LTE 系統(tǒng)中上行協(xié)同技術及其實踐*

丁美玲

(中興通訊股份有限公司 上海研發(fā)中心，上海201203)

1 引 言

邊緣用戶的業(yè)務質量保證一直是移動通信系統(tǒng)面臨的一個重要問題，為此需要引入對抗系統(tǒng)內外干擾的技術。2G 系統(tǒng)主要采用異頻組網和跳頻技術，而3G 系統(tǒng)則主要采用CDMA 技術，并且在WCDMA 和CDMA2000 系統(tǒng)中引入了軟切換技術，而TD－SCDMA 系統(tǒng)中則引入了多小區(qū)聯(lián)合檢測技術。隨著智能手機、平板電腦得到規(guī)模應用，移動互聯(lián)網也進入了新的階段，用戶對于數(shù)據業(yè)務的感知要求逐步提升，而小區(qū)邊緣用戶的吞吐量就成為一個瓶頸。為此，3GPP 在LTE－A 標準中逐步引入協(xié)作多點(Coordinated Multi－Point，CoMP)技術［1］，并假定小區(qū)間具備理想的傳輸條件。

根據3GPP 對CoMP 技術的分類，上行CoMP 技術主要是指聯(lián)合接收［1－2］(Joint Reception，JR)，具體包括聯(lián)合均衡和軟合并兩種技術，其中聯(lián)合均衡需要將鄰小區(qū)的天線數(shù)據一起進行解調，如對于8天線的系統(tǒng)而言，意味著需要同時解調16 天線的數(shù)據，其復雜度導致基于現(xiàn)有的硬件難以實施，因此對于8 天線的系統(tǒng)，業(yè)界主要采用基于軟合并的上行協(xié)同技術［3］，文獻［3］還提供了有關試驗的情況。

我們也可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的小區(qū)間協(xié)作研究主要基于具備理想傳輸條件的小區(qū)間［1－4］，但實際的網絡絕大多數(shù)是基于分布式基站部署的，這也就意味著不同基站的小區(qū)間不具備JR 的能力，為此本文研究了網絡中任何小區(qū)間均可進行上行協(xié)同的方法，并進行了實踐。

2 上行協(xié)同技術研究

CoMP 的基本原理如圖1所示，即多個小區(qū)同時對特定的用戶進行收發(fā)，原理上和WCDMA 系統(tǒng)的軟切換技術具有相似性。

圖1 CoMP 原理圖Fig.1 Schematic diagram of CoMP

JR 是指協(xié)作集內的小區(qū)將本小區(qū)和鄰小區(qū)用戶依據MU－MIMO 的方式統(tǒng)一進行聯(lián)合均衡處理，然后將鄰小區(qū)用戶的軟信息傳遞到鄰小區(qū)用于軟合并的過程，此時，鄰小區(qū)也會進行對等的操作，如圖2所示。通過這一過程，目標用戶從聯(lián)合均衡和軟合并中獲得了干擾消除增益和接收分集增益［2，4］。特別地，協(xié)作的各小區(qū)可分別進行各自的上行調度，并不受JR 的影響。

圖2 上行協(xié)同技術原理圖Fig.2 Schematic diagram of uplink coordination

JR 涉及軟合并過程且需要小區(qū)間傳遞軟符號信息，這就必然對小區(qū)間的傳輸帶寬和時延提出了要求。一個基站內的小區(qū)間可視為具備理想的傳輸條件，而不同基站的小區(qū)間則只能通過現(xiàn)有的傳輸網絡進行信息交互。計算表明，JR 需要的傳輸帶寬在100 Mb/s以上，時延則要求在0.1 ms量級，這對于通過傳輸互聯(lián)的不同基站而言是難以具備的。

如果在JR 過程中省去軟信息傳遞和合并的過程，即可在并行獲得本小區(qū)和鄰小區(qū)用戶的信道估計結果后進行多用戶的聯(lián)合均衡得到本小區(qū)用戶的信號，我們稱該技術為Cloud 干擾抑制合并(Interference Rejection Combining，IRC)，此時小區(qū)間僅需進行少量的信令交互。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，這一過程與TD－SCDMA 系統(tǒng)中的多小區(qū)聯(lián)合檢測相似，和傳統(tǒng)IRC 的不同之處在于鄰小區(qū)用戶的信息對本區(qū)而言是顯性的。另一方面，由于用戶的上行調度時刻是在用戶實際發(fā)送上行數(shù)據之前的4 ms，因此鄰小區(qū)具備1 ms級別的時延用于通知本區(qū)有關信令。

假定目標小區(qū)接收到的本小區(qū)和鄰小區(qū)用戶功率相等，且兩用戶占用相同的子載波資源并具備隨機的相位關系，從圖3的鏈路仿真來看，在中國移動廣泛采用的雙極化8 天線下，基于軟合并的JR 相比IRC 增益達3.5 dB左右，而Cloud IRC 相比IRC 也能夠獲得1 dB左右的增益。

圖3 上行協(xié)同技術的仿真曲線Fig.3 Simulation curves of uplink coordination

上述研究表明，在基站內的小區(qū)間可使用軟合并的JR 技術，而不同基站的小區(qū)間可使用Cloud IRC 技術，這樣就使得全網的鄰小區(qū)間均具備上行協(xié)同的能力。

3 上行協(xié)同技術實踐

在與廣東移動基于試驗網進行技術驗證的基礎上，中興通訊與福建移動進一步開展了基于商用網的技術試驗，交叉推進上行協(xié)同技術的驗證和商用。所選定的測試區(qū)域位于泉州市華僑大學內，并基于現(xiàn)有的分布式基站和傳輸部署。對上述測試區(qū)域內基站間的傳輸時延摸底情況如圖4所示，測試結果表明站間IP 傳輸時延在2 ms以內，能夠滿足Cloud IRC 的要求，而站內的小區(qū)間則可以直接使用JR技術。

圖4 不同基站間的時延Fig.4 Time delay between different sites

3.1 站內上行協(xié)同技術驗證

為驗證JR 技術的增益，構建如圖5所示的站內驗證場景，其中主測小區(qū)A 接入9 個UE，按照信號好中差點的放置比例為4∶ 3∶ 2。主測小區(qū)有兩個鄰區(qū)分別為B 和C，這兩個小區(qū)各放置1 個中心UE和1 個與主測小區(qū)相鄰的邊緣UE。為示區(qū)別，在圖5中主測小區(qū)A 的UE 垂直擺放，其他小區(qū)的UE 傾斜擺放，與UE 在實測試中的擺放狀態(tài)無關。

圖5 站內協(xié)作場景中終端放置示意圖Fig.5 Schematic diagram of UEs’positions in intra－site scene

測試過程中，所有的UE 均進行滿buffer 的FTP上傳業(yè)務，構造本小區(qū)和鄰區(qū)上行鏈路均滿負荷的極限場景。首先關閉上行協(xié)同并記錄用戶15 min的平均吞吐量，然后打開上行協(xié)同并進行相同的操作，記錄的邊緣用戶平均吞吐量(單位Mb/s)對比如圖6所示。

圖6 站內協(xié)作場景中邊緣用戶在上行協(xié)同開啟前后的吞吐量Fig.6 Throughput of cell－edge UEs with and without JR in intra－site scene

此外，在開啟上行協(xié)同之后，所有小區(qū)總吞吐量由49.65 Mb/s變?yōu)?2.98 Mb/s。通過對測試數(shù)據的分析，我們可以得到如下結果:

(1)邊緣用戶吞吐量最高提升210.9%，主測小區(qū)邊緣用戶吞吐量提升89.9%;

(2)部分小區(qū)邊緣用戶上行增益較低，但所有邊緣用戶吞吐量仍提升31.2%;

(3)所有小區(qū)總吞吐量提升6.7%。

進一步分析表明，上行協(xié)同對于邊緣用戶吞吐量的增益與如下兩個因素有關:

(1)未采用上行協(xié)同時的用戶吞吐量越低則相對增益越高;

(2)終端目前僅支持單發(fā)雙收，在下行方向看到兩個小區(qū)的路損差并不代表上行單天線到兩個小區(qū)的路損差，如果選擇的測試點其上行天線相對下行兩天線到鄰區(qū)的路損越小則鄰區(qū)JR 的貢獻越大，相對吞吐量的增益越高。

3.2 站間上行協(xié)同技術驗證

為驗證Cloud IRC 技術的增益，構建如圖7所示的站間驗證場景，其中主測小區(qū)A 接入1 個邊緣UE 和1 個中心UE，其中邊緣用戶RSRP 小于－110 dBm，而輔測小區(qū)B 和C 分別接入1 個中心UE。為示區(qū)別，在圖7中主測小區(qū)A 的UE 垂直擺放，其他小區(qū)的UE 傾斜擺放，與UE 的實際擺放狀態(tài)無關。

圖7 站間場景中終端放置示意圖Fig.7 Schematic diagram of UEs’positions in inter－sites scene

所有的UE 均進行滿buffer 的FTP 上傳和下載業(yè)務，構造本小區(qū)和鄰區(qū)均滿負荷的極限場景。測試過程中，首先關閉上行協(xié)同并記錄用戶15 min的平均吞吐量，然后打開上行協(xié)同并進行相同的操作。記錄顯示關閉上行協(xié)同時，邊緣用戶吞吐量為0.536 Mb/s，所有小區(qū)總吞吐量57.62 Mb/s;而開啟上行協(xié)同時，邊緣用戶吞吐量為0.693 Mb/s，所有小區(qū)總吞吐量58.41 Mb/s。

通過對測試數(shù)據的分析，我們可以得到如下結果:

(1)邊緣用戶上行吞吐量提升29.3%;

(2)其余中心用戶的吞吐量基本保持不變。

4 結束語

LTE 系統(tǒng)中的上行協(xié)同主要是指JR，并需要小區(qū)間具備理想的傳輸條件。本文根據網絡的實際情況，提出了不具備理想傳輸條件的小區(qū)間協(xié)同技術Cloud IRC，而基于軟合并的JR 和Cloud IRC 分別可類比于WCDMA 系統(tǒng)中的軟切換和TD－SCDMA 系統(tǒng)中的多小區(qū)聯(lián)合檢測技術。

本文以現(xiàn)有的基站和傳輸部署為基礎，對上行協(xié)同技術進行了研究和驗證，使得全網的同頻鄰區(qū)間均可進行上行協(xié)同。在有關試驗中，基于軟合并的站內上行協(xié)同技術可以提升主測小區(qū)邊緣用戶的平均吞吐量達89.9%，而基于干擾抑制合并的站間上行協(xié)同技術則可提升29.3%，結果表明上行協(xié)同技術可以有效提升邊緣用戶的上行吞吐量，為LTE網絡的質量提升提供了可部署的方案，并即將展開規(guī)模應用。

［1］ 3GPP TR 36.819 v11.1.0，Coordinated multi－point operation for LTE physical layer aspects［S］.

［2］ Mamoru S，Yoshihisa K，Akihito M，et al. Coordinated Multipoint Transmission/Reception Techniques for LTE－ Advanced ［J］. IEEE Wireless Communications，2010，19(2):26－30.

［3］ 王啟星，何麗峰，鄭毅，等. LTE 網絡上行CoMP 方案研究與外場試驗［J］. 電信科學，2013，29(5):51－56.WANG Qi－ xing，HE Li－ feng，ZHENG Yi，et al. Research and Field Trial of Uplink Coordinated Multipoint Processing in LTE Network ［J］. Telecommunications Science，2013，29(5):51－56.(in Chinese)

［4］ 盧憲祺，周文安，朱超平，等. 一種基于CoMP 的隨機接入方案［J］. 電訊技術，2012，52(5):619－623.LU Xian－qi，ZHOU Wen－an，ZHU Chao－ping，et al.A Random Access Scheme Based on CoMP ［J］. Telecommunication Engineering，2012，52(5):619－ 623.(in Chinese)