趙其勇

摘 要：中繼技術(shù)能夠?qū)υ谢具M(jìn)行覆蓋增強(qiáng)，同時(shí)OFDMA技術(shù)是下一代移動(dòng)通信的主要多址方式，因而研究設(shè)計(jì)OFDMA技術(shù)約束下的中繼方案，具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。以LTE物理層幀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，針對(duì)OFDMA調(diào)制系統(tǒng)的中繼實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了深入分析，結(jié)合OFDMA系統(tǒng)靈活的時(shí)頻資源分配特點(diǎn)，提出針對(duì)OFDMA的多跳/單跳資源分配方法，最后，還提出一種針對(duì)FDD模式的OFDMA中繼實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)認(rèn)為中繼只能用于TDD系統(tǒng)的傳統(tǒng)觀念進(jìn)行了前沿性的拓展。

關(guān)鍵詞：LTE;OFDMA;中繼;FDD

中圖分類號(hào)：TN914文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)03-029-04

Application Design of Relay in OFDMA System

ZHAO Qiyong

(Xidian University,Xi′an,710071,China)

Abstract：Relay can enhance coverage of original base station,also OFDMA is the main multi-access technique in next generation mobile system,so it is very important to research relay of OFDMA system.Based on LTE physical layer technique,the relay realization scheme of OFDMA is analyzed deeply,a scheme of resource distribution between single and multi-hops is brought.In the end,a relay realization scheme of FDD OFDMA system is brought forward,and this is an innovative development for the traditional TDD relay scheme.

Keywords：LTE;OFDMA;relay;FDD

0 引 言

NGMN(下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)組織)首先把引入(Wireless Board Bandwidth,WBB)作為重要目標(biāo)，無(wú)線接入點(diǎn)AP是達(dá)到這一目標(biāo)的關(guān)鍵性產(chǎn)品，AP很好地實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)解決方案TCO最優(yōu)化。

NGMN網(wǎng)絡(luò)中，3GPP空口長(zhǎng)期演進(jìn)LTE項(xiàng)目是最為重要的無(wú)線接入技術(shù)，主要目標(biāo)是提供高速率、低時(shí)延和分組(IP)化的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)。自然的，基于LTE的AP將是NGMN部署中解決無(wú)線寬帶接入最為主要的基站形態(tài)。LTE空口物理層關(guān)鍵技術(shù)中，支持FDD/TDD兩種雙工模式，支持OFDMA方式進(jìn)行資源分配和用戶區(qū)分。

中繼技術(shù)能夠?qū)υ谢咎貏e是AP型基站進(jìn)行覆蓋增強(qiáng)，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(shè)計(jì)LTE/OFDMA技術(shù)約束下的中繼方案，具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。

該文首先對(duì)LTE物理層幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，然后給出OFDMA系統(tǒng)中繼引入后空口資源分配方法；最后，提出一種針對(duì)FDD模式的OFDMA中繼實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)認(rèn)為中繼只能用于TDD系統(tǒng)的傳統(tǒng)觀念進(jìn)行了前沿性的拓展。

1 LTE幀結(jié)構(gòu)

OFDMA作為未來(lái)數(shù)年最重要和最有希望的接入方案，允許把一個(gè)寬頻率帶寬分裂成小的片斷來(lái)服務(wù)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(shù)。

圖1為L(zhǎng)TE的基本幀結(jié)構(gòu)，適用于FDD和TDD兩種模式?；編L(zhǎng)10 ms，一共分為20個(gè)0.5 ms子幀，兩個(gè)子幀組成一個(gè)1 ms TTI。FDD模式下，20個(gè)子幀分別同時(shí)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)。

圖1 LTE基本幀結(jié)構(gòu)

在基本幀結(jié)構(gòu)下，當(dāng)采用短CP模式時(shí)，下行/上行每個(gè)子幀7個(gè)OFDM/SC-FDMA符號(hào)；當(dāng)為了克服更大多徑延時(shí)而采用長(zhǎng)CP模式時(shí)，下行/上行每個(gè)子幀支持6個(gè)OFDM/SC-FDMA符號(hào)。

圖2 LTE中下行OFDMA資源分配圖

圖3 LTE中上行SC-FDMA資源分配圖

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(gè)時(shí)隙(子幀)中的OFDM符號(hào)數(shù)；NULsymb表示上行一個(gè)時(shí)隙中SC-OFDM符號(hào)數(shù)；NRBBW表示頻域資源塊數(shù)(以12個(gè)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(shí)間域連續(xù)的OFDM符號(hào)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(gè)子幀和參數(shù)NTX和k0。這兩個(gè)參數(shù)決定了傳輸帶寬和頻率跳頻模式。NTX也以12個(gè)虛擬子載波為單位。

圖4 下行資源柵格

可見(jiàn)，LTE可以在時(shí)域和頻域分別對(duì)用戶進(jìn)行區(qū)分。因此，下面基于OFDMA的中繼技術(shù)設(shè)計(jì)可以直接應(yīng)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(shù)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(yù)見(jiàn)，鄰近子載波分別被分配給多跳和單跳話務(wù)量，產(chǎn)生了兩個(gè)鄰近子頻段，一個(gè)用于多跳，一個(gè)用于單跳。這意味著，目標(biāo)系統(tǒng)的空口使用一個(gè)完整的頻段，比如100 MHz，分裂這整個(gè)頻段為兩部分。作為例子，圖5給出了基于OFDMA的空口中Nc個(gè)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。

圖5 基于OFDMA的多跳系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)分配子

載波用于多跳(MH)和單跳(SH)通信

通過(guò)利用OFDMA的特性，兩個(gè)子頻段以一種靈活的方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)分割。OFDMA允許分配不同的子載波給不同的用戶，來(lái)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(gè)子波段，例如，高位頻段的子載波被分配給多跳子頻段，同時(shí)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(dòng)態(tài)調(diào)整。

依賴于單跳和多跳話務(wù)量對(duì)頻率資源的需求，子頻段分割會(huì)改變，比如，如果在一個(gè)多跳固定中繼站區(qū)域的終端間有較重的本地話務(wù)量，而只有很少的一點(diǎn)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(huì)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(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都和因特網(wǎng)有一個(gè)連接，多跳子頻段將會(huì)增加以支持通過(guò)固定中繼網(wǎng)絡(luò)中繼的大話務(wù)需求。

在AP/中繼站和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間，以及AP和中繼站之間，一般通過(guò)TDD的方式來(lái)實(shí)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(guò)這個(gè)概念來(lái)實(shí)行，同時(shí)一種混合的FDD方法可被用于多跳連接。相對(duì)而言，F(xiàn)DD的多跳實(shí)現(xiàn)相比TDD的多跳實(shí)現(xiàn)要復(fù)雜，特別是硬件方案。本節(jié)主要以TDD為例來(lái)進(jìn)行論述。

圖6中，通過(guò)基于兩個(gè)固定中繼站的部署，對(duì)子載波被動(dòng)態(tài)分配給多跳和單跳的話務(wù)量的概念進(jìn)行模擬。

圖6 基于OFDMA的多跳拓?fù)洳渴鸶拍?/p>

在這個(gè)場(chǎng)景中，最多支持三跳。最初的兩跳通過(guò)AP和兩個(gè)固定中繼站之間多跳子頻段來(lái)實(shí)現(xiàn)，在中繼站2和MN3(移動(dòng)節(jié)點(diǎn)3)之間的第三跳通過(guò)單跳頻段3(SH3)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在圖6中，在該種拓?fù)湎?，不同的帶寬分配被?biāo)示出來(lái)。MH1頻段用于AP和FMHN1(SH Communication and MH Communication over Fixed Relay Stations，這里指固定中繼站)之間的雙向多跳話務(wù)量，和SH1區(qū)域的單跳話務(wù)量共享子載波，SH1區(qū)域的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)直接被AP服務(wù)。MH2區(qū)域和SH2區(qū)域的多跳和單跳話務(wù)量，同樣通過(guò)動(dòng)態(tài)的方式共享子載波。在SH3區(qū)域中話務(wù)量將獨(dú)占所有子載波，因?yàn)橐呀?jīng)沒(méi)有更多的多跳連接存在。

2.2 在MS-OFDMA中的子頻段帶寬設(shè)計(jì)

由于從AP到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的下行話務(wù)量被分布給單跳區(qū)域，而從移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到AP的上行話務(wù)量被匯聚，這導(dǎo)致針對(duì)多跳連接，朝向AP和因特網(wǎng)方向的帶寬需求逐步增長(zhǎng)。這通過(guò)分配給AP附近MH鏈路更高數(shù)量子載波來(lái)考慮這個(gè)需求，比如圖6中的MH1鏈路。然而，其他不同子載波分配方式也是可能的，比如當(dāng)很重的本地話務(wù)量或單跳區(qū)域間通過(guò)中繼站而不是AP傳送大話務(wù)量時(shí)，MH1將比MH2分配更少的子載波。

由于我們期望MH鏈路上的話務(wù)通過(guò)高增益天線在LOS環(huán)境中實(shí)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(shè)所有的話務(wù)量都來(lái)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(gè)中繼服務(wù)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，比如MN3，會(huì)經(jīng)歷最高數(shù)量的跳數(shù)才能到達(dá)因特網(wǎng)。針對(duì)這些移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的最大分配帶寬，例如SH3區(qū)域，部分彌補(bǔ)了這種不足，一定程度上降低了所經(jīng)歷的不同鏈路的時(shí)延。

另一方面，需要對(duì)小區(qū)尺寸進(jìn)行合適的選擇。相比FMHN服務(wù)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(dòng)節(jié)點(diǎn))。這種小區(qū)規(guī)劃能確保在整個(gè)部署區(qū)域內(nèi)每個(gè)用戶都有一個(gè)恒定的數(shù)據(jù)速率，這是在未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)中，部署方案的一個(gè)研究目標(biāo)。

由此可見(jiàn)，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。基于OFDMA的多跳方案引入了一種多跳話務(wù)量和單跳話務(wù)量的邏輯分割方法，這將通過(guò)在公共物理層和共享公共頻段基礎(chǔ)上的不同協(xié)議來(lái)為之服務(wù)。多跳通信相比單跳通信，在協(xié)議設(shè)計(jì)上提出了不同的需求，能夠開(kāi)發(fā)和部署有效協(xié)議來(lái)獨(dú)立針對(duì)不同的問(wèn)題領(lǐng)域。同時(shí)，就如常規(guī)的解決方案一樣，對(duì)于分割頻率并沒(méi)有特別的需求，只需要一個(gè)頻段。同時(shí)，單跳和多跳頻段間不需要類似常規(guī)FDMA中的保護(hù)帶，因?yàn)镺FDMA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(shù)用于FDD模式時(shí)硬件實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，成本相對(duì)較高，但是，F(xiàn)DD是迄今承載業(yè)務(wù)量最大的移動(dòng)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(duì)FDD模式和中繼技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用是非常必要的，下面對(duì)基于FDD的兩跳模式和基站收發(fā)信機(jī)邏輯架構(gòu)進(jìn)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(shí)進(jìn)行上下行通信，即可以同時(shí)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(gè)頻段間的雙工間隔達(dá)數(shù)十兆赫茲fDup。

為了節(jié)約成本，這里假設(shè)中繼站只有一套收發(fā)信機(jī)，即同時(shí)只能接收和發(fā)射一路信號(hào)。因?yàn)橹欣^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(guò)時(shí)分的方式來(lái)對(duì)中繼站的收發(fā)信機(jī)資源進(jìn)行調(diào)度，在時(shí)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。MH1/SH1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(shí)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MH1相同頻段。這里假設(shè)SH2可以采用全部頻段，因?yàn)橹欣^站設(shè)立的初衷就是彌補(bǔ)基站的覆蓋空洞。上述頻率分配模式如圖7所示。

圖7 基于OFDMA的FDD系統(tǒng)支持兩跳時(shí)的頻率分配

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

表1 基于OFDMA的FDD系統(tǒng)支持兩跳時(shí)的時(shí)隙表

子時(shí)隙12

下行SH(HB)1(基站發(fā))

MH(HB)1(中繼收)SH(HB)2(中繼發(fā))

上行SH(LB1)(基站收)

MH(LB)1(中繼發(fā))SH(LB)2(中繼收)

中繼角色終端BR/RB基站RM/MR

這需要設(shè)計(jì)可變中心頻率的收發(fā)信機(jī)。圖8是一個(gè)基于零中頻架構(gòu)的收發(fā)信機(jī)架構(gòu)，通過(guò)兩個(gè)交換矩陣，支持收發(fā)信機(jī)可變中心頻率，支持雙工器濾波器收發(fā)模式改變。該架構(gòu)中，在子時(shí)隙1時(shí)，fLB被交換到發(fā)射機(jī)鎖相環(huán)，fHB被交換到接收機(jī)鎖相環(huán)，同時(shí)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(shí)隙2時(shí)，fHB被交換到發(fā)射機(jī)鎖相環(huán)，fLB被交換到接收機(jī)鎖相環(huán)，同時(shí)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(jìn)行循環(huán)。

圖8 可變收發(fā)信機(jī)中心頻率的零中頻架構(gòu)

4 結(jié) 語(yǔ)

基于OFDMA系統(tǒng)，中繼空口可以采取更為靈活和動(dòng)態(tài)的時(shí)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(guān)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(guò)程中優(yōu)先考慮的方面。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。