基于LTE-A系統(tǒng)的無線移動(dòng)中繼系統(tǒng)切換算法*

杜 婷，程 浩

（1.成都東軟學(xué)院，四川 成都 611844；2.華為技術(shù)有限公司，四川 成都 611730）

0 引 言

近年來，隨著無線移動(dòng)通信市場的發(fā)展，移動(dòng)用戶數(shù)量飛速增加，業(yè)務(wù)種類和帶寬的需求相應(yīng)地也不斷增加，而現(xiàn)有的通信系統(tǒng)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足未來的用戶需求。以寬帶、高效、全移動(dòng)為特征的新一代寬帶無線移動(dòng)通信網(wǎng)的研究迫在眉睫。因此，3GPP啟動(dòng)了第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)LTE-Advanced（簡稱LTE-A）的技術(shù)征集[1]。

LTE-A系統(tǒng)的一個(gè)特色是在系統(tǒng)中引入了中繼站（Relay Station，RS）。RS的引入，一定程度上提高了信號(hào)的覆蓋范圍，提高了系統(tǒng)容量。MRS增強(qiáng)蜂窩網(wǎng)作為高速率、高覆蓋要求下的一種有效通信方式，成為LTE-A系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)相比，MRS不僅可以擴(kuò)展小區(qū)的覆蓋范圍，消除或減少通信盲點(diǎn)，還可以根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的負(fù)載分布進(jìn)行負(fù)載平衡，轉(zhuǎn)移熱點(diǎn)地區(qū)的業(yè)務(wù)，提高系統(tǒng)的頻譜利用效率。引入MRS可以增加終端接入選擇自由度，節(jié)省終端的發(fā)射功率，從而延長電池壽命。此外，中繼站具有架設(shè)布網(wǎng)方便、運(yùn)營維護(hù)成本低的優(yōu)點(diǎn)[2]。

然而，MRS的引入?yún)s帶來了新的干擾問題。當(dāng)MRS進(jìn)入某小區(qū)覆蓋范圍時(shí)，會(huì)對該小區(qū)基站所轄的用戶造成干擾，同時(shí)基站所發(fā)出的信號(hào)也會(huì)對MRS所轄用戶造成強(qiáng)干擾，從而造成通信中斷等問題，是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不能容忍的。

本文提出了一種MRS的管理方法，可以有效解決上述問題。

1 引入MRS帶來的問題

3GPP的技術(shù)討論定義了兩種類型的中繼：Type I Relay（類型1中繼）和Type II Relay（類型2中繼），并明確指出LTE-A將支持Type I Relay。Type I Relay有自己的小區(qū)ID（Identity）號(hào)，發(fā)送自己的同步信道和參考信號(hào)。對于現(xiàn)有的用戶終端來說，Type I Relay就是一個(gè)基站。Type I Relay可以由網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃安裝在某個(gè)固定位置，也可以根據(jù)需要安裝在移動(dòng)物體上，譬如高速列車上，在移動(dòng)場景下的中繼站稱為移動(dòng)中繼站[2-4]。

中繼的移動(dòng)勢必會(huì)出現(xiàn)當(dāng)MRS靠近基站時(shí)，基站會(huì)對移動(dòng)中繼所屬的用戶產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾，甚至MRS的信號(hào)被基站的信號(hào)所湮沒，從而與用戶無法正常通信以及MRS對基站所屬其他用戶帶來干擾等問題[5]。

如何解決當(dāng)MRS靠近基站時(shí)，基站對MRS所屬的用戶產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾，甚至連MRS的信號(hào)也被基站信號(hào)所湮沒，導(dǎo)致用戶與MRS無法正常通信的問題以及MRS對基站所屬其他用戶產(chǎn)生干擾的問題，目前尚沒有可行的解決方案[6-7]。

2 MRS模式管理方法

2.1 方案概述

本文提出一種無線中繼模式管理系統(tǒng)及方法。MRS可以有激活和休眠兩種工作模式。當(dāng)MRS靠近基站，相互干擾很強(qiáng)時(shí)，MRS可以從激活模式進(jìn)入休眠模式，這時(shí)MRS所屬用戶將全部切換到eNB；當(dāng)MRS遠(yuǎn)離基站，基站無法為MRS所屬用戶提供良好的通信質(zhì)量時(shí)，MRS可以從休眠模式進(jìn)入激活模式，原MRS所屬用戶再全部從eNB切換回到MRS，以保證用戶的正常通信。

MRS處于激活模式時(shí)，MRS作為基站與其所屬用戶保持鏈路的連接，同時(shí)與eNB保持鏈路的連接；MRS處于休眠模式時(shí)，其保持和eNB鏈路的連接，與原所屬用戶的通信鏈路斷開，MRS將不發(fā)送同步信號(hào)、廣播信號(hào)和參考信號(hào)等。系統(tǒng)包括信道監(jiān)控模塊和模式轉(zhuǎn)換模塊。

信道監(jiān)控模塊用以在MRS處于激活模式時(shí)監(jiān)控eNB與MRS下屬用戶的干擾水平，得到第一監(jiān)控值。在MRS處于休眠模式時(shí)，監(jiān)控eNB與MRS原下屬用戶的通信質(zhì)量水平，得到第二監(jiān)控值。信道監(jiān)控模塊可設(shè)置于MRS或/和eNB或/和用戶中；信道監(jiān)控過程由MRS或/和eNB或/和用戶完成。

模式轉(zhuǎn)換模塊用于當(dāng)?shù)谝槐O(jiān)控值或第二監(jiān)控值不滿足設(shè)定門限時(shí)，轉(zhuǎn)換MRS的模式。例如，當(dāng)MRS處于激活模式時(shí)，比較第一監(jiān)控值與設(shè)定的干擾門限值，當(dāng)?shù)谝槐O(jiān)控值達(dá)到設(shè)定的干擾門限值時(shí)，把MRS的模式由激活模式轉(zhuǎn)換為休眠模式。當(dāng)MRS處于休眠模式時(shí)，比較第二監(jiān)控值與設(shè)定的通信質(zhì)量門限值，當(dāng)?shù)诙O(jiān)控值未達(dá)到設(shè)定的通信質(zhì)量門限值時(shí)，把MRS的模式由休眠模式轉(zhuǎn)換為激活模式。文中第一監(jiān)控值、第二監(jiān)控值、干擾門限值、通信質(zhì)量門限值為SNR值、用戶數(shù)據(jù)/信令重傳次數(shù)值、路損值的一種。

2.2 激活到休眠模式

小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)，MRS靠近eNB，相互干擾加強(qiáng)，此時(shí)MRS進(jìn)入休眠模式。圖1（a）、圖1（b）、圖1（c）為MRS從激活模式進(jìn)入休眠模式的流程圖，其觸發(fā)方式分別為MRS自我監(jiān)控判決模式、eNB監(jiān)控判決模式和用戶監(jiān)控MRS判決模式。本文可以采用三種判決方式的任意一種。

圖1揭示了MRS自我監(jiān)控，觸發(fā)MRS從激活模塊轉(zhuǎn)換到休眠模式的流程圖。MRS通過信道監(jiān)控觸發(fā)其工作模式的轉(zhuǎn)換。由MRS自我監(jiān)控并判決的流程如下：

（1）MRS監(jiān)控信道，以此估算eNB對MRS當(dāng)前所屬用戶的干擾水平；

（2）通過監(jiān)聽到的信道情況，MRS得出一個(gè)監(jiān)控值。MRS將此值與既定監(jiān)測值進(jìn)行比較，從而判決是否需要休眠；

（3）MRS若判定需要休眠，則向eNB發(fā)出休眠請求信號(hào)；

（4）eNB收到MRS發(fā)來的休眠請求信號(hào)后，分析是否有能力接納當(dāng)前MRS下屬的所有用戶到自己的切換；

（5）如果eNB判決接納MRS當(dāng)前所屬所有用戶到自己的切換，則進(jìn)行切換準(zhǔn)備，并向MRS發(fā)出休眠確認(rèn)信號(hào)；

（6）MRS收到eNB的休眠確認(rèn)信號(hào)后，向用戶發(fā)出信號(hào)，通知用戶準(zhǔn)備切換；

（7）執(zhí)行MRS當(dāng)前所屬用戶切換到eNB的進(jìn)程；

（8）所有用戶切換完畢后，MRS進(jìn)入休眠模式。

圖1 激活到休眠模式（MRS自我監(jiān)控判決）

圖2 揭示了eNB通過監(jiān)控信道，觸發(fā)MRS從激活模塊轉(zhuǎn)換到休眠模式的流程圖。由eNB監(jiān)控并判決的流程如下：

（1）eNB監(jiān)控信道，以此估算eNB對MRS下屬用戶的干擾水平；

（2）通過監(jiān)聽的信道情況，eNB得出一個(gè)監(jiān)控值。eNB將此值與既定監(jiān)測值進(jìn)行比較，從而判決是否需要休眠（監(jiān)控值、監(jiān)測值的獲取遵照上述規(guī)則）；

（3）eNB判決休眠后，向MRS發(fā)出指示休眠信號(hào)；

（4）MRS收到信息后，向eNB反饋確認(rèn)信號(hào)；

（5）eNB收到確認(rèn)信號(hào)后，進(jìn)入切換準(zhǔn)備模式；

（6）MRS向用戶發(fā)出信號(hào)，要求用戶準(zhǔn)備切換；

（7）執(zhí)行MRS當(dāng)前所屬用戶切換到eNB的進(jìn)程；

（8）所有用戶切換完畢后，MRS進(jìn)入休眠模式。

圖2 激活到休眠模式（eNB自我監(jiān)控判決）

圖3 揭示了由用戶監(jiān)控信道質(zhì)量，觸發(fā)MRS從激活模塊轉(zhuǎn)換到休眠模式的流程圖。由MRS當(dāng)前所屬用戶進(jìn)行信道測量后反饋測量報(bào)告給MRS，以此測量報(bào)告來獲得其下屬用戶受到相鄰eNB的干擾情況，觸發(fā)MRS工作模式的轉(zhuǎn)換。由用戶監(jiān)控MRS判決的流程如下：

（1）用戶監(jiān)控信道，以此估算eNB對MRS下屬用戶的干擾水平；

（2）用戶上報(bào)測量報(bào)告給MRS；

（3）根據(jù)測量報(bào)告，MRS整理分析得出一個(gè)監(jiān)控值。MRS將此值與既定監(jiān)測值進(jìn)行比較，從而判決是否需要休眠（監(jiān)控值、監(jiān)測值的獲取遵照上述規(guī)則）；

（4）MRS判決需要休眠后，向eNB發(fā)出休眠請求信號(hào)；

（5）eNB收到請求信號(hào)后，判決是否有能力切換MRS所屬當(dāng)前所有用戶，eNB若判決同意MRS休眠，則進(jìn)入切換準(zhǔn)備模式，轉(zhuǎn)步驟（6）；

（6）eNB向MRS發(fā)出信號(hào)指示MRS休眠；

（7）MRS收到信號(hào)后，通知用戶進(jìn)入切換準(zhǔn)備模式；

（8）執(zhí)行MRS當(dāng)前所屬用戶切換到eNB的進(jìn)程；

（9）所有用戶切換完畢后，MRS進(jìn)入休眠模式。

圖3 激活到休眠模式（用戶監(jiān)控判決）

2.3 MRS從休眠模式進(jìn)入激活模式

在小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)，MRS開始遠(yuǎn)離eNB，eNB無法為用戶提供良好的通信質(zhì)量，則MRS從休眠轉(zhuǎn)換到激活模式。圖4、圖5、圖6為MRS從休眠模式進(jìn)入激活模式的流程圖，其觸發(fā)方式分別為MRS自我監(jiān)控判決模式、eNB監(jiān)控判決模式和用戶監(jiān)控MRS判決模式。本文可以采用三種判決方式的任意一種。

圖4揭示了MRS自我監(jiān)控，觸發(fā)MRS從休眠模式轉(zhuǎn)換到激活模式的流程圖。MRS通過信道監(jiān)控，觸發(fā)其工作模式的轉(zhuǎn)換。由MRS自我監(jiān)控并判決的流程如下：

（1）MRS監(jiān)控信道，以此估算MRS原所屬用戶與eNB之間通信質(zhì)量的水平；

（2）通過監(jiān)聽得到的參數(shù)，MRS估算一個(gè)監(jiān)控值。MRS將此值與既定監(jiān)測值進(jìn)行比較，從而判決是否需要激活；

（3）MRS判決激活后，向eNB發(fā)出請求激活信號(hào)；

（4）eNB收到信息后進(jìn)行分析，從而判決是否同意MRS激活；

（5）若eNB判決同意MRS激活，則向MRS發(fā)出確認(rèn)信號(hào)；

（6）MRS激活；

（7）MRS發(fā)出信號(hào)觸發(fā)eNB準(zhǔn)備切換；

（8）eNB觸發(fā)后開始搜索數(shù)據(jù)庫，整理先前與MRS相連的用戶信息，并進(jìn)入準(zhǔn)備切換模式；

（9）eNB進(jìn)入切換模式后向用戶發(fā)出信號(hào)，通知用戶準(zhǔn)備切換；

（10）執(zhí)行原MRS原所屬用戶切換回MRS的進(jìn)程；

（11）所有用戶切換完畢后，eNB釋放資源。

圖4 休眠到激活模式（MRS自我監(jiān)控判決）

圖5 揭示了eNB通過監(jiān)控信道，觸發(fā)MRS從休眠模式轉(zhuǎn)換到激活模式的流程圖。由eNB監(jiān)控并判決的流程如下：

（1）eNB監(jiān)控信道，以此估算用戶通信質(zhì)量的水平；

（2）通過監(jiān)聽得到的參數(shù)，eNB得出一個(gè)監(jiān)控值。eNB將此值與既定監(jiān)測值進(jìn)行比較，從而判決是否需要激活（監(jiān)控值、監(jiān)測值的獲取遵照上述規(guī)則）；

（3）eNB判決激活后，向MRS發(fā)出請求激活信號(hào)；

（4）MRS收到信號(hào)后激活；

（5）MRS激活后向eNB發(fā)出信號(hào)，觸發(fā)eNB切換；

（6）eNB觸發(fā)后開始搜索數(shù)據(jù)庫，整理先前與MRS相連的用戶信息，并進(jìn)入準(zhǔn)備切換模式；

（7）eNB進(jìn)入切換模式后向用戶發(fā)出信號(hào)，通知用戶準(zhǔn)備切換；

（8）執(zhí)行MRS原所屬用戶切換回MRS的進(jìn)程；

（9）所有用戶切換完畢后，eNB釋放資源。

圖5 休眠到激活模式（eNB自我監(jiān)控判決）

圖6 揭示了由用戶監(jiān)控信道質(zhì)量，觸發(fā)MRS從休眠模式轉(zhuǎn)換到激活模式的流程圖。由MRS原所屬用戶進(jìn)行相鄰小區(qū)測量并反饋測量報(bào)告給eNB，eNB通過該測量報(bào)告獲知用戶的通信質(zhì)量的水平，做出判決觸發(fā)MRS工作模式的轉(zhuǎn)換。由用戶監(jiān)控eNB判決的流程如下：

（1）MRS原所屬用戶監(jiān)控信道得出測量報(bào)告；

（2）MRS原所屬用戶上報(bào)測量報(bào)告給eNB；

（3）eNB通過用戶上報(bào)的測量報(bào)告，估出一個(gè)監(jiān)控值。eNB將此值與既定監(jiān)測值進(jìn)行比較，從而判決是否需要激活（監(jiān)控值、監(jiān)測值的獲取遵照上述規(guī)則）；

（4）eNB判決激活后，向MRS發(fā)出指示激活信號(hào)；

（5）MRS收到信號(hào)后激活；

（6）MRS激活后向eNB發(fā)出信號(hào)，觸發(fā)eNB切換；

（7）eNB觸發(fā)后開始搜索數(shù)據(jù)庫，整理先前與MRS相連的用戶信息，并進(jìn)入準(zhǔn)備切換模式；

（8）eNB進(jìn)入切換模式后向用戶發(fā)出信號(hào)，通知用戶準(zhǔn)備切換；

（9）執(zhí)行MRS原所屬用戶切換回MRS的進(jìn)程；

（10）所有用戶切換完畢后，eNB釋放資源。

圖6 休眠到激活模式（用戶自我監(jiān)控判決）

3 結(jié) 語

綜上所述，該技術(shù)面向第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)，適用于LTE-A系統(tǒng)，也適用于其他使用了Relay的無線通信系統(tǒng)。該技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）由于移動(dòng)中繼系統(tǒng)采用了休眠模式，即MRS保持和eNB之間的通信，同時(shí)斷開與用戶的通信，這樣當(dāng)MRS靠近小區(qū)基站時(shí)，既避免了eNB的干擾，又節(jié)省了MRS的能源消耗，同時(shí)保持了與eNB間的通信，避免了MRS從休眠模式到激活時(shí)與eNB重新建立連接，從而減小了用戶群切換帶來的延遲，保證了用戶間的通信質(zhì)量；（2）當(dāng)MRS遠(yuǎn)離eNB時(shí)，eNB對MRS原所屬用戶的控制減弱，當(dāng)eNB不能為這些用戶提供良好的通信質(zhì)量時(shí)，MRS將從休眠轉(zhuǎn)化為激活模式，使用戶全部從eNB切換到MRS，以保證用戶的正常通信，從而eNB不僅擴(kuò)大了覆蓋范圍，而且釋放了分配給這些用戶的資源，一方面保證了MRS原所屬用戶的通信質(zhì)量，另一方面節(jié)省了eNB的資源。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭毅,李中年,王亞峰等.LTE-A系統(tǒng)中繼技術(shù)的研究[J].現(xiàn)代電信科技,2009,39(06)：45-49.ZHENG Yi,LI Zhong-nian,WANG Ya-feng,et al.Research on Relay Technology of LTE-A System[J].Modern Telecommunication Science and Technology,2009,39(06)：45-49.

[2] 3GPP R3-092314.Consideration on Multiple-hop of Type 1 Relay[S].Japan：TSG RAN WG3 #65bis,2009.

[3] 3GPP R3-112821.Analysis on Mobile Relay Functionalities[S].USA：TSG RAN WG3#74,2011.

[4] 3GPP TR 36.806 v9.0.0 Relay Architectures for E-UTRA(LTE-Advanced)[S].2010.

[5] 3GPP R3-112838.Consideration on Mobile Relay Solutions[S].USA：TSG-RAN WG3 #74,2011.

[6] 3GPP R3-112399.Target Deployment Scenario for Mobile Relay[S].China：TSG RAN WG3 Meeting#73bis,2011.

[7] 3GPP R3-112930.Requirements on Mobile Relay Architecture[S].USA：TSG RAN WG3 Meeting #74,2011.