區(qū)域和基站直接覆蓋區(qū)域保持良好隔離情況下，中繼站的單跳通信SH2可以利用全部頻段，否則采用和MHl相同頻段。這里假設SH2可以采用全部頻段，因為中繼站設立的初衷就是彌補基站的覆蓋空洞。上述頻率分配模式如圖7所示。

??? 這樣，得到這個兩跳系統(tǒng)的通信時隙表，見表1。從表1中可以看出，中繼站在不同時間分別充當了基站和終端角色。這就需要中繼的發(fā)射機以分時方式支持SH(HB)2和MH(LB)1兩個子頻段的發(fā)射，接收機以分時方式支持MH(HB)1和SH(LB)2兩個子頻段的接收。

??? 這需要設計可變中心頻率的收發(fā)信機。圖8是一個基于零中頻架構的收發(fā)信機架構，通過兩個交換矩陣，支持收發(fā)信機可變中心頻率，支持雙工器濾波器收發(fā)模式改變。該架構中，在子時隙1時，fLB被交換到發(fā)射機鎖相環(huán)，fHB被交換到接收機鎖相環(huán)，同時射頻前端發(fā)射通道被交換到支持fLB的濾波器，接收通道被交換到支持fHB的濾波器。在子時隙2時，fHB被交換到發(fā)射機鎖相環(huán)，fLB被交換到接收機鎖相環(huán)，同時射頻前端發(fā)射通道被交換到支持fHB的濾波器，接收通道被交換到支持fLB的濾波器。然后以2為周期進行循環(huán)。

4 結 語
??? 基于OFDMA系統(tǒng)，中繼空口可以采取更為靈活和動態(tài)的時頻資源分配模式，這將成為在OFDMA系統(tǒng)中中繼走向商用的關鍵因素之一，而基于FDD的中繼系統(tǒng)，也必將成為這種商用過程中優(yōu)先考慮的方面。