《移動(dòng)通信信號(hào)室內(nèi)覆蓋原理及工程設(shè)計(jì)》課件第7章

第7章中繼技術(shù)7.12G引入中繼技術(shù)7.22G直放站的種類7.3直放站噪聲引入分析7.43G系統(tǒng)的中斷技術(shù)7.5LTE-A的中繼技術(shù)7.12G引入中繼技術(shù)

公眾蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)自20世紀(jì)80年代投入商用以來(lái)，業(yè)務(wù)量急劇增長(zhǎng)，移動(dòng)通信技術(shù)也幾乎每十年更新一代。有效的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋是蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)提供良好體驗(yàn)服務(wù)的首要條件，而無(wú)線基站是提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的首要基礎(chǔ)。由于無(wú)線電波在傳播環(huán)境中存在路徑損耗，使得在某些場(chǎng)所無(wú)線信號(hào)較弱或者信噪比較差，不能滿足通信需要。而在這些場(chǎng)所建設(shè)無(wú)線基站或者缺少資源條件，或者投入產(chǎn)出嚴(yán)重不匹配。因此，蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需要一種低成本、低配套資源、快速部署的無(wú)線信號(hào)擴(kuò)展設(shè)備，也就是無(wú)線中繼設(shè)備。

第1代移動(dòng)通信系統(tǒng)是在20世紀(jì)80年代作為新興技術(shù)出現(xiàn)的，其終端設(shè)備價(jià)格昂貴，用戶規(guī)模少。由于它采用了模擬技術(shù)，所以用戶容量低，安全性差，抗干擾能力弱，且該通信系統(tǒng)制式眾多，兼容性差。因此，第1代移動(dòng)通信系統(tǒng)的深度覆蓋和無(wú)縫覆蓋還不是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主要矛盾。

在2G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)實(shí)踐中，良好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋是2G時(shí)代市場(chǎng)最基本的需求。為了實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，需要解決海量的網(wǎng)絡(luò)弱無(wú)覆蓋問(wèn)題，因此一種低成本、低配套資源、快速部署的覆蓋延伸設(shè)備被大規(guī)模地引入到2G網(wǎng)絡(luò)中。

由于2G移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并沒(méi)有定義中繼設(shè)備這樣的網(wǎng)元，因此第2代移動(dòng)通信系統(tǒng)中所采用的中繼設(shè)備只能是對(duì)雙向無(wú)線信號(hào)進(jìn)行接收放大和直接轉(zhuǎn)發(fā)，這種設(shè)備被稱為直接放大中繼站，簡(jiǎn)稱直放站。

直放站被放置在基站和移動(dòng)臺(tái)之間，起信號(hào)的雙向增強(qiáng)作用。

7.2

2G直放站的種類

1.無(wú)線寬頻直放站

無(wú)線寬頻直放站為最基本的直放站，見(jiàn)圖7.1。無(wú)線寬頻直放站一般被放置在基站覆蓋范圍的邊緣，放大基站和手機(jī)的信號(hào)。被直放站放大信號(hào)的基站稱為施主基站，直放站面向施主基站的天線稱為施主天線，面向手機(jī)用戶的天線稱為服務(wù)天線。圖7.1無(wú)線直放站

無(wú)線寬頻直放站通過(guò)施主天線接收施主基站下行射頻信號(hào)，經(jīng)直放站設(shè)備內(nèi)部射頻放大后，在服務(wù)天線上面向施主基站無(wú)法直接覆蓋的目標(biāo)區(qū)域發(fā)射，這樣就延伸了施主基站的覆蓋范圍。同理，在上行鏈路上，直放站的服務(wù)天線接收施主基站不能直接覆蓋的區(qū)域中的用戶信號(hào)，經(jīng)內(nèi)部放大后，在施主天線上發(fā)送給施主基站。

選用天線寬頻直放站作為信號(hào)源的室內(nèi)分布系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）采用空間信號(hào)耦合、直接放大方式，為透明信道；

（2）輸出端一般連接室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)，工程選點(diǎn)無(wú)需考慮直放站收發(fā)天線的隔離；

（3）設(shè)備安裝簡(jiǎn)單；

（4）投資少，見(jiàn)效快，無(wú)需使用傳輸電路；

（5）增益較小，輸入功率不能過(guò)大、輸出功率也較??；

（6）工作帶寬較寬，一般為2~19MHz；

（7）不受施主小區(qū)的載波數(shù)、跳頻方式和基站擴(kuò)容的限制；

（8）互調(diào)干擾和噪聲電平較大；

（9）適用于干擾較少、話務(wù)量不高、面積不大的小型室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)。

2.無(wú)線選頻直放站

無(wú)線選頻直放站的下行通過(guò)無(wú)線耦合施主基站信號(hào)，并對(duì)施主基站信號(hào)進(jìn)行載波選頻放大，對(duì)其他無(wú)關(guān)的信號(hào)則濾除抑制，然后將信號(hào)饋入服務(wù)天線或天饋分布系統(tǒng)；上行則相反，直放站從服務(wù)天線或天饋分布系統(tǒng)拾取手機(jī)信號(hào)，經(jīng)載波選頻放大后，由施主天線發(fā)射給基站接收。圖7.2所示為選頻直放站的內(nèi)部原理框圖。圖7.2選頻直放站的內(nèi)部原理框圖

2.無(wú)線選頻直放站

選用無(wú)線選頻直放站作為信號(hào)源的室內(nèi)分布系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）采用空間信號(hào)耦合、直接放大方式，為透明信道。

（2）輸出端一般連接室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)，工程選點(diǎn)無(wú)需考慮直放站收發(fā)天線的隔離。

（3）設(shè)備安裝簡(jiǎn)單。

（4）投資少，見(jiàn)效快，無(wú)需使用傳輸電路。

（5）增益較小，輸入功率不能過(guò)大，輸出功率也較小。

（6）只對(duì)選定的載波進(jìn)行放大，一般可放大1~4個(gè)載波信號(hào)，價(jià)格較高。

（7）受施主小區(qū)的載波數(shù)、跳頻方式和擴(kuò)容的限制。

（8）互調(diào)干擾和噪聲電平較小。

（9）可用于施主小區(qū)載波數(shù)較少且不采用跳頻技術(shù)、話務(wù)量不高、面積不大的小型室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)。

3.光纖傳輸直放站

光纖傳輸直放站近端主設(shè)備直接耦合施主基站信號(hào)后，通過(guò)近端主設(shè)備將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，再經(jīng)由光纖傳輸?shù)礁采w目標(biāo)區(qū)的遠(yuǎn)端設(shè)備，最后遠(yuǎn)端設(shè)備完成光電轉(zhuǎn)換、放大和輻射（或饋入天饋分布系統(tǒng)），擴(kuò)大基站覆蓋范圍。上行則相反。光纖傳輸直放站也分為寬帶和選頻兩種。光纖傳輸直放站如圖7.3所示。圖7.3光纖傳輸直放站

選用光纖直放站作為信源的室內(nèi)分布系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）采用基站直接耦合方式，經(jīng)光纖中繼設(shè)備將信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端覆蓋區(qū)，光纖中繼距離在20km以內(nèi)。

（2）輸出信號(hào)頻率與輸入信號(hào)頻率相同，為透明信道。

（3）不存在直放站收發(fā)隔離問(wèn)題，選點(diǎn)方便。

（4）價(jià)格較高，需要租用或自行鋪設(shè)光纖。

（5）主機(jī)增益較小。

（6）互調(diào)干擾較小，噪聲電平較大。

（7）一個(gè)光中繼設(shè)備可同時(shí)與多個(gè)覆蓋端機(jī)連接，覆蓋范圍較大。

（8）適用于無(wú)法使用無(wú)線直放站、空閑小區(qū)離覆蓋目標(biāo)較遠(yuǎn)、有光纖資源、話務(wù)量不高、面積不大的室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)。

7.3直放站噪聲引入分析

1.基站底噪抬升分析

設(shè)直放站的上行輸出噪聲電平為（7.1）其中,PREP-noise為直放站上行輸出噪聲電平，單位為dB；K為波耳茲曼常數(shù)；T為開(kāi)爾文溫度；B為直放站通帶寬度；FREP為直放站噪聲系數(shù)，單位為dB；GREP為直放站的上行增益，單位為dB。

該上行噪聲電平經(jīng)過(guò)上行路徑損耗后到達(dá)施主基站接收機(jī)，則直放站引入到基站接收機(jī)的噪聲電平為（7.2）其中,

Ld是指從直放站的上行輸出口到基站接收端口間的總路徑損耗，單位為dB。以無(wú)線直放站為例，它應(yīng)包括直放站饋線損耗、直放站施主天線增益、空間傳播損耗、基站天線增益、基站饋線損耗等。

由于直放站噪聲的引入，在基站輸入端的輸入噪聲將是基站原噪聲和直放站引入噪聲之和,即其中,

PBTS-noise=10lg(KTB)+FBTS為基站的原噪聲電平，單位為dB；FBTS為基站的噪聲系數(shù)，單位為dB。直放站引入后基站輸入端的噪聲增量為(7.4)

2.上行串聯(lián)噪聲分析

直放站與施主基站的串聯(lián)連接,可以等效為直放站、直放站的上行輸出口到基站接收端口間的總路徑、基站三個(gè)串聯(lián)的放大器，因此串聯(lián)后總的噪聲系統(tǒng)為(7.5)其中,NFREP-up為直放站上行噪聲系數(shù)；GREP-up為直放站上行增益；NFPL為直放站的上行輸出口到基站接收端口間的總路徑的噪聲系數(shù)，GPL為直放站的上行輸出口到基站接收端口間的總路徑的增益；NFBTS為基站的噪聲系數(shù)。

因?yàn)橹狈耪镜纳闲休敵隹诘交窘邮斩丝陂g的總路徑可以等效為線性系統(tǒng)，因此NFPL·GPL=1，上式變換為(7.6)在無(wú)線直放站覆蓋區(qū)，在考慮上行鏈路功率預(yù)算時(shí)，原先用于基站上行鏈路功率預(yù)算的基站接收機(jī)噪聲系數(shù)被串聯(lián)后的總噪聲系數(shù)取代（得到的是無(wú)線直放站的覆蓋半徑）。串聯(lián)系統(tǒng)的等效底噪增量為

分析表明,當(dāng)直放站位置固定時(shí)，直放站上行增益越小，對(duì)施主基站的底噪抬升影響越小，但對(duì)直放站串聯(lián)后的系統(tǒng)底噪抬升影響越大；直放站上行增益越大，對(duì)施主基站的底噪抬升影響越大，但對(duì)直放站串聯(lián)后的系統(tǒng)底噪抬升影響越小。因此，必須合理設(shè)置直放站的上行增益，使得對(duì)施主基站和直放站自身的影響達(dá)到平衡。

3.下行噪聲分析

參考上行鏈路的分析方法,移動(dòng)臺(tái)的底噪抬升為(7.9)

因此，直放站的引入對(duì)離直放站較遠(yuǎn)的移動(dòng)臺(tái)的底噪抬升影響不大，一般可以忽略。離直放站較近的移動(dòng)臺(tái)，固然存在底噪抬升問(wèn)題，但是因?yàn)橐苿?dòng)臺(tái)離直放站較近，信號(hào)較強(qiáng)，也不會(huì)影響移動(dòng)臺(tái)的正常工作。

對(duì)于由直放站、直放站的下行輸出口到移動(dòng)臺(tái)接收端口間的總路徑和移動(dòng)臺(tái)構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)，它的噪聲系數(shù)為(7.11)

7.43G系統(tǒng)的中繼技術(shù)

在中繼技術(shù)上，第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用延續(xù)了第2代移動(dòng)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)。它在3G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)協(xié)議上也沒(méi)有定義中繼設(shè)備。在現(xiàn)網(wǎng)中，3G直放站的使用要明顯少于2G直放站，主要原因有：

（1）3個(gè)3G系統(tǒng)都基于CDMA技術(shù)，CDMA是一種自干擾系統(tǒng)，3G直放站的部署使得網(wǎng)絡(luò)干擾變得更為復(fù)雜，因此在3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)，應(yīng)更加謹(jǐn)慎地使用直放站。

（2）3G基站逐漸由一體化基站演變?yōu)榉植际交?，即BBU+RRU架構(gòu)。在一些場(chǎng)合，拉遠(yuǎn)的RRU可以替代直放站延伸覆蓋的要求；同時(shí)，拉遠(yuǎn)的RRU可以獨(dú)立成為一個(gè)小區(qū)，也可以與相鄰的RRU覆蓋區(qū)合并為一個(gè)小區(qū)。因此，只要光纖資源允許，采用RRU在容量、干擾等問(wèn)題上具有更多優(yōu)勢(shì)。

（3）在同等天線掛高的情況下，3G基站的覆蓋半徑要小于2G基站的覆蓋半徑。在3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)，對(duì)于業(yè)務(wù)量少的廣大農(nóng)村和山村地區(qū)沒(méi)有做3G網(wǎng)絡(luò)連接覆蓋，而是依賴良好連續(xù)覆蓋的2G網(wǎng)絡(luò)，做好3G/2G網(wǎng)絡(luò)間的業(yè)務(wù)切換，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)不掉線。這樣就少用了許多3G直放站。

但作為低成本、低配套資源、部署快速靈活的延伸覆蓋設(shè)備，在不引起更多干擾問(wèn)題的某些場(chǎng)合，3G直放站依然被大量使用。例如，單純的電梯覆蓋及室內(nèi)分布系統(tǒng)2G/3G兼容改造中，特別是原2G系統(tǒng)使用了2G干放的，一般會(huì)用到3G干放。3G網(wǎng)絡(luò)中常用的中繼設(shè)備為無(wú)線直放站、干線放大器等。

3GLTE主要是應(yīng)對(duì)WIMAX技術(shù)的挑戰(zhàn)和滿足數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不斷增長(zhǎng)的需求而提出的，提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐率是LTE的首要目標(biāo)，因此在LTE的首個(gè)版本3GPPrelease8中也沒(méi)有定義中繼節(jié)點(diǎn)。在LTE網(wǎng)絡(luò)中使用較廣的車載LTE-Fi,是一種移動(dòng)前置終端設(shè)備。它的回程利用LTE網(wǎng)絡(luò)，對(duì)外提供WiFi接入服務(wù)，而不是提供LTE接入，因此LTE-Fi不是嚴(yán)格意義的LTE網(wǎng)絡(luò)中繼設(shè)備。但從服務(wù)延伸的角度看，它是一種廣義上的中繼設(shè)備。

7.5LTE-A的中繼技術(shù)

1.LTE-A的中繼需求

隨著現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，頻譜資源已經(jīng)變得格外緊張。為了達(dá)到3GPPLTE-A制定的高速無(wú)線寬帶接入的設(shè)計(jì)目標(biāo)，根據(jù)現(xiàn)有的頻譜分配方案，獲得容量的大寬帶頻譜在較高頻段，而該頻段路徑損耗和穿透損耗都較大，很難實(shí)現(xiàn)好的覆蓋。中繼技術(shù)（Relay）作為L(zhǎng)TE-Advanced系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)可以很好地解決這一問(wèn)題，它為小區(qū)帶來(lái)更高的資源利用率，更好的鏈路性能，更大的覆蓋范圍和系統(tǒng)容量以及更廉價(jià)的建網(wǎng)成本。

在3GPPrelease9階段開(kāi)始了中繼設(shè)備引入網(wǎng)絡(luò)的討論，并在3GPPrelease10(LTEAdvanced/4G)中正式對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了定義。

3GPP認(rèn)為在未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)過(guò)程中，有7類場(chǎng)景需要用到中繼節(jié)點(diǎn)，見(jiàn)表7.1。相對(duì)以前的中繼節(jié)點(diǎn)，未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點(diǎn)可以是游牧的，甚至是移動(dòng)的。研究認(rèn)為城區(qū)數(shù)據(jù)熱點(diǎn)場(chǎng)景最需要建設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)，以增強(qiáng)覆蓋與數(shù)據(jù)吞吐量；封閉盲點(diǎn)場(chǎng)景是指相對(duì)封閉的建筑物內(nèi)需要信號(hào)中繼，如電梯井的覆蓋；僅為無(wú)線回程場(chǎng)景是指為其他接入提供回程鏈路，而中繼節(jié)點(diǎn)通常是固定的，但也有移動(dòng)的，如車載LTE-FI在移動(dòng)中提供中繼服務(wù)；組移動(dòng)場(chǎng)景是指一組用戶在客車和客列等內(nèi)隨車移動(dòng)的過(guò)程中，車載中繼節(jié)點(diǎn)的施主天線在車外收發(fā)基站信號(hào)，服務(wù)天線在車內(nèi)收發(fā)用戶信號(hào)，完成信號(hào)中繼，以提供更好的信號(hào)質(zhì)量。

2.中繼工作模式

（1）按照回程鏈路和接入鏈路使用頻譜分類，中繼節(jié)點(diǎn)有兩種工作模式：

①帶內(nèi)中繼：eNB-relay鏈路與relay-UE鏈路共享載頻。

②帶外中繼：eNB-relay鏈路與relay-UE鏈路工作在不同載頻上。

（2）相對(duì)于UE的感知程度，中繼節(jié)點(diǎn)分為兩種模式：

①透明傳輸：UE沒(méi)有感覺(jué)到它與網(wǎng)絡(luò)的通信是經(jīng)由中繼的。

②非透明傳輸：UE感覺(jué)到它與網(wǎng)絡(luò)的通信是經(jīng)由中繼的。

（3）依據(jù)中繼策略，中繼分成如下兩類模式：

①Type1:控制自己的小區(qū)。RN有別于施主小區(qū)的獨(dú)立物理小區(qū)ID。

②Type2:施主小區(qū)的一部分。沒(méi)有自己的小區(qū)ID，但有可能有中繼ID。

（4）依據(jù)中繼涉及的層（見(jiàn)圖7.4），中繼可分為三類模式：

①L1中繼：物理層中繼，信號(hào)放大轉(zhuǎn)發(fā)。RN僅放大來(lái)自eNB/UE的信號(hào)，并轉(zhuǎn)發(fā)到UE/eNB，即直放站。

②L2中繼：MAC層中繼，信號(hào)解碼轉(zhuǎn)發(fā)。RN具有調(diào)度功能。RN執(zhí)行MACSDU復(fù)用/解復(fù)用、RN與UE之間的優(yōu)先級(jí)處理；執(zhí)行UE和RN之間的無(wú)線資源分配。另外，RN還將完成外部ARQ和RLCPDU分割/組合。

③L3中繼：為了減少切換延遲和快速數(shù)據(jù)路由，RN具有RRC的部分或全部功能，因?yàn)楸镜鼗馁Y源管理可對(duì)鏈路質(zhì)量變化、連接更新等做出快速反應(yīng)。允許重傳和確認(rèn)，RN的L3測(cè)量可被用于切換判決。

圖7.4中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧表7.2不同層中繼模式及其適合服務(wù)的業(yè)務(wù)

3.

4G定義的中繼技術(shù)

3GPP經(jīng)過(guò)技術(shù)比選、方案論證，最后在3GPPrelease10中正式對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了定義，并確立為L(zhǎng)3中繼、Type1、非透明傳輸?shù)姆绞?。支持中繼的4G總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖7.5所示。

RN為中繼節(jié)點(diǎn)，DeNB為服務(wù)于該RN的eNB，稱為施主eNB。中繼節(jié)點(diǎn)和施主基站之間的接口為Un接口，用戶和中繼節(jié)點(diǎn)之間的接口仍為Uu接口。中繼節(jié)點(diǎn)包含兩部分物理實(shí)體：用戶功能實(shí)體部分和eNB功能實(shí)體部分。用戶功能實(shí)體部分面向施主基站通信；eNB功能實(shí)體部分面向用戶端通信。RN終止了S1、X2、Un接口，DeNB為RN提供S1和X2的代理功能。因此，相對(duì)于S1接口，DeNB就是RN的MME/S-GW；相對(duì)于X2接口，DeNB就是RN的eNB。

圖7.5支持中繼的4G總體架構(gòu)

在第二階段，DeNB將嵌入和提供RN工作所需要的類似S-GW和P-GW的功能，見(jiàn)圖7.6。這包括為RN創(chuàng)建一個(gè)會(huì)話，管理EPS承載，以及終止了為RN的MME服務(wù)的S11接口。

RN為中繼節(jié)點(diǎn)，DeNB為服務(wù)于該RN的eNB，稱為施主eNB。中繼節(jié)點(diǎn)和施主基站之間的接口為Un接口，用戶和中繼節(jié)點(diǎn)之間的接口仍為Uu接口。中繼節(jié)點(diǎn)包含兩部分物理實(shí)體：用戶功能實(shí)體部分和eNB功能實(shí)體部分。用戶功能實(shí)體部分面向施主基站通信；eNB功能實(shí)體部分面向用戶端通信。RN終止了S1、X2、Un接口，DeNB為RN提供S1和X2的代理功能。因此，相對(duì)于S1接口，DeNB就是RN的MME/S-GW；相對(duì)于X2接口，DeNB就是RN的eNB。圖7.6

4G第二階段的中繼架構(gòu)

Release10規(guī)定：

（1）4G中繼節(jié)點(diǎn)后向兼容，對(duì)于Release8的UE，RN以Release8eNodeB的方式出現(xiàn)。

（2）不支持RN小區(qū)間切換。

（3）RN節(jié)點(diǎn)不能作為其他RN的DeNB，即4GRN不能級(jí)聯(lián)。

（4）帶內(nèi)中繼時(shí)，Un和Uu接口鏈路工作在同一個(gè)載波頻率上，采用時(shí)分復(fù)用方式工作。

（5）尚不支持RN移動(dòng)性。

4.RN安全問(wèn)題與措施

L3中繼節(jié)點(diǎn)的引入產(chǎn)生了新的網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題。即便中繼節(jié)點(diǎn)中插入U(xiǎn)ICC，為中繼節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)間建立承載提供認(rèn)證等，但是RN的引入還將造成如下的主要威脅：

1）假冒RN攻擊RN上附著的用戶

攻擊者從一個(gè)真的RN拔出UICC，插入到流氓RN。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)只認(rèn)證UICC，而不認(rèn)證RN設(shè)備本身，所以網(wǎng)絡(luò)不能剔除流氓RN，與用戶相關(guān)的密鑰將被傳遞到流氓RN。這使得用戶附著到流氓RN，用戶的安全將受到損害；流氓RN也能攻擊網(wǎng)絡(luò)，如插入MME-RN的NAS信令，插入S1-AP或X2-AP信令，代表用戶插入數(shù)據(jù)，插入為獲得無(wú)IP連接的用戶平面業(yè)務(wù)。

2）在Un接口上插入中間人節(jié)點(diǎn)

中間人（MitM）節(jié)點(diǎn)也是一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，插入在RN和DeNB之間。攻擊者用假UICC替換真RN上的真UICC，將真UICC放入中間人節(jié)點(diǎn)，這樣攻擊者就得到了根秘鑰。MitM節(jié)點(diǎn)能夠在真RN和DeNB毫無(wú)知覺(jué)的情況下透明地發(fā)射、接收、觀看和修改真RN和DeNB間的業(yè)務(wù)。因此，連接到真RN的任何用戶的安全將受到損害。這說(shuō)明僅僅對(duì)RN設(shè)備本身進(jìn)行認(rèn)證也是不夠的，還要保證所有安全隧道終止在RN，而不是中間人節(jié)點(diǎn)。

3）攻擊在Un接口上的業(yè)務(wù)

Un接口是基于E-UTRAN的空中接口標(biāo)準(zhǔn)，為RN和DeNB之間所有的用戶業(yè)務(wù)提供了可選的保密，但RN和DeNB之間所有非RRC信令業(yè)務(wù)沒(méi)有完整性保護(hù)，因此攻擊者就可以修改在該接口上的業(yè)務(wù)。通過(guò)在Un接口改變用戶業(yè)務(wù)的GTP協(xié)議報(bào)頭，可以將一個(gè)UE（受害者）的數(shù)據(jù)重定向到另一個(gè)UE（攻擊者），攻擊者UE用自己的UPenc密鑰加密或解密接收的數(shù)據(jù)。在上行鏈路上，還可以進(jìn)行IP地址欺騙。

4）在RN和UICC之間的接口上攻擊

通過(guò)RN-UICC接口的數(shù)據(jù)是不受保護(hù)的。這意味著攻擊者有可能獲得在這個(gè)接口上傳輸?shù)拿荑€材料。有了這些密鑰，攻擊者可以訪問(wèn)這些密鑰保護(hù)的任何數(shù)據(jù)，并可以插入用這些密鑰保護(hù)的數(shù)據(jù)。特別地，攻擊者可以設(shè)置一個(gè)中間人節(jié)點(diǎn)進(jìn)行危害活動(dòng)。

5）拒絕服務(wù)（DoS）攻擊

移走了RN中的UICC，RN沒(méi)有UICC就不能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證，因此不能提供服務(wù)。攻擊者還可以將UICC插入另一個(gè)RN，使接入網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，對(duì)其他eNB造成干擾。

RN認(rèn)證后沒(méi)有執(zhí)行去附著，也沒(méi)有啟動(dòng)S1接口安裝程序，網(wǎng)絡(luò)無(wú)法驗(yàn)證RN具有eNB功能實(shí)體部分，這樣RN只能作為UE存在，不能提供中繼服務(wù)。即使網(wǎng)絡(luò)知道附著的用戶是一個(gè)RN，也無(wú)法處理。

6）攻擊NAS信令和AS業(yè)務(wù)

保護(hù)NAS信令和AS業(yè)務(wù)的密鑰可以從RN-UICC接口上截獲的信息中推導(dǎo)出來(lái)。假設(shè)RN能夠作為UE附著，將使用合法的eNB和MME，攻擊NAS信令和AS業(yè)務(wù)。

3GPP經(jīng)過(guò)研究和方案比選，最后確定4G中繼節(jié)點(diǎn)采取如下的安全措施：利用對(duì)稱預(yù)共享密鑰（PSK）或證書(shū)實(shí)現(xiàn)RN和USIM一對(duì)一捆綁。

在PSK模式下，UICC和RN需要在部署前預(yù)先建立捆綁，而且是手工操作建立PSK。PSK的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需PKI，并且PSK預(yù)建立后的程序比較簡(jiǎn)單。當(dāng)使用PSK時(shí)，僅需要USIM-RN,而USIM-RN進(jìn)行任何通信只通過(guò)安全信道。

在證書(shū)模式下，插入RN的UICC包含兩個(gè)USIM，USIM-RN只在安全信道上進(jìn)行通信；USIM-INI在不安全信道上與RN通信，用于RN附著之前初始IP的連接。UICC只給一個(gè)特定的中繼節(jié)點(diǎn)建立安全通道，UICC利用預(yù)先設(shè)置在UICC中的數(shù)據(jù)驗(yàn)證中繼節(jié)點(diǎn)。使用證書(shū)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在RN安全環(huán)境中有一個(gè)登記私鑰對(duì)應(yīng)證書(shū)的標(biāo)準(zhǔn)程序；而另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是證書(shū)的識(shí)別名可以在登記時(shí)給出，而無(wú)需預(yù)先建立。

5.中繼的資源復(fù)用

相比于LTE系統(tǒng)，中繼節(jié)點(diǎn)的引入使得LTE-A系統(tǒng)內(nèi)增加了新的鏈路，新鏈路的引入增大了小區(qū)對(duì)無(wú)線資源的需求，其負(fù)面影響就是可能要減少原有鏈路使用的資源。而有效的資源復(fù)用技術(shù)可以降低鏈路間的資源爭(zhēng)搶情況，并提高資源的利用率。

下面簡(jiǎn)單計(jì)算下中繼小區(qū)對(duì)資源的需求情況。

參考圖7.7，假設(shè)小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)目為N，中繼數(shù)目為M，其中Li表示鏈路i上每個(gè)鏈路執(zhí)行業(yè)務(wù)時(shí)占用資源的平均值，α(0<α<1)表示基站直接服務(wù)的用戶比例。增加中繼后主要添加了L2和L3兩條鏈路。圖7.7有中繼節(jié)點(diǎn)參與的鏈路資源則在添加中繼前，單個(gè)小區(qū)鏈路資源的使用情況為f1=L1×N

（7.13）

在各條鏈路沒(méi)有采用任何資源復(fù)用的情況下，添加了中繼后總的資源的使用情況為f2=L1×αN+L2×M+L3×(1-α)N（7.14）

因?yàn)橹欣^最終要服務(wù)于距離基站較遠(yuǎn)的用戶，所以資源占用的情況應(yīng)該跟邊緣用戶相同，即L2和L3兩條鏈路上使用的總資源是相同的，也即L2×M=L3×(1-α)N（7.15）則：f2=L1×αN+2L3×(1-α)N

（7.16）假設(shè)所有面向用戶鏈路上的資源消耗基本相同，即L1=L3=L，小區(qū)資源占用的函數(shù)可以進(jìn)一步化簡(jiǎn)為f2=(2-α)N·L

（7.17）即（7.18）引入中繼后，小區(qū)資源的占用情況是沒(méi)有中繼的小區(qū)的(2-α)倍，可見(jiàn)添加中繼后的資源使用情況根據(jù)RN服務(wù)的用戶的比例變化，僅僅有一半的用戶被RN服務(wù)的時(shí)候，占用的資源也是原來(lái)的1.5倍。因此資源的有效利用也是LTE-A中中繼使用的關(guān)注點(diǎn)之一。

為提高資源的利用率，需要對(duì)接入鏈路中繼鏈路以及直連鏈路進(jìn)行合理地資源劃分和復(fù)用。僅就中繼鏈路（L2）的使用方式就有兩種：帶外傳輸和帶內(nèi)傳輸。

帶外傳輸表示L2鏈路并不占用小區(qū)內(nèi)的業(yè)務(wù)資源，即劃分另外的頻譜供中繼和基站通信，這樣就不會(huì)與用戶爭(zhēng)搶有限的資源，同時(shí)也不必考慮中繼鏈路對(duì)其他鏈路傳輸造成的干擾問(wèn)題。然而頻譜資源本身就是有限的，劃分頻譜固然是一種好辦法，但是充分地利用小區(qū)內(nèi)的資源才是解決問(wèn)題的根本辦法。

6.中繼小區(qū)干擾分析

資源的復(fù)用也必然增加小區(qū)內(nèi)的干擾，引入中繼后的LTE-A系統(tǒng)內(nèi)的干擾環(huán)境將變得更加復(fù)雜。LTE系統(tǒng)內(nèi)小區(qū)間干擾是主要的干擾，而小區(qū)間的干擾主要來(lái)自鄰小區(qū)的邊緣用戶。邊緣用戶的信道環(huán)境較差，發(fā)射功率較高，一旦兩個(gè)相鄰的邊緣用戶使用相同的時(shí)頻資源就會(huì)產(chǎn)生很大的干擾。中繼的發(fā)射功率在終端之上、基站之下，中繼往往又位于小區(qū)邊緣，因此在LTE-A系統(tǒng)中，一旦出現(xiàn)資源沖突,產(chǎn)生的干擾則將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)LTE系統(tǒng)。

1)中繼既收又發(fā)的干擾問(wèn)題

為了提高效率，自然希望中繼能夠同時(shí)進(jìn)行收發(fā)的操作。在這種情況下，接收側(cè)難免會(huì)受到中繼本身發(fā)射側(cè)信號(hào)泄露的影響，從而對(duì)中繼的信號(hào)接收造成很大干擾。而在中繼的接收器和發(fā)射器間設(shè)置良好的物理屏蔽的代價(jià)又是很高昂的，有悖于利用中繼建立廉價(jià)的通信網(wǎng)絡(luò)的出發(fā)點(diǎn)。

為了避免在中繼中加入屏蔽措施，層二中繼和層三中繼可利用收發(fā)時(shí)間間隔或頻率間隔來(lái)降低中繼的同時(shí)收發(fā)干擾。于是中繼根據(jù)收發(fā)的類型分為時(shí)分（TD）和頻分（FD）兩種。

采用時(shí)分辦法的中繼，就是在不同的時(shí)間上分別進(jìn)行收發(fā)業(yè)務(wù)；而頻分的特點(diǎn)則類似于FDD，在不同的上下行頻段進(jìn)行業(yè)務(wù)的收發(fā)。這兩種方法各有利弊。由于存在收發(fā)的延時(shí)，在時(shí)分中繼方式中需要在收、發(fā)兩個(gè)時(shí)隙間插入足夠的保護(hù)間隔；而由于頻帶的帶外輻射，也需要在頻分中繼模式中的上下行頻帶間加入保護(hù)頻帶。

圖7.8為FD和TD中繼模式下的時(shí)隙示意圖。圖7.8

兩跳中繼FD和TD中繼模式下的時(shí)隙示意圖

2)中繼影響UE的接入準(zhǔn)則

中繼的引入增加了小區(qū)內(nèi)的發(fā)射源，小區(qū)內(nèi)的發(fā)射源由基站和UE兩