LTE—A及移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演進(jìn)

【摘 要】主要從小基站增強(qiáng)技術(shù)、載波聚合增強(qiáng)功能、宏蜂窩增強(qiáng)功能、機(jī)器型通信、3GPP-WLAN互通、免許可頻段LTE以及其他增強(qiáng)技術(shù)等方面，針對3GPP Release 12中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)說明和探討。

【關(guān)鍵詞】LTE Release 12 載波聚合 小基站 eCoMP

中圖分類號：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-1010（2014）-20-0038-04

Evolution of LTE-A and Mobile Network Technology

SHEN Da-peng

（China United Network Communications Co.， Ltd.， Gansu Branch， Lanzhou 730000， China）

[Abstract]

The key technologies in 3GPP Release 12 are illustrated in detail and discussed in terms of enhancement technology of small base station， carrier aggregation （CA） enhancement， enhancement function of macro cell， machine communications， 3GPP-WLAN interoperability， free license band LTE and other enhancement technologies.

[Key words]LTE Release 12 CA small base station eCoMP

1 概述

隨著LTE網(wǎng)絡(luò)在全球的大規(guī)模商用，充分證明了無線通信網(wǎng)絡(luò)可以提供峰值數(shù)據(jù)速率高達(dá)150Mbps、延遲低于20ms的移動寬帶服務(wù)。在LTE演進(jìn)（LTE-Advanced）的峰值數(shù)據(jù)傳輸速率會超過1Gbps，增強(qiáng)多頻段和多天線技術(shù)的同時，在現(xiàn)有LTE技術(shù)的基礎(chǔ)上平滑演進(jìn)，并且后向兼容LTE標(biāo)準(zhǔn)。目前在韓國已經(jīng)開始了LTE-A載波聚合的商業(yè)部署[1-2]。

終端用戶不斷上升的數(shù)據(jù)速率期望值以及網(wǎng)絡(luò)日益增長的容量需求，使得運營商在保護(hù)移動寬帶市場、挖掘新的商業(yè)機(jī)會的同時，不僅要保護(hù)既有網(wǎng)絡(luò)投資，還要進(jìn)一步地提高網(wǎng)絡(luò)運營效率。

2 LTE Release 12關(guān)鍵技術(shù)

LTE Release 12的技術(shù)增強(qiáng)主要集中在容量（Capacity）、覆蓋（Coverage）、小區(qū)間協(xié)調(diào)（Coordination）和成本（Cost）4個領(lǐng)域。通過站點間載波聚合、LTE-WLAN融合、宏小區(qū)增強(qiáng)技術(shù)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、3D波束賦形、先進(jìn)的UE接收機(jī)、CoMP（Coordination Multi-Point，多點協(xié)調(diào)）以及SON（Self-Organized Network，自組織網(wǎng)絡(luò)）等技術(shù)的綜合運用，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在容量和服務(wù)質(zhì)量等方面的提升。

2.1 小基站增強(qiáng)技術(shù)

隨著無線寬帶市場的發(fā)展和用戶規(guī)模的擴(kuò)大，移動數(shù)據(jù)流量快速增長，Release 12的增強(qiáng)功能主要在2個方面幫助小基站的部署：降低小基站間的信令交互；宏基站和小基站配合提高用戶傳輸速率。

大量高密度的小基站部署會增加核心網(wǎng)絡(luò)的信令負(fù)荷，這種情況將通過分離無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）架構(gòu)中用戶平面和控制平面的功能得到改善，即讓宏基站做流動管理，同時將高數(shù)據(jù)流量由小基站來承載。

雙連接（Dual Connectivity）-站點間的載波聚合，對于那些沒有理想傳輸網(wǎng)絡(luò)的運營商來說是一個有吸引力的解決方案。雙連接通過宏基站進(jìn)行移動性管理，同時聚合小基站提供額外的用戶面容量，提高用戶數(shù)據(jù)吞吐量。這個技術(shù)實現(xiàn)了宏基站和小基站的容量優(yōu)化，通過載波聚合增加帶寬，即使在過載的網(wǎng)絡(luò)，站點間載波聚合也可以提供50%的小區(qū)邊緣增益。

同時，根據(jù)密集部署場景的需求，Release 12還通過引入256QAM、動態(tài)開關(guān)及小區(qū)發(fā)現(xiàn)、空中同步增強(qiáng)等技術(shù)合力保證小基站的高效部署。小基站室內(nèi)稀疏部署時，256QAM在30%的覆蓋區(qū)域提升小區(qū)平均頻譜效率16%，有效地增強(qiáng)了頻譜效率。動態(tài)小區(qū)開關(guān)和小區(qū)發(fā)現(xiàn)技術(shù)降低了干擾及能耗，提升頻譜效率10%以上；多跳空口同步增強(qiáng)滿足3μs要求，可有效降低網(wǎng)絡(luò)干擾，提高網(wǎng)絡(luò)部署的可靠性和靈活度[3]。

2.2 載波聚合增強(qiáng)功能

載波聚合增強(qiáng)功能在Release 12中將能夠?qū)崿F(xiàn)FDD/TDD載波聚合?；赗elease 10的載波聚合是FDD或TDD聚合同頻段或跨頻段的載波，Release 12允許共站的FDD和TDD載波實現(xiàn)聚合。作為小基站增強(qiáng)功能中站點間載波聚合功能的擴(kuò)展，進(jìn)一步會支持站點間的載波聚合。

根據(jù)射頻特性和性能要求，如圖1所示，支持3個下行鏈路60MHz頻譜的載波聚合，數(shù)據(jù)速率可高達(dá)450Mbps。

圖1 3個下行鏈路60MHz頻譜的載波聚合

2.3 宏蜂窩增強(qiáng)功能

隨著網(wǎng)絡(luò)流量的快速增長，未來網(wǎng)絡(luò)的部署會同時兼顧宏基站和小基站發(fā)展演進(jìn)。利用多天線技術(shù)、先進(jìn)的接收器、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和新的頻譜資源，可以有效地改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)宏基站的容量和覆蓋。宏單元的改進(jìn)是對運營商的吸引力，因為它們允許在現(xiàn)有基站站址和運輸基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)一步剝削。由于既有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源和投資，針對宏基站技術(shù)的增強(qiáng)無疑對運營商更具吸引力。

基站設(shè)備會在700—2 600MHz頻段支持LTE和LTE-Advanced技術(shù)，同時和小基站緊密配合，主要功能如下：

（1）增強(qiáng)型MIMO；endprint

（2）先進(jìn)的上行接收機(jī)；

（3）增強(qiáng)型多點協(xié)調(diào)技術(shù)（eCoMP）；

（4）基于資源池的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；

（5）高容量傳輸；

（6）授權(quán)共享訪問（ASA）以獲得更多的頻率資源。

通過增加基站天線數(shù)量2個到4個，甚至到8個，會顯著提高網(wǎng)絡(luò)容量增益，并且可通過使用基于專用解調(diào)參考信號先進(jìn)接收機(jī)的單用戶和多用戶MIMO方案（SU/MU MIMO），使網(wǎng)絡(luò)容量增益得以進(jìn)一步提高。

Release 12引入了基于波束賦形和自動小區(qū)分裂技術(shù)的三維有源天線系統(tǒng)（3D AAS）。通過波束賦形技術(shù)，3D AAS可以在水平及垂直方向上自動調(diào)整天線主波瓣方向，小區(qū)呼吸范圍更大，能更深入地滿足用戶大容量需求；當(dāng)熱點區(qū)域的用戶較多時，3D AAS也可以自動小區(qū)分裂，提高小區(qū)容量。在引入3D MIMO支持多用戶的情況下，傳統(tǒng)宏站小區(qū)平均吞吐率可提升43%、小區(qū)邊緣吞吐率可提升41%，是Release 12以及后續(xù)演進(jìn)的重點之一。

基于集中調(diào)度技術(shù)的增強(qiáng)CoMP（eCoMP）技術(shù)可以協(xié)調(diào)宏基站和小基站資源，小區(qū)站點的天線以一種協(xié)作的方式進(jìn)行接收/發(fā)射，改善UE/eNodeB的接收信號質(zhì)量，降低小區(qū)之間的干擾，提升小區(qū)邊緣用戶吞吐量以及小區(qū)平均吞吐量。

此外，運營商通過使用已授權(quán)頻譜外的資源作為補充的方式授權(quán)共享訪問（ASA），獲得更多的頻譜資源和QoS保障，從而提高用戶數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)的容量。

2.4 機(jī)器型通信（MTC）

據(jù)預(yù)測，到2020年世界上物與物之間的通信業(yè)務(wù)是人與人之間的30倍，全球至少有500億臺M2M設(shè)備會連接到移動網(wǎng)絡(luò)中。預(yù)期的嵌入式機(jī)器對機(jī)器的調(diào)制解調(diào)器的數(shù)目在將來會大幅增加。目前每個基站可以支持最多5 000～10 000用戶，而機(jī)器對機(jī)器的通信會高達(dá)每基站100 000連接的設(shè)備，這一切對移動網(wǎng)絡(luò)提出了新的要求。

除了3GPP中已經(jīng)制訂支持MTC（Machine Type Communication，機(jī)器型通信）的功能外，Release 12還針對以下方面進(jìn)行了特別的優(yōu)化：

（1）網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷優(yōu)化：確保MTC特定信令和連接，保證非常大量連接的設(shè)備可以通過在LTE無線支承和小量數(shù)據(jù)地有效傳遞。

（2）在3GPP中定義了一個新的UE類別，成本根據(jù)MTC操作特點進(jìn)行了優(yōu)化。研究表明，對于射頻部分，UE僅使用一個接收天線和半雙工操作，可以顯著降低成本。在基帶方面，通過單個接收天線，帶寬減少和峰值數(shù)據(jù)速率的降低可以節(jié)省60%的設(shè)備成本。

一些安裝在極端覆蓋條件下的MTC UE，可能只需要非常低的數(shù)據(jù)速率和更大的延遲。Release 12版本提供了一些LTE覆蓋改善的解決方案，主要通過如進(jìn)一步重復(fù)、功率提升和某些控制信道功能的簡化等技術(shù)來實現(xiàn)。

2.5 3GPP-WLAN互通

3GPP已經(jīng)針對3GPP-WLAN互通進(jìn)行相關(guān)的研究。目前ANDSF（Access Network Discovery and Selection Function，接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)選擇機(jī)制）沒有考慮RAN側(cè)和WLAN側(cè)的負(fù)荷，僅僅根據(jù)WLAN信號強(qiáng)度來決定是否將話務(wù)從3GPP網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移到WLAN網(wǎng)絡(luò)。

針對3GPP-WLAN互通RAN級別的幫助是針對目前典型的WLAN選擇不足之處，以達(dá)到蜂窩網(wǎng)絡(luò)與WLAN之間的負(fù)載均衡，保證用戶的體驗質(zhì)量。負(fù)載均衡的目的是由eNodeB根據(jù)動態(tài)需求，主動引導(dǎo)UE的流量使用運營商控制的WLAN或RAN。

作為Release 12的一部分，目的是確定3GPP-WLAN選擇接入網(wǎng)絡(luò)和流量轉(zhuǎn)向指定的機(jī)制。所引入的解決方案支持部署和不部署ANDSF，并充分考慮了和支持RAN規(guī)則的ANDSF共存。RAN參數(shù)通過系統(tǒng)的廣播或?qū)Ｓ眯帕顐魉蚚4]。

2.6 免許可頻段LTE

對于移動運營商來說，許可頻段（Licensed Bands）一直以來都是其核心資產(chǎn)，是提供高質(zhì)量無線通信服務(wù)的基礎(chǔ)，并在可以預(yù)見的未來舉足輕重。但是，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，公眾對高帶寬無線業(yè)務(wù)需求的爆發(fā)與頻譜資源的稀缺之間矛盾日益尖銳，免許可頻段作為許可頻段的補充，還存在豐富的資源以及極大的發(fā)展空間。以5GHz頻段為例，目前全球各國已分配的免許可頻譜資源總計超過500MHz。

免許可頻段LTE可以在免許可頻段內(nèi)應(yīng)用LTE技術(shù)，實現(xiàn)許可頻段和免許可頻段的有效載波間聚合，從而倍增網(wǎng)絡(luò)容量，提升頻譜利用率。該方案在現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，不需要修改安全認(rèn)證、核心網(wǎng)業(yè)務(wù)管理和計費架構(gòu)，僅升級基站就可以實現(xiàn)U-LTE的部署，并且和原LTE業(yè)務(wù)進(jìn)行無縫切換。還可以在室內(nèi)室外熱點等任何有小基站部署的區(qū)域進(jìn)行靈活部署，不需要額外的站址和傳輸資源，幫助運營商節(jié)省部署和運維成本[5]。

2.7 其他增強(qiáng)技術(shù)

隨著移動寬帶時代的到來，海量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)迅速增長，多制式多層次網(wǎng)絡(luò)不斷部署，如何更快速優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能、精準(zhǔn)滿足終端體驗要求，是當(dāng)前運營商面臨的主要問題。自組織網(wǎng)絡(luò)（SON）真正做到了多制式多層次的網(wǎng)絡(luò)快速準(zhǔn)確地自動部署和優(yōu)化，讓網(wǎng)絡(luò)一直保持最佳狀態(tài)，更高效合理地為每個用戶分配無線資源，使無線資源利用率和終端用戶體驗達(dá)到最優(yōu)化。

TDD LTE增強(qiáng)上下行干擾管理和話務(wù)適配（eIMTA）功能可以根據(jù)實時話務(wù)統(tǒng)計動態(tài)調(diào)整上下行。Release 12版本中的eIMTA功能可以極大地改善小基站部署環(huán)境下TDD的容量和服務(wù)質(zhì)量。

此外，3GPP還在LTE-HSPA融合、LTE-WLAN互通、商務(wù)及公共安全通信等方面進(jìn)行了深入地探討和研究。

3 總結(jié)

在Release 12版本中針對LTE增強(qiáng)功能和部署，尤其在小基站的部署、宏基站功能增強(qiáng)、SON、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的靈活部署和干擾管理等方面進(jìn)行了深入地研究。表1針對其中主要技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)：endprint

表1 Release 12主要功能列表及描述

功能 描述及益處

基于站點間載波聚合的小基站

增強(qiáng)功能 通過減少RAN和CN間的信令

交互優(yōu)化小基站移動性管理

提高數(shù)據(jù)傳輸速率

靈活地使用TDD頻段

基于波束賦形和自動小區(qū)分裂

技術(shù)的三維有源天線系統(tǒng) 顯著提高宏基站覆蓋和容量

先進(jìn)的接收機(jī) 抑制干擾提高上下行容量

基于集中調(diào)度技術(shù)的增強(qiáng)CoMP 通過多點協(xié)調(diào)技術(shù)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)

覆蓋能力

SON增強(qiáng)功能 有效部署網(wǎng)絡(luò)

節(jié)能減排

LTE-WLAN互通 保證UE下行速率10Mbps以上

充分利用已有網(wǎng)絡(luò)資源

LTE-HSPA融合 支出多技術(shù)能力

機(jī)器型通信 為到來的大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)做準(zhǔn)備

參考文獻(xiàn)：

[1] 電信研究院. LTE語音業(yè)務(wù)解決方案[EB/OL]. （2013-01-17）. http：//www.miit.gov.cn/n11293472/n11293832/n15214847/n15218234/15475252.html.

[2] 21IC中國電子網(wǎng). EUTRAN演進(jìn)方式及LTE/LTE-A技術(shù)介紹[EB/OL]. （2012-04-27）. http：//www.21ic.com/app/rf/201204/118739.htm.

[3] C114中國通信網(wǎng). 華為攜手3GPP研究LTE-Advanced及Rel-12未來演進(jìn)[EB/OL]. （2012-06-27）. http：//www.c114.net/news/126/a700009.html.

[4] Nadeem Akhtar. LTE-WLAN Interworking： 3GPP Release-12 Perspective[EB/OL]. （2013-07-31）. http：//standards.ieee.org/events/last_mile/NadeemAkhtar.pdf.

[5] 新浪科技. 華為展示U-LTE解決方案提升移動寬帶網(wǎng)絡(luò)容量[EB/OL]. （2014-02-25）. http：//tech.sina.com.cn/roll/2014-02-25/17359190609.shtml.

作者簡介

沈大鵬：畢業(yè)于蘭州鐵道學(xué)院通信工程專業(yè)，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司甘肅省分公司網(wǎng)建部，長期從事無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)和優(yōu)化工作。endprint

表1 Release 12主要功能列表及描述

功能 描述及益處

基于站點間載波聚合的小基站

增強(qiáng)功能 通過減少RAN和CN間的信令

交互優(yōu)化小基站移動性管理

提高數(shù)據(jù)傳輸速率

靈活地使用TDD頻段

基于波束賦形和自動小區(qū)分裂

技術(shù)的三維有源天線系統(tǒng) 顯著提高宏基站覆蓋和容量

先進(jìn)的接收機(jī) 抑制干擾提高上下行容量

基于集中調(diào)度技術(shù)的增強(qiáng)CoMP 通過多點協(xié)調(diào)技術(shù)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)

覆蓋能力

SON增強(qiáng)功能 有效部署網(wǎng)絡(luò)

節(jié)能減排

LTE-WLAN互通 保證UE下行速率10Mbps以上

充分利用已有網(wǎng)絡(luò)資源

LTE-HSPA融合 支出多技術(shù)能力

機(jī)器型通信 為到來的大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)做準(zhǔn)備

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[3] C114中國通信網(wǎng). 華為攜手3GPP研究LTE-Advanced及Rel-12未來演進(jìn)[EB/OL]. （2012-06-27）. http：//www.c114.net/news/126/a700009.html.

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[5] 新浪科技. 華為展示U-LTE解決方案提升移動寬帶網(wǎng)絡(luò)容量[EB/OL]. （2014-02-25）. http：//tech.sina.com.cn/roll/2014-02-25/17359190609.shtml.

作者簡介

沈大鵬：畢業(yè)于蘭州鐵道學(xué)院通信工程專業(yè)，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司甘肅省分公司網(wǎng)建部，長期從事無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)和優(yōu)化工作。endprint

表1 Release 12主要功能列表及描述

功能 描述及益處

基于站點間載波聚合的小基站

增強(qiáng)功能 通過減少RAN和CN間的信令

交互優(yōu)化小基站移動性管理

提高數(shù)據(jù)傳輸速率

靈活地使用TDD頻段

基于波束賦形和自動小區(qū)分裂

技術(shù)的三維有源天線系統(tǒng) 顯著提高宏基站覆蓋和容量

先進(jìn)的接收機(jī) 抑制干擾提高上下行容量

基于集中調(diào)度技術(shù)的增強(qiáng)CoMP 通過多點協(xié)調(diào)技術(shù)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)

覆蓋能力

SON增強(qiáng)功能 有效部署網(wǎng)絡(luò)

節(jié)能減排

LTE-WLAN互通 保證UE下行速率10Mbps以上

充分利用已有網(wǎng)絡(luò)資源

LTE-HSPA融合 支出多技術(shù)能力

機(jī)器型通信 為到來的大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)做準(zhǔn)備

參考文獻(xiàn)：

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[3] C114中國通信網(wǎng). 華為攜手3GPP研究LTE-Advanced及Rel-12未來演進(jìn)[EB/OL]. （2012-06-27）. http：//www.c114.net/news/126/a700009.html.

[4] Nadeem Akhtar. LTE-WLAN Interworking： 3GPP Release-12 Perspective[EB/OL]. （2013-07-31）. http：//standards.ieee.org/events/last_mile/NadeemAkhtar.pdf.

[5] 新浪科技. 華為展示U-LTE解決方案提升移動寬帶網(wǎng)絡(luò)容量[EB/OL]. （2014-02-25）. http：//tech.sina.com.cn/roll/2014-02-25/17359190609.shtml.

作者簡介

沈大鵬：畢業(yè)于蘭州鐵道學(xué)院通信工程專業(yè)，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司甘肅省分公司網(wǎng)建部，長期從事無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)和優(yōu)化工作。endprint