LTE—A的性能和關鍵技術

摘 要：LTE-A在頻點、帶寬、峰值傳輸速率及兼容性等方面都有新的需求，其主要目標是滿足并超過ITU-R關于IMT-A（4G）標準的需求，并具有后向兼容性，以提高技術競爭力，降低運營商網絡升級版本。本文闡述了LTE-A的性能要求，對載波和頻譜聚合、多點協作傳輸技術，中繼和MIMO增強技術進行了分析。

關鍵詞：CoMP eNodeB LTE-A；MIMO

中圖分類號：TN93文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（a）-0124-02

1 LTE-A性能要求

LTE-A系統在關鍵技術方面有了很大的增強，引入了一些新的候選技術，如載波聚合技術、增強型多天線技術、無線網絡編碼技術和無線網絡MIMO技術等，其支持的系統帶寬最小為20MHZ，最大帶寬達到100MHZ。因此性能指標得到很大改善，具體表現為：

（1）使用4×4MIMO且傳輸帶寬大于70MHZ時，下行峰值傳輸速率為1Gbit/s，上行峰值傳輸速率為500Mbit/s。（2）下行8×8天線配置時峰值頻譜效率為30bit/s/Hz，上行4×4天線配置時峰值頻譜效率為15bit/s/Hz。（3）下行4×4MIMO配置下小區平均頻譜效率為3.7bit/s/Hz，上行2×4MIMO配置下小區平均頻譜效率為2.0bit/s/Hz。（4）下行4×4MIMO配置下小區邊緣頻譜效率為0.12bit/s/Hz，上行2×4MIMO配置下小區邊緣頻譜效率為0.07bit/s/Hz。（5）在系統容量方面，LTE-A要求每5MHz帶寬內支持200～300個并行的VoIP用戶。（6）LTE-A對時延的控制更加嚴格，具體為：控制層從空閑狀態轉換到連接狀態的時延低于50ms，從休眠狀態轉換到連接狀態的時延低于10ms；用戶層在FDD模式的時延小于5ms，在TDD模式的時延小于10ms。

2 LTE-A關鍵技術

LTE-A中，為了滿足更高的性能指標，引入了一系列關鍵技術，包括上下行MIMO擴展、載波聚合技術、接力通信和協作的多點傳輸與接收技術。

2.1 載波和頻譜聚合

LTE-A所支持的最大帶寬為100MHz，以提供更高的傳輸速率。在目前的頻譜分配和規劃方式下，想要找到滿足LTE-A要求的200MHz帶寬想當困難。因此，規范規定LTE-A可以采用載波聚合技術，即將連續或者離散的多個成員載波組合在一起，LTE-A終端可以同時接入多個成員載波進行數據收發。

每個成員載波不大于20MHz，可以作為LTE載波供LTE UE來使用，以保證LTE-A在IMT載波頻段上的后向兼容性。成員載波分為后向兼容和非后向兼容載波，后向兼容的成員載波可以為R8/R9版本的LTE終端所使用，在LTE-A的第一個版本R10中只有后向兼容成員載波。不同成員載波間可以進行協作調度，以降低干擾、提高系統容量。

聚合可以采用上下行對稱或者非對稱帶寬，即UE可上下行分別配置不同數量、不同帶寬的成員載波，下行可配置的成員載波數要大于上行可配置數；對于TDD，典型情況下，上下行的成員載波數是相同的。

載波聚合中，下行控制信令PDCCH只在一個載波內傳輸，各載波獨立進行編碼，通過載波指示域進行跨載波調度。CIF長度固定為3bit，不同DCI格式下CFI的位置固定。

基于載波聚合的LTE-A系統在傳輸塊的映射以及控制信道的設計等方面與單載波系統有所區別。在LTE-A系統中，每個子載波對應一個獨立的數據流，子載波之間數據流的聚合方式可以分為MAC層聚合和物理層聚合兩種。

MAC層聚合方式下，每個子載波分配一個獨立的 傳輸塊（如果采用空間分集，則為2個傳輸塊），單一的數據流在某一些點上被分到不同的載波上，載波上數據流的聚合在MAC層完成。其中，每個成員載波都維持其原來的物理結構，如相同的傳輸塊大小、軟緩存大小，可以復用LTE原有的軟硬件設計。另外，每個載波還可以使用不同的MIMO算法以及不同的鏈路自適應和HARQ算法，HARQ重傳和ACK/NACK反饋都以成員載波為單位進行。這種方式下，鏈路自適應技術使用效果明顯，且在HARQ方面體現出了很好的性能。由于對物理層、RLC層與MAC層設計沒有影響，因此與LTE系統有較好的后向兼容性。缺點是頻譜效率和調度增益沒有得到很好的實現，且系統總開銷較大，與聚合前基本上一樣多。

物理層聚合方式下，所有的載波共用一個傳輸塊（如果采用空間分集，則為2個傳輸塊），所有的成員載波都使用相同的傳輸塊和相同的調制和編碼方式，HARQ重傳在所有成員載波上進行，且所有成員載波使用同一個ACK/NAK。物理層需要重新進行設計，且對RLC和MAC層設計有一定的影響。這種方式不能與LTE相兼容，且傳輸個數和HARQ過程較少，因此系統開銷減小，但是HARQ的使用效率低，甚至完全不適合使用HARQ技術。

考慮到與LTE的兼容性，規范規定采用MAC層聚合的方式。

2.2 多點協作傳輸技術

LTE-A中上下行方向上可以使用多點協作（CoMP）傳輸技術，通過基站協同傳輸來消除干擾，提高小區平均吞吐量以及小區邊緣用戶吞吐量。

CoMP的核心思想是：當UE處于小區邊界區域時，無論系統負荷量高低，UE都有可能會同時接收到來自多個小區的信號，同時UE的發射信號也可能被多個小區所接收。這種情況下，如果對來自多個小區的信號進行協調，就可以大大提升下行性能。這種協調技術可以像干擾避免技術那樣簡單，也可以像多個小區都傳送相同數據那么復雜。對上行鏈路來說，由于信號可以同時被多個小區接收到，那么如果多個小區基站能夠實現調度協調，那么系統就可以利用這種多路接收的特點來顯著提高系統的鏈路特性。在接下來的章節將介紹CoMP的體系結構和幾種不同的設計方案。

（1）CoMP體系結構

CoMP通信可以分為基站內部的CoMP和基站之間的CoMP兩種類型。對于基站內部的CoMP來說，由于信號的協作工作發生在一個基站內，不涉及基站間的傳輸通路，因此同一個基站的多個小區間可以交換大量的信息。而基站間的CoMP則涉及多個基站之間CoMP信息的傳輸工作，因此信息交互會受到基站間傳輸容量和時延的限制。也就是說，不同基站之間的CoMP對傳輸的負荷和性能提出了更高的要求。

一種與分布式eNodeB相關的CoMP體系結構。eNodeB的無線遠端單元（RRU）即射頻拉遠模塊放在不同位置上，因此，盡管CoMP的協調工作只在一個eNodeB中進行，但是CoMP信號傳遞卻類似于基站間CoMP的方式。

（2）下行CoMP

下行CoMP有兩種不同的實現方法，即協作調度/波束賦形（CS/CBF）和聯合處理/聯合傳輸（JP/JT）。CS/CBF方式下，UE只接收服務小區的發射信號，與non-CoMP傳輸十分相似。但相應的調度（包括波束賦形）等功能需要在小區間進行動態協調，以便控制和（/或）降低多個小區之間的干擾。原則上，應該選擇用戶的最優服務集來構造發射波束，以便提高服務用戶的信號強度，同時降低對其他鄰近用戶的干擾。在JP/JT方式下，不同小區或者基站都同時向同一個終端發射信號，這些不同的發射點雖然天線的地理位置比較分散，但是通過協調功能可以將它們看作一個發射源。這種方案比協作調度的性能更好，但是對基站間傳輸通路的性能提出了更高的要求。

作為對LTE的后續演化和改進，根據不同天線地理位置上的分散性，先后提出了多點協作處理方法（如相干或非相干）、協作區域定義、網絡式MIMO和協作MIMO；根據是否采用不同的小區對UE發送相同的數據，協作MIMO又可以分為使用多小區協作的單小區天線處理和多小區天線處理兩種類型。前者可以對小區內額外的空間自由度所形成的干擾凹陷點進行預編碼來實現。后者包括協作預編碼和CL宏分集。在協作預編碼過程中，每一個小區都要針對多個終端完成多用戶預編碼，每一個終端也會從多個小區接收到多個數據流。在CL宏分集過程中，每個小區獨立地執行預編碼過程，同時多個小區聯合為同一個終端提供服務。

（3）上行CoMP

上行協作多點接收是指從多個地理上分散的不同小區中接收信號，在接收過程中，小區之間可以通過調度協調來控制相互之間的干擾。需要著重理解的是，在不同的情況下，協作單元可以是不同的eNodeB射頻拉遠模塊或者中繼單元等。另外，由于上行CoMP主要影響調度器和接收機，目前在實現上還存在爭議。因此，LTE-A中只定義了需要進行多點接收的信令。

（4）小區間干擾協調

另一種簡單的CoMP傳輸方案是基于eNodeB之間資源管理的協調工作來控制小區間的干擾，它能夠有效地改善小區邊緣的頻譜利用率。LTE-A中ICIC增強技術還包括動態干擾協調（D-ICIC）和靜態干擾協調（S-ICIC）。在D-ICIC中，負荷不均衡的情況下，這種方案能夠靈活地保證資源的均衡使用。對于S-ICIC，還會考慮eNodeB之間靜態和半靜態空域資源的協調使用。

2.3 中繼

近年來對于LTE-A中多跳中繼的研究掀起了一個高潮。并且引入中繼節點（RN）進行eNodeB和終端之間的業務和信令的轉發工作，以增強高速數據速率的覆蓋、群移動性和小區邊界覆蓋，如將覆蓋擴展到小區內或小區外的嚴重衰落區域。多跳中繼使小區覆蓋范圍擴大，從而使得小區邊緣用戶的吞吐量得到增強，CAPEX和OPEX降低。

中繼節點通過施主小區與無線接入網實現無線連接，中繼節點RN通過Un接口與施主eNodeB相連接，終端通過Uu接口與中繼節點相連接。當前Uu連接處于研究階段，它包括帶內和帶外兩種類型。帶內連接方式下，eNodeB到中繼的鏈路所使用的頻帶與施主小區內eNodeB到終端的直接鏈路所使用的頻帶相同。這種情況下，R8終端可以實現與施主小區的連接。對于帶外連接，eNodeB到中繼的鏈路與eNodeB和終端間的直接鏈路使用不同的頻帶。

（1）中繼類型

（2）中繼節點類型

（3）資源分配

2.4 MIMO增強技術

在LTE R8中，上行僅支持單天線的發送，為了提高上行吞吐量，同時也為了滿足IUT IMT-A對上行峰值頻譜效率15bit/s/Hz的要求，LTE-A確定上行支持最多4*4天線。R8中，LTE下行可以支持最多4根發射天線，LTE-A確定將擴展到支持最多8*8天線，以進一步提高下行峰值頻譜效率（30bit/s/Hz）。同時，下行MIMO對波束賦形進行了擴展，引入了多流空間復用的波束賦形的模式。

LTE支持4×4天線的配置，LTE-A將SU-MIMO擴展到8×8配置的場景下。3GPP RAN1達成了一些關于LTE-A中SU-MIMO的8天線空間復用和發射分集基本結論如下。

空間復用傳輸塊的最大數目為2，每個傳輸塊內有1個MCS域，每個傳輸塊中有1bit的ACK/NACK用來作為評估的基準，碼字到層的映射，4層以下（包括4層）重用LTE的映射方法，4層以上將LTE碼字到映射的方法作為基準。

3 結語

3GPP組織于2008年年底完成了LTE標準第一個版本R8的制定工作。LTE-Advanced是在LTE R8/R9版本基礎上的進一步演進和增強，它于2010年6月通過ITU的評估，于2010年10月正式成為IMT-A的主要技術之一。LTE-A在頻點、帶寬、峰值傳輸速率及兼容性等方面都有新的需求，其主要目標是滿足并超過ITU-R關于IMT-A（4G）標準的需求，并具有后向兼容性，以提高技術競爭力，降低運營商網絡升級版本。

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