5G下行CoMP技術(shù)研究及測試驗證

（中國移動研究院，北京 100032）

0 引言

LTE 后期國內(nèi)外對CoMP 技術(shù)及性能進(jìn)行了較為廣泛的研究，包括下行CoMP[1-4]，以及上行多小區(qū)聯(lián)合接收[5-7]。5G NR 系統(tǒng)采用同頻組網(wǎng)，在密集城區(qū)等干擾受限的部署場景下，同頻干擾將引起邊緣用戶性能的下降。由于站址資源協(xié)調(diào)困難、高站低站共存等原因，5G NR 現(xiàn)網(wǎng)存在重疊覆蓋問題，尤其在部分滿足網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃RSRP 指標(biāo)的重疊覆蓋區(qū)域，存在SINR 較低、用戶吞吐量性能無法滿足要求的現(xiàn)象，且無法通過提升發(fā)射功率來解決。另一方面，Hetnet 典型組網(wǎng)下，宏宏、宏微、室內(nèi)外干擾普遍存在。5G NR 系統(tǒng)常用的同頻干擾解決方案，有頻率選擇性調(diào)度（FSS,Frequency Selective Scheduling）、小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（ICIC,Inter Cell Inteference Coordination）及多點(diǎn)協(xié)同處理（CoMP,Coordinated Multiple Points）等。CoMP 通過相鄰小區(qū)間頻繁大量的交互信息進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更加緊密的小區(qū)間協(xié)作，在4G 已被廣泛應(yīng)用。對于干擾嚴(yán)重的重疊覆蓋場景，CoMP 可提高邊緣用戶SINR，降低小區(qū)間干擾，從而提高重疊區(qū)域小區(qū)邊緣用戶的吞吐率及用戶體驗。

1 下行CoMP技術(shù)原理

1.1 下行CoMP簡介

CoMP 技術(shù)主要分為上行CoMP 及下行CoMP 兩類，上行CoMP 技術(shù)通過采用多個小區(qū)的天線對單個用戶的上行信號進(jìn)行接收，可增強(qiáng)接收SINR 性能從而增強(qiáng)邊緣覆蓋。下行CoMP 技術(shù)主要通過多個小區(qū)間數(shù)據(jù)交互、聯(lián)合調(diào)度、交互信道質(zhì)量信息抑制同頻干擾。下行CoMP技術(shù)主要分為以下三類：

（1）協(xié)作調(diào)度（CS,Coordinated Scheduling）。CS 是指在服務(wù)小區(qū)調(diào)度CoMP UE 的PRB 資源時，協(xié)作小區(qū)在對應(yīng)的時頻資源上不發(fā)送業(yè)務(wù)，以減小鄰區(qū)邊緣用戶受到的同頻干擾影響。因而CS 方案中，協(xié)作小區(qū)要做PRB 資源預(yù)留，服務(wù)和協(xié)作小區(qū)以毫秒量級快速交互調(diào)度信息[8]。

（2）協(xié)作波束賦型（CB,Coordinated Beamforming）。CB 是指利用波束賦形技術(shù)，在本小區(qū)終端進(jìn)行波束賦形時，通過調(diào)整同頻相鄰小區(qū)間用戶的波束方向，使得中近點(diǎn)用戶為相鄰小區(qū)邊緣用戶進(jìn)行波束避讓，將波束賦型的零陷指向CoMP UE，提升邊緣用戶頻譜效率，規(guī)避小區(qū)間的同頻干擾[9]。

（3）聯(lián)合傳輸（JT,Joint Transmission）。JT 是指兩個或更多小區(qū)同時為小區(qū)邊緣用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，多個小區(qū)小區(qū)的天線組成一個更大的過天線設(shè)備，利用多天線波束賦形，讓其他鄰區(qū)的原本為干擾的信號變成有用信號，使SINR 大幅提升，協(xié)作集中的所有小區(qū)都向小區(qū)間邊緣用戶發(fā)送PDSCH 數(shù)據(jù)，獲得功率增益和陣列增益，從而提高邊緣用戶的下行傳輸性能[10]。

從部署復(fù)雜度角度進(jìn)行對比，CS 的部署復(fù)雜度最小，協(xié)作小區(qū)間僅需交互CoMP UE 調(diào)度的PRB 時頻信息，由于CoMP UE 調(diào)度的PRB 上協(xié)作小區(qū)不發(fā)送業(yè)務(wù)，因而無需測量鄰區(qū)信道；而CB 和JT 方案中，由于協(xié)作小區(qū)需要在CoMP UE 調(diào)度的PRB 位置上采用零陷波束賦型或為CoMP UE 發(fā)送下行數(shù)據(jù)，因而需要測量鄰小區(qū)信道。JT 方案中除了鄰區(qū)信道測量要求，還需交互CoMP UE 下行發(fā)送數(shù)據(jù)，對設(shè)備實(shí)現(xiàn)、傳輸時延、傳輸帶寬的要求較高。

本文介紹的5G 下行COMP 為圖1 中虛線紅框的兩種傳輸模式，一種為協(xié)作小區(qū)發(fā)送相同的流，提高功率增益（與4G 相比增加了通道數(shù)）；一種為協(xié)作小區(qū)發(fā)送不同的流，利用信道的空間特性，提高流數(shù)（與4G 相比5G 下行CoMP 服務(wù)小區(qū)和協(xié)作小區(qū)可傳輸不同的流）。

圖1 本文介紹的5G下行CoMP方案分類

1.2 5G下行CoMP JT基本原理

4G DL CoMP 的JT 應(yīng)用場景為信道質(zhì)量較差的場景，終端下行單流且MCS 較低；在信道質(zhì)量較好時，比如信道可支持傳輸雙流/MCS 較高，系統(tǒng)會根據(jù)頻譜效率自適應(yīng)退出COMP。因為4G 存在CRS 參考信號，服務(wù)小區(qū)CRS 會與協(xié)作小區(qū)的PDSCH 沖突，協(xié)作小區(qū)對應(yīng)服務(wù)小區(qū)CRS 的PDSCH 數(shù)據(jù)需要打孔，性能會損失。另外，協(xié)作小區(qū)的CRS 同樣會干擾到服務(wù)小區(qū)的PDSCH 數(shù)據(jù)。因此，4G DL CoMP 技術(shù)兩個TRP 只能傳輸相同數(shù)據(jù)流。

5G DL COMP 5G 的相同之處為均是通過小區(qū)間天線聯(lián)合發(fā)送技術(shù)提升交疊區(qū)域性能。5G DL CoMP 技術(shù)服務(wù)小區(qū)和協(xié)作小區(qū)不僅可以傳輸相同資源的相同流，也可以傳輸相同資源的不同流。圖2 所示為5G 站內(nèi)DLCoMP 應(yīng)用場景，對于密集城區(qū)高密度重疊覆蓋場景，服務(wù)小區(qū)和協(xié)作小區(qū)傳輸相同資源的不同流提高容量；對于弱覆蓋場景，服務(wù)小區(qū)和協(xié)作小區(qū)傳輸相同資源的相同流提高分集增益。

圖2 5G站內(nèi)DL-CoMP應(yīng)用場景

接下來介紹5G DL CoMP JT 的實(shí)現(xiàn)方案，下文的實(shí)現(xiàn)流程及測試驗證是針對理想回傳場景，即共BBU 的站內(nèi)DL-CoMP 方案，方案對終端透明。如圖3 所示，站內(nèi)DL-CoMP 實(shí)現(xiàn)方案主要流程為：首先終端測量廣播波束SSB，其次進(jìn)行協(xié)作用戶、協(xié)作小區(qū)的選擇，然后服務(wù)小區(qū)及協(xié)作小區(qū)協(xié)作測量及上報（信息交互：CoMP UE 全部調(diào)度信息、下行數(shù)據(jù)、信道質(zhì)量、A/N 等），之后進(jìn)行協(xié)作模式的選擇，最后進(jìn)行多天線的協(xié)作調(diào)度。下面介紹站內(nèi)DL-CoMP 實(shí)現(xiàn)方案的主要流程。

圖3 站內(nèi)DL-CoMP實(shí)現(xiàn)方案

（1）協(xié)作小區(qū)的選擇

如圖4 所示，基站根據(jù)A3 測量進(jìn)行協(xié)作小區(qū)的選擇，在上報了A3 測量的鄰區(qū)中選擇與服務(wù)小區(qū)配置（收發(fā)模式、頻點(diǎn)、帶寬、時隙配置等）相同且RSRP 最強(qiáng)的小區(qū)（服務(wù)小區(qū)和協(xié)作小區(qū)的信號強(qiáng)度差滿足一定門限）作為協(xié)作小區(qū)。

圖4 協(xié)作小區(qū)選擇及協(xié)作測量的配置及上報

（2）協(xié)作測量的配置及上報

1）CSI-RS 配置及上報：服務(wù)小區(qū)與協(xié)作小區(qū)聯(lián)合發(fā)送一套周期/非周期CSI-RS 資源進(jìn)行協(xié)作模式下的CQI/RI/PMI 測量，終端向服務(wù)小區(qū)上報信道測質(zhì)量測量結(jié)果。

2）SRS 配置及上報：服務(wù)小區(qū)配置SRS 資源，協(xié)作小區(qū)上不分配SRS 資源，但在協(xié)作小區(qū)上對SRS 進(jìn)行測量，根據(jù)測量到的SRS SINR 判斷SRS 測量的可靠性。服務(wù)小區(qū)和協(xié)作小區(qū)根據(jù)信道環(huán)境選擇下行波束賦形的方式。

（3）協(xié)作模式判決和數(shù)據(jù)傳輸

如圖5 所示，基站根據(jù)頻譜效率及SRS-SINR 判斷協(xié)作模式：SRS-SINR 可靠性高，兩小區(qū)聯(lián)合測量頻譜效率高于單小區(qū)譜效率一定比例時，服務(wù)小區(qū)和協(xié)作小區(qū)對DL COMP UE 進(jìn)行聯(lián)合發(fā)射處理。

基站根據(jù)頻譜效率自適應(yīng)判決數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ?，也即服?wù)和協(xié)作小區(qū)發(fā)送相同/ 不同流的調(diào)度。當(dāng)數(shù)據(jù)信道SINR 低于一定門限（如5 dB）時服務(wù)小區(qū)和協(xié)作小區(qū)分別獨(dú)立給用戶發(fā)送相同的數(shù)據(jù)流，獲取不同小區(qū)的功率增益；當(dāng)數(shù)據(jù)信道SINR 高時服務(wù)小區(qū)和協(xié)作小區(qū)分別獨(dú)立給用戶發(fā)送不同的數(shù)據(jù)流，通過協(xié)作提升空間復(fù)用率，多傳輸數(shù)據(jù)信息，可提升邊緣用戶（峰值）速率。

圖5 協(xié)作模式判決和數(shù)據(jù)傳輸

2 5G下行CoMP性能驗證

基于第1 節(jié)5G 下行CoMP 的技術(shù)原理，本節(jié)將討論對64TR+64TR、64TR+32TR 下行JT 的性能進(jìn)行驗證并對測試結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 64TR+64TR下行JT性能驗證

首先介紹測試條件，服務(wù)小區(qū)和協(xié)作小區(qū)的工參幾乎相同，頻段為2.6 G，基站的站型也即收發(fā)模式為64TR，共BBU，兩小區(qū)的帶寬均為100 M，站高為10 M，機(jī)械下傾為3°，方位角分別為80°、210°，SSB 為8 波束，CSI-RS 的周期為20 ms，SRS 配置為周期自適應(yīng)。圖6 為64TR+64TR 的外場測試場景，測試終端放在兩扇區(qū)交疊的兩條路。選取5 個點(diǎn)位進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖6 和表1 所示。圖6 為64TR+64TR 場景特性增益圖，表1 為終端具體的測試結(jié)果。

圖6 64TR+64TR測試場景

圖7 的橫軸為5 個測試點(diǎn)位終端的RSRP 值，括號內(nèi)的數(shù)值為服務(wù)小區(qū)和協(xié)作小區(qū)的電平差，橫坐標(biāo)按照電平差遞減排列。從圖中可以看到，電平差為1/2/3/4/5 dB 幾個等級，大體趨勢為電平差值越低，增益越大（RANK抬升幅度基本相當(dāng)）；點(diǎn)位1 由于RANK 抬升不明顯，增益稍低?？傮w來看，5 個測試點(diǎn)位在特性打開后增益在7%～30% 之間，RANK 平均抬升1.4 階（60%），MCS降低4 階（16%）。用戶吞吐量的提升主要在于RANK的抬升，但流數(shù)增多會導(dǎo)致流間干擾增加，MCS 下降，解調(diào)性能會下降，但用戶吞吐量會上升，用戶體驗會提高。

圖7 64TR+64TR場景特性增益圖

2.2 64TR+32TR下行JT性能驗證

64TR+32TR 下行JT 性能驗證的測試條件與64TR+64TR的測試條件基本一致。服務(wù)小區(qū)和協(xié)作小區(qū)的工參相同，頻段為2.6 G，基站的站型也即收發(fā)模式粉分別為64TR 和32TR，共BBU，兩小區(qū)的帶寬均為100 M，站高為27 m，機(jī)械下傾為3°，SSB 為8 波束，CSI-RS 的周期為20 ms，SRS 配置為周期自適應(yīng)。方位角分別為230°，300°。圖8 為64TR+32TR 的外場測試場景，測試終端放在兩扇區(qū)交疊的一條路上。在交疊區(qū)域選取5 個點(diǎn)位進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖8 和表1 所示。圖8 為64TR+64TR 場景特性增益圖，表2 為終端具體的測試結(jié)果。從圖9 和表2 可以看到，點(diǎn)位1/3 電平差值在3 dB左右，增益較低；點(diǎn)位2/4/5 電平差值在1.5 dB 左右，增益較高。5 個點(diǎn)位進(jìn)行測試，特性打開后增益在9%～22%之間，RANK 平均抬升0.5 階（16%），MCS 平均下降0.2 階（1%）。本組所有點(diǎn)位RANK 抬升均不明顯，特性增益主要與電平差值大小相關(guān)。該測試所有點(diǎn)位基線RANK 較高，從服務(wù)小區(qū)和協(xié)作小區(qū)發(fā)送不同數(shù)據(jù)無法大幅抬升流數(shù)，但由于不同數(shù)據(jù)從不同小區(qū)發(fā)送降低了空間信道相關(guān)性，空間多樣性增大，提升了終端多流解調(diào)性能，帶來了增益。

表1 64TR+64TR場景測試結(jié)果

圖8 64TR+32TR測試場景

2.3 小結(jié)

密集城區(qū)高密度重疊場景和一般城區(qū)弱覆蓋場景都是DL COMP 典型應(yīng)用場景，可通過DL-COMP 聯(lián)合發(fā)送技術(shù)（自適應(yīng)發(fā)送相同/不同數(shù)據(jù)）來提升交疊區(qū)用戶吞吐率。本文驗證了站內(nèi)DL-COMP 在2 種場景的性能，小區(qū)間聯(lián)合發(fā)射可以帶來的性能增益在5%～30%。DL COMP 特性在服務(wù)小區(qū)和協(xié)作小區(qū)的交疊區(qū)（電平差值＜一定門限）生效，協(xié)作小區(qū)的選擇由終端A3 測報決定。測試結(jié)果表明服務(wù)小區(qū)和協(xié)作小區(qū)RSRP 差值越小，服務(wù)小區(qū)和協(xié)作小區(qū)之間的相關(guān)性越低，且服務(wù)小區(qū)RANK 越高，MCS越高，在提升流數(shù)的同時流間干擾越低，增益越大。

3 結(jié)論

本文對下行CoMP 技術(shù)進(jìn)行介紹，并重點(diǎn)介紹了下行CoMP 的分類，5G 下行CoMP 與技術(shù)與LTE 下行CoMP 的主要差異，5G 下行CoMP JT 的基本原理以及具體的實(shí)現(xiàn)流程。針對2 種場景對5G 下行CoMP JT 技術(shù)進(jìn)行了性能驗證及分析。測試結(jié)果表明服務(wù)小區(qū)和協(xié)作小區(qū)RSRP 差值越小，服務(wù)小區(qū)和協(xié)作小區(qū)之間的相關(guān)性越低，且服務(wù)小區(qū)RANK 越高，MCS 越高，在提升流數(shù)的同時流間干擾越低，增益越大。

圖9 64TR+32TR場景增益

表2 64TR+32TR場景測試結(jié)果