3GPP中继技术的覆盖扩展方法：UE到网络中继

⃝⃝可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectICT Express 2（2016）117www.elsevier.com/locate/icte一种扩展网络覆盖的新方法：3GPP中的中继辅助SungHoon Junga，Junsu Kimb，a大韩民国首尔国立大学欧洲经委会系b大韩民国始兴韩国理工大学电子工程系接收日期：2016年5月27日;接收日期：2016年7月14日;接受日期：2016年8月1日2016年8月20日在线发布摘要蜂窝网络中的无线中继由于其能够扩展覆盖范围和提高传输可靠性而受到广泛关注。第三代合作伙伴计划（3GPP）已经在版本10中标准化了中继功能。在版本13中，中继的概念已经发展到将其与设备到设备通信相结合，以进一步扩展网络覆盖范围在本文中，一个国家的最先进的3GPP中继技术称为UE到网络中继，提供了一种新的方法来扩展网络覆盖将被简要介绍。c2016出版服务由Elsevier B.V. 代表韩国通信信息科学研究所这是一个开放的访问文章（http：//creativecommons. org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。关键词：设备到设备（D2 D）; ProSe;中继;侧链路内容1.导言. 1182.3GPP中继技术1183.3GPP直接通信1183.1.用于侧链路118的协议栈3.2.用于侧链路119的无线电资源控制3.3.侧链路同步1194.UE到网络中继1194.1.UE到网络中继的覆盖场景1194.2.用于UE到网络中继的1194.2.1.Uu和PC 51194.2.2.地址1194.3.中继服务的QoS支持1194.4.广播业务中继1204.5.中继服务程序1204.5.1.中继UE发起和中继服务区域控制1204.5.2.中继发现和选择1214.5.3.一对一直接连接建立1214.5.4.报告远程UE信息121同行评审由韩国通信信息科学研究所负责这篇论文是由Yacine Ghamri-Dougang，Yeong Min Jang，Daeywen Kim，Hossam Hassanein和JaeSeung Song编辑的题为物联网（IoT）中的ICT融合的特刊的一部分。*通讯作者。电子邮件地址：jshoony@gmail.com（S. Jung），junsukim@kpu.ac.kr（J. Kim）。http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2016.08.0012405-9595/c2016出版服务由Elsevier B. V.代表韩国通信信息科学研究所 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。118S. Jung，J.Kim/ICT Express 2（2016）1175.结论和进一步加强121参考文献1211. 介绍在过去十年中，在蜂窝网络底层的设备到设备（D2D）通信领域中已经做出了大量的研究努力。D2D通信技术的潜在益处和挑战在早期工作中被提出[1，2]，并且功率控制和D2D会话管理在[3]中被研究。在[4基于研究成果的丰硕成果和对邻近服务的日益增长的兴趣，第三代合作伙伴计划（3GPP）在版本12（Rel-12）中引入了一组称为ProSe的新技术作为邻近服务使能器。在这些新技术中，ProSe直接通信和ProSe直接发现使得能够使用LTE无线电技术在UE之间传送数据而无需穿过eNB即使Rel-12ProSe直接技术使UE能够彼此直接通信，这些技术所实现的连接性也限于UE间连接性。在网络覆盖之外的UE不能具有到基础设施网络的连接，即，基于互联网/基础设施的应用服务。为了解决该限制，已经在3GPP Rel-13中引入了基于ProSe技术的中继功能本文讨论了覆盖场景、网络体系结构、协议栈、ProSe UE到网络中继以及潜在增强。2. 3GPP中继技术基于3GPP Rel-13中规定的ProSe UE到网络中继，UE可以提供可能经历互联网协议（IP）连接的覆盖问题UE到网络中继通过在网络和远程UE之间中继IP业务来有效地中继器使用UE到UE直接通信与远程UE通信，同时使用现有蜂窝通信技术连接到网络。除了UE到网络中继之外，3GPP还在Rel-10中指定了中继服务技术以扩展网络覆盖。在Rel-10中，提供中继服务的网络节点被称为中继节点（RN）[7]。Rel-10 RN和Rel-13 UE到网络中继通常支持IP业务的中继尽管RN和执行层3中继的UE到网络中继器具有基本的共同性，但是可以观察到两者之间的差异如下：Rel-10 RN充当eNB以服务连接到RN的其他UE相反，Rel-13 ProSe-UE-Network中继器是仅支持中继器功能的UE。Rel-10 RN使用现有的Uu接口（UL/DL）与其他UE通信，而Rel-13中继器使用新定义的用于UE之间的直接通信的UE到UE直接接口与其他UE通信。对于本文的其余部分，UE到网络中继通常简称为中继UE。连接到中继UE以促进中继服务的UE被称为远程UE。3. 3GPP直接通信3.1. 用于侧链路的由于中继UE利用称为侧链路（SL）的直接接口来与远程UE通信，因此理解直接通信如何工作是必不可少的。让我们假设UE的应用（例如，远程UE或中继UE）生成要发送到另一UE的用户数据。该用户数据在IP层被打包成IP分组。然后，IP分组向下传递到接入层（AS）层。下面描述用于SL的AS的功能PDCP[8]：分组数据汇聚协议（PDCP）支持对接收到的IP服务数据单元进行报头压缩，以减小IP分组报头的大小PDCP建立SL无线电承载（SLRB）以在SL上携带数据。RLC[9]：对于SL仅支持未确认模式（UM）无线电链路控制（RLC），并且因此，在该级别不执行重传。只要SL的应用以延迟敏感和容错业务（诸如实时语音/视频）为目标，则仅UM RLC对SL的支持是合理的MAC [10]：介质访问控制（MAC）层通过考虑与SLRB相对应的每个SL逻辑信道的优先级来执行逻辑信道优先化。MAC报头包括源ID和目的地ID字段。接收端的MAC使用目的地ID进行分组过滤。每个MAC协议数据单元具有一个新传输和多达三个重传，使得接收UE执行HARQ合并。注意，对于SL不支持HARQ反馈，因此，配置重传的次数。PHY[11]：数据传输涉及携带SL控制信息（SCI）的物理控制信道对于每个新的传输，UE发送指示层1目的地ID、调制和编码方案以及然后，UE在紧接着控制信道的物理数据信道上发送实际数据注意，控制信道和数据信道仅在时域中分离··S. Jung，J.Kim/ICT Express 2（2016）1171193.2. 用于侧链路的无线电资源控制SL的无线电资源控制的一般原理很简单[12]：覆盖范围内的UE遵循网络明确发信号通知的无线电资源;然而，一旦UE移出网络覆盖范围，它就切换到使用存储在UE中的预配置对于SL接收，UE被配置有UE应该监视接收的接收池，并且接收池中的无线电资源应该覆盖附近使用的所有相关传输资源。对于SL传输，支持两种资源选择方案：（i）eNB调度的资源选择和（ii）eNB调度的资源选择。（ii）UE自主资源选择[11]。如果配置了eNB调度的资源选择方案，则UE使用由其服务小区分配的无线电资源。如果使用UE自主资源选择，则UE从传输资源池中随机选择传输资源。当UE在专用网络控制之外（诸如处于RRC_IDLE中或在覆盖之外）时，仅UE自主资源选择是适用的。3.3. 侧链路同步SL的同步是以这样的方式实现的：发送UE通过SL发送同步信息，然后接收UE变得同步[12]。同步信息包括物理同步信号（称为SLSS）和RRC消息（称为MIB-SL）两者。对于包括SLSS的SL传输，覆盖中的UE使用与UL/DL同步相关的网络同步如果覆盖范围外的UE检测到由被称为同步参考UE（SyncRef UE）的另一UE发送的合适的同步信息，则前一UE使用检测到的同步信息。不能检测到任何合适的SyncRef UE的UE通过发送同步信息而成为SyncRef UE。对于SL接收，UE使用与接收池相关联的同步信息。当用信号通知接收池时，网络可以显式地包括同步信息如果资源池不具有任何显式同步信息，则UE使用网络同步。4. UE到网络中继4.1. UE到网络中继图图1示出了UE到网络中继支持的覆盖场景。在图1的（a）中，当远程UE在覆盖范围之外时，远程UE连接到中继UE。在（b）和（c）中，远程UE都在覆盖范围内，但是每个远程UE分别在中继UE连接到的相同和不同小区中。Fig. 1. UE到网络中继的覆盖场景。4.2. 用于UE到网络中继的图2呈现了用于UE到网络中继的用户平面协议栈[13]。如图所示，中继UE具有分别到eNB和远程UE的两个无线电接口，并且其在IP层在远程UE和网络之间中继IP分组4.2.1. Uu和PC之间的流量映射5中继UE在Uu和PC5接口之间中继业务，因此应该执行业务映射。更具体地，它应该将UL/DL承载映射到SL承载上，反之亦然，并且这种映射对于正确的分组路由和服务质量（QoS）处理是必不可少的。对于SL到UL映射，当中继UE通过SL从远程UE接收业务时发生SL到UL映射，中继UE使用上行链路业务流模板（TFT）来选择上行链路承载以通过UL承载所接收的业务。对于DL到SL映射，其在中继UE从eNB接收业务时发生，其通过参考分组的目的地IP地址来识别然后，中继UE将被称为ProSe每分组优先级（PPPP）的优先级优先级分配基于表示DL承载的QoS类别标识符（QCI）值与优先级值之间的关联的映射信息QCI到优先级映射信息由网络提供给中继UE。4.2.2. 解决为了便于发送UE和接收UE明确地彼此寻址，SL通信引入ProSe UE ID和ProSe组ID，每个都是24比特长，用于单播和组播。在MAC报头中，ProSe UE ID的全长和截断的ProSe UE ID/ProSe组ID（16-MSB）分别被包括在源和目的地字段中。用于目的地ProSe UE ID/组ID的剩余8个LSB在物理层的SCI中指示。每个UE的目的地UE ID可以在中继发现期间由另一个UE获得。4.3. 中继服务在常规LTE网络中，通过建立演进分组服务（EPS）承载并向EPS承载提供适当的QoS参数来实现QoS区分。由于没有为SL定义EPS承载，因此现有的QoS区分机制不能应用于SL。120S. Jung，J.Kim/ICT Express 2（2016）117图二.用于UE到网络中继的用户平面协议栈。图三.中继业务操作流程示例。在Rel-13中，引入PPPP以使得能够跨对应于不同SL逻辑信道的不同业务流区分QoS。PPPP具有范围从1到8的8个值，并且每个PPPP值表示相关联的业务应当在SL上被处理的优先级。要发送的每个数据分组被分配由应用层选择的PPPP值。然后，UE执行逻辑信道优先化，使得与较高PPPP相关联的数据的传输被优先化。在UE自主资源选择的情况下，PPPP也被应用于传输池选择。网络可以为池列表中的每个传输池配置一个或多个PPPP。然后，对于要在SL上发送的每个MAC协议数据单元，UE选择与PPPP相关联的传输池。4.4. 广播业务中继除了中继单播业务之外，中继UE还支持中继多媒体广播多播服务（MBMS）业务。对于MBMS中继，远程UE可以向中继UE通知临时移动组ID（TMGI）和服务区域ID（SAI），其联合地标识期望的MBMS服务。然后，中继UE检查服务小区是否广播服务，并且如果是，则开始从服务小区的MBMS业务信道监视MBMS内容在SL。同时，中继UE响应远程UE其是否能够支持中继期望的MBMS服务。如果响应是肯定的，则远程UE开始经由SL上的中继来监视MBMS服务。4.5. 接力服务图3示出了用于UE到网络中继服务的操作过程的示例。在该示例中，远程UE被假设为在覆盖范围之外，并且通过预配置被授权用于远程UE操作。4.5.1. 中继UE发起和中继服务区域控制为了发起中继操作，UE应当被网络授权用于中继服务，并且如果被授权，则UE还应当被提供有控制中继操作的配置。为了实现这样的网络控制，UE在附接过程期间向移动性管理实体（MME）指示中继能力的支持，如图1中的步骤1所示。3.第三章。当中继UE向eNB请求无线电时，其指示用于提供中继服务的资源请求，如步骤2所示eNB然后仅在MME已经授权UE用于中继服务的情况下，为UE配置无线电eNB可以通过配置两个参考信号接收功率（RSRP）阈值来控制中继服务区域，即，thres低和thres高，在步骤2中。然后，仅当所测量的服务小区的RSRP在阈值之间时，才允许UE当中继UE和eNB之间的Uu链路太差时，Thres_low防止UE充当中继。Thres_high旨在限制由中继UE的SL传输引起的干扰水平S. Jung，J.Kim/ICT Express 2（2016）1171214.5.2. 中继发现和选择远程UE应首先识别至少一个合适的中继UE的存在以请求其附近的中继服务。为了实现识别，中继UE可以通过周期性地发送SL发现消息来宣告其存在，和/或远程UE可以宣告SL发现请求消息，期望附近的中继器响应，如步骤3所示。一旦远程UE检测到中继UE候选，它就选择满足以下两个标准的一个中继：（i）朝向候选的SL无线电质量足够好，以及（ii）候选可以提供远程UE期望的连接服务。远程UE通过对从候选者接收的发现消息执行测量来评估前一个条件，并且它通过参考由候选者提供的发现消息中包括的字段中继服务代码来检查后一个条件。在中继发现期间，远程UE获得要用于SL发送和接收中继的业务的中继的UE ID4.5.3. 一对一直连建立当中继UE为单播业务提供中继服务时，其与远端UE建立一对一的直接连接PC 5信令协议被引入以提供直接连接管理功能，例如直接链路建立/释放、安全参数控制和IP地址分配[14]。此外，该协议可以支持处理来自远程UE的MBMS业务中继的请求。在建立直接连接时，远程UE被分配要用于中继业务的IP地址在一对一直接连接期间，中继UE可以选择充当DHCPv4服务器以分配本地IPv4地址并提供网络地址转换（NAT）功能，或者充当IPv6路由器以向远程UE提供IPv6前缀和前缀4.5.4. 报告远程UE信息一旦中继UE与远程UE建立了一对一的直接链路，它就向网络报告关于远程UE上下文的信息，诸如用于中继的EPS承载ID、远程UE ID（IMSI或MSISDN）以及可选地IP地址，如步骤5 [15]中所呈现的该远程UE上下文被转发到分组数据网络网关（P-GW）， 并且P-GW利用该信息进行业务管理，包括将中继业务映射到用于中继的EPS承载。5. 结论和进一步加强在本文中，最先进的3GPP中继技术称为UE到网络中继进行了讨论。而新的中继技术开辟了扩展网络覆盖的新方法，由于不能保证中继业务的紧密服务连续性，原因是（i）网络对中继服务的控制有限，以及（ii）SL性能远低于最佳值。当然，未来工作的关键目标可能是使网络能够对中继过程进行更严格的控制，这可能包括，例如，网络控制的中继（重新）选择和复杂的资源管理，具有更好的QoS处理。另一个目标是通过引入，例如，闭环功率控制、基于反馈的重传、UE之间的传输协调、以及物理SL信道的结构的重新设计以及调度方案。此外，如果引入UE到UE中继功能，则可以通过允许多跳中继来显著增加引用[1] H. 吴角，加-地Qiao，S.De，O.Tonguz，集成蜂窝和Ad Hoc中继系统：iCAR，IEEE J.Sel.Areas Commun. 19（10）（2001）2105-2115。[2] Y.-- D. 林，Y.- C.多跳蜂窝：一种新的无线体系结构IEEE INFOCOM（2000）1273[3] H.- Y.谢河Sivakumar，On using peer-to-peer communication incellular wirelessdata networks，IEEE Trans. 移动计算第三条第1款（2004年）57-72.[4] K. Doppler，M. 林内角 Wijting，C.B. Ribeiro，K. Hugl，器械-作为LTE高级网络的替代品，Commun. Mag.47（1）（2009）42[5]L. Lei等人，操作员控制的设备到设备通信，LTE先进网络，IEEE无线通信。19（3）（2012）96[6] G. Fodor 等人 ，网络辅 助设备到 设备通信 的设计方 面，IEEECommun。50（3）（2012）170-177。[7] L. 韦河Hu，Y.Qian，G.Wu，启用设备到设备通信底层 蜂窝 网络： 挑战和 研究方 面，IEEE 通讯 。Mag.52（ 6）（2014）90[8] S. 是的，S. Chun，Y.李，S。帕克，S。Jung，Radio Protocol forLTE and LTE-Advance，Wiley，2012.[9] 3GPP TS 36.323 V12.3.0，演进的通用陆地无线电接入（E-UTRA）;分组数据汇聚协议（PDCP）规范，Mar. 2015年。[10] 3GPP TS 36.322 V12.2.0，演进的通用陆地无线电接入（E-UTRA）;无线电链路控制（RLC）协议规范，Mar.2015年。[11] 3GPP TS 36.321 V12.5.0，演进通用陆地无线电接入（E-UTRA）;媒体接入控制（MAC）协议规范，2015年3月。[12] 3GPP TS 24.334 V13.3.0，接近服务（ProSe）用户设备（UE）到ProSe功能协议方面;阶段3，3月。2016年。[13] 3GPP TS 36.213 V13.1.0，演进的通用陆地无线电接入（E-UTRA）;物理信道和调制，Mar. 2016年。[14] 3GPP TS 36.331 V12.1.0，演进通用陆地无线电接入（E-UTRA）;无线电资源控制（RRC）;协议规范，2015年3月。[15] 3GPP TS 23.303 V13.3.0，基于邻近的服务（ProSe）;阶段2，3月。2016年。