1.4　LTE中继的基本特性

因为本书要介绍的智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface，RIS）主要以无线中继的形式来改善电磁环境，而且可能会影响空口协议标准，所以有必要简单回顾一下3GPP Release 10（Rel-10）曾经研究和标准化的LTE中继，这样有助于总结经验教训，在RIS今后的方案设计和标准化方面把握好技术研究和推进的节奏和方向，少走弯路，让RIS中继在未来移动通信网络中发挥更大的作用。

无线中继是异构网络中的一类低功率节点，发射功率、天线配置、天线高度等参数指标与宏站有较大差别。无线中继与其他类型低功率节点的最大区别在于它的回传链路，即它与宏站之间是通过无线传输的。为限制信令的复杂度和多跳的总传输时延，4G LTE在标准研究之初就确定了两跳中继作为主要的设计对象，即下行是从宏基站到中继节点，然后从中继节点到终端（称为接入链路，Access Link），上行反之。服务中继的宏基站通常也称宿主基站（Donor eNB），因为中继只有通过宿主基站才能与网络相连。

LTE Rel-10的中继 [7-8] 具有基带处理能力，即中继接收到的信号经过解码和再编码，然后发射出去。这样可以抑制噪声的再次放大，但会带来一定的处理时延。

LTE中继的回传链路（宏站到中继）和接入链路（中继到终端）在同一频带工作，即带内中继（Inband Relay），所以只需一套射频。在研究之初，回传链路和接入链路的资源考虑过两种方式：频分复用（Frequency Division Multiplexed，FDM）和时分复用（Time Division Multiplexed，TDM），如图1-7所示。注意，这里的频分复用是在系统带宽内的，如资源块级别。频分复用的优点是资源分配的灵活度较高，在回传链路和接入链路中都可以动态地调度资源。但是频分复用有两大挑战难以克服：第一，频域的保护间隔，为了防止两条链路之间的串扰，一般要求隔离深度为50～60 dB，而根据一般射频滤波器能达到的带外抑制水平，不可避免地需要隔离带，从而占用一部分系统带宽，影响频谱利用率；第二，LTE物理下行控制信道（Physical Downlink Control CHannel，PDCCH）和小区公共参考信号（Cell-specific Reference Signal，CRS）是在整个系统带宽上发射的，频分复用无法兼容现有的终端。而时分复用在兼容性方面没有大的问题，无明显的串扰，只是需要预留时间隔离来完成“收/发”或者“发/收”的转换。因此，LTE中继的回传链路与接入链路采用时分复用方式，即在任何一个时刻，只有其中一条链路在传输。

中继节点的移动性可以分为固定中继（Stationary/Fixed Relay）和移动中继（Mobile Relay）。固定中继的回传链路的质量比较高，尤其进行了部署地点优化后，对网络架构的影响较小，因此它是Rel-10中继标准化的重点。

LTE中继有自己独立的小区识别（Cell ID），发射自己的同步信号［包括主同步信号（Primary Synchronization Signal，PSS）和辅同步信号（Secondary Synchronization Signal，SSS）］，小区公共参考信号（CRS），物理下行控制信道（PDCCH）等。对于终端，LTE中继相当于基站的一个扇区，其接入链路应该完全兼容LTE终端。LTE Release 8（Rel-8）的终端会假定CRS在每个子帧发送，以保证测量和信道估计的准确性。但是，由于回传链路和接入链路采用时分复用，若中继在一个子帧接收宏站发射的信号，则无法发信号给其服务的终端。为解决这个矛盾，LTE中继采取在它的小区配置多播广播单频网络（Multicast Broadcast Single Frequency Network，MBSFN）子帧的方式，通知它所服务的终端，在哪些子帧不需要接收CRS。MBSFN子帧本来是针对多媒体广播多播业务（Multimedia Broadcast Multicast Service，MBMS）而标准化的物理层子帧，但在中继情况下配置MBSFN不是为了承载MBMS业务，而是借用该指令方式，告知中继所服务的终端：在这些子帧的后12或者13个OFDM符号是空白的，如图1-8所示，从中继所服务的终端的角度看中继可能发送的信号/信道。注意，在MBSFN子帧的前一个或前两个OFDM符号，需要承载物理下行控制信道（PDCCH），以保持宿主基站对所服务的普通终端（不由中继服务）的控制。言外之意，中继在这一个或两个OFDM符号中不能接收来自宿主基站的信号。中继此时不能接收下行信号的另一个原因是它有可能在接入子帧开始的几个符号（如L1/L2控制）中向所服务的终端发送控制信息。

对于LTE中继，需要在回传子帧里设计新的物理下行控制信道，称之为R-PDCCH（Relay-PDCCH），对中继发送控制信令。R-PDCCH占用物理下行共享信道（Physical Downlink Shared CHannel，PDSCH），即下行业务信道中的资源，如图1-9所示。R-PDCCH与PDSCH可以按频率复用，或者按时域复用。如果按时域复用，则其后面那块PDSCH资源只能分配给中继，因为Rel-8终端的资源是以一对物理资源块（Physical Resource Block，PRB）为单位的。注意，中继采用的定时方式使接入链路的发送时间相对于回传链路的接收时间有一个 Δ 的时延，这个时延取决于中继的“收/发”或者“发/收”切换时间。

LTE中继的回传子帧是通过高层半静态配置的，否则中继的调度器无法事先知道哪些子帧是分配给接入链路的，会大幅增加动态资源调度的难度和复杂度。回传子帧的设计和配置与混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ）时序有很密切的关系。以时分长期演进（Time Division Long Term Evolution，TD-LTE）为例，时分双工（Time Division Duplexing，TDD）共有7种上下行子帧配置，配置0显然是不适合用在中继当中的，因为除了特殊子帧（#1, #6）和子帧#0, #5，其他子帧是无法配置成下行子帧的。而配置5只有一个上行子帧，很难再细分给回传链路和接入链路使用。对于其他5种上下行子帧配置，TD-LTE中继定义了共19种回传子帧配置，如表1-2所示，以灰色阴影表示。没有底色的是接入链路可以配置的子帧。