LTE-Advanced:下一代無線寬帶技術(shù)

[摘要]LTE-Advanced(簡(jiǎn)稱LTE-A或稱為L(zhǎng)TE R10)是LTE R8的平滑演進(jìn)，文章在簡(jiǎn)單回顧LTE R8物理層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析了LTE-A的技術(shù)需求和指標(biāo)，并對(duì)LTE-A的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的解讀，包括：載波聚合、擴(kuò)展的上下行空間復(fù)用、下行協(xié)作多點(diǎn)傳輸和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

[關(guān)鍵詞]LTE-AdvancedIMT-A載波聚合MIMOCoMP異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

1背景

為了應(yīng)對(duì)寬帶接入的挑戰(zhàn)，同時(shí)為了滿足新型無線業(yè)務(wù)的需求，3GPP在2004年啟動(dòng)了LTE技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，并于2009年3月發(fā)布了LTE R8版本，原則上完成了LTE標(biāo)準(zhǔn)草案，LTE進(jìn)入實(shí)質(zhì)研發(fā)階段。2010年12月，日本電信運(yùn)營(yíng)商N(yùn)TT DoCoMo在日本推出了首個(gè)LTE服務(wù)。目前，全球范圍內(nèi)已有超過18家運(yùn)營(yíng)商公布了自己的LTE部署計(jì)劃。

考慮到LTE R8相比于ITU-R定義的IMT-Advanced的要求還存在一定的差距，目前，3GPP的工作重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向?qū)TE R8的進(jìn)一步增強(qiáng)，已經(jīng)啟動(dòng)了LTE-Advanced(LTE-A或LTE R10)研究項(xiàng)目，目的是在保證其對(duì)LTE R8后向兼容的基礎(chǔ)上，達(dá)到甚至超過IMT-Advanced的要求。

由于LTE R8已經(jīng)大量使用了近20年來積累的先進(jìn)信號(hào)處理技術(shù)，如OFDM、MIMO、自適應(yīng)技術(shù)等，在繼續(xù)擴(kuò)展這些技術(shù)應(yīng)用的同時(shí)，LTE-A的著力點(diǎn)更多地集中在無線資源管理(RRM)和網(wǎng)絡(luò)層的優(yōu)化方面。本文將著重對(duì)LTE-A的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的探討。

2LTE R8物理層綜述

LTE R8在20MHz帶寬內(nèi)的上下行峰值數(shù)據(jù)速率分別為75Mb／s和300Mb／s，支持頻分雙工(FDD)和時(shí)分雙工(TDD)兩種模式。

下行鏈路是針對(duì)多發(fā)射天線系統(tǒng)的，采用基于循環(huán)前綴的OFDM多址接入方案。圖1所示為4個(gè)發(fā)送天線端口的下行FDD系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)，采用公共參考信號(hào)和常規(guī)的循環(huán)前綴(CP)。每個(gè)子幀由兩個(gè)長(zhǎng)度為0.5ms的時(shí)隙構(gòu)成(含7個(gè)OFDM符號(hào))，包括參考信號(hào)、控制信號(hào)和傳輸數(shù)據(jù)?？刂菩盘?hào)位于前，7(7≤3)個(gè)OFDM符號(hào)中，后面緊跟著數(shù)據(jù)信息?？刂菩盘?hào)與數(shù)據(jù)信息之間采用時(shí)分復(fù)用(TDM)的方式，其優(yōu)點(diǎn)是可以降低延時(shí)，并實(shí)現(xiàn)用戶終端的微睡眠(mic ro-sleep)，即允許用戶在判斷其子幀無數(shù)據(jù)分配時(shí)切斷功放，從而顯著降低用戶設(shè)備(UE)的功率消耗，延長(zhǎng)電池壽命。

在上行，單載波頻分復(fù)用(SC-FDMA)通過離散傅里葉變換擴(kuò)展OFDM(DFT-S-OFDM)來實(shí)現(xiàn)。DFT-S-OFDM與下行OFDM傳輸方案原理相似，主要的區(qū)別在于星座符號(hào)在映射到不同的子載波前先進(jìn)行DFT預(yù)編碼。DFT預(yù)編碼可以減小信號(hào)的立方度量(CM)，帶來更高的最大傳輸功率，進(jìn)而提高小區(qū)邊緣覆蓋，延長(zhǎng)用戶端的電池壽命。與下行相似，小區(qū)內(nèi)的用戶保持頻域正交性，這樣有助于基站(eNodeB或eNB)更有效地控制干擾。每個(gè)上行子幀也包含2個(gè)長(zhǎng)度為0.5ms的子幀(常規(guī)CpR寸含7個(gè)DFT-S-OFDM符號(hào))。上行鏈路上支持兩種類型的參考信號(hào)：一是解調(diào)參考信號(hào)，用于信道估計(jì)和上行數(shù)據(jù)或控制信號(hào)的解調(diào)；二是探測(cè)參考信號(hào)，用于上行頻率選擇調(diào)度，以便動(dòng)態(tài)分配最優(yōu)的頻帶資源，以及下行基于專用參考信號(hào)的波束成形。

3LTE-A的技術(shù)需求

LTE R8不能完全滿足IMT-A的要求，因此，3GPP設(shè)計(jì)LTE-A，使之成為JMT-A的候選技術(shù)。表1總結(jié)了LTE-A對(duì)頻譜利用率的要求：

除了提高頻譜利用率之外，有效縮短延遲時(shí)間也是LTE-A的目標(biāo)之一，時(shí)延的控制將更加嚴(yán)格。控制層從空閑狀態(tài)到連接狀態(tài)的過渡時(shí)間，要從LTE的100ms減少到LTE-A的50ms；從休眠狀態(tài)到激活狀態(tài)，要從LTE的50ms減少到LTE-A的低于10ms。另外，LTE-A的容量和覆蓋也將進(jìn)一步增強(qiáng)。

于是，需要在LTE-A中引入更為先進(jìn)的技術(shù)，來為技術(shù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供有效的手段。這些新技術(shù)包括：

◆載波聚合

◆擴(kuò)展的空間復(fù)用和多點(diǎn)協(xié)作

◆異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

下面將對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)逐一進(jìn)行分析。

4LTE-A的關(guān)鍵技術(shù)

4.1載波聚合

在LTE-A中，載波聚合(Carrier Aggregation)是一項(xiàng)具有吸引力的技術(shù)，通過載波聚合來實(shí)現(xiàn)帶寬擴(kuò)展。將可配置的系統(tǒng)載波定義為成員載波，每個(gè)成員載波的帶寬都不大于之前LTE R8系統(tǒng)所支持的上限，即20MHz。為了滿足峰值速率的要求，組合多個(gè)成員載波，允許配置帶寬最高可達(dá)100MHz，實(shí)現(xiàn)上下行峰值目標(biāo)速率分別為500Mb／s和1Gb／s，與此同時(shí)為合法用戶提供后向兼容。

載波聚合可以有效地支持處于異構(gòu)網(wǎng)中不同類型的成員載波，使頻譜資源的利用更加靈活。成員載波有三種不同的類型：

(1)后向兼容載波：LTE R8用戶設(shè)備也可以接入這種載波類型，不需要考慮標(biāo)準(zhǔn)的版本。這種載波對(duì)所有現(xiàn)有的LTE R8技術(shù)特征都必須支持。

(2)非后向兼容載波：只有LTE-A用戶可以接入這種類型的載波。這種載波支持先進(jìn)的技術(shù)特征，比如LTER8用戶不可用的少控制操作(control-less operations)或者錨定載波的概念(錨定載波是具有特殊功能的成員載波，引導(dǎo)用戶搜索LTE-A小區(qū)，并加快用戶與LTE-A小區(qū)的同步)。

(3)擴(kuò)展載波：這種類型的載波用作其他載波的延伸。例如，當(dāng)存在來自于宏蜂窩的高干擾時(shí)，用來為家庭eNB提供業(yè)務(wù)。

載波聚合的三種可能方案是：同一頻帶內(nèi)的成員載波的連續(xù)聚合，同一頻帶內(nèi)的成員載波的不連續(xù)聚合，和多個(gè)頻帶內(nèi)的成員載波的不連續(xù)聚合。最多5個(gè)成員載波聚合起來提供最大100MHz的帶寬。根據(jù)現(xiàn)有的物理層技術(shù)指標(biāo)，在20MHz系統(tǒng)帶寬上，下行峰值速率采用兩層空間復(fù)用能達(dá)到150.752Mb／s，四層空間復(fù)用能達(dá)到299.552 Mb／s。有了載波聚合技術(shù)，這些峰值速率將隨著載波個(gè)數(shù)的增長(zhǎng)而線性增長(zhǎng)。比如，下行鏈路使用5×20MHz帶寬時(shí)，峰值速率理論上可以達(dá)到1.5Gb／s。上行峰值數(shù)據(jù)速率在現(xiàn)有技術(shù)下可以達(dá)到75.376Mb／s，采用載波聚合技術(shù)后，峰值上行速率理論可達(dá)376.88Mb／S；若再輔以上行空間復(fù)用技術(shù)，可以獲得超過500Mb／s的峰值速率。

4.2擴(kuò)展的空間復(fù)用和下行多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)

MIM0傳輸方案已經(jīng)在LTE R8下行鏈路中得以應(yīng)用，包括發(fā)送分集和高達(dá)四層(layer)的開環(huán)閉環(huán)空間復(fù)用。這些方案由eNB發(fā)出的常規(guī)參考信號(hào)支持。閉環(huán)空間復(fù)用采用基于碼本的預(yù)編碼技術(shù)，單層的用戶專用參考信號(hào)用于波束成形。MU-MIMQ(多用戶MIMO)傳

輸方案基于碼本反饋來應(yīng)用，由于碼本與真實(shí)信道存在量化誤差，用戶端缺乏對(duì)干擾的有效控制；因此，在LTER8中，相對(duì)于SU-MIMO(單用戶MIMO)，MU-MIMQ沒有帶來性能的增益。LTE-A重新確定了MU-MIMO的特征。

在LTE R9和RR10中，上下行傳輸性能通過下列技術(shù)特征來提高：

◆增強(qiáng)的單小區(qū)下行MU-MIMO支持

◆擴(kuò)展的八層下行空間復(fù)用

◆下行多點(diǎn)協(xié)作通信

◆擴(kuò)展的四層上行空間復(fù)用

(1)增強(qiáng)的單小區(qū)下行MU-MIMO支持

LTE R9引入了兩路正交的用戶專用參考信號(hào)，允許一個(gè)eNB采用閉環(huán)空間復(fù)用，通過信道互易性建立天線權(quán)重，發(fā)送兩路數(shù)據(jù)給一個(gè)UE；同時(shí)，也允許一個(gè)eNB使用時(shí)頻資源發(fā)送兩路數(shù)據(jù)給兩個(gè)UE。這樣，系統(tǒng)可以在SU-MIMO-MU-MIMO兩種狀態(tài)下進(jìn)行動(dòng)態(tài)的切換。由于每個(gè)UE并不知道是否有另一個(gè)使用相同資源的UE存在，所以這種調(diào)度對(duì)用戶而言是透明的，所需的控制信令的開銷相對(duì)較小。UE從用戶專用信號(hào)中提取信道預(yù)測(cè)信息之后，可以估計(jì)出表示干擾的相關(guān)矩陣。接收機(jī)通過這些信息來進(jìn)行干擾消除。

在LTE R9中，eNB基于信道互易性形成發(fā)送波束，通過MU-MIMO的增強(qiáng)技術(shù)帶來了扇區(qū)吞吐量的大幅提高。而在LTE-A中，考慮到利用信道互易性提取的信息不可靠，需要進(jìn)一步研究增強(qiáng)空間信道反饋的可分辨性的方法，以充分利用多用戶分集增益和聯(lián)合信號(hào)處理的增益，來減少多用戶間的干擾，同時(shí)也要做到性能和復(fù)雜度之間的較好折中。

(2)八層下行空間復(fù)用

從四層到八層空間復(fù)用的擴(kuò)展，是為了提高LTE-A系統(tǒng)下行的峰值吞吐量。使用八個(gè)發(fā)射天線，相應(yīng)地，引入八層用戶專用參考信號(hào)作為解調(diào)。考慮到用戶專用參考信號(hào)的分布密度可以基于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶訑?shù)和資源分配的大小來調(diào)整，所以使用用戶專用參考信號(hào)來支持高階的空間復(fù)用，相較于采用公共參考信號(hào)更加經(jīng)濟(jì)。為了提供信道質(zhì)量的反饋，需要通過eNB返回多達(dá)八層的帶寬選擇信息、信道空間信息(碼本)以及參考信息。

信道狀態(tài)指示參考信號(hào)(CSI-RS，Channel StateIndication RS)，不用于解調(diào)，分散地分布于時(shí)間和頻率上，占用的開銷大概為1％或更少。設(shè)計(jì)CSI-RS時(shí)，不僅需要考慮支持八個(gè)發(fā)送天線，同時(shí)還要保證小區(qū)邊緣的用戶可以測(cè)量到相鄰小區(qū)的CSI-RS，來支持多點(diǎn)協(xié)作通信。CSI-RS的功率、密度和位置要也需要仔細(xì)討論，因?yàn)檫@些因素有可能會(huì)影響到LTE R9和R8中的同一子幀中其他用戶的數(shù)據(jù)傳輸。

(3)下行協(xié)作多點(diǎn)傳輸

協(xié)作多點(diǎn)傳輸(CoMP)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，能夠?qū)崿F(xiàn)可觀的性能增益。LTE-A需要提供空中接口，使得eNB之間的協(xié)作成為可能。多個(gè)eNB可以協(xié)作來確定某個(gè)UE的調(diào)度、傳輸參數(shù)和發(fā)送天線的權(quán)重，這種協(xié)作是以eNB之間高容量的回程鏈路為基礎(chǔ)的。在CoMP中支持基于閉環(huán)波束成形或者預(yù)編碼的傳輸。圖2中，三個(gè)eNB協(xié)調(diào)去創(chuàng)建一個(gè)到UE1和UE2的多點(diǎn)傳輸。

UE離多個(gè)eNB較近，就處于干擾受限環(huán)境。CoMP的目的是減少網(wǎng)絡(luò)中對(duì)UF的干擾，如果干擾eNB和服務(wù)eNB之間存在協(xié)調(diào)，就可以減小和預(yù)測(cè)干擾。CoMP的開銷控制、反饋方法和調(diào)度限制正在研究之中。目前，COMP還處在SI階段，協(xié)作多點(diǎn)接收(即上行CoMP)在LTE R10中沒有標(biāo)準(zhǔn)化。

(4)四層上行空間復(fù)用

LTE-A兼容的用戶需要支持多達(dá)四個(gè)發(fā)送天線，通過四層空間復(fù)用提高上行峰值速率。和LTE R8一樣，LTE R1O中的上行傳輸方案也要進(jìn)行DFT預(yù)編碼的OFDM變換。在保證單載波特性的同時(shí)，將峰均功率比或立方度量限制為一個(gè)較低的值。支持開環(huán)和閉環(huán)的空間復(fù)用。在進(jìn)行閉環(huán)操作時(shí)，使用基于碼本的預(yù)編碼。其中，層偏移(Layer shifting)機(jī)制可以提供空間復(fù)用的穩(wěn)定性，來克服天線增益的不平衡性和因移動(dòng)速度帶來的信道質(zhì)量指示(CQI)不匹配的問題。碼本設(shè)計(jì)方案也正在研究之中，需要考慮預(yù)編碼傳輸峰均比等問題。

4.3異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是分布在宏蜂窩中的低功率節(jié)點(diǎn)組成的集合。低功率節(jié)點(diǎn)的類型各種各樣，可以是微蜂窩、微微蜂窩、家庭基站技術(shù)、中繼或分布式天線系統(tǒng)。這些低功率的節(jié)點(diǎn)被放置在不同的環(huán)境中，包括熱點(diǎn)、家庭、企業(yè)，來提高系統(tǒng)整體的容量和覆蓋。CoMP可以減少干擾，而為了更有效地支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署，還需要引入小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)。

以中繼(RN，Relay Node)為例，作為L(zhǎng)TE-A加入的新功能，采用具備無線中繼功能的站點(diǎn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行必要的處理、選擇性放大和轉(zhuǎn)發(fā)，可以改善由無線信道環(huán)境導(dǎo)致的陰影衰落，擴(kuò)大信號(hào)覆蓋范圍和提高系統(tǒng)的吞吐量。與之相比，傳統(tǒng)的直放站雖然也可以通過放大轉(zhuǎn)發(fā)來提供eNB覆蓋的延伸，但不能有效分離信號(hào)和干擾。

中繼通過宿主eNB(Donor eNB)以無線方式連接到接入網(wǎng)，主要分為兩種類型：

(1)類型1

該類型中繼有自己的物理小區(qū)號(hào)，發(fā)送與宿主小區(qū)相區(qū)別的獨(dú)立的同步信道、參考符號(hào)，用戶直接從中繼接收調(diào)度信息和HARQ反饋。在LTE R8終端看來，中繼就是一個(gè)基站，而LTE-A終端可以區(qū)分中繼和eNB。

(2)類型2

該類型中繼不含有獨(dú)立的物理小區(qū)號(hào)，也就是說不產(chǎn)生任何新的小區(qū)。對(duì)于LTE R8中的用戶是透明的，即LTE R8中的用戶不會(huì)意識(shí)到其存在。

中繼支持兩種類型的回傳連接：

◆帶內(nèi)回傳。eNB到中繼鏈路，與eNB到UE鏈路共享頻帶；

◆帶外回傳。eNB到中繼鏈路，不與eNB到uE鏈路共享頻帶。

目前，標(biāo)準(zhǔn)中主要關(guān)注帶內(nèi)回傳類型1的中繼，致力于控制信道的設(shè)計(jì)、參考信號(hào)的設(shè)計(jì)和各鏈路的定時(shí)關(guān)系的確定。

5結(jié)束語(yǔ)

作為L(zhǎng)TE R8技術(shù)的后續(xù)演進(jìn)，LTE R8技術(shù)所有相關(guān)要求同樣適用于LTE-A，二者是強(qiáng)兼容關(guān)系。LTE R8的終端可以接入到LTE-A網(wǎng)絡(luò)中，這為未來的平滑演進(jìn)打下了良好的基礎(chǔ)。而與LTE R8相比，LTE-A的復(fù)雜度和成本需要盡量降低。LTE R8較為關(guān)注宏蜂窩環(huán)境的業(yè)務(wù)支撐能力，而LTE－A則支持多種環(huán)境，包括宏蜂窩到室內(nèi)環(huán)境，重點(diǎn)解決低速移動(dòng)環(huán)境。

載波聚合技術(shù)通過已有帶寬的匯聚擴(kuò)展傳輸帶寬；MIM0增強(qiáng)技術(shù)通過空域上的進(jìn)一步擴(kuò)展提高小區(qū)容量；COMP通過小區(qū)間協(xié)作，提高小區(qū)邊緣吞吐量；中繼通過無線的接力，提高覆蓋：有了這些關(guān)鍵技術(shù)的引入以及相互之間的補(bǔ)充，相信LTE-A能夠充分滿足甚至超越IMT-A的需求，成為未來通信的領(lǐng)跑者。

作者簡(jiǎn)介

盧敏：南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院講師，主要研究領(lǐng)域?yàn)樾乱淮鸁o線移動(dòng)通信相關(guān)技術(shù)。

國(guó)際電聯(lián)秘書長(zhǎng)：關(guān)注農(nóng)村電信領(lǐng)域重點(diǎn)強(qiáng)化寬帶接入

5月17日，“2011年世界電信和信息社會(huì)日大會(huì)”在北京舉行，國(guó)際電聯(lián)秘書長(zhǎng)哈瑪?shù)隆D埃發(fā)來致辭。他在致辭中表示，國(guó)際電聯(lián)將關(guān)注全球農(nóng)村社區(qū)，為世界最偏遠(yuǎn)角落人們享受到信息通信技術(shù)的福祉做出努力。

圖埃指出，信息通信技術(shù)是加速實(shí)現(xiàn)千年發(fā)展目標(biāo)的催化劑，發(fā)展農(nóng)村信息通信技術(shù)為增加農(nóng)民收入和抵抗饑餓貧困提供了機(jī)遇，信息通信技術(shù)及相關(guān)技術(shù)應(yīng)用是完善管理和提供農(nóng)村服務(wù)的重要工具。

“現(xiàn)在是開展全國(guó)行動(dòng)、為農(nóng)村社區(qū)迎來信息通信技術(shù)提供機(jī)遇的時(shí)刻。”圖埃表示，國(guó)際電聯(lián)致力于聯(lián)通世界，確保最邊遠(yuǎn)地區(qū)和最弱勢(shì)群體亦能受益于信息通信技術(shù)所帶來的便捷。在必要的人力、物力、財(cái)力資源籌措，以及加強(qiáng)毀滅性自然災(zāi)害發(fā)生后應(yīng)急反應(yīng)等方面，國(guó)際電聯(lián)均已取得前所未有的成果。

據(jù)圖埃介紹，國(guó)際電聯(lián)目前的工作重點(diǎn)是通過強(qiáng)化寬帶接入，推進(jìn)內(nèi)部發(fā)展，從而建成信息高速公路，利用各種手段使農(nóng)村社區(qū)和城市均能實(shí)現(xiàn)其理想的網(wǎng)絡(luò)。