LTE標準化演進及R10版本關(guān)鍵技術(shù)分析

麻倩 馬濤

摘 要：LTE是3GPP的長期演進計劃，致力于未來10年的應(yīng)用，以O(shè)FDM為核心技術(shù)。LTE標準在3GPP R8引入，目前R8、R9、R10階段已經(jīng)凍結(jié)。3GPP R10階段即LTE-Advanced（4G），引入了一些重要的增強功能，使無線網(wǎng)絡(luò)性能得到大幅度提高。本論文先簡要介紹LTE標準化演進，其次對我們所說的4G即LTE R10版本引入的關(guān)鍵技術(shù)，包括載波聚合（CA）、無線中繼（Relay）等關(guān)鍵技術(shù)進行分析。

關(guān)鍵詞：LTE；標準化；LTE-A LTE；R10關(guān)鍵技術(shù)

1 前言

移動通信從2G、3G到3.9G，是從移動語音業(yè)務(wù)到高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展的過程。伴隨GSM等移動網(wǎng)絡(luò)在過去的二十年中的廣泛普及，語音通信業(yè)務(wù)獲得了巨大成功?；贑DMA的第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)可以提供更多樣化的通信和娛樂業(yè)務(wù)，降低無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的運營成本。但這也僅僅是往寬帶無線技術(shù)演進的一個開始。LTE技術(shù)的產(chǎn)生受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。這種以O(shè)FDM為核心技術(shù)的3G演進系統(tǒng)，支持1.25-20MHz可變帶寬，上、下行峰值速率分別達到50Mbps、100Mbps，頻譜效率達到3GPP R6的2-4倍；在系統(tǒng)架構(gòu)上采用全IP的方式，通過QoS機制保證實時業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量；提高小區(qū)邊緣用戶的數(shù)據(jù)速率等。截止2013年1月，GSA統(tǒng)計已經(jīng)有66個國家的145家運營商推出了商用LTE服務(wù)。

2 LTE標準化演進

LTE是Long term Evolution的簡稱，又稱E-UTRA/E-UTRAN，和3GPP2 UMB合稱為E3G（Evoled 3G）。LTE的最初提出是為了抗衡WiMAX技術(shù)。LTE/LTE-A標準發(fā)展如下所示：

2004年12月：3GPP通過LTE Study Item立項申請；

2006年6月：3GPP啟動LTE Work Item（Release 8）

2007年11月：3GPP正式通過TD-LTE幀結(jié)構(gòu)方案；

2008年12月：第一個可商用的LTE R8版本系列規(guī)范發(fā)布；

2010年4月：LTE R9版本發(fā)布（ASN.1凍結(jié)）

2008年：ITU完成了IMT-Advanced標準征集通系列文件：通函，最小要求，提交模板，評估方法指南；

2008年3月：3GPP啟動LTE-Advanced研究（SI）；

2009年9月：LTE-A作為IMT-Advanced技術(shù)天提交到ITU；同時3GPP啟動LTE-A WI（R10版本）；

2009年9月：中國向ITU提交了TD-LTE-Advanced，被采納為IMT-Advanced候選技術(shù)之一；

2010年9月：ITU WP5D#9會議通過了6個候選技術(shù)提案都滿足ITU-R規(guī)定的IMT-Advanced最小要求；

2011年2月：3GPP完成了LTE-A R10基本版本并提交。

3 LTE R10版本關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 載波聚合

為了滿足單用戶峰值速率和系統(tǒng)容量提升的要求，一種最直接的辦法就是增加系統(tǒng)的傳輸帶寬。因此LTE-Advanced系統(tǒng)引入一項增加傳輸帶寬的技術(shù)，也就是CA（Carrier Aggregation，載波聚合）。CA技術(shù)可以將2～5個LTE成員載波（Component Carrier，CC）聚合在一起（R10只支持2載波），實現(xiàn)最大100MHz的傳輸帶寬，有效提高了上下行傳輸速率。終端根據(jù)自己的能力大小決定最多可以同時利用幾個載波進行上下行傳輸。

CA功能可以支持連續(xù)或非連續(xù)載波聚合，每個載波最大可以使用的資源是110個RB。每個用戶在每個載波上使用獨立的HARQ實體，每個傳輸塊只能映射到特定的一個時隙上。每個載波上面的PDCCH信道相互獨立，可以重用R8版本的設(shè)計，使用每個載波的PDCCH為每個載波的PDSCH和PUSCH信道分配資源。也可以使用CIF域利用一個載波上的PDCCH信道調(diào)度多個載波的上下行資源分配。

3.2 增強的干擾協(xié)調(diào)

隨著LTE網(wǎng)絡(luò)的部署和發(fā)展，未來網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成是由多制式、多種功率等級的基站構(gòu)成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（Heterageneous Network，HetNet）。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，各種功率的基站間必然會存在干擾問題，傳統(tǒng)的ICIC技術(shù)是解決LTE系統(tǒng)中干擾的一種方法，通過如軟頻率復用、控制下行發(fā)射功率等方式可以緩解同頻宏網(wǎng)絡(luò)部署時小區(qū)間的干擾問題，但是它不能解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的干擾問題。因此在LTE-A中，提出增強的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)（Enhanced ICIC，eICIC），目的是解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景下的各種復雜干擾問題。

下圖是異構(gòu)場景下的干擾場景分析。對于圖中a場景中，宏網(wǎng)絡(luò)用戶處于CSG小區(qū)的覆蓋范圍內(nèi)，因為沒有權(quán)限接入到CSG小區(qū)中而受到HeNB小區(qū)較強的下行干擾。b場景中，因為使用偏置使距離宏網(wǎng)絡(luò)更近的小區(qū)用戶駐留在Pico小區(qū)中，這些用戶會受到宏網(wǎng)絡(luò)較強的下行干擾。

目前增強的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)主要有基于非CA和基于CA的兩種解決思路。對于基于非CA的eICIC技術(shù)，主要是使用TDM的方式來解決共信道干擾問題，包括使用幾乎全空的子幀（Almost Blank Subframe，ABS），時間偏移，符號偏移等多種方法。對于基于CA的eICIC技術(shù)，可以利用CIF域進行載波間的交叉調(diào)度方式將不同的控制信息調(diào)度在不同的載波上以減小控制信道的干擾問題。對于數(shù)據(jù)信道，可以使用下行干擾協(xié)調(diào)機制。

3.3 無線中繼技術(shù)

為了獲得3GPP LTE-A制定的高速無線寬帶接入設(shè)計目標，LTE-A技術(shù)引入了無線中繼（Relay）技術(shù)。Relay技術(shù)中，終端用戶可以通過中間接入點中繼接入網(wǎng)絡(luò)來獲得寬帶服務(wù)。這種技術(shù)可以減小無線鏈路的空間損耗，增大信噪比，進而提高邊緣用戶信道容量。3GPP從R9版本開始對Relay技術(shù)進行研究，在R10版本對其進行標準化、經(jīng)過長期的討論，3GPP根據(jù)中繼的策略對Relay進行了如下分類：

（1）Type 1 Relay：Type 1 Relay可以獨立控制某個小范圍區(qū)域內(nèi)的終端，具有獨立的小區(qū)標識和無線資源管理機制。從終端側(cè)來看，Type 1 Relay就是一個常規(guī)的eNodeB。

（2）Type 1a Relay：Type 1a Relay具備Type 1 Relay的大部分特征，但其Relay與終端之間的接入鏈路和eNodeB與Relay之間的回程鏈路使用的頻譜是不同的。

（3）Type 1b Relay：Type 1b Relay也具備Type 1 Relay的大部分特征，但其Relay與終端之間的接入鏈路和eNodeB與Relay之間的回程鏈路使用的是相同頻譜。該類Relay通過接入鏈路和回程鏈路的物理隔離，來實現(xiàn)Relay同時工作在兩條鏈路上而不發(fā)生相互干擾。

（4）Type 2 Relay：Type 2 Relay具有獨立的物理層、MAC層、RLC層等功能，具有獨立或部分RRC功能。由于Type 2 Relay沒有自己獨立的小區(qū)，也不具備獨立的PCI，其獨立控制功能受控于eNodeB，即Type 2 Relay僅發(fā)送PDSCH，但不發(fā)送CRS和PDCCH。

3.4 多點協(xié)作傳輸與接收

LTE-A系統(tǒng)中引入了多點協(xié)作傳輸與接入技術(shù)（CoOrdinated Multi-Point transmission and reception，CoMP），主要目的是消除小區(qū)邊緣處的小區(qū)干擾，提高邊緣用戶的傳輸速率。LTE系統(tǒng)中同頻組網(wǎng)是主要的組網(wǎng)方式，小區(qū)間干擾成為影響小區(qū)邊緣用戶性能的主要因素。CoMP技術(shù)可以將干擾信號轉(zhuǎn)化為有用的傳輸信號來提高邊緣位置處的用戶使用體驗。CoMP技術(shù)可以分為下行和上行。

3.4.1 下行CoMP

下行CoMP的實現(xiàn)方式分為聯(lián)合處理（Joint Processing，JP）和協(xié)作調(diào)度/波束賦形（Coordinated Scheduling/Beamforming，CS/CB）兩大類。

（1）聯(lián)合處理：多個傳輸節(jié)點同時保存準備向用戶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

聯(lián)合傳輸（Joint Transmission，JT）：同時從多個傳輸節(jié)點向用戶傳輸相同的數(shù)據(jù)以達到提高信噪比的目的。

動態(tài)傳輸點選擇傳輸（Dynamic Point Selection，DPS）：某一時刻只從一個特定傳輸節(jié)點向用戶傳輸數(shù)據(jù)。

（2）協(xié)作調(diào)度/波束賦形：只有主服務(wù)傳輸節(jié)點保存準備向用戶傳輸數(shù)據(jù)。

通過在傳輸節(jié)點間傳遞信息，多個傳輸節(jié)點聯(lián)合決定CS/CB的調(diào)度方式。

根據(jù)協(xié)作小區(qū)是否隸屬于同一個基站，CoMP又可分為基站內(nèi)CoMP（Inter-site CoMP）和基站間CoMP（Intra-site CoMP）。對于基站內(nèi)CoMP，協(xié)作是發(fā)生在同一個基站下的各小區(qū)之間，因此小區(qū)間可以交互大量的數(shù)據(jù)，而且小區(qū)之間信息的共享可認為是沒有時延的。在分布式天線系統(tǒng)中，同一個BBU（Base Band Unit）下各個RRH（Remote Radio Head）之間的協(xié)作也可看做基站內(nèi)CoMP。而對于基站間CoMP，小區(qū)間需要通過X2接口來交互大量的控制信息或用戶數(shù)據(jù)，這對于X2接口的容量和時延提出了很高的要求。

為了支持下行CoMP的正常工作，需要終端進行特定的反饋。反饋信息需要包含多個傳輸點的信道狀態(tài)信息，干擾信息以及測量信息。根據(jù)實現(xiàn)方式不同，可以通過顯式、隱式的方式來反饋信道狀態(tài)，TDD系統(tǒng)也可以通過終端發(fā)送SRS信號，基站利用信道互易性和CSI信息進行下行信道質(zhì)量的估計。

3.4.2 上行CoMP

上行CoMP的實現(xiàn)方式和下行基本相似，分為聯(lián)合接收（Joint Reception，JS）和協(xié)作調(diào)度（Coordinated Scheduling，CS）兩類。

（1）聯(lián)合接收：通過多天線接收某一終端的信號，這些天線可以位于不同的位置或不同的基站。

（2）協(xié)作調(diào)度：多個接收點進行信息交換，決定由哪個接收點為終端服務(wù)。

上行CoMP同樣存在基站內(nèi)和基站間CoMP的情況。對于非同一站址的情況，根據(jù)實現(xiàn)不同，對S1或X2接口的時延和容量都會有非常高的要求。

3.5 增強MIMO

要達到LTE-A提出的目標數(shù)據(jù)傳輸速率，需要通過增加天線數(shù)量以提高峰值頻譜效率，即多天線技術(shù)，包括波束賦形和空間復用等。多天線技術(shù)是一種有效的提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率的方法。目前這方面最直接的方法是在基站站點上增加天線，即采用高階的MIMO技術(shù)。

在LTE階段可以做到在基站側(cè)設(shè)置4個天線，終端側(cè)設(shè)置4個接收天線和1個發(fā)射天線，這樣只能做到下行4x4、上行1x4。

為了進一步提高峰值頻譜效率，LTE-A中的空間維度進一步擴展，并且對下行多用戶MIMO進一步增強。具體來講，基站側(cè)將增加到8天線，終端側(cè)增加到8個接收天線和4個發(fā)射天線，這樣就可以做到下行8x8、上行4x8，從而進一步提高了下行傳輸?shù)耐掏铝亢皖l譜效率。此外，LTE-A下行支持單用戶MIMO和多用戶MIMO的動態(tài)切換，通過增強型信道反饋和新的碼本設(shè)計進一步增強了下行多用戶MIMO的性能。

4 小結(jié)

作為LTE的平滑演進，LTE-A能夠保持與LTE良好的兼容性；提供更高的峰值速率和吞吐量，下行的峰值速率為1Gbit/s，上行峰值速率為500Mbit/s；更高的頻譜效率，下行提高到30bit/s/Hz，上行提高到15bit/s/Hz；支持多種應(yīng)用場景，提供從宏蜂窩到室內(nèi)場景的無縫覆蓋。R10版本引入幾項技術(shù)，載波聚合通過已有帶寬的匯聚擴展了傳輸帶寬；MIMO增強通過空域上的進一步擴展提高小區(qū)吞吐量；CoMP通過小區(qū)間協(xié)作，提高小區(qū)邊緣吞吐量；Relay通過無線的接力，提高覆蓋。通過上述關(guān)鍵技術(shù)的引入，LTE-A能夠充分滿足或者超越IMT-A的需求，成為未來通信的領(lǐng)跑者。

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