LTE-A关键技术及标准化进展分析

LTE-A关键技术及标准化进展分析

摘要：LTE-A是LTE技术的平滑演进，引入了多载波聚合、中继、协作多点传输等关键技术。其中，多载波聚合是在频域上进行扩展，以满足LTE-A对高带宽的需求；中继技术能带来更广的覆盖范围和更高的系统容量，同时也面临干扰复杂化问题；协作多点传输技术能提高小区边缘的吞吐量；多天线技术通过增加上下行天线端口的数量，来提高峰值速率和频谱效率。关键词：LTE，LTE-A，多载波聚合，中继，协作多点传输技术0引言LTE-Advanced是3GPP为了满足IMT-Advanced的需求在LTE基础上的技术演进，也是4G的首选技术。为了进一步提高LTE的性能以保证LTE在未来市场竞争中的优势地位，LTE-Advanced采用了载波聚合、中继、协同多点和多天线增强等关键技术，极大地提高了无线通信系统的峰值速率（在100MHz的频谱带宽能够提供下行1Gbit/s、上行500Mbit/s的峰值速率）、峰值谱效率、小区边缘的用户吞吐量和整个网络的组网效率，使得LTE和LTE-A成为未来至少10年内无线通信发展的主流。1关键技术及标准化进展1.1多载波聚合目前，LTE-A支持的最小带宽是20MHz，最大的带宽是100MHz。LTE—A有6个候选的频点，即：450-470MHz，698～862MHz，790～862MHz，2.3～2.4GHz，3.2～3.4GHz，4.4～4.99GHz[1]。若考虑到目前频谱分配方式和规划，很难找到足够承载LTE-A系统的100MHz的整段频带。因此，3GPP提出了多载波聚合技术来解决LTE-A系统对频谱资源的需求。载波聚合就是通过联合调度并使用多个成员载波上的资源，使得LTE-Advanced系统可以最大支持100MHz的带宽，从而能够实现更高的系统峰值速率和频谱效率[2]。LTE-Advanced支持连续载波聚合以及频带内和频带间的非连续载波聚合，最大能聚合带宽可达100MHz。为了保持与LTE的后向兼容性，即保证LTE终端能够接入LTE-Advanced系统，每个载波应能够配置成与LTE后向兼容的载波，也不排除设计仅被LTE-Advanced系统使用的载波。按照频谱的连续性，多载波聚合可以分为连续性载波聚合和非连续性载波聚合。图1展示了连续和非连续载波聚合。5个连续的20MHz的频带聚合成1个100MHz带宽，2个不连续的载波聚合成1个40MHz的带宽。3GPP自RANl#53次会议开始讨论载波聚合的相关内容，在RANl#54次会议中得出以下几个基本点：考虑到LTE的兼容性，各成员载波将采用LTE的设计，所有成员都与R8保持兼容，但也不排除对非后向兼容载波成员的考虑[3]；关于聚合带宽和上下行非对称问题，UE可能配置为上下行不同载波的数量、不同带宽成员的载波；而对于TDD，在典型的情况下，上下行成员的数量是相同的。在物理层设计中，LTE-Advanced系统还需要解决载波间的时间同步、频点分配和保护带宽设计等问题[4]。在MAC层和RLC层设计中，要解决不同载波间的协调机制，联合队列/单数据队列/多数据队列的调度等问题。与物理层/MAC层/RLC层的飞速进展相比，LTE-Advanced系统在载波聚合控制信道的研究工作进展较慢。合理的设计聚合载波的控制信道和信令，同时降低开销是控制信道设计中需要解决的重要问题。1.2中继（Relay）技术中继技术作为LTE-A系统的关键技术之一，将为小区带来更大的覆盖范围和更高的系统容量，而且中继设备的复杂度远低于基站，因此利用中继进行小区覆盖的性价比较高。根据中继执行的功能不同可以将中继分为3类：L1Relay，L2Relay和L3Relay。L1Relay可以看作是一个智能直放站，并不解调、解码基站的信号，只进行信号的转发。其优点是具有较低的时延，缺点则是在放大信号的同时也放大了噪音。L2Relay实现解码转发功能，转发PDCPPDU，RLCPDU，MACPDU和传输块，比无线回传的基站简单、价格低廉，较直放站复杂，从协议功能上讲，L2Relay有一定的资源分配功能，但没有完整的L3Relay资源管理功能[3]；L3Relay具有与基站相似的空中协议结构，不仅可以解调基站的信号，还具有相当完整的RRM能力和权限，实际相当于一个使用无线回传链路的小基站，优点是功能完备，缺点是结构复杂，造价昂贵。LTE-A标准中定义了TypelRelay（L3Relay）和Type2relay（L2Relay）。Type1Relay是带外节点，每个Type1Relay都有属于自己的小区ID，且小区ID与所属基站的小区ID不同。TypelRelay具有资源调度和HARQ功能，对于R8终端，Type1Relay的表现如同一个基站，可以获得覆盖和容量增益。TypeIIRelay是带内Relay节点，没有独立的物理小区ID，也不能产生新的小区；对R8的UE是透明的，即R8的UE不知道TypeIIRelay的存在；可以传输业务信道，但不能传输CRS和PDCCH。目前，3GPP的讨论主要集中在TypeIRelay的回传链路设计，以及对2种类型Relay的评估假设和评估结论的讨论上。其中回传链路的设计主要讨论了R-PDCCH的复用方式，是否需要设计R-PHICH，是否需要R-PCFICH，回传链路上行HARQ定时，上行回传子帧的配置以及R-PDCCH的DMRS设计等[3]。中继技术作为LTE-A系统的候选技术之一，提供了更为广泛的覆盖范围，更高的资源利用率，更好的链路性能和较低的建网成本[5]。然而，新技术带来优良性能的同时也必然带来新的挑战。中继技术的引入使得小区面临资源需求增加，干扰复杂化问题。有效的资源复用方案和干扰抑制技术成为当前关注的重点，而多天线技术在LTE-A系统中的应用，将为中继资源的复用以及干扰抑制带来新的思路。1.3协作多点传输为了提高小区边缘用户的性能，满足小区边缘频谱效率的要求，LTE-A系统中提出了协作多点传输技术，即CoMP（coordinatedmultiplepoint）技术。协作多点技术指的是协调的多点发射/接收技术，这里的多点是指地理位置上分离的多个天线接入点[6]。CoMP技术通过移动网络中多节点协作传输，能解决现有移动蜂窝网络中的单小区单站点传输对系统频谱效率的限制，更好地克服小区间干扰，提高无线频谱传输效率，提高系统边缘的吞吐量，进一步扩大小区的覆盖。协作多点可分为波束赋形/多点协同调度和多点联合处理两大类，分别适用于不同的应用场景，互相之间不能完全取代。在3GPP最近针对ITU的初步评估中，协作多点技术是惟一能在基站4天线配置条件下满足所有场景的需求指标的技术，并同时明显改进了上行和下行的系统性能。3GPPRANl定义了服务小区、协作小区集合和测量小区集合[3]。服务小区与R8中的服务小区的定义相同，是用来传输PDCCH的单个小区，CoMP协作小区集合是一组直接或者间接给UE发送PD-SCH的小区集合，这个集合可以对UE透明，也可以对UE不透明，CoMP测量集合是一组上报与UE连接的信道状态信息的小区集合。CoMP中UE的信息反馈是目前研究的一个热点，主要包括信息反馈的方式以及反馈内容[7]。反馈信息主要是下行的信道信息，UE的反馈方式主要分为：显示的反馈、隐示的反馈、基于SRS的反馈。显示反馈是直接反馈信道的状态信息；隐示反馈是UE端经过适当的处理，反馈给eNBl个信道状态指示CQl；SRS反馈利用信号的对称性，终端发送SRS可以用来作为eNB进行信道状态信息的估计，这种方法在TDD系统中尤为适用。目前3GPP的讨论仍集中在如何采用统一的框架对单小区单用户MIMO、多用户MIMO以及CoMP进行反馈，而且随着StudyItem的结束，将评估CoMP带来的性能增益，以便决定是否在以后进行CoMP方面WorkItem的立项研究。1.4多天线技术多天线（MIMO）技术，包括波束赋形、空间复用和发射分集，是LTE系统提高系统吞吐量的一项关键技术[8]。对于大距离非相关天线阵列可以采用空间复用方案同时传输多个数据流，来实现较高的数据速率；对于小距离相关天线阵列，可以采用波束赋形技术，将天线的波束指向用户，减少用户之间干扰；对于控制信道等需要更好的保证接收正确率的场景，发射分集可以发挥更好的作用。在LTE-A系统中，多天线技术将进一步得到增强。在LTER8中，上行仅支持单天线的发送，在LTE-Advanced增强为上行最大支持4天线发送。物理上行共享信道引入单用户MIMO，可以支持最大2个码字流和4层传输，而物理层上行控制信道也可以通过发射分集的方式提高上行控制信息的传输质量，提高覆盖。LTE-A下行传输由LTER8的4天线扩展到8天线，最大支持8层和2个码字流的传输，从而进一步提高了下行传输的吞吐量和频谱效率。此外，LTE-A下行支持单用户MIMO和多用户MIMO的动态切换，并通过增强型信道状态信息反馈和新的码本设计进一步增强了下行多用户MIMO的性能。LTE-A将多用户MIMO进行了扩展，讨论的内容主要集中在：单用户和多用户间的切换，是进行透明还是非透明的多用户MIMO，反馈的增强方法，每个参与配对的MU-MIMO的UElayer数，共同调度的MU-MIMO终端数量等[9]。目前，已经确定支持SU-MIMO和MU-MIMO之间的动态切换，其他问题还没有得出相应的具体结论。2总结LTE-A是3GPP为了满足IMT-Advanced的需求在LTE基础上进行的技术演进，旨在维持LTE在未来无线通信技术竞争中的优势地位。其中载波聚合技术是在频域上进行扩展，以满足LTE-A对高带宽的需求；Relay是无线的接力，拉近基站和用户之间的距离，以扩大覆盖范围，提高通信的质量；CoMP是光纤拉远基站，目的是提高小区边缘的吞吐量；多天线技术通过增加上下行天线端口的数量，来提高峰值速率和频谱效率。通过上述关键技术的引入，LTE-A能够充分满足或者超越IMT-A的需求，同时，LTE-A的关键技术将不断地完善，新的关键技术也将不断地产生，LTE-A将成为未来移动通信的领跑者。参考文献：[1]沈嘉.LTE-Advanced关键技术演进趋势[J].移动通信，2008，8：20-25.[2]程顺川.载波聚合技术在LTE-Advanced系统中的性能研究[D].北京：北京邮电大学，2010.[3]焦惠颖.LTE-Advanced关键技术及标准化进展[J].电信网技术，2009，12（12）：19-22.[4]曹亘，张欣，郑瑞，等.LTE-Advanced系统中的多载波聚合技术[J].现代电信科技，2009（2）：48-51.[5]沈嘉.3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2008：425437.[6]贾双双.基于LTE—A的协同多点传输技术的研究[J/OL].[2010-10-