中繼模式在OFDMA系統中的應用設計

中繼技術能夠對原有基站進行覆蓋增強，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，具有非常現實的意義。以LTE物理層幀結構為基礎，針對0FDMA調制系統的中繼實現方式進行了深入分析，結合OFDMA系統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中繼實現方案。對認為中繼只能用于TDD系統的傳統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品，AP很好地實現了移動寬帶數據解決方案TCO最優化。
??? NGMN網絡中，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。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分。
??? 中繼技術能夠對原有基站特別是AP型基站進行覆蓋增強，并有效提升區域特別是小區邊緣的吞吐量，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中繼實現方案，對認為中繼只能用于TDD系統的傳統觀念進行了前沿性的拓展。

l LTE幀結構
??? 0FDMA作為未來數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，用下行子載波數表示；NULBW表示上行帶寬配置，用上行虛擬子載波數表示；NDLsymb表示下行一個時隙(子幀)中的0FDM符號數；NULsymb表示上行一個時隙中SC—OFDM符號數；NRBBW表示頻域資源塊數(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，基于用戶調度的資源塊定義為：時間域連續的OFDM符號數和頻率域連續子載波塊的乘積NDLsymb×NRBBW。在上行資源調度中，資源塊定義為一個子幀和參數NTX和k0。這兩個參數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，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。可以預見，鄰近子載波分別被分配給多跳和單跳話務量，產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區域表示該部分子載波用于多跳通信，SH區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量能夠根據需求動態調整。
??? 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之間傳輸數據，這樣，多跳子頻段將會減少到非常少的子載波數量。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，如果每個移動節點都和因特網有一個連接，多跳子頻段將會增加以支持通過固定中繼網絡中繼的大話務需求。

在AP／中繼站和移動節點之間，以及AP和中繼站之間，一般通過TDD的方式來實現上行／下行的分割。然而，FDD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，FDD的多跳實現相比TDD的多跳實現要復雜，特別是硬件方案。本節主要以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，在中繼站2和MN3(移動節點3)之間的第三跳通過單跳頻段3(SH3)來實現。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區域的單跳話務量共享子載波，SHl區域的移動節點直接被AP服務。MH2區域和SH2區域的多跳和單跳話務量，同樣通過動態的方式共享子載波。在SH3區域中話務量將獨占所有子載波，因為已經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到移動節點的下行話務量被分布給單跳區域，而從移動節點到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環境中實現，因此相同帶寬條件下，單位頻譜數據速率比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，分配給多跳鏈路的載波數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點，比如MN3，會經歷最高數量的跳數才能到達因特網。針對這些移動節點的最大分配帶寬，例如SH3區域，部分彌補了這種不足，一定程度上降低了所經歷的不同鏈路的時延。
??? 另一方面，需要對小區尺寸進行合適的選擇。相比FMHN服務的小區而言，最后的小區(SH3區域)將變成最大的小區(覆蓋更多的移動節點)。這種小區規劃能確保在整個部署區域內每個用戶都有一個恒定的數據速率，這是在未來移動通信系統中，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。基于OFDMA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議來為之服務。多跳通信相比單跳通信，在協議設計上提出了不同的需求，能夠開發和部署有效協議來獨立針對不同的問題領域。同時，就如常規的解決方案一樣，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模式時硬件實現比較復雜，成本相對較高，但是，FDD是迄今承載業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十兆赫茲fDup。
??? 為了節約成本，這里假設中繼站只有一套收發信機，即同時只能接收和發射一路信號。因為中繼站在功能上需要支持BR／RB／RM／MR(基站發中繼收／中繼發基站收／中繼發終端收／終端發中繼收)四種模式，因此需要通過時分的方式來對中繼站的收發信機資源進行調度，在時間域上分為BR／RB和RM／MR兩種收發狀態。
??? 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不是一直占用發射的，在中繼站覆蓋區域和基站直接覆蓋區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。這就需要中繼的發射機以分時方式支持SH(HB)2和MH(LB)1兩個子頻段的發射，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信機。圖8是一個基于零中頻架構的收發信機架構，通過兩個交換矩陣，支持收發信機可變中心頻率，支持雙工器濾波器收發模式改變。該架構中，在子時隙1時，fLB被交換到發射機鎖相環，fHB被交換到接收機鎖相環，同時射頻前端發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被交換到發射機鎖相環，fLB被交換到接收機鎖相環，同時射頻前端發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。

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