基于中繼技術的LTE-A終端省電方案

吳德操，李方偉，朱 江

（重慶郵電大學 移動通信重點實驗室，重慶 400065）

0 引言

作為LTE的演進版本，LTE-A可以滿足未來無線通信市場的更高需求和更多應用，滿足和超過IMT-Advanced的需求，同時還保持對LTE較好的向后兼容性[1]。LTE-A將提供1 Gbit/s的下行速率和500 Mbit/s的上行速率，成為4G通信技術的最佳候選方案。但更高的通信速率給終端功率控制帶來了更大難度。同時，由于需要啟用5 GHz及以上頻率，電磁波衍射能力減弱導致小區覆蓋縮小的問題也不容忽視。特別是在室內復雜環境下，終端設備需要使用更高發射功率以保證通信穩定可靠，使其功率增加，待機時間得不到保證。中繼技術可通過信號接力的方式“拉近”終端和基站的距離，增強高速率下的信號覆蓋，提升由建筑阻擋產生的深衰落區域的信號水平，3GPP已將其納入LTE-A協議關鍵技術之一。

1 基于中繼技術的終端省電技術

1.1 室內場景下的LTE-A中繼通信

如圖1所示，在家庭或辦公室等移動終端（UE）相對固定的場景部署中繼節點（RN），移動終端僅需與中繼節點交換數據，由中繼節點將數據轉發至基站（eNodeB），移動終端通信距離大大縮短，有效降低其發射功率。

不過購置中繼設備不但會提高LTE-A系統的使用成本和維護成本，而且為每個辦公室添置中繼設備也是不現實和不便捷的。由此，本文提出將中繼技術集成于移動終端內部，在特定環境下為附近的其他用戶提供中繼服務，以降低部署中繼器的成本，提高便利性和靈活性，并達到為附近用戶省電的目的。

圖1 中繼節點降低終端發射功率演示

1.2 集成中繼功能的LTE-A終端應用方案

將中繼功能集成進LTE-A移動終端的最大障礙是電能問題。移動終端通常使用電池供電，無法支持啟用中繼服務所需的較大功耗。因此，本方案定義在移動終端處于充電狀態時啟用中繼服務，斷開電源時自動結束服務，從而避開電能問題，如圖2所示。

現今的智能移動通信終端（如智能手機）因內建操作系統，功能強大而受到越來越多用戶的青睞，但受到電池技術和智能終端自身較高功耗的限制，其不間斷使用時間一般不超過4 h。因此，在家庭或辦公室等室內場景中，用戶時常需要為智能移動通信終端重新充電。此時，移動終端擺脫電能限制，當集成中繼功能后，可切換到中繼模式，為附近其他終端提供中繼服務，最小化發射功率，從而達到省電的目的。

事實上，辦公室等人群密集的室內場景中很容易找到正在充電的移動終端，或者可有意地將某個移動終端維持在充電模式下，并啟用中繼服務，而辦公室中用戶移動較少，即附近用戶的大多數時間可通過中繼終端進行通信，因此本方案達到的省電效果是顯而易見的。

圖2 集成中繼功能的移動終端

1.3 集成中繼的LTE-A移動終端的硬件實現

LTE-A中繼節點一般工作在解碼前傳方式下，需要同時對多路信號進行實時編解碼，需要較大計算量。如果將中繼協議嵌入移動終端的基帶處理器并完成所有運算，勢必大大提高其復雜度，增加芯片功耗。這里，本文引入軟件協助方式來實現中繼服務。

現今智能移動終端大多集成高速通用ARM核心處理多媒體數據，如圖3所示，主頻可達1 GHz。而當LTE-A正式商用時，其性能更將成倍提高，將部分運算交由通用ARM核心完成，以軟件方式實現無線鏈路控制（RLC）、無線資源控制（RRC）等高層中繼協議，則無需對硬件進行太大改動即可集成中繼服務，同時也可增強中繼服務的靈活性，降低設計成本。

圖3 智能終端硬件架構

2 中繼協議

中繼服務協議物理層主要使用同頻分時傳輸的方式進行，基本時隙結構如圖4所示。

終端數據由移動中繼節點解碼后重新編碼并向基站轉發，雙方占用同一信道交替收發數據。由于終端與移動中繼節點通信的發射功率很低，基站可通過空分復用分配終端數據發射時隙，從而不會對系統容量產生太大影響，這在LTE-A的分時模式（TD mode）下是較容易實現的。

LTE-A中繼節點擁有獨立小區ID[1]，即以微基站的形式存在,可發送自己的同步碼、控制信令，能對所管轄終端進行基本管理。中繼節點和基站間的信令交換由獨立信道完成。而終端能夠識別各個中繼節點，進而可選擇駐留穩定性較高的中繼小區。移動中繼節點可通過軟件界面設置相關防火墻，能夠阻止非法接入，并對下屬終端進行接入管理，提供資源分配、優先級分配等。

3 基于V-MIMO技術的多中繼協作傳輸

當附近多個移動終端因接洽電源而啟用中繼模式時，它們的距離一般可大于相關距離，即λ/2，因此可啟用虛擬多進多出（Virtual Multiple Input Multiple Output，V-MIMO）[2]技術與基站連接。這時多個移動中繼節點完成配對后，可在同一信道同時發送數據，由基站根據信號的正交性進行解碼，從而提高系統容量和數據吞吐率。

具體流程為：終端檢測到多個穩定的移動中繼節點時，隨即向多個節點的中繼微小區申請駐留。這些移動中繼節點將向基站申報該駐留信息。當用戶終端激活通信后，基站根據微基站駐留列表對中繼節點進行配對，并向終端反饋編碼方式、數據分配等信令，并最終建立通信。原理圖與基本時隙結構如圖5和圖6所示。

V-MIMO編碼方式根據信道狀況，可選擇正交空時分組碼（STBC）[3]或分層空時碼（V-BLAST）[4]。當信道良好時選用分層空時碼，可顯著提高傳輸速率。當信道較差時選用正交空時分組碼，可降低誤碼率，提高傳輸質量。

4 系統性能仿真

4.1 仿真模型

系統仿真模型如圖7所示，移動終端UE與移動中繼終端RN上行均采用QPSK調制，DFT-s-OFDM多址傳輸。UE發射功率為0～24 dBm，RN使用最大發射功率24 dBm。室外損耗模型采用“Cost231-Hata修正模型”（適用頻率1 500～2 300 MHz）[5-7]。室內損耗模型采用“室內衰減因子模型”[8]。由于UE與RN處于靜止，忽略快衰落因子，如多普勒效應產生的衰落。

仿真參數如表1所示。

表1 仿真模型參數

其中，Cost231-Hata修正模型為

式中：f表示發射頻率，取值2 300 MHz；d表示收發天線距離，取值0.2 km；Hm表示終端高度，取值10 m；Hb表示基站高度，取值50 m。由此可知，200 m處的城市室外路徑損耗約為104.4 dB。室內路徑損耗因子模型為

式中：nSF表示同層損耗因子，取值3.0；PL（d0）表示近地參考距離d0的自由空間衰減值，取值1 m；FAF表示不同層損耗，取值0 dB。由式（2）可得，10 m處的室內路徑損耗約為68 dB。附加室內多徑衰落，取最大值10 dB，合計損耗為78 dB。

4.2 仿真結果及性能分析

Matlab仿真結果如圖8所示，比較終端連接移動中繼節點和未連接移動中繼節點的情況，可見連接移動中繼節點時，終端在較低發射功率條件下可有效降低傳輸誤碼率，保證正常通信。當終端功率提高時，連接中繼的誤碼率則趨近中繼與基站間的誤碼率。

圖8 Matlab仿真結果

5 小結

本文提出了在LTE-A系統下，將中繼功能集成入終端的應用方案，該方案硬件改動較小、部署靈活，能顯著提升特定場景下附近終端的通信性能，降低發射功率，從而達到終端省電的目的。

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