LTE-Advanced Relay Technology and Standardization

liao821

Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
& J8 E* z6 R* I, c: B; c1.1 LTE-A Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
8 |2 [! ~0 S/ }0 g) v9 [! g1.2 LTE-A Relay Standardization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 IEEE Relay Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
8 V1 @+ @/ S! i6 y1.4 Book Objectives and Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
* }4 l4 l: w3 O5 G
4 _" Z* l8 Y1 v/ R; n, X2 LTE-A Relay Scenarios and Evaluation Methodology . . . . . . . . . . 9
2.1 Relay Scenarios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Rural Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2 Urban Hot Spot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.3 Dead Spot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
% I, }& M! K7 t2 A2.1.4 Indoor Hot Spot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.5 Group Mobility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
0 L3 T) O& Q8 v! {+ N0 r, V: p$ l2.1.6 Emergency or Temporary Network Deployment . . . . . . . 17
2.1.7 Wireless Backhaul Only. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Channel Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1 Large Scale Fading Modeling
& Z1 k: g/ j7 ]for RN–UE Connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.2 LOS Probability of RN–UE Connection. . . . . . . . . . . . . 22
7 @. t0 E. k! }4 U2.2.3 Large Scale Fading Modeling
& A0 [7 p* {/ B  b( y7 }( hfor eNB–RN Connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
8 T5 O! S: ^& I' ?  s& `2.2.4 LOS Probability eNB–RN Connection . . . . . . . . . . . . . . 26
% U3 I2 ]+ G! j" s: m/ I+ s2.3 Impacts of Relay Site Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
% A/ I! W! f5 o6 R7 l* ^2.3.1 Less Attenuation from Donor eNB . . . . . . . . . . . . . . . . 28
- n% r) J, G( k' x, F/ e2.3.2 Improvement of LOS Probability in Donor
eNB–RN Connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4 Large Scale Fading Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5 Small Scale Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.6 Other Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
6 e* |. d# O* B( f: XReferences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
6 ~) p1 B4 }: W% Y% l* T- \; t$ _
4 q$ G% z) P1 Q+ x) j3 LTE-A Relay Study and Related Technologies . . . . . . . . . . . . . . . 39
" M. q. ?! \3 E  I3.1 Relay Categorization Based on Protocol Architecture . . . . . . . . 39
3.1.1 L1 Relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.2 L2 Relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
( [7 N, }9 a* Z! j3.1.3 L3 Relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
. `8 ~+ M0 X% L/ J  G: z5 H+ D3.2 Operating Band . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.1 Brief Description of LTE-A Carrier Aggregation . . . . . . 44
3.2.2 Relay with Carrier Aggregation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
& o2 g# f) e$ c! ^9 K( s6 z3.3 Number of Hops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4 Type 1 Relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.1 Definition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.2 Technology Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.4.3 Semi-Analytical Evaluations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.4.4 Downlink PeRFormance Evaluation with Uniformly
Distributed Relay Nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
8 A+ w( N: j+ U  C3.4.5 Downlink Performance Evaluation with Relay
- F8 Z. k; Q! kNodes Placed Near Cell Edges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
1 w8 m( N4 k$ G9 y. v6 m4 f3.4.6 Uplink Performance Evaluation with Relay
Nodes Placed Near Cell Edges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7 q( k5 c* ~% }% g; S3.5 Type 2 Relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
: Q; n# ~- P. W5 |0 n( _3.5.1 Definition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
! R" R' M! X! ]. J  I3 V) q( v  R3.5.2 Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6 i. t4 y; I+ m4 W3.5.3 Performance Evaluations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
. U9 Z; t# X6 _# A/ E; c( j8 v3.6 Other Related Technologies in LTE-Advanced . . . . . . . . . . . . . 86
3 L7 |! m$ K. f2 e/ j/ a3.6.1 Downlink Reference Signals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5 O- F% x( o; ^( y, Z3.6.2 Enhanced ICIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.6.3 CoMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
$ V1 W" S  U/ `& \References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4 Physical Layer Standardization of Release 10 Relay . . . . . . . . . . . 91
) V! M9 d! n: U7 X% r5 b. A4.1 Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
- d9 k! o8 ~5 N$ v) U; K6 P4.2 Physical Layer Control Channel Specification. . . . . . . . . . . . . . 92
4.2.1 Relay Downlink Frame Timing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2.2 Configuration of Start Symbol of R-PDCCH
2 J+ X# |4 h" n5 M7 A% `) [& O) eand PDSCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
1 m& W1 S7 u& x& r0 e4.2.3 Relay Uplink Frame Timing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
( N2 c4 h4 f+ s7 G, ~4.2.4 Relay Node Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.2.5 R-PDCCH Multiplexing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
* s# F  W) U4 j% Z2 _4.2.6 Reference Signal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
8 N8 e/ v0 c% C- z4.2.7 Cross-Interleaved and Non Cross-Interleave
; O4 x) g" w2 Z1 o) t: GR-PDCCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
0 B1 u/ ~2 o4 a7 c9 k/ T4.2.8 PUCCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.3 Backhaul Subframe Configuration and HARQ Timing . . . . . . . . 120
. }1 w  G; ]! n0 w6 y  d4.3.1 FDD systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.3.2 TDD Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
! Y) @- w5 i2 H+ P8 `6 vReferences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

1 Y5 o5 u) M3 N' e8 d5 Higher Layer Aspects and RAN4 Performance Aspects . . . . . . . . . 135
5.1 Relay Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.2 C-Plane Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
( s. ^3 ?4 h* y3 @$ B* D5.3 U-Plane Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
" Z' O' W" e2 m1 @! R0 K( B5.4 S1/X2 Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
! s8 {) r) T* A! |, T8 Y5.5 Release 10 Relay Performance Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.5.1 RF Requirements in General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
$ c" s9 i/ }0 g. Y) C9 `& `* J7 L5.5.2 RF Requirements for Backhaul Link . . . . . . . . . . . . . . . 145
( D7 B) t! g: `! X5.5.3 RF Requirements for Access Link. . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.5.4 Baseband Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.5.5 Synchronization Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
0 l* b4 i  H' J( O) e& T* `+ ?References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
* e; l5 o0 r- G1 q+ a* h% ]6 ~7 O
6 Implementation Aspects of Release 10 Relay . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
6.1 General Consideration of PHY Layer Implementation . . . . . . . . 149
6.2 Baseband Realization of Relay Node . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.2.1 Channel Characteristics of Backhaul
and Access Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
8 Y# _2 E8 ~3 r$ M1 z9 T6.2.2 Common Reference Signal Demodulation . . . . . . . . . . . 153
2 ^. f' V8 u4 {- Z1 S9 C3 @4 K6.2.3 DL DMRS Demodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
0 e( s. `" x& H8 S6.2.4 Search Space for R-PDCCH Without
/ L$ ]; @4 `8 [. }( E# vCross-Interleaving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
! C( k2 p) s- V. G: u6.2.5 Choice for Relay Timing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
6.3 Radio Modules and Antennas of Relay Node . . . . . . . . . . . . . . 157
6.3.1 Power Amplifier and Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.3.2 Clock Synchronization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
' G0 M7 Q8 h' [1 O- G$ f6.3.3 Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.4 Relay Node Scheduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
( a' [" @2 K. C2 `9 @6.4.1 Deployment Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
: E, \9 P: a% j& R4 m$ @; _8 B5 O; b6.4.2 Relay Frame Timing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
. @( j( Y# z) b9 h7 p4 a& @$ |6.4.3 Access Link HARQ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7 S, L" g  b+ l$ J6.4.4 Uplink Power Control for UEs in RN Cell. . . . . . . . . . . 162
6.4.5 Data Buffering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
, Y! p! O: [$ c+ ^( b6.5 Baseband Implementations in Donor eNB . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.6 Scheduler at Donor eNB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
6.6.1 Resource Allocations for R-PDCCH . . . . . . . . . . . . . . . 164
6.6.2 Transport Block Size Determination and MCS Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
% `7 `4 L9 v% G5 S6 F+ i) J' Y) t! O6.6.3 Configurations of CSI Feedback and SRS . . . . . . . . . . . 168
6.6.4 Resource Scheduling for PDSCH . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
, d% x2 W5 K$ B* q" d% V3 J6.6.5 Open Loop Uplink Power Control for RNs . . . . . . . . . . 171
6.7 Relay Network Planning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.7.1 Number of RNs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7 {" L2 p" o2 P. _6.7.2 RN-to-RN Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.7.3 Cell Range Expansion and ABS Configuration . . . . . . . . 173
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

& s9 y5 r1 T( Q7 Outlook of Relay in Future LTE Releases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5 n& {) L$ K' X+ v  J7 B7.1 Some Trends in Mobile Communications . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
% r, M7 u% I* }2 c$ t7.1.1 Trends at Terminal Side . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.2 Cooperative Relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
7.3 Relay Backhaul for High Speed Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5 B: g- C4 w4 U9 d5 h) i7.4 Cooperative Mobile Relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.5 Local Server . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
- d* |! b5 t# K$ sReferences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

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