基于le-a協(xié)議的移動(dòng)終端中繼技術(shù)研究

基于le-a協(xié)議的移動(dòng)終端中繼技術(shù)研究

0通信速率的選擇作為lta的發(fā)展版本，lt-a可以滿足未來無線通信市場的更高需求和更多應(yīng)用，以滿足或超過imt的需求，并保持對lt的良好橫向兼容。LTE-A將提供1Gbit/s的下行速率和500Mbit/s的上行速率,成為4G通信技術(shù)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(shí),由于需要啟用5GHz及以上頻率,電磁波衍射能力減弱導(dǎo)致小區(qū)覆蓋縮小的問題也不容忽視。特別是在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下,終端設(shè)備需要使用更高發(fā)射功率以保證通信穩(wěn)定可靠,使其功率增加,待機(jī)時(shí)間得不到保證。中繼技術(shù)可通過信號接力的方式“拉近”終端和基站的距離,增強(qiáng)高速率下的信號覆蓋,提升由建筑阻擋產(chǎn)生的深衰落區(qū)域的信號水平,3GPP已將其納入LTE-A協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)之一。1基于端點(diǎn)技術(shù)的終端省級技術(shù)1.1節(jié)點(diǎn)內(nèi)部分設(shè)備安裝不便捷如圖1所示,在家庭或辦公室等移動(dòng)終端(UE)相對固定的場景部署中繼節(jié)點(diǎn)(RN),移動(dòng)終端僅需與中繼節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù),由中繼節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至基站(eNodeB),移動(dòng)終端通信距離大大縮短,有效降低其發(fā)射功率。不過購置中繼設(shè)備不但會提高LTE-A系統(tǒng)的使用成本和維護(hù)成本,而且為每個(gè)辦公室添置中繼設(shè)備也是不現(xiàn)實(shí)和不便捷的。由此,本文提出將中繼技術(shù)集成于移動(dòng)終端內(nèi)部,在特定環(huán)境下為附近的其他用戶提供中繼服務(wù),以降低部署中繼器的成本,提高便利性和靈活性,并達(dá)到為附近用戶省電的目的。1.2能為智能移動(dòng)通信終端新充電將中繼功能集成進(jìn)LTE-A移動(dòng)終端的最大障礙是電能問題。移動(dòng)終端通常使用電池供電,無法支持啟用中繼服務(wù)所需的較大功耗。因此,本方案定義在移動(dòng)終端處于充電狀態(tài)時(shí)啟用中繼服務(wù),斷開電源時(shí)自動(dòng)結(jié)束服務(wù),從而避開電能問題,如圖2所示?，F(xiàn)今的智能移動(dòng)通信終端(如智能手機(jī))因內(nèi)建操作系統(tǒng),功能強(qiáng)大而受到越來越多用戶的青睞,但受到電池技術(shù)和智能終端自身較高功耗的限制,其不間斷使用時(shí)間一般不超過4h。因此,在家庭或辦公室等室內(nèi)場景中,用戶時(shí)常需要為智能移動(dòng)通信終端重新充電。此時(shí),移動(dòng)終端擺脫電能限制,當(dāng)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(wù),最小化發(fā)射功率,從而達(dá)到省電的目的。事實(shí)上,辦公室等人群密集的室內(nèi)場景中很容易找到正在充電的移動(dòng)終端,或者可有意地將某個(gè)移動(dòng)終端維持在充電模式下,并啟用中繼服務(wù),而辦公室中用戶移動(dòng)較少,即附近用戶的大多數(shù)時(shí)間可通過中繼終端進(jìn)行通信,因此本方案達(dá)到的省電效果是顯而易見的。1.3網(wǎng)絡(luò)模型及實(shí)現(xiàn)LTE-A中繼節(jié)點(diǎn)一般工作在解碼前傳方式下,需要同時(shí)對多路信號進(jìn)行實(shí)時(shí)編解碼,需要較大計(jì)算量。如果將中繼協(xié)議嵌入移動(dòng)終端的基帶處理器并完成所有運(yùn)算,勢必大大提高其復(fù)雜度,增加芯片功耗。這里,本文引入軟件協(xié)助方式來實(shí)現(xiàn)中繼服務(wù)?，F(xiàn)今智能移動(dòng)終端大多集成高速通用ARM核心處理多媒體數(shù)據(jù),如圖3所示,主頻可達(dá)1GHz。而當(dāng)LTE-A正式商用時(shí),其性能更將成倍提高,將部分運(yùn)算交由通用ARM核心完成,以軟件方式實(shí)現(xiàn)無線鏈路控制(RLC)、無線資源控制(RRC)等高層中繼協(xié)議,則無需對硬件進(jìn)行太大改動(dòng)即可集成中繼服務(wù),同時(shí)也可增強(qiáng)中繼服務(wù)的靈活性,降低設(shè)計(jì)成本。2tdmote-a中節(jié)點(diǎn)通信中繼服務(wù)協(xié)議物理層主要使用同頻分時(shí)傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行,基本時(shí)隙結(jié)構(gòu)如圖4所示。終端數(shù)據(jù)由移動(dòng)中繼節(jié)點(diǎn)解碼后重新編碼并向基站轉(zhuǎn)發(fā),雙方占用同一信道交替收發(fā)數(shù)據(jù)。由于終端與移動(dòng)中繼節(jié)點(diǎn)通信的發(fā)射功率很低,基站可通過空分復(fù)用分配終端數(shù)據(jù)發(fā)射時(shí)隙,從而不會對系統(tǒng)容量產(chǎn)生太大影響,這在LTE-A的分時(shí)模式(TDmode)下是較容易實(shí)現(xiàn)的。LTE-A中繼節(jié)點(diǎn)擁有獨(dú)立小區(qū)ID,即以微基站的形式存在,可發(fā)送自己的同步碼、控制信令,能對所管轄終端進(jìn)行基本管理。中繼節(jié)點(diǎn)和基站間的信令交換由獨(dú)立信道完成。而終端能夠識別各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn),進(jìn)而可選擇駐留穩(wěn)定性較高的中繼小區(qū)。移動(dòng)中繼節(jié)點(diǎn)可通過軟件界面設(shè)置相關(guān)防火墻,能夠阻止非法接入,并對下屬終端進(jìn)行接入管理,提供資源分配、優(yōu)先級分配等。3移動(dòng)部分節(jié)點(diǎn)與基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的連接當(dāng)附近多個(gè)移動(dòng)終端因接洽電源而啟用中繼模式時(shí),它們的距離一般可大于相關(guān)距離,即λ/2,因此可啟用虛擬多進(jìn)多出(VirtualMultipleInputMultipleOutput,V-MIMO)技術(shù)與基站連接。這時(shí)多個(gè)移動(dòng)中繼節(jié)點(diǎn)完成配對后,可在同一信道同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù),由基站根據(jù)信號的正交性進(jìn)行解碼,從而提高系統(tǒng)容量和數(shù)據(jù)吞吐率。具體流程為:終端檢測到多個(gè)穩(wěn)定的移動(dòng)中繼節(jié)點(diǎn)時(shí),隨即向多個(gè)節(jié)點(diǎn)的中繼微小區(qū)申請駐留。這些移動(dòng)中繼節(jié)點(diǎn)將向基站申報(bào)該駐留信息。當(dāng)用戶終端激活通信后,基站根據(jù)微基站駐留列表對中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配對,并向終端反饋編碼方式、數(shù)據(jù)分配等信令,并最終建立通信。原理圖與基本時(shí)隙結(jié)構(gòu)如圖5和圖6所示。V-MIMO編碼方式根據(jù)信道狀況,可選擇正交空時(shí)分組碼(STBC)或分層空時(shí)碼(V-BLAST)。當(dāng)信道良好時(shí)選用分層空時(shí)碼,可顯著提高傳輸速率。當(dāng)信道較差時(shí)選用正交空時(shí)分組碼,可降低誤碼率,提高傳輸質(zhì)量。4系統(tǒng)性能模擬4.1室內(nèi)路徑損耗模型系統(tǒng)仿真模型如圖7所示,移動(dòng)終端UE與移動(dòng)中繼終端RN上行均采用QPSK調(diào)制,DFT-s-OFDM多址傳輸。UE發(fā)射功率為0~24dBm,RN使用最大發(fā)射功率24dBm。室外損耗模型采用“Cost231-Hata修正模型”(適用頻率1500~2300MHz)。室內(nèi)損耗模型采用“室內(nèi)衰減因子模型”。由于UE與RN處于靜止,忽略快衰落因子,如多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的衰落。仿真參數(shù)如表1所示。其中,Cost231-Hata修正模型為式中:f表示發(fā)射頻率,取值2300MHz;d表示收發(fā)天線距離,取值0.2km;Hm表示終端高度,取值10m;Hb表示基站高度,取值50m。由此可知,200m處的城市室外路徑損耗約為104.4dB。室內(nèi)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1m;FAF表示不同層損耗,取值0dB。由式(2)可得,10m處的室內(nèi)路徑損耗約為68dB。附加室內(nèi)多徑衰落,取最大值10dB,合計(jì)損耗為78dB。4.2移動(dòng)中性節(jié)點(diǎn)的通信Matlab仿真結(jié)果如圖8所示,比較終端連接移動(dòng)中繼節(jié)點(diǎn)和未連接移動(dòng)中繼節(jié)點(diǎn)的情況,可見連接移動(dòng)中繼節(jié)點(diǎn)時(shí),終端在較低發(fā)射功率條件下可有效降