LTE—A的性能和關(guān)鍵技術(shù)

摘 要：LTE-A在頻點、帶寬、峰值傳輸速率及兼容性等方面都有新的需求，其主要目標(biāo)是滿足并超過ITU-R關(guān)于IMT-A（4G）標(biāo)準(zhǔn)的需求，并具有后向兼容性，以提高技術(shù)競爭力，降低運營商網(wǎng)絡(luò)升級版本。本文闡述了LTE-A的性能要求，對載波和頻譜聚合、多點協(xié)作傳輸技術(shù)，中繼和MIMO增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：CoMP eNodeB LTE-A；MIMO

中圖分類號：TN93文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（a）-0124-02

1 LTE-A性能要求

LTE-A系統(tǒng)在關(guān)鍵技術(shù)方面有了很大的增強(qiáng)，引入了一些新的候選技術(shù)，如載波聚合技術(shù)、增強(qiáng)型多天線技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)MIMO技術(shù)等，其支持的系統(tǒng)帶寬最小為20MHZ，最大帶寬達(dá)到100MHZ。因此性能指標(biāo)得到很大改善，具體表現(xiàn)為：

（1）使用4×4MIMO且傳輸帶寬大于70MHZ時，下行峰值傳輸速率為1Gbit/s，上行峰值傳輸速率為500Mbit/s。（2）下行8×8天線配置時峰值頻譜效率為30bit/s/Hz，上行4×4天線配置時峰值頻譜效率為15bit/s/Hz。（3）下行4×4MIMO配置下小區(qū)平均頻譜效率為3.7bit/s/Hz，上行2×4MIMO配置下小區(qū)平均頻譜效率為2.0bit/s/Hz。（4）下行4×4MIMO配置下小區(qū)邊緣頻譜效率為0.12bit/s/Hz，上行2×4MIMO配置下小區(qū)邊緣頻譜效率為0.07bit/s/Hz。（5）在系統(tǒng)容量方面，LTE-A要求每5MHz帶寬內(nèi)支持200～300個并行的VoIP用戶。（6）LTE-A對時延的控制更加嚴(yán)格，具體為：控制層從空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)換到連接狀態(tài)的時延低于50ms，從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換到連接狀態(tài)的時延低于10ms；用戶層在FDD模式的時延小于5ms，在TDD模式的時延小于10ms。

2 LTE-A關(guān)鍵技術(shù)

LTE-A中，為了滿足更高的性能指標(biāo)，引入了一系列關(guān)鍵技術(shù)，包括上下行MIMO擴(kuò)展、載波聚合技術(shù)、接力通信和協(xié)作的多點傳輸與接收技術(shù)。

2.1 載波和頻譜聚合

LTE-A所支持的最大帶寬為100MHz，以提供更高的傳輸速率。在目前的頻譜分配和規(guī)劃方式下，想要找到滿足LTE-A要求的200MHz帶寬想當(dāng)困難。因此，規(guī)范規(guī)定LTE-A可以采用載波聚合技術(shù)，即將連續(xù)或者離散的多個成員載波組合在一起，LTE-A終端可以同時接入多個成員載波進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

每個成員載波不大于20MHz，可以作為LTE載波供LTE UE來使用，以保證LTE-A在IMT載波頻段上的后向兼容性。成員載波分為后向兼容和非后向兼容載波，后向兼容的成員載波可以為R8/R9版本的LTE終端所使用，在LTE-A的第一個版本R10中只有后向兼容成員載波。不同成員載波間可以進(jìn)行協(xié)作調(diào)度，以降低干擾、提高系統(tǒng)容量。

聚合可以采用上下行對稱或者非對稱帶寬，即UE可上下行分別配置不同數(shù)量、不同帶寬的成員載波，下行可配置的成員載波數(shù)要大于上行可配置數(shù)；對于TDD，典型情況下，上下行的成員載波數(shù)是相同的。

載波聚合中，下行控制信令PDCCH只在一個載波內(nèi)傳輸，各載波獨立進(jìn)行編碼，通過載波指示域進(jìn)行跨載波調(diào)度。CIF長度固定為3bit，不同DCI格式下CFI的位置固定。

基于載波聚合的LTE-A系統(tǒng)在傳輸塊的映射以及控制信道的設(shè)計等方面與單載波系統(tǒng)有所區(qū)別。在LTE-A系統(tǒng)中，每個子載波對應(yīng)一個獨立的數(shù)據(jù)流，子載波之間數(shù)據(jù)流的聚合方式可以分為MAC層聚合和物理層聚合兩種。

MAC層聚合方式下，每個子載波分配一個獨立的 傳輸塊（如果采用空間分集，則為2個傳輸塊），單一的數(shù)據(jù)流在某一些點上被分到不同的載波上，載波上數(shù)據(jù)流的聚合在MAC層完成。其中，每個成員載波都維持其原來的物理結(jié)構(gòu)，如相同的傳輸塊大小、軟緩存大小，可以復(fù)用LTE原有的軟硬件設(shè)計。另外，每個載波還可以使用不同的MIMO算法以及不同的鏈路自適應(yīng)和HARQ算法，HARQ重傳和ACK/NACK反饋都以成員載波為單位進(jìn)行。這種方式下，鏈路自適應(yīng)技術(shù)使用效果明顯，且在HARQ方面體現(xiàn)出了很好的性能。由于對物理層、RLC層與MAC層設(shè)計沒有影響，因此與LTE系統(tǒng)有較好的后向兼容性。缺點是頻譜效率和調(diào)度增益沒有得到很好的實現(xiàn)，且系統(tǒng)總開銷較大，與聚合前基本上一樣多。

物理層聚合方式下，所有的載波共用一個傳輸塊（如果采用空間分集，則為2個傳輸塊），所有的成員載波都使用相同的傳輸塊和相同的調(diào)制和編碼方式，HARQ重傳在所有成員載波上進(jìn)行，且所有成員載波使用同一個ACK/NAK。物理層需要重新進(jìn)行設(shè)計，且對RLC和MAC層設(shè)計有一定的影響。這種方式不能與LTE相兼容，且傳輸個數(shù)和HARQ過程較少，因此系統(tǒng)開銷減小，但是HARQ的使用效率低，甚至完全不適合使用HARQ技術(shù)。

考慮到與LTE的兼容性，規(guī)范規(guī)定采用MAC層聚合的方式。

2.2 多點協(xié)作傳輸技術(shù)

LTE-A中上下行方向上可以使用多點協(xié)作（CoMP）傳輸技術(shù)，通過基站協(xié)同傳輸來消除干擾，提高小區(qū)平均吞吐量以及小區(qū)邊緣用戶吞吐量。

CoMP的核心思想是：當(dāng)UE處于小區(qū)邊界區(qū)域時，無論系統(tǒng)負(fù)荷量高低，UE都有可能會同時接收到來自多個小區(qū)的信號，同時UE的發(fā)射信號也可能被多個小區(qū)所接收。這種情況下，如果對來自多個小區(qū)的信號進(jìn)行協(xié)調(diào)，就可以大大提升下行性能。這種協(xié)調(diào)技術(shù)可以像干擾避免技術(shù)那樣簡單，也可以像多個小區(qū)都傳送相同數(shù)據(jù)那么復(fù)雜。對上行鏈路來說，由于信號可以同時被多個小區(qū)接收到，那么如果多個小區(qū)基站能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)度協(xié)調(diào)，那么系統(tǒng)就可以利用這種多路接收的特點來顯著提高系統(tǒng)的鏈路特性。在接下來的章節(jié)將介紹CoMP的體系結(jié)構(gòu)和幾種不同的設(shè)計方案。

（1）CoMP體系結(jié)構(gòu)

CoMP通信可以分為基站內(nèi)部的CoMP和基站之間的CoMP兩種類型。對于基站內(nèi)部的CoMP來說，由于信號的協(xié)作工作發(fā)生在一個基站內(nèi)，不涉及基站間的傳輸通路，因此同一個基站的多個小區(qū)間可以交換大量的信息。而基站間的CoMP則涉及多個基站之間CoMP信息的傳輸工作，因此信息交互會受到基站間傳輸容量和時延的限制。也就是說，不同基站之間的CoMP對傳輸?shù)呢?fù)荷和性能提出了更高的要求。

一種與分布式eNodeB相關(guān)的CoMP體系結(jié)構(gòu)。eNodeB的無線遠(yuǎn)端單元（RRU）即射頻拉遠(yuǎn)模塊放在不同位置上，因此，盡管CoMP的協(xié)調(diào)工作只在一個eNodeB中進(jìn)行，但是CoMP信號傳遞卻類似于基站間CoMP的方式。

（2）下行CoMP

下行CoMP有兩種不同的實現(xiàn)方法，即協(xié)作調(diào)度/波束賦形（CS/CBF）和聯(lián)合處理/聯(lián)合傳輸（JP/JT）。CS/CBF方式下，UE只接收服務(wù)小區(qū)的發(fā)射信號，與non-CoMP傳輸十分相似。但相應(yīng)的調(diào)度（包括波束賦形）等功能需要在小區(qū)間進(jìn)行動態(tài)協(xié)調(diào)，以便控制和（/或）降低多個小區(qū)之間的干擾。原則上，應(yīng)該選擇用戶的最優(yōu)服務(wù)集來構(gòu)造發(fā)射波束，以便提高服務(wù)用戶的信號強(qiáng)度，同時降低對其他鄰近用戶的干擾。在JP/JT方式下，不同小區(qū)或者基站都同時向同一個終端發(fā)射信號，這些不同的發(fā)射點雖然天線的地理位置比較分散，但是通過協(xié)調(diào)功能可以將它們看作一個發(fā)射源。這種方案比協(xié)作調(diào)度的性能更好，但是對基站間傳輸通路的性能提出了更高的要求。

作為對LTE的后續(xù)演化和改進(jìn)，根據(jù)不同天線地理位置上的分散性，先后提出了多點協(xié)作處理方法（如相干或非相干）、協(xié)作區(qū)域定義、網(wǎng)絡(luò)式MIMO和協(xié)作MIMO；根據(jù)是否采用不同的小區(qū)對UE發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，協(xié)作MIMO又可以分為使用多小區(qū)協(xié)作的單小區(qū)天線處理和多小區(qū)天線處理兩種類型。前者可以對小區(qū)內(nèi)額外的空間自由度所形成的干擾凹陷點進(jìn)行預(yù)編碼來實現(xiàn)。后者包括協(xié)作預(yù)編碼和CL宏分集。在協(xié)作預(yù)編碼過程中，每一個小區(qū)都要針對多個終端完成多用戶預(yù)編碼，每一個終端也會從多個小區(qū)接收到多個數(shù)據(jù)流。在CL宏分集過程中，每個小區(qū)獨立地執(zhí)行預(yù)編碼過程，同時多個小區(qū)聯(lián)合為同一個終端提供服務(wù)。

（3）上行CoMP

上行協(xié)作多點接收是指從多個地理上分散的不同小區(qū)中接收信號，在接收過程中，小區(qū)之間可以通過調(diào)度協(xié)調(diào)來控制相互之間的干擾。需要著重理解的是，在不同的情況下，協(xié)作單元可以是不同的eNodeB射頻拉遠(yuǎn)模塊或者中繼單元等。另外，由于上行CoMP主要影響調(diào)度器和接收機(jī)，目前在實現(xiàn)上還存在爭議。因此，LTE-A中只定義了需要進(jìn)行多點接收的信令。

（4）小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)

另一種簡單的CoMP傳輸方案是基于eNodeB之間資源管理的協(xié)調(diào)工作來控制小區(qū)間的干擾，它能夠有效地改善小區(qū)邊緣的頻譜利用率。LTE-A中ICIC增強(qiáng)技術(shù)還包括動態(tài)干擾協(xié)調(diào)（D-ICIC）和靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)（S-ICIC）。在D-ICIC中，負(fù)荷不均衡的情況下，這種方案能夠靈活地保證資源的均衡使用。對于S-ICIC，還會考慮eNodeB之間靜態(tài)和半靜態(tài)空域資源的協(xié)調(diào)使用。

2.3 中繼

近年來對于LTE-A中多跳中繼的研究掀起了一個高潮。并且引入中繼節(jié)點（RN）進(jìn)行eNodeB和終端之間的業(yè)務(wù)和信令的轉(zhuǎn)發(fā)工作，以增強(qiáng)高速數(shù)據(jù)速率的覆蓋、群移動性和小區(qū)邊界覆蓋，如將覆蓋擴(kuò)展到小區(qū)內(nèi)或小區(qū)外的嚴(yán)重衰落區(qū)域。多跳中繼使小區(qū)覆蓋范圍擴(kuò)大，從而使得小區(qū)邊緣用戶的吞吐量得到增強(qiáng)，CAPEX和OPEX降低。

中繼節(jié)點通過施主小區(qū)與無線接入網(wǎng)實現(xiàn)無線連接，中繼節(jié)點RN通過Un接口與施主eNodeB相連接，終端通過Uu接口與中繼節(jié)點相連接。當(dāng)前Uu連接處于研究階段，它包括帶內(nèi)和帶外兩種類型。帶內(nèi)連接方式下，eNodeB到中繼的鏈路所使用的頻帶與施主小區(qū)內(nèi)eNodeB到終端的直接鏈路所使用的頻帶相同。這種情況下，R8終端可以實現(xiàn)與施主小區(qū)的連接。對于帶外連接，eNodeB到中繼的鏈路與eNodeB和終端間的直接鏈路使用不同的頻帶。

（1）中繼類型

（2）中繼節(jié)點類型

（3）資源分配

2.4 MIMO增強(qiáng)技術(shù)

在LTE R8中，上行僅支持單天線的發(fā)送，為了提高上行吞吐量，同時也為了滿足IUT IMT-A對上行峰值頻譜效率15bit/s/Hz的要求，LTE-A確定上行支持最多4*4天線。R8中，LTE下行可以支持最多4根發(fā)射天線，LTE-A確定將擴(kuò)展到支持最多8*8天線，以進(jìn)一步提高下行峰值頻譜效率（30bit/s/Hz）。同時，下行MIMO對波束賦形進(jìn)行了擴(kuò)展，引入了多流空間復(fù)用的波束賦形的模式。

LTE支持4×4天線的配置，LTE-A將SU-MIMO擴(kuò)展到8×8配置的場景下。3GPP RAN1達(dá)成了一些關(guān)于LTE-A中SU-MIMO的8天線空間復(fù)用和發(fā)射分集基本結(jié)論如下。

空間復(fù)用傳輸塊的最大數(shù)目為2，每個傳輸塊內(nèi)有1個MCS域，每個傳輸塊中有1bit的ACK/NACK用來作為評估的基準(zhǔn)，碼字到層的映射，4層以下（包括4層）重用LTE的映射方法，4層以上將LTE碼字到映射的方法作為基準(zhǔn)。

3 結(jié)語

3GPP組織于2008年年底完成了LTE標(biāo)準(zhǔn)第一個版本R8的制定工作。LTE-Advanced是在LTE R8/R9版本基礎(chǔ)上的進(jìn)一步演進(jìn)和增強(qiáng)，它于2010年6月通過ITU的評估，于2010年10月正式成為IMT-A的主要技術(shù)之一。LTE-A在頻點、帶寬、峰值傳輸速率及兼容性等方面都有新的需求，其主要目標(biāo)是滿足并超過ITU-R關(guān)于IMT-A（4G）標(biāo)準(zhǔn)的需求，并具有后向兼容性，以提高技術(shù)競爭力，降低運營商網(wǎng)絡(luò)升級版本。

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