中继模式在OFDMA系统中的应用设计

中继模式在OFDMA系统中的应用设计

中继技术能够对原有基站进行覆盖增强，同时0FDMA技术是下一代移动通信的主要多址方式，因而研究设计OFDMA技术约束下的中继方案，具有非常现实的意义。以LTE物理层帧结构为基础，针对0FDMA调制系统的中继实现方式进行了深入分析，结合OFDMA系统灵活的时频资源分配特点，提出针对0FDMA的多跳／单跳资源分配方法，最后，还提出一种针对FDD模式的0FDMA中继实现方案。对认为中继只能用于TDD系统的传统观念进行了前沿性的拓展。
关键词：LTE；OFDMA；中继；FDD

0 引 言
    NGMN(下一代移动网络组织)首先把引入(Wire—less Board Bandwidth，wBB)作为重要目标，无线接入点AP是达到这一目标的关键性产品，AP很好地实现了移动宽带数据解决方案TCO最优化。
    NGMN网络中，3GPP空口长期演进LTE项目是最为重要的无线接入技术，主要目标是提供高速率、低时延和分组(IP)化的无线接入网络。自然的，基于LTE的AP将是NGMN部署中解决无线宽带接入最为主要的基站形态。LTE空口物理层关键技术中，支持FDD／TDD两种双工模式，支持OFDMA方式进行资源分配和用户区分。
    中继技术能够对原有基站特别是AP型基站进行覆盖增强，并有效提升区域特别是小区边缘的吞吐量，因而研究设计LTE／OFDMA技术约束下的中继方案，具有非常现实的意义。
    该文首先对LTE物理层帧结构进行简要介绍，然后给出0FDMA系统中继引入后空口资源分配方法；最后，提出一种针对FDD模式的0FDMA中继实现方案，对认为中继只能用于TDD系统的传统观念进行了前沿性的拓展。

l LTE帧结构
    0FDMA作为未来数年最重要和最有希望的接入方案，允许把一个宽频率带宽分裂成小的片断来服务于不同的终端。目前，LTE／UMB以及WiMAX等体制都将OFDMA作为空口物理层基本调制技术。
    图1为LTE的基本帧结构，适用于FDD和TDD两种模式。基本帧长10 ms，一共分为20个0．5 ms子帧，两个子帧组成一个1 ms TTI。FDD模式下，20个子帧分别同时用于上行和下行；TDD模式下，上下行比例可以配置(#0／5子帧用于下行)。

    在基本帧结构下，当采用短CP模式时，下行／上行每个子帧7个OFDM／SC—FDMA符号；当为了克服更大多径延时而采用长CP模式时，下行／上行每个子帧支持6个OFDM／SC—FDMA符号。

在LTE的空口资源表示中，NDLBW表示下行带宽配置，用下行子载波数表示；NULBW表示上行带宽配置，用上行虚拟子载波数表示；NDLsymb表示下行一个时隙(子帧)中的0FDM符号数；NULsymb表示上行一个时隙中SC—OFDM符号数；NRBBW表示频域资源块数(以12个子载波为基本单位)。
    图4是LTE中基于OFDMA的下行资源栅格示意图，基于用户调度的资源块定义为：时间域连续的OFDM符号数和频率域连续子载波块的乘积NDLsymb×NRBBW。在上行资源调度中，资源块定义为一个子帧和参数NTX和k0。这两个参数决定了传输带宽和频率跳频模式。NTX也以12个虚拟子载波为单位。

    可见，LTE可以在时域和频域分别对用户进行区分。因此，下面基于OFDMA的中继技术设计可以直接应用在LTE中。

2 基于OFDMA的中继方案
2．1 基于OFDMA的多跳／单跳资源分配方法
    从单跳和多跳连接的不同出发，OFDMA技术可被用于将可用频带分裂为两部分：一部分用于单跳通信，另一部分用于多跳通信。可以预见，邻近子载波分别被分配给多跳和单跳话务量，产生了两个邻近子频段，一个用于多跳，一个用于单跳。这意味着，目标系统的空口使用一个完整的频段，比如100 MHz，分裂这整个频段为两部分。作为例子，图5给出了基于0FDMA的空口中Nc个子载波的分配模式，MH区域表示该部分子载波用于多跳通信，SH区域表示该部分子载波用于单跳通信。

    通过利用OFDMA的特性，两个子频段以一种灵活的方式进行动态分割。OFDMA允许分配不同的子载波给不同的用户，来形成不同的连接。这里建议根据需要将子载波分配成两个子波段，例如，高位频段的子载波被分配给多跳子频段，同时余下的子载波被用于单跳。分配给单跳和多跳的子载波数量能够根据需求动态调整。
    依赖于单跳和多跳话务量对频率资源的需求，子频段分割会改变，比如，如果在一个多跳固定中继站区域的终端间有较重的本地话务量，而只有很少的一点带宽需求用于和因特网之间传输数据，这样，多跳子频段将会减少到非常少的子载波数量。然而，如果多跳需要更多的带宽，一些用于单跳的载波将被分配给多跳频段。举例而言，如果每个移动节点都和因特网有一个连接，多跳子频段将会增加以支持通过固定中继网络中继的大话务需求。

在AP／中继站和移动节点之间，以及AP和中继站之间，一般通过TDD的方式来实现上行／下行的分割。然而，FDD在单跳链路上也可以通过这个概念来实行，同时一种混合的FDD方法可被用于多跳连接。相对而言，FDD的多跳实现相比TDD的多跳实现要复杂，特别是硬件方案。本节主要以TDD为例来进行论述。
    图6中，通过基于两个固定中继站的部署，对子载波被动态分配给多跳和单跳的话务量的概念进行模拟。在这个场景中，最多支持三跳。最初的两跳通过AP和两个固定中继站之间多跳子频段来实现，在中继站2和MN3(移动节点3)之间的第三跳通过单跳频段3(SH3)来实现。在图6中，在该种拓扑下，不同的带宽分配被标示出来。MHl频段用于AP和FMHNl(SHCommunication and MHCommLmication over FixedRelay Stations，这里指固定中继站)之间的双向多跳话务量，和SHl区域的单跳话务量共享子载波，SHl区域的移动节点直接被AP服务。MH2区域和SH2区域的多跳和单跳话务量，同样通过动态的方式共享子载波。在SH3区域中话务量将独占所有子载波，因为已经没有更多的多跳连接存在。

2．2 在MS一OFDMA中的子频段带宽设计
    由于从AP到移动节点的下行话务量被分布给单跳区域，而从移动节点到AP的上行话务量被汇聚，这导致针对多跳连接，朝向AP和因特网方向的带宽需求逐步增长。这通过分配给AP附近MH链路更高数量子载波来考虑这个需求，比如图6中的MHl链路。然而，其他不同子载波分配方式也是可能的，比如当很重的本地话务量或单跳区域间通过中继站而不是AP传送大话务量时，MHl将比MH2分配更少的子载波。
    由于我们期望MH链路上的话务通过高增益天线在LOS环境中实现，因此相同带宽条件下，单位频谱数据速率比AP／FMHN和MN之间的最后一跳链路要高很多；因而，如果假设所有的话务量都来自／去往AP和因特网，分配给多跳链路的载波数量能够比单跳链路上需要的少。此外，被最后一个中继服务的移动节点，比如MN3，会经历最高数量的跳数才能到达因特网。针对这些移动节点的最大分配带宽，例如SH3区域，部分弥补了这种不足，一定程度上降低了所经历的不同链路的时延。
    另一方面，需要对小区尺寸进行合适的选择。相比FMHN服务的小区而言，最后的小区(SH3区域)将变成最大的小区(覆盖更多的移动节点)。这种小区规划能确保在整个部署区域内每个用户都有一个恒定的数据速率，这是在未来移动通信系统中，部署方案的一个研究目标。

由此可见，借助新颖的方案，在端到端连接上的灵活资源分配变得可能。基于OFDMA的多跳方案引入了一种多跳话务量和单跳话务量的逻辑分割方法，这将通过在公共物理层和共享公共频段基础上的不同协议来为之服务。多跳通信相比单跳通信，在协议设计上提出了不同的需求，能够开发和部署有效协议来独立针对不同的问题领域。同时，就如常规的解决方案一样，对于分割频率并没有特别的需求，只需要一个频段。同时，单跳和多跳频段间不需要类似常规FDMA中的保护带，因为OFDMA允许更近的分割，子载波在频率域正交。

3 FDD中继方案初步探讨
    目前，虽然中继技术用于FDD模式时硬件实现比较复杂，成本相对较高，但是，FDD是迄今承载业务量最大的移动通信模式，且FDD模式所占用频段也最多，所处频段的覆盖能力也最为优越。因此对FDD模式和中继技术的结合应用是非常必要的，下面对基于FDD的两跳模式和基站收发信机逻辑架构进行初步探讨。
    FDD通信模式中，上行和下行通信频段被物理分割，基站和终端间可以同时进行上下行通信，即可以同时接收和发射。上行占用频段处于低位，用LB表示，中心频率定义为fLB；下行占用频段处于高位，用HB表示，中心频率定义为fHB；两个频段间的双工间隔达数十兆赫兹fDup。
    为了节约成本，这里假设中继站只有一套收发信机，即同时只能接收和发射一路信号。因为中继站在功能上需要支持BR／RB／RM／MR(基站发中继收／中继发基站收／中继发终端收／终端发中继收)四种模式，因此需要通过时分的方式来对中继站的收发信机资源进行调度，在时间域上分为BR／RB和RM／MR两种收发状态。
    基于MS—OFDMA基本方法，分别将LB和HB频段再分为SH和MH子频段分别用于单跳和多跳通信。MHl／SHl是基站与中继站以及和基站和终端分别直接通信的频段划分；由于中继站采取时分的方式分别与基站和终端通信，即MH1不是一直占用发射的，在中继站覆盖区域和基站直接覆盖区域保持良好隔离情况下，中继站的单跳通信SH2可以利用全部频段，否则采用和MHl相同频段。这里假设SH2可以采用全部频段，因为中继站设立的初衷就是弥补基站的覆盖空洞。上述频率分配模式如图7所示。

    这样，得到这个两跳系统的通信时隙表，见表1。从表1中可以看出，中继站在不同时间分别充当了基站和终端角色。这就需要中继的发射机以分时方式支持SH(HB)2和MH(LB)1两个子频段的发射，接收机以分时方式支持MH(HB)1和SH(LB)2两个子频段的接收。

    这需要设计可变中心频率的收发信机。图8是一个基于零中频架构的收发信机架构，通过两个交换矩阵，支持收发信机可变中心频率，支持双工器滤波器收发模式改变。该架构中，在子时隙1时，fLB被交换到发射机锁相环，fHB被交换到接收机锁相环，同时射频前端发射通道被交换到支持fLB的滤波器，接收通道被交换到支持fHB的滤波器。在子时隙2时，fHB被交换到发射机锁相环，fLB被交换到接收机锁相环，同时射频前端发射通道被交换到支持fHB的滤波器，接收通道被交换到支持fLB的滤波器。然后以2为周期进行循环。

4 结 语
    基于OFDMA系统，中继空口可以采取更为灵活和动态的时频资源分配模式，这将成为在OFDMA系统中中继走向商用的关键因素之一，而基于FDD的中继系统，也必将成为这种商用过程中优先考虑的方面。