LTE-Advanced 關(guān)鍵技術(shù)

1、LTE-Advanced 關(guān)鍵技術(shù)2014-09-22 網(wǎng)優(yōu)雇傭軍網(wǎng)優(yōu)雇傭軍微信號(hào)：hr_opt通信路上，我們一起走！導(dǎo)讀對(duì)LTE-A采用的載波聚合（Carrier Aggregation）、上/下行多天線(xiàn)增強(qiáng)（Enhanced UL/DL MIMO）、多點(diǎn)協(xié)作傳輸（Coordinated Multi-point Tx&Rx）、中繼（Relay）、異構(gòu)網(wǎng)干擾協(xié)調(diào)增強(qiáng)（Enhanced Inter-cell Interference Coordination for Heterogeneous Network）等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹。1 引言L(fǎng)TE-Advanced(LTE-A)

2、是LTE的演進(jìn)版本，其目的是為滿(mǎn)足未來(lái)幾年內(nèi)無(wú)線(xiàn)通信市場(chǎng)的更高需求和更多應(yīng)用，滿(mǎn)足和超過(guò)IMT-Advanced的需求，同時(shí)還保持對(duì)LTE較好的后向兼容性。LTE-A采用了載波聚合(Carrier Aggregation)、上/下行多天線(xiàn)增強(qiáng)(Enhanced UL/DL MIMO)、多點(diǎn)協(xié)作傳輸(Coordinated Multi-point Tx&Rx)、中繼(Relay)、異構(gòu)網(wǎng)干擾協(xié)調(diào)增強(qiáng)(Enhanced Inter-cell Interference Coordination for Heterogeneous Network)等關(guān)鍵技術(shù)，能大大提高無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的峰值數(shù)據(jù)速

3、率、峰值譜效率、小區(qū)平均譜效率以及小區(qū)邊界用戶(hù)性能，同時(shí)也能提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)效率，這使得LTE和LTE-A系統(tǒng)成為未來(lái)幾年內(nèi)無(wú)線(xiàn)通信發(fā)展的主流，本文將對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。2 3GPP LTE-Advanced需求分析IMT-Advanced 和LTE-Advanced的需求以及LTE Rel.8版本對(duì)需求的滿(mǎn)足度參見(jiàn)表1。表1 IMT-Advanced 和LTE-Advanced的需求以及LTE Rel.8性能為滿(mǎn)足這些需求，3GPP在LTE-A SI(Study Item)階段對(duì)載波聚合、上下行多天線(xiàn)增強(qiáng)、多點(diǎn)協(xié)作傳輸、中繼等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了性能評(píng)估。2009年10月，3GPP將LTE-

4、Advanced (LTE Release 10 & beyond) 作為IMT-Advanced候選技術(shù)方案提交ITU，包括FDD和TDD兩種制式，以及初始的自評(píng)估結(jié)果。同時(shí)基于此候選方案和評(píng)估結(jié)果，在2010年3月LTE-A SI結(jié)束后，3GPP又先后成立了CA WI (Work Item)，UL MIMO WI， DL MIMO WI，Relay WI，CoMP SI，對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步完善和標(biāo)準(zhǔn)化。另外，LTE/LTE-A制式內(nèi)的不同功率節(jié)點(diǎn)同覆蓋形成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(Heterogeneous Network，Hetnet)作為一種顯著提升系統(tǒng)吞吐量和提高網(wǎng)絡(luò)整體效率的技

5、術(shù)在3GPP中也引起了極大關(guān)注，2010年3月也成立了eICIC for Hetnet WI。中國(guó)公司一直非常重視并積極參與LTE-A的標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程，提交的提案覆蓋了下文闡述的所有關(guān)鍵技術(shù)，并且突破性地取得了其中兩個(gè)重要WI的報(bào)告人職位中國(guó)移動(dòng)成為eICIC WI的報(bào)告人，華為公司成為UL MIMO WI的報(bào)告人。本文將對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。3 載波聚合(Carrier aggregation，CA)載波聚合是能滿(mǎn)足LTE-A更大帶寬需求且能保持對(duì)LTE后向兼容性的必備技術(shù)。目前，LTE支持的最大帶寬是20MHz，LTE-A通過(guò)聚合多個(gè)對(duì)LTE后向兼容的載波可以支持到最大100MHz帶寬。

6、接收能力超過(guò)20MHz的LTE-A 終端(User Equipment，UE)可以同時(shí)接收多個(gè)成員載波，而對(duì)LTE Rel.8的終端，也可以正常接收其中一個(gè)成員載波。頻譜聚合的場(chǎng)景可以分為3種：帶內(nèi)連續(xù)載波聚合(Intra-Band，Contiguous)、帶內(nèi)非連續(xù)載波聚合(Intra-Band，Non-contiguous)、帶外非連續(xù)載波聚合 (Inter-Band，Contiguous)。具體參見(jiàn)圖1。圖1 典型CA場(chǎng)景帶外非連續(xù)載波聚合通常會(huì)造成共站同功率的兩個(gè)成員載波的覆蓋不相同。標(biāo)準(zhǔn)中曾對(duì)LTE-A每個(gè)成員載波是否都要保證對(duì)LTE Rel.8后向兼容性的問(wèn)題進(jìn)行過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的討論?？?/p>

7、慮到頻譜效率、系統(tǒng)簡(jiǎn)單性、終端/eNodeB復(fù)雜度和測(cè)試復(fù)雜度等因素，標(biāo)準(zhǔn)最后決定在Rel.10中，CA成員載波都是后向兼容的，在后續(xù)版本中可以考慮引入其他形態(tài)載波的可能性。LTE-A不同終端聚合的載波數(shù)目可以不同。FDD系統(tǒng)中，同一個(gè)終端聚合的上/下行成員載波的數(shù)目也可以不同;但TDD系統(tǒng)中，通常上/下行成員載波的數(shù)目是相同的。在MAC到PHY映射上，無(wú)論上行還是下行，每個(gè)成員載波有獨(dú)立的HARQ實(shí)體，這種方式可以最大程度地重用Rel.8的功能，并能保證較好的HARQ性能，缺點(diǎn)是可能需要反饋多個(gè)ACK/NACK。LTE上行采用了單載波傳輸方式(DFT-S-OFDM)，在LTE-A上行多載波聚

8、合傳輸時(shí)，經(jīng)過(guò)對(duì)OFDM和N x DFT-S-OFDM之間的評(píng)估之后，最終傳輸方式采納了N x DFT-S-OFDM的形式，即其中每個(gè)成員載波按獨(dú)立的DFT-S-OFDM傳輸。4 多天線(xiàn)增強(qiáng)(Enhanced Multiple Antenna Transmission)多天線(xiàn)技術(shù)的增強(qiáng)是滿(mǎn)足LTE-A峰值譜效率和平均譜效率提升需求的重要途徑之一。LTE Rel.8下行支持1，2，4天線(xiàn)發(fā)射，終端側(cè)2，4天線(xiàn)接收，下行可支持最大4層(Layer)傳輸。上行只支持終端側(cè)單天線(xiàn)發(fā)送，基站側(cè)最多4天線(xiàn)接收。LTE Rel.8的多天線(xiàn)發(fā)射模式包括開(kāi)環(huán)(Open loop)MIMO，閉環(huán)(Closed l

9、oop)MIMO，波束成型(Beamforming，BF)，以及發(fā)射分集。除了單用戶(hù)MIMO(single-user MIMO，SU-MIMO)，LTE中還采用了另外一種譜效率增強(qiáng)的多天線(xiàn)傳輸方式，稱(chēng)為多用戶(hù)MIMO(Multi-User MIMO，MU-MIMO)，多個(gè)用戶(hù)復(fù)用相同的無(wú)線(xiàn)資源通過(guò)空分的方式同時(shí)傳輸。LTE-A中為提升峰值譜效率和平均譜效率，在上下行都擴(kuò)充了發(fā)射/接收支持的最大天線(xiàn)個(gè)數(shù)，允許上行最多4天線(xiàn)4層發(fā)送，下行最多8天線(xiàn)8層發(fā)送，從而LTE-A中需要考慮更多天線(xiàn)數(shù)配置下的多天線(xiàn)發(fā)送方式。1）上行多天線(xiàn)增強(qiáng)LTE-A上行除了需要考慮更多天線(xiàn)數(shù)配置外，還需要考慮上行低峰均比

10、的需求和每個(gè)成員載波上的單載波傳輸?shù)男枨?。?duì)上行控制信道而言，容量提升不是主要需求，多天線(xiàn)技術(shù)主要用來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化性能和覆蓋，因此只需要考慮發(fā)射分集方式。經(jīng)過(guò)評(píng)估，對(duì)采用碼分的上行控制信道(PUCCH)格式 1/1a/1b采用了SORTD(Spatial Orthogonal Resource Transmit Diversity)的發(fā)射分集方式，即在多天線(xiàn)上采用互相正交的碼序列對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制傳輸。上行控制信道格式2的分集方式還在討論中。對(duì)上行業(yè)務(wù)信道而言，容量提升是主要需求，多天線(xiàn)技術(shù)需要考慮空間復(fù)用的引入。同時(shí)，由于發(fā)射分集相對(duì)于更為簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)秩1預(yù)編碼并沒(méi)有性能優(yōu)勢(shì)，因此標(biāo)準(zhǔn)最終確定上行業(yè)

11、務(wù)信道不采用發(fā)射分集，對(duì)小區(qū)邊界的用戶(hù)等可以直接采用開(kāi)環(huán)秩1預(yù)編碼。目前，2發(fā)射天線(xiàn)和4發(fā)射天線(xiàn)下的低峰均比秩14的碼本設(shè)計(jì)都已完成。與LTE一樣，LTE-A的上行參考信號(hào)(Reference Signal，RS)也包括用于信道測(cè)量的SRS(Sounding RS) 和用于信號(hào)檢測(cè)DMRS(Demodulation RS)。由于上行空間復(fù)用及多載波的采納，單個(gè)用戶(hù)使用的上行DMRS的資源開(kāi)銷(xiāo)需要擴(kuò)充，最直接的方式就是在LTE 上行RS使用的CAZAC(Const Amplitude Zero Auto-Corelation)碼循環(huán)移位(Cyclic Shift)的基礎(chǔ)上，不同數(shù)據(jù)傳輸層的DMR

12、S使用不同的循環(huán)移位。還有一種可能是在時(shí)域的多個(gè)RS符號(hào)上疊加正交碼(Orthogonal Cover Code，OCC)來(lái)擴(kuò)充碼復(fù)用空間。目前，關(guān)于兩種擴(kuò)充方式的討論還在繼續(xù)。對(duì)于SRS信號(hào)，為了支持上行多天線(xiàn)信道測(cè)量以及多載波測(cè)量，資源開(kāi)銷(xiāo)相對(duì)于R8 SRS信號(hào)同樣需要擴(kuò)充，除了延用R8周期性 SRS發(fā)送模式以外，LTEA還增加了非周期SRS發(fā)送模式，由NodeB觸發(fā)UE發(fā)送，實(shí)現(xiàn)SRS資源的擴(kuò)充。2）下行多天線(xiàn)增強(qiáng)因?yàn)橹С值膫鬏攲訑?shù)的增加，導(dǎo)致需要考慮更大尺寸的碼本設(shè)計(jì)。因?yàn)長(zhǎng)TE-A下行業(yè)務(wù)信道的傳輸可以采用專(zhuān)用參考信號(hào)(dedicated RS)，因此原則上下行發(fā)送可以基于碼本也可以

13、基于非碼本。同時(shí)，對(duì)于閉環(huán)MIMO，為了減少反饋開(kāi)銷(xiāo)，采用基于碼本的PMI反饋方式。目前8天線(xiàn)碼本的設(shè)計(jì)正在進(jìn)行，初步采用雙預(yù)編碼矩陣碼本(Dual-index Precoding Codebook)結(jié)構(gòu)，即把碼本矩陣用兩個(gè)矩陣的乘積表示，通常兩個(gè)矩陣中一個(gè)是基碼本，另一個(gè)是根據(jù)信道變化特征在基碼本上的修正。為了進(jìn)一步減少反饋開(kāi)銷(xiāo)，還可以考慮根據(jù)信道的變化快慢不同的統(tǒng)計(jì)特征分別進(jìn)行長(zhǎng)周期反饋(比如空間相關(guān)性)和短周期反饋(比如快衰因素)。LTE-A采用用戶(hù)專(zhuān)用參考信號(hào)的方式來(lái)進(jìn)行業(yè)務(wù)信道的傳輸，同一用戶(hù)業(yè)務(wù)信道的不同層使用的參考信號(hào)以CDM+FDM的方式相互正交。為了測(cè)量最多八層信道，除了原來(lái)

14、的公共參考信號(hào)(Common RS)外，還引入了信道狀態(tài)指示參考信號(hào)(Channel State Indication RS，CSI-RS)，CSI-RS在時(shí)頻域可以設(shè)置得比較稀疏，各天線(xiàn)端口的CSI-RS以CDM+FDM的方式相互正交。另外，LTE-A中目前正在討論對(duì)MU-MIMO的繼續(xù)增強(qiáng)，以充分開(kāi)發(fā)多用戶(hù)分集增益和聯(lián)合信號(hào)處理的增益來(lái)減少多用戶(hù)流間的干擾，同時(shí)也做到性能和復(fù)雜度之間的較好折中。根據(jù)目前標(biāo)準(zhǔn)上達(dá)成的結(jié)論，MU-MIMO支持最多4個(gè)用戶(hù)復(fù)用，每用戶(hù)不超過(guò)兩層，總共不超過(guò)4層傳輸。為了增加調(diào)度靈活性，MU-MIMO調(diào)度對(duì)用戶(hù)而言是透明的，即用戶(hù)可以不知道是否有其它用戶(hù)與其在相同

15、的資源上進(jìn)行空間復(fù)用，并且用戶(hù)可以在SU-MIMO和MU-MIMO狀態(tài)之間動(dòng)態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。5 協(xié)作多點(diǎn)傳輸(Coordinated Multiple Point Transmission and Reception，CoMP)協(xié)作多點(diǎn)傳輸是一種提升小區(qū)邊界容量和小區(qū)平均吞吐量的有效途徑。其核心想法是當(dāng)終端位于小區(qū)邊界區(qū)域時(shí)，它能同時(shí)接收到來(lái)自多個(gè)小區(qū)的信號(hào)，同時(shí)它自己的傳輸也能被多個(gè)小區(qū)同時(shí)接收。在下行，如果對(duì)來(lái)自多個(gè)小區(qū)的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)以規(guī)避彼此間的干擾，能大大提升下行性能。在上行，信號(hào)可以同時(shí)由多個(gè)小區(qū)聯(lián)合接收并進(jìn)行信號(hào)合并，同時(shí)多小區(qū)也可以通過(guò)協(xié)調(diào)調(diào)度來(lái)抑制小區(qū)間干擾，從而達(dá)到提升接收信

16、號(hào)信噪比的效果。按照進(jìn)行協(xié)調(diào)的節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，CoMP可以分為intra-site CoMP和inter-site CoMP兩種。(1)Intra-site CoMP協(xié)作發(fā)生在一個(gè)站點(diǎn)(site，eNodeB)內(nèi)，此時(shí)因?yàn)闆](méi)有回傳(Backhaul)容量的限制，可以在同一個(gè)站點(diǎn)的多個(gè)小區(qū)(cell)間交互大量的信息。(2)Inter-site CoMP協(xié)作發(fā)生在多個(gè)站點(diǎn)間，對(duì)回傳容量和時(shí)延提出了更高要求。反過(guò)來(lái)說(shuō)，Inter-site CoMP性能也受限于當(dāng)前Backhaul的容量和時(shí)延能力(見(jiàn)圖2)。圖2 intra-site CoMP和inter-site CoMP示意圖在協(xié)作多點(diǎn)發(fā)射(對(duì)

17、應(yīng)下行CoMP)中，按業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)是否在多個(gè)協(xié)調(diào)點(diǎn)上都能獲取，可以分為協(xié)作調(diào)度/波束成型(Coordinated Scheduling/Beamforming，CS/CBF)和 聯(lián)合處理(Joint Processing，JP)兩種。對(duì)CS/CBF而言，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)只在服務(wù)小區(qū)上能獲取，即對(duì)終端的傳輸只來(lái)自服務(wù)小區(qū)(Serving Cell)，但相應(yīng)的調(diào)度和發(fā)射權(quán)重等需要小區(qū)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)信息交互和協(xié)調(diào)，以盡可能減少多個(gè)小區(qū)的不同傳輸之間的互干擾。而對(duì)JP而言，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在多個(gè)協(xié)調(diào)點(diǎn)上都能獲取，對(duì)終端的傳輸來(lái)自多個(gè)小區(qū)，多小區(qū)通過(guò)協(xié)調(diào)的方式共同給終端服務(wù)，就像虛擬的單個(gè)小區(qū)一樣，這種方式通常有更好的性能，但

18、對(duì)Backhaul的容量和時(shí)延提出了更高要求。一種常見(jiàn)的CS/CBF方式是，終端對(duì)多個(gè)小區(qū)的信道進(jìn)行測(cè)量和反饋，反饋的信息既包括期望的來(lái)自服務(wù)小區(qū)的預(yù)編碼向量，也包括鄰近的強(qiáng)干擾小區(qū)的干擾預(yù)編碼向量，多個(gè)小區(qū)的調(diào)度器經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)，各小區(qū)在發(fā)射波束時(shí)盡量使得對(duì)鄰小區(qū)不造成強(qiáng)干擾，同時(shí)還盡可能保證本小區(qū)用戶(hù)期望的信號(hào)強(qiáng)度。在聯(lián)合處理方式(JP)中，既可以由多個(gè)小區(qū)執(zhí)行對(duì)終端的聯(lián)合預(yù)編碼, 也可以由每個(gè)小區(qū)執(zhí)行獨(dú)立的預(yù)編碼、多個(gè)小區(qū)聯(lián)合服務(wù)同一個(gè)終端。既可以多小區(qū)共同服務(wù)來(lái)自某個(gè)小區(qū)的單個(gè)用戶(hù)，也可以多小區(qū)共同服務(wù)來(lái)自多小區(qū)的多個(gè)用戶(hù)。如圖3所示是不同CoMP類(lèi)型下的性能增益，仿真條件按照3GPP TR

19、 36.814規(guī)定?？梢钥闯?，CoMP技術(shù)能帶來(lái)顯著的小區(qū)邊界和小區(qū)平均性能增益。圖3 DL CoMP增益目前，CoMP還處在SI階段，對(duì)協(xié)作多點(diǎn)接收(對(duì)應(yīng)上行CoMP)而言，由于主要影響調(diào)度器和接收機(jī)，可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)途徑達(dá)到，因此目前在Rel.10中沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)協(xié)作多點(diǎn)發(fā)射，由于intra-site CoMP已經(jīng)可以達(dá)到可觀的性能增益，同時(shí)又不需要對(duì)站點(diǎn)間的X2接口在標(biāo)準(zhǔn)化上提出新的要求，因此目前intra-site CoMP是標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注的重點(diǎn)。CSI-RS的設(shè)計(jì)也是CoMP的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化重點(diǎn)。為了支持終端對(duì)鄰小區(qū)信道的測(cè)量，在CSI-RS設(shè)計(jì)時(shí)需要盡量保證小區(qū)之間CSI-RS的正交性，以及考慮

20、本小區(qū)業(yè)務(wù)信道對(duì)測(cè)量鄰小區(qū)CSI-RS信號(hào)強(qiáng)度的影響。6 中繼(Relay)Rel.10的Relay技術(shù)主要定位在覆蓋增強(qiáng)場(chǎng)景。Relay節(jié)點(diǎn)(RN)用來(lái)傳遞eNodeB和終端之間的業(yè)務(wù)/信令傳輸，目的是為了增強(qiáng)高數(shù)據(jù)速率的覆蓋、臨時(shí)性網(wǎng)絡(luò)部署、小區(qū)邊界吞吐量提升、覆蓋擴(kuò)展和增強(qiáng)、支持群移動(dòng)等，同時(shí)也能提供較低的網(wǎng)絡(luò)部署成本。RN通過(guò)宿主(Donor)eNodeB以無(wú)線(xiàn)方式連接到接入網(wǎng)。RN和宿主eNodeB間的接口定義為Un口，終端仍通過(guò)Uu口和RN相連。Un口可以是帶內(nèi)的也可以是帶外的，帶內(nèi)是指eNodeB和RN之間的鏈路(Link)與RN和終端之間的鏈路共享同一段頻率，否則稱(chēng)為帶外。目前

21、標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注的場(chǎng)景中，eNodeB和RN之間的鏈路與eNodeB和終端之間的鏈路總是共享同一段頻率(見(jiàn)圖4)。圖4 Relay Network按照RN是否具有獨(dú)立的cell id，3GPP將RN分為兩類(lèi)：(1)Type 1 Relay有獨(dú)立的cell id;傳輸自己的同步信道、參考信號(hào)等;終端直接從RN接收調(diào)度信令，HARQ反饋等，并將自己的控制信道等直接發(fā)送給RN;即在Rel.8 終端看來(lái)，RN就是一個(gè)Rel.8基站，而LTE-A 終端可能可以分辨RN和eNodeB。(2)Type 2 Relay沒(méi)有獨(dú)立的cell id，不能形成新的小區(qū);對(duì)Rel.8 終端是透明的，即Rel.8 終端意識(shí)不到R

22、elay的存在;可以傳輸業(yè)務(wù)信道，但至少不能傳輸 CRS和 PDCCH。目前標(biāo)準(zhǔn)中主要關(guān)注帶內(nèi)Type I Relay。關(guān)于各鏈路的資源使用，eNodeBRN和RNUE兩條鏈路在同一頻帶上時(shí)分復(fù)用，一個(gè)時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)傳輸; RNeNodeB和UERN兩條鏈路在同一頻帶上時(shí)分復(fù)用，一個(gè)時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)傳輸。另外，關(guān)于Backhaul鏈路的傳輸資源，在FDD系統(tǒng)中，eNodeBRN和RNeNodeB 分別在下行頻帶和上行頻帶上傳輸;TDD系統(tǒng)中，eNodeBRN和RNeNodeB 分別在eNodeB和RN之間的Backhaul鏈路的下行子幀和上行子幀上傳輸。為了完成帶內(nèi)回傳，需要分配一些資源用來(lái)進(jìn)行eNodeB和RN之間的信息傳輸，這些資源不能再被用作RN和終端之間的接入鏈路的傳輸。為了保持對(duì)Rel.8 終端的后向兼容性，在下行，RN通過(guò)配置MBSFN(廣播多播單頻網(wǎng))子幀的方式來(lái)進(jìn)行回傳鏈路的傳輸，即在配置的MBSFN子幀中，RN實(shí)際上在接收來(lái)自eNodeB的下行信息，此時(shí)RN不再給下轄的終端發(fā)送下行數(shù)據(jù)。而當(dāng)RN向eNodeB傳送信息時(shí)，可以通過(guò)調(diào)度使得RN下轄的終端在此時(shí)不再發(fā)送上行數(shù)據(jù)給RN。目前，標(biāo)準(zhǔn)上正在對(duì)帶內(nèi)Type I Relay的Backhaul各信道設(shè)計(jì)進(jìn)行討論，主要集中在控制信道設(shè)計(jì)、參考信號(hào)設(shè)計(jì)和各鏈路的定時(shí)關(guān)系上。7 異構(gòu)網(wǎng)干擾協(xié)調(diào)增強(qiáng)