第32卷 第1期

2016年3月

金 陵 科 技 学 院 学 报

JOURNALOFJINLINGINSTITUTEOFTECHNOLOGYVol.32,No.1

Mar.,2016

移动通信中继技术研究

李国华

(金陵科技学院网络与通信工程学院,江苏 南京 211169)

摘 要:首先阐述了中继技术在移动通信网络中存在的意义,总结了直放站技术在2G、3G移动通信网络中的发

展与应用状况,概括了各类直放站的技术特点。然后讨论了未来移动网络的中继需求、4G网络采用的中继技术

方案、网络架构和特点;分析了4G网络层3中继方案所面临的安全问题及其解决措施,给出了借助传统直放站

与层3中继节点相结合的有效解决方案;最后指出在未来移动网络中传统直放站将与层3中继技术共存。

关键词:移动通信;中继技术;直放站;层3中继;安全

中图分类号:TN929.5 文献标志码:A 文章编号:1672 755X(2016)01 0006 05

收稿日期:2016 01 19基金项目:江苏省教育厅高校自然科学研究基金(09KJD510008)作者简介:李国华(1968—),男,浙江平湖人,副教授、高级工程师,博士,主要从事移动通信相关技术研究。

ResearchonRelayTechnologiesinMobileCommunicationLIGuo-hua

(JinlingInstituteofTechnology,Nanjing211169,China)

Abstract:Therelaytechnologyplaysimportantrolesinmobilecommunicationnetwork,andtherepeatersarewidelyusedinthe2Gand3Gnetwork.Thepaperintroducedthetechnicalcharacteristicsofallkindsofrepeaters,discussedthedemandofrelayinthefuturemobilenet-work,andsuggestedarelayschemeinthe4Gnetwork.Thesecurityproblemsfacedbythelayer3relayschemein4Gnetworkanditssolvingmeasuresarealsoanalyzed.Fortheproblemthatthe4Grelaytechnologycannotsatisfytheneedsofmobilenetworkconstruction,theef-fectivesolutionswithtraditionalrepeatersincombinationwithlayer3relaynodearepresented.Itisconcludedthatthetraditionalrepeaterandthelayer3relaynodecancoexistinthefuturemobilenetwork.Keywords:mobilecommunication;relaytechnology;repeater;layer3relay;security

公众蜂窝移动通信系统自20世纪80年代投入商用以来,业务量急剧增长,移动通信技术几乎每十年

更新一代。当前2G、3G和4G三代移动通信系统同时在网运营,随着2020年第5代移动通信技术投入商

用,很可能出现“四代同堂”为人类通信和信息交互提供服务的场景。有效的无线网络覆盖是蜂窝移动通信系统提供良好体验服务的首要条件,而无线基站是提供无线网

络覆盖的首要基础。由于无线电波在传播环境中存在路径损耗,使得某些场所无线信号较弱或信噪比较

差,不能满足通信需要;而在这些场所建设无线基站缺少资源条件或投入产出严重不匹配。因此,蜂窝移

动通信网络建设需要一种成本低、配套资源少、部署快速的无线信号扩展设备,即无线中继设备。第1代移动通信系统在20世纪80年代作为一种新兴技术出现,终端设备价格昂贵,用户规模少。由

于采用了模拟技术和制式众多,导致用户容量低、安全性差、抗干扰能力弱、兼容性差。因此,第1代移动

通信系统的深度覆盖和无缝覆盖还不是网络建设的主要矛盾,移动通信中的中继设备是在第2代移动通

信网络的建设中才大规模引入的。

第1期 李国华:移动通信中继技术研究

1 2G移动通信系统的中继技术

第2代移动通信系统取得了巨大成功,网络几乎覆盖所有国家和地区,用户规模空前巨大,基本解决

了陆地上人类在运动中语音通信的需求,同时也逐渐培育出了发展潜力巨大的新兴业务———移动互联网。良好的网络覆盖是第2代移动通信系统巨大成功的要素之一,中继设备为延伸信号覆盖起到了关键作用。

在第2代移动通信系统的网络协议中,没有定义中继设备这样的网元,而在网络运营建设实践中,信号通畅

是2G时代市场最基本的需求,因此需要大规模地采用这种成本低、配套资源少、部署快速的覆盖延伸设备作补

充,以解决海量的网络深度覆盖、盲区覆盖问题。由于网络协议没有定义,第2代移动通信系统中的中继设备只

能是对双向无线信号的直接放大和透明传输,所以这种设备被称为直接放大中继站,简称直放站。在2G时代,依据直放站所支持的2G通信系统的不同,可分为GSM直放站和CDMA直放站;依据直

放站收发端之间通道的处理方法的不同,分为无线直放站(图1)和光纤直放站(图2)。

图1 无线直放站

Fig.1 Wirelessrepeater

图2 光纤直放站

Fig.2 Opticalfiberrepeater

因为无线直放站全频带地放大经空中接收到的射频信号,既放大了施主基站信号,也放大了其他基站

的干扰信号;既浪费了直放站放大功率,也扩散了干扰信号。因此,在干扰敏感的场所使用的无线直放站

内部增加了选频模块,仅对所选择的载波进行放大,这种直放站被称为无线选频直放站。如果直放站近端

设备相互之间没有可利用的光纤资源或者难以建设光纤设施,则不能采用光纤直放站。此时光纤传输只

能改为无线电传输,为了避免干扰,该部分的无线电传输工作在另外的频率上,这种直放站称为无线变频

直放站。在室内分布系统覆盖建设中,当信源发射的功率不能满足分配需要时,就需要一种特殊的信号放大

器,用于双向信号中继放大。其直接串接在室内分布系统的干线上,被称为干线放大器,简称干放。

2 3G移动通信系统的中继技术

第3代移动通信系统在中继技术上没有新的发展,在网络架构协议上也没有定义中继设备。在3G无线大网中,3G直放站的使用明显少于2G直放站,主要原因有:1)三个3G标准都是基于CDMA技术。

CDMA系统是一种自干扰系统,3G直放站的部署使得网络干扰变得更为复杂而难以控制,因此在3G网

络建设时,更加谨慎地使用直放站。2)在3G通信系统中,3G基站的形式出现了较大发展,逐渐由一体化

基站演变为分布式基站,即BBU+RRU架构。在一些场合,拉远的RRU可以替代直放站延伸覆盖的需

求;同时,拉远的RRU可以独立成为一个小区,也可以与相邻的RRU覆盖区合并为一个小区。因此,只要光纤资源允许,在容量、干扰等问题上采用RRU要比采用直放站具有更多优势。

总体上,在3G移动通信系统中中继技术作为技术本身,它是被抑制的;但作为成本低、配套资源少、部署

快速灵活的延伸覆盖设备,在不引起更多干扰问题的场合,3G直放站依然被较大量地使用。如:单纯的电梯

覆盖,或者是室内分布系统2G/3G兼容改造中,特别是原2G系统使用了2G干放的,一般会用到3G干放。

3GLTE主要是应对 WIMAX技术挑战和满足移动数据业务不断增长的需求而提出的,提高网络数

据吞吐率是LTE的首要目标,因此在LTE的首个版本3GPPrelease8中也没有定义中继节点。

7

金 陵 科 技 学 院 学 报 第32卷

3 未来移动网络需要中继节点

LTE-A(4G)的目标是更高的数据速率、更低的网络延迟和更低的网络部署成本。在无线电的低频

段上已经没有足够的频率供4G使用,因此4G定义了更高的频段作为它的工作频谱。高的工作频谱意味

着高的无线电传播损耗,4G基站NodeB的覆盖半径将受限于高的传播损耗和每比特能量。小的覆盖半

径意味着覆盖同样的区域需要更多的基站数量,而小区站点的数量直接影响网络部署成本。所以中继技

术在4G或未来网络中被建议用来扩大覆盖范围、提高数据速率和改善小区边缘性能。研究表明:在未来

网络的建设过程中,有7类场景需要用到中继节点[1],见表1。表1 中继节点应用场景

Table1 Theapplicationscenariosoftherelaynode

优先级 应用场景 中继节点移动性 跳数 设置目的

1 城区热点 固定、游牧 两跳 覆盖与吞吐量

2 封闭盲点 固定 两跳或多跳 覆盖

3 室内热点 固定、游牧 两跳 吞吐量

4 农村地区 固定 两跳 覆盖与吞吐量

5 紧急或临时覆盖 游牧 两跳或多跳 覆盖与吞吐量

6 仅为无线回程 固定、移动 两跳或多跳 覆盖与吞吐量

7 组移动 移动 两跳 吞吐量

不同于以前中继节点的良好选址和固定设置,未来网络中的中继节点可以是游牧的,甚至是移动的;不但要解决覆盖问题,也要解决吞吐量问题,提高接入数据速率。

图3 支持中继的4G网络架构

Fig.3 The4Gnetworkarchitecturewithrelaynode

中继节点的游牧性是未来网络有部分中继节点可能是非运营商布设的[2],它们的位置和可用性也是

随机变化的,运营商不可控制。这种中继节点以自组织方式工作,激活或去激活一般是基于容量、覆盖、负载均衡或能量效率等需求。因此也带来了一些问题:如何管理如此多的动态网络节点,包括无线资源管

理、安全问题、持续工作能力等,当然也包括补偿游牧中继节点提供者的商业问题。中继节点的移动性是未来网络为了更好地满足组移动用户的需求而提出的[3],一个典型的组移动场

景是满载乘客的旅游大巴。中继节点设置在旅游大巴上,施主天线架设在车顶上,服务天线设置在车内,且这个中继节点的天线配置和信号处理能力远高于手机。因此车内用户通过车上中继节点接入网络的体

验要远好于穿透车体直接接入网络的体验。很显然,为了支持中继节点移动,首要解决的问题是中继节点

如何优选施主基站、保障组用户的服务体验以及在移动时能够良好切换。游牧中继和移动中继的出现使

得未来网络中的中继技术要比传统直放站技术复杂得多。

4 4G网络的中继技术

4.1 引入中继节点的4G网络架构

在3GPPrelease9阶段,开始了中继设备引入网络

的讨论[47],并在3GPPrelease10(LTEAdvanced/4G)中对中继节点进行了正式定义[89]。

4G网络确定采用独立物理中继小区ID(Type1)、非透明传输的层3中继方式,中继节点具有RRC的部

分或全部功能。支持中继节点的4G总体网络架构见

图3。RN为中继节点,DeNB为服务于该RN的eNB,称为施主eNB。中继节点和施主基站之间的接口为Un接口,用户和中继节点之间的接口仍为 Uu接口。RN终止了S1、X2、Un接口,DeNB为RN提供S1和X2的

代理功能。因此,相对于S1接口,DeNB就是 RN 的

8

第1期 李国华:移动通信中继技术研究

MME/S GW;相对于X2接口,DeNB就是RN的eNB。

3GPPrelease10规定:4G中继节点后向兼容,对于release8的UE,RN以release8eNodeB的方式

出现;当使用带内中继时,Un和Uu接口链路工作在同一个载波频率上,采用时分复用方式工作。

4.2 4G中继的安全问题及解决措施

4G网络引入了层3中继节点,它的引入产生了新的网络安全问题[10]。为了保证层3中继节点是真的,而不是假冒的,一般要求层3中继节点插入UICC,为中继节点与网络间建立承载提供认证等安全保障。但

是即便这样,层3中继节点的引入还将造成如下主要威胁:

1)假冒RN攻击RN上附着的用户。攻击者从一个真的RN拔出UICC,插入到流氓RN。因为网络

只认证UICC,而不认证RN设备本身,所以网络不能剔除流氓RN,与用户相关的秘钥将被传递到流氓

RN。这使得用户附着到流氓RN,用户的安全将受到损害;流氓RN也能攻击网络,如:插入 MME RN的NAS信令、插入S1 AP或X2 AP信令、代表用户插入数据。

2)攻击在Un接口上的业务。Un接口是基于E UTRAN的空中接口标准,为RN和DeNB之间所

有的用户业务提供了可选的保密,但RN和DeNB之间所有非RRC信令业务没有完整性保护,因此攻击

者就可以修改在该接口上的业务。通过在Un接口改变用户业务的GTP协议报头,可以将一个UE(受害

者)的数据重新定向到另一个UE(攻击者),攻击者UE用自己的UPenc秘钥加密/解密接收的数据。在

上行链路上,还可以进行IP地址欺骗。

3)在RN和UICC之间的接口上攻击。通过RN UICC接口的数据是不受保护的。这意味着攻击

者有可能获得在这个接口上传输的密钥材料。有了这些密钥,攻击者访问这些密钥保护的任何数据,并允

许攻击者插入用这些秘钥保护的数据。特别情况下,攻击者可以设置一个中间人节点进行危害活动。为解决上述问题,3GPP经过研究和方案比选,最后确定对4G中继节点采取如下安全措施[11]:利用

对称预共享密钥(PSK)或证书实现RN和USIM的一对一捆绑。在PSK模式下,UICC和RN需要在部署前预先建立捆绑,而且是手工操作建立PSK。PSK的优点

是无需PKI,并且PSK预建立后的程序比较简单。当使用PSK时,仅需要 USIM RN,而 USIM RN进行任何通信只通过安全信道。

在证书模式下,插入RN的UICC包含两个USIM,USIM RN只在安全信道上进行通信;USIM INI在不

安全信道上与RN通信,用于RN附着之前初始IP连接的目的。UICC只给一个特定的中继节点建立安全通

道,UICC利用预先设置在UICC中的数据验证中继节点。使用证书的一个优点是在RN安全环境中有一个登

记私钥对应证书的标准程序,而另一个优点是证书的识别名可以在登记时给出,而无需预先建立。

4.3 4G中继技术的不足及其解决措施

3GPPrelease10规定的中继节点在网络布置上存在如下两项主要缺陷,还不能满足未来网络发展的需要。

1)不支持RN小区间切换。中继节点不支持RN小区间切换,就意味着:如果有用户从一个RN小

区移动到相邻的另一个RN小区,就需要网络重选或引起用户掉网,严重影响用户体验。为避免出现这种

情况,网络建设时就要避免两个RN相邻,影响RN的灵活部署。

2)RN节点不能作为其他RN的DeNB。中继节点不能用来作为另一个中继节点的DeNB,所以4G网络的层3中继是不支持多跳通信的。在某些特殊的场景,距离较远、地形复杂或电磁波传播受限,一跳

或两跳中继不能建立起通信链路,需要多跳级联中继才能建立起可靠通信链路。对于第一个问题,可以在两个相邻的区域中,一个区域使用4G网络层3中继节点,另一个区域使用

传统的直放站(支持4G频段和带宽),避免了两个RN小区相邻,也避免了RN小区间切换,又解决了通

信需要。方案见图4。对于第二个问题,可以在需要中继多跳级联的特殊场景中,使用一个4G网络层3中继节点,其他使用传

统的直放站(支持4G频段和带宽),只要传统直放站级联所引起的低噪抬升问题可以接受,那么就避免了4G网络层3中继节点的级联问题,解决了这类场景下的通信需求。方案见图5。

9

金 陵 科 技 学 院 学 报 第32卷

图4 使用1个传统直放站和1个层3中继节

点解决RN小区相邻问题的示例

Fig.4 Usingtherepeaterandthelayer3relaynodetosolvetheadjacentRN Cellproblemin4G

图5 使用多个传统直放站和1个层3中继节

点解决中继级联问题的示例

Fig.5 Usingtherepeatersandthelayer3relaynodetosolvetheproblemofcascadingrelayin4G

5 结 语

低成本的网络建设是任何一个广域网无法回避的问题。在2G、3G网络中,中继技术主要是指直放站

技术,它的主要作用就是延伸覆盖。而在4G、5G网络中,除了延伸覆盖作用外,还将起到提高吞吐容量、负载均衡和能量效率等作用。中继节点具有独立物理小区ID是发展趋势和研究热点,但传统直放站依然

是低成本解决盲区覆盖的最有力手段,特别是对于相对封闭的覆盖盲点,采用直放站覆盖是最有效的手

段,在未来的移动网络建设中仍有一席之地。

参考文献:[1]ChinaMobile,Vodafone,Huawei.TSG-RANWG1meeting#54;Title:“ApplicationScenariosforLTE-AdvancedRelay”R1-082975[EB/OL].(2008 08 22)[2016 01 26].http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG1_RL1/

TSGR1_54/Docs/[2]BulakciO,RenZ,ZhouC,etal.TowardsFlexibleNetworkDeploymentin5G:NomadicNodeEnhancementtoHetero-geneousNetworks[C].NewYork:CommunicationWorkshop(ICCW),2015

[3]SuiY,GuvencI,SvenssonT.InterferenceManagementforMovingNetworksinUltra-denseUrbanScenarios[J].Eur-asipJournalonWirelessCommunications&Networking,2015(1):1-32

[4]Panasonic.3GPPTSGRANWG1Meeting#54;Title:“DiscussionontheVariousTypesofRelays”R1-082397[EB/

OL].(2008 06 30)[2016 02 26].http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG1_RL1/TSGR1_54/Docs/[5]Nortel.3GPPTSGRANWG1Meeting#54;Title:“OnDifferentRelaySchemesforLTE-A”R1-083155[EB/OL].(2008 08 18)[2016 01 23].http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG1_RL1/TSGR1_54/Docs/

[6]Motorola.3GPPTSGRAN1Meeting#55bis;Title:“DiscussiononTransparentL2andL3RelaysinLTE-A”R1-090330[EB/OL].(2009 01 12)[2016 02 26].http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG1_RL1/TSGR1_55b/Docs/

[7]HTC.3GPPTSG-RANWG1Meeting#59bis;Title:“RelayNodewithDifferentCarriers”R1-100625[EB/OL].(2009 01 18)[2016 02 26].http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG1_RL1/TSGR1_59b/Docs/

[8]3GPP.TR36.806,RelayArchitecturesforE-UTRA(LTE-Advanced)[EB/OL].(2010 06 23)[2016 03 01].http://www.3gpp.org/ftp/specs/archive/36_series/36.806/

[9]3GPP.TS36.300,E-UTRAandOverallDescription[EB/OL].(2016 01 11)[2016 03 01].http://www.3gpp.org/ftp/specs/archive/36_series/36.300/

[10]3GPP.TS33.401,SecurityArchitecture[EB/OL].(2015 12 18)[2016 03 03].http://www.3gpp.org/ftp/specs/

archive/33_series/33.401/[11]3GPP.TR33.816,FeasibilityStudyonLTERelayNodeSecurity[EB/OL].(2011 03 29)[2016 02 26].http://

www.3gpp.org/ftp/specs/archive/33_series/33.816/

(责任编辑:湛 江)

01