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對LTE-A采用的載波聚合（Carrier Aggregation）、上/下行多天線增強（Enhanced UL/DL MIMO）、多點協作傳輸（Coordinated Multi-point Tx&Rx）、中繼（Relay）、異構網干擾協調增強（Enhanced Inter-cell Interference Coordination for Heterogeneous Network）等關鍵技術及其標準進展進行了介紹。 1 引言 LTE-Advanced（LTE-A）是LTE的演進版本，其目的是為滿足未來幾年內無線通信市場的更高需求和更多應用，滿足和超過IMT-Advanced的需求，同時還保持對LTE較好的后向兼容性。LTE-A采用了載波聚合（Carrier Aggregation）、上/下行多天線增強（Enhanced UL/DL MIMO）、多點協作傳輸（Coordinated Multi-point Tx&Rx）、中繼（Relay）、異構網干擾協調增強（Enhanced Inter-cell Interference Coordination for Heterogeneous Network）等關鍵技術，能大大提高無線通信系統的峰值數據速率、峰值譜效率、小區平均譜效率以及小區邊界用戶性能，同時也能提高整個網絡的組網效率，這使得LTE和LTE-A系統成為未來幾年內無線通信發展的主流，本文將對這些關鍵技術及其標準進展進行介紹。 2 3GPP LTE-Advanced需求分析 IMT-Advanced 和LTE-Advanced的需求以及LTE Rel.8版本對需求的滿足度參見表1。 表1 IMT-Advanced 和LTE-Advanced的需求以及LTE Rel.8性能 為滿足這些需求，3GPP在LTE-A SI（Study Item）階段對載波聚合、上下行多天線增強、多點協作傳輸、中繼等關鍵技術進行了性能評估。2009年10月，3GPP將LTE-Advanced (LTE Release 10 & beyond) 作為IMT-Advanced候選技術方案提交ITU，包括FDD和TDD兩種制式，以及初始的自評估結果。 同時基于此候選方案和評估結果，在2010年3月LTE-A SI結束后，3GPP又先后成立了CA WI (Work Item)，UL MIMO WI， DL MIMO WI，Relay WI，CoMP SI，對這些關鍵技術進行進一步完善和標準化。 另外，LTE/LTE-A制式內的不同功率節點同覆蓋形成的異構網絡系統（Heterogeneous Network，Hetnet）作為一種顯著提升系統吞吐量和提高網絡整體效率的技術在3GPP中也引起了極大關注，2010年3月也成立了eICIC for Hetnet WI。 中國公司一直非常重視并積極參與LTE-A的標準化過程，提交的提案覆蓋了下文闡述的所有關鍵技術，并且突破性地取得了其中兩個重要WI的報告人職位——中國移動成為eICIC WI的報告人，華為公司成為UL MIMO WI的報告人。 本文將對這些關鍵技術及其目前的標準進展進行簡要介紹。 3 載波聚合(Carrier aggregation，CA) 載波聚合是能滿足LTE-A更大帶寬需求且能保持對LTE后向兼容性的必備技術。 目前，LTE支持的最大帶寬是20MHz，LTE-A通過聚合多個對LTE后向兼容的載波可以支持到最大100MHz帶寬。接收能力超過20MHz的LTE-A 終端（User Equipment，UE）可以同時接收多個成員載波，而對LTE Rel.8的終端，也可以正常接收其中一個成員載波。 頻譜聚合的場景可以分為3種：帶內連續載波聚合（Intra-Band，Contiguous）、帶內非連續載波聚合（Intra-Band，Non-contiguous）、帶外非連續載波聚合 （Inter-Band，Contiguous）。具體參見圖1。 圖1 典型CA場景 帶外非連續載波聚合通常會造成共站同功率的兩個成員載波的覆蓋不相同。 標準中曾對LTE-A每個成員載波是否都要保證對LTE Rel.8后向兼容性的問題進行過長時間的討論。考慮到頻譜效率、系統簡單性、終端/eNodeB復雜度和測試復雜度等因素，標準最后決定在Rel.10中，CA成員載波都是后向兼容的，在后續版本中可以考慮引入其他形態載波的可能性。 LTE-A不同終端聚合的載波數目可以不同。FDD系統中，同一個終端聚合的上/下行成員載波的數目也可以不同；但TDD系統中，通常上/下行成員載波的數目是相同的。 在MAC到PHY映射上，無論上行還是下行，每個成員載波有獨立的HARQ實體，這種方式可以最大程度地重用Rel.8的功能，并能保證較好的HARQ性能，缺點是可能需要反饋多個ACK/NACK。 LTE上行采用了單載波傳輸方式（DFT-S-OFDM），在LTE-A上行多載波聚合傳輸時，經過對OFDM和N x DFT-S-OFDM之間的評估之后，最終傳輸方式采納了N x DFT-S-OFDM的形式，即其中每個成員載波按獨立的DFT-S-OFDM傳輸。 4 多天線增強（Enhanced Multiple Antenna Transmission） 多天線技術的增強是滿足LTE-A峰值譜效率和平均譜效率提升需求的重要途徑之一。 LTE Rel.8下行支持1，2，4天線發射，終端側2，4天線接收，下行可支持最大4層（Layer）傳輸。上行只支持終端側單天線發送，基站側最多4天線接收。LTE Rel.8的多天線發射模式包括開環（Open loop）MIMO，閉環（Closed loop）MIMO，波束成型（Beamforming，BF），以及發射分集。 除了單用戶MIMO（single-user MIMO，SU-MIMO），LTE中還采用了另外一種譜效率增強的多天線傳輸方式，稱為多用戶MIMO（Multi-User MIMO，MU-MIMO），多個用戶復用相同的無線資源通過空分的方式同時傳輸。 LTE-A中為提升峰值譜效率和平均譜效率，在上下行都擴充了發射/接收支持的最大天線個數，允許上行最多4天線4層發送，下行最多8天線8層發送，從而LTE-A中需要考慮更多天線數配置下的多天線發送方式。 （1）上行多天線增強 LTE-A上行除了需要考慮更多天線數配置外，還需要考慮上行低峰均比的需求和每個成員載波上的單載波傳輸的需求。 對上行控制信道而言，容量提升不是主要需求，多天線技術主要用來進一步優化性能和覆蓋，因此只需要考慮發射分集方式。經過評估，對采用碼分的上行控制信道（PUCCH）格式 1/1a/1b采用了SORTD（Spatial Orthogonal Resource Transmit Diversity）的發射分集方式，即在多天線上采用互相正交的碼序列對信號進行調制傳輸。上行控制信道格式2的分集方式還在討論中。 對上行業務信道而言，容量提升是主要需求，多天線技術需要考慮空間復用的引入。同時，由于發射分集相對于更為簡單的開環秩1預編碼并沒有性能優勢，因此標準最終確定上行業務信道不采用發射分集，對小區邊界的用戶等可以直接采用開環秩1預編碼。目前，2發射天線和4發射天線下的低峰均比秩1"4的碼本設計都已完成。 與LTE一樣，LTE-A的上行參考信號（Reference Signal，RS）也包括用于信道測量的SRS（Sounding RS） 和用于信號檢測DMRS（Demodulation RS）。由于上行空間復用及多載波的采納，單個用戶使用的上行DMRS的資源開銷需要擴充，最直接的方式就是在LTE 上行RS使用的CAZAC（Const Amplitude Zero Auto-Corelation）碼循環移位（Cyclic Shift）的基礎上，不同數據傳輸層的DMRS使用不同的循環移位。還有一種可能是在時域的多個RS符號上疊加正交碼（Orthogonal Cover Code，OCC）來擴充碼復用空間。目前，關于兩種擴充方式的討論還在繼續。對于SRS信號，為了支持上行多天線信道測量以及多載波測量，資源開銷相對于R8 SRS信號同樣需要擴充，除了延用R8周期性 SRS發送模式以外，LTEA還增加了非周期SRS發送模式，由NodeB觸發UE發送，實現SRS資源的擴充。 （2）下行多天線增強 因為支持的傳輸層數的增加，導致需要考慮更大尺寸的碼本設計。因為LTE-A下行業務信道的傳輸可以采用專用參考信號（dedicated RS），因此原則上下行發送可以基于碼本也可以基于非碼本。同時，對于閉環MIMO，為了減少反饋開銷，采用基于碼本的PMI反饋方式。目前8天線碼本的設計正在進行，初步采用雙預編碼矩陣碼本（Dual-index Precoding Codebook）結構，即把碼本矩陣用兩個矩陣的乘積表示，通常兩個矩陣中一個是基碼本，另一個是根據信道變化特征在基碼本上的修正。為了進一步減少反饋開銷，還可以考慮根據信道的變化快慢不同的統計特征分別進行長周期反饋（比如空間相關性）和短周期反饋（比如快衰因素）。 LTE-A采用用戶專用參考信號的方式來進行業務信道的傳輸，同一用戶業務信道的不同層使用的參考信號以CDM+FDM的方式相互正交。 為了測量最多八層信道，除了原來的公共參考信號（Common RS）外，還引入了信道狀態指示參考信號（Channel State Indication RS，CSI-RS），CSI-RS在時頻域可以設置得比較稀疏，各天線端口的CSI-RS以CDM+FDM的方式相互正交。 另外，LTE-A中目前正在討論對MU-MIMO的繼續增強，以充分開發多用戶分集增益和聯合信號處理的增益來減少多用戶流間的干擾，同時也做到性能和復雜度之間的較好折中。 根據目前標準上達成的結論，MU-MIMO支持最多4個用戶復用，每用戶不超過兩層，總共不超過4層傳輸。為了增加調度靈活性，MU-MIMO調度對用戶而言是透明的，即用戶可以不知道是否有其它用戶與其在相同的資源上進行空間復用，并且用戶可以在SU-MIMO和MU-MIMO狀態之間動態進行轉換。 5 協作多點傳輸（Coordinated Multiple Point Transmission and Reception，CoMP） 協作多點傳輸是一種提升小區邊界容量和小區平均吞吐量的有效途徑。 其核心想法是當終端位于小區邊界區域時，它能同時接收到來自多個小區的信號，同時它自己的傳輸也能被多個小區同時接收。在下行，如果對來自多個小區的發射信號進行協調以規避彼此間的干擾，能大大提升下行性能。在上行，信號可以同時由多個小區聯合接收并進行信號合并，同時多小區也可以通過協調調度來抑制小區間干擾，從而達到提升接收信號信噪比的效果。 按照進行協調的節點之間的關系，CoMP可以分為intra-site CoMP和inter-site CoMP兩種。 （1）Intra-site CoMP協作發生在一個站點（site，eNodeB）內，此時因為沒有回傳（Backhaul）容量的限制，可以在同一個站點的多個小區（cell）間交互大量的信息。 （2）Inter-site CoMP協作發生在多個站點間，對回傳容量和時延提出了更高要求。反過來說，Inter-site CoMP性能也受限于當前Backhaul的容量和時延能力（見圖2）。 圖2 intra-site CoMP和inter-site CoMP示意圖 在協作多點發射（對應下行CoMP）中，按業務數據是否在多個協調點上都能獲取，可以分為協作調度/波束成型（Coordinated Scheduling/Beamforming，CS/CBF）和 聯合處理（Joint Processing，JP）兩種。對CS/CBF而言，業務數據只在服務小區上能獲取，即對終端的傳輸只來自服務小區（Serving Cell），但相應的調度和發射權重等需要小區間進行動態信息交互和協調，以盡可能減少多個小區的不同傳輸之間的互干擾。而對JP而言，業務數據在多個協調點上都能獲取，對終端的傳輸來自多個小區，多小區通過協調的方式共同給終端服務，就像虛擬的單個小區一樣，這種方式通常有更好的性能，但對Backhaul的容量和時延提出了更高要求。 一種常見的CS/CBF方式是，終端對多個小區的信道進行測量和反饋，反饋的信息既包括期望的來自服務小區的預編碼向量，也包括鄰近的強干擾小區的干擾預編碼向量，多個小區的調度器經過協調，各小區在發射波束時盡量使得對鄰小區不造成強干擾，同時還盡可能保證本小區用戶期望的信號強度。 在聯合處理方式（JP）中，既可以由多個小區執行對終端的聯合預編碼, 也可以由每個小區執行獨立的預編碼、多個小區聯合服務同一個終端。既可以多小區共同服務來自某個小區的單個用戶，也可以多小區共同服務來自多小區的多個用戶。 如圖3所示是不同CoMP類型下的性能增益，仿真條件按照3GPP TR 36.814規定。可以看出，CoMP技術能帶來顯著的小區邊界和小區平均性能增益。 RN通過宿主（Donor）eNodeB以無線方式連接到接入網。RN和宿主eNodeB間的接口定義為Un口，終端仍通過Uu口和RN相連。Un口可以是帶內的也可以是帶外的，帶內是指eNodeB和RN之間的鏈路（Link）與RN和終端之間的鏈路共享同一段頻率，否則稱為帶外。目前標準關注的場景中，eNodeB和RN之間的鏈路與eNodeB和終端之間的鏈路總是共享同一段頻率（見圖4）。 圖4 Relay Network 按照RN是否具有獨立的cell id，3GPP將RN分為兩類： （1）Type 1 Relay 有獨立的cell id；傳輸自己的同步信道、參考信號等；終端直接從RN接收調度信令，HARQ反饋等，并將自己的控制信道等直接發送給RN；即在Rel.8 終端看來，RN就是一個Rel.8基站，而LTE-A 終端可能可以分辨RN和eNodeB。 （2）Type 2 Relay 沒有獨立的cell id，不能形成新的小區；對Rel.8 終端是透明的，即Rel.8 終端意識不到Relay的存在；可以傳輸業務信道，但至少不能傳輸 CRS和 PDCCH。 目前標準中主要關注帶內Type I Relay。 關于各鏈路的資源使用，eNodeB→RN和RN→UE兩條鏈路在同一頻帶上時分復用，一個時間內只有一個傳輸； RN→eNodeB和UE→RN兩條鏈路在同一頻帶上時分復用，一個時間內只有一個傳輸。 另外，關于Backhaul鏈路的傳輸資源，在FDD系統中，eNodeB→RN和RN→eNodeB 分別在下行頻帶和上行頻帶上傳輸；TDD系統中，eNodeB→RN和RN→eNodeB 分別在eNodeB和RN之間的Backhaul鏈路的下行子幀和上行子幀上傳輸。 為了完成帶內回傳，需要分配一些資源用來進行eNodeB和RN之間的信息傳輸，這些資源不能再被用作RN和終端之間的接入鏈路的傳輸。為了保持對Rel.8 終端的后向兼容性，在下行，RN通過配置MBSFN（廣播多播單頻網）子幀的方式來進行回傳鏈路的傳輸，即在配置的MBSFN子幀中，RN實際上在接收來自eNodeB的下行信息，此時RN不再給下轄的終端發送下行數據。而當RN向eNodeB傳送信息時，可以通過調度使得RN下轄的終端在此時不再發送上行數據給RN。 目前，標準上正在對帶內Type I Relay的Backhaul各信道設計進行討論，主要集中在控制信道設計、參考信號設計和各鏈路的定時關系上。 7 異構網干擾協調增強（eICIC for Heterogenous Networks） 異構網是一種顯著提升系統吞吐量和網絡整體效率的技術。 異構網是指低功率節點被布放在宏基站覆蓋區域內，形成同覆蓋的不同節點類型的異構系統。低功率節點（Low Power Node，LPN）包括Micro，Pico，RRH（Remote Radio Head），Relay和Femto（毫微蜂窩基站，通常指家庭基站）等。 目前討論的異構場景主要包括室內家庭基站、室外熱點和室內熱點，其他場景優先級較低（見圖5）。 圖5 異構網示意圖 異構網中很重要的部分就是同覆蓋的各節點間的干擾問題，尤其是因為宏基站發射功率較LPN大很多，導致宏站對LPN中邊界用戶下行接收的干擾，以及宏站邊緣大功率終端對附近LPN的干擾。另外，在家庭基站等CSG（Closed Subscriber Group）場景下，家庭基站的發射也會對附近的宏基站用戶造成影響，因而控制信道之間的干擾是更關鍵的問題。 目前，對干擾進行規避和控制的方法包括完全異頻，CA-based和non-CA-based。 （1）完全異頻的方式下，宏基站和覆蓋內的LPN完全異頻，類似分層網的情況，此時基本無干擾。 （2）CA-based場景下，兩種節點的控制信道可以位于不同的成員載波上，業務信道可以共道傳輸。 （3）non-CA-based場景下控制信道和業務信道都可以共道傳輸，此時可以通過頻分/時分等方式來正交化兩種節點的控制信道，也可以通過其它方式來實現控制信道的部分正交，目前這些方案都正在討論中。 8 結束語 上述關鍵技術分別是提升系統峰值數據速率、峰值譜效率、小區平均譜效率、小區邊界用戶性能和整個網絡效率的使能技術，以及LTE-A需求指標的對應關系（見表2）。 表2 需求指標和使能技術 LTE-A Rel.10的各WI/SI預計會在2010年底或2011年初結束，之后還會考慮Rel.11/Rel.12等進一步演進。目前的一些關鍵技術如CoMP和異構網干擾協調增強等在Rel.10版本中只進行了一些基本特性的標準化，預計在后續版本還會有更進一步的優化和完善。 圖3 DL CoMP增益 目前，CoMP還處在SI階段，對協作多點接收（對應上行CoMP）而言，由于主要影響調度器和接收機，可以通過實現途徑達到，因此目前在Rel.10中沒有標準化。對協作多點發射，由于intra-site CoMP已經可以達到可觀的性能增益，同時又不需要對站點間的X2接口在標準化上提出新的要求，因此目前intra-site CoMP是標準關注的重點。 CSI-RS的設計也是CoMP的一個標準化重點。為了支持終端對鄰小區信道的測量，在CSI-RS設計時需要盡量保證小區之間CSI-RS的正交性，以及考慮本小區業務信道對測量鄰小區CSI-RS信號強度的影響。 6 中繼（Relay） Rel.10的Relay技術主要定位在覆蓋增強場景。 Relay節點（RN）用來傳遞eNodeB和終端之間的業務/信令傳輸，目的是為了增強高數據速率的覆蓋、臨時性網絡部署、小區邊界吞吐量提升、覆蓋擴展和增強、支持群移動等，同時也能提供較低的網絡部署成本。 |
