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,其主要目標是滿足并超過ITU-R關(guān)于IMT-A(4G)標準的需求,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增強技術(shù)進行了分析。
關(guān)鍵詞:CoMP eNodeB LTE-A;MIMO
中圖分類號:TN93文獻標識碼: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,引入了一些新的候選技術(shù),如載波聚合技術(shù)、增強型多天線技術(shù)、無線網(wǎng)絡編碼技術(shù)和無線網(wǎng)絡MIMO技術(shù)等,其支持的系統(tǒng)帶寬最小為20MHZ,最大帶寬達到100MHZ。因此性能指標得到很大改善,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,引入了一系列關(guān)鍵技術(shù),包括上下行MIMO擴展、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,各載波獨立進行編碼,通過載波指示域進行跨載波調(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,可以復用LTE原有的軟硬件設計。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和HARQ算法,HARQ重傳和ACK/NACK反饋都以成員載波為單位進行。這種方式下,鏈路自適應技術(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行,且所有成員載波使用同一個ACK/NAK。物理層需要重新進行設計,且對RLC和MAC層設計有一定的影響。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UE處于小區(qū)邊界區(qū)域時,無論系統(tǒng)負荷量高低,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)呢摵珊托阅芴岢隽烁叩囊蟆?/p>
一種與分布式eNodeB相關(guān)的CoMP體系結(jié)構(gòu)。eNodeB的無線遠端單元(RRU)即射頻拉遠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只接收服務小區(qū)的發(fā)射信號,與non-CoMP傳輸十分相似。但相應的調(diào)度(包括波束賦形)等功能需要在小區(qū)間進行動態(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,應該選擇用戶的最優(yōu)服務集來構(gòu)造發(fā)射波束,以便提高服務用戶的信號強度,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,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行預編碼來實現(xiàn)。后者包括協(xié)作預編碼和CL宏分集。在協(xié)作預編碼過程中,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)行預編碼過程,同時多個小區(qū)聯(lián)合為同一個終端提供服務。
(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,目前在實現(xiàn)上還存在爭議。因此,LTE-A中只定義了需要進行多點接收的信令。
(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)進行eNodeB和終端之間的業(yè)務和信令的轉(zhuǎn)發(fā)工作,以增強高速數(shù)據(jù)速率的覆蓋、群移動性和小區(qū)邊界覆蓋,如將覆蓋擴展到小區(qū)內(nèi)或小區(qū)外的嚴重衰落區(qū)域。多跳中繼使小區(qū)覆蓋范圍擴大,從而使得小區(qū)邊緣用戶的吞吐量得到增強,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確定將擴展到支持最多8*8天線,以進一步提高下行峰值頻譜效率(30bit/s/Hz)。同時,下行MIMO對波束賦形進行了擴展,引入了多流空間復用的波束賦形的模式。
LTE支持4×4天線的配置,LTE-A將SU-MIMO擴展到8×8配置的場景下。3GPP RAN1達成了一些關(guān)于LTE-A中SU-MIMO的8天線空間復用和發(fā)射分集基本結(jié)論如下。
空間復用傳輸塊的最大數(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,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。
3 結(jié)語
3GPP組織于2008年年底完成了LTE標準第一個版本R8的制定工作。LTE-Advanced是在LTE R8/R9版本基礎(chǔ)上的進一步演進和增強,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,其主要目標是滿足并超過ITU-R關(guān)于IMT-A(4G)標準的需求,并具有后向兼容性,以提高技術(shù)競爭力,降低運營商網(wǎng)絡升級版本。
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