[摘要] 頻分設(shè)計(jì)方法犧牲了3G系統(tǒng)中固有的宏分集增益而使得長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)不能發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì)，因此在LTE的演進(jìn)LTE-A中提出了協(xié)作通信技術(shù)。系統(tǒng)級(jí)協(xié)作通信把性能提高到極致。為了獲得系統(tǒng)級(jí)增益，取得更高的頻譜效率、更可靠的性能，需要采用協(xié)作通信技術(shù)。在LTE-A中引入了多點(diǎn)收發(fā)、智能中繼、協(xié)作天線等多種技術(shù)，增大了系統(tǒng)的覆蓋能力，并且使得用戶終端平穩(wěn)切換，在切換區(qū)域的流量增大及服務(wù)質(zhì)量更好。

[關(guān)鍵詞]長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù);多點(diǎn)協(xié)同傳輸;小區(qū)間干擾協(xié)調(diào);軟頻率復(fù)用

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) in Long Term Evolution (LTE) system is fulfilled at the expenses of the inherent macrodiversity gain in 3G systems. In order to improve the network performance of LTE system， Coordinated Multi-Point (CoMP) transmission/reception technology is proposed in LTE Advanced (LTE-A) as a compensation of system gain to get more Spectrum Efficiency (SE). LTE-A introduces multiple technologies like CoMP， smart relay and coordinating multiple antenna to enlarge system coverage， ensure stable handover of user terminals and allow more throughput and fulfill better Quality of Service (QoS) in the handover zone.

long term evolution; coordinated multi-point; ICIC; SFR

1 協(xié)作通信技術(shù)背景與原理

長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)是設(shè)計(jì)良好的高級(jí)技術(shù)。在無(wú)線接入網(wǎng)部分，首先，利用下行和上行的正交頻分復(fù)用/離散傅立葉變換-擴(kuò)頻正交頻分復(fù)用(OFDM/DFT-SOFDM)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了小區(qū)內(nèi)完全正交的信道，極大消除了同小區(qū)干擾;其次，多天線技術(shù)的收發(fā)分集、空分復(fù)用、波束賦形等使用方式的靈活轉(zhuǎn)換，靈活利用了空間信道的特性，增大流量，克服干擾;此外，多小區(qū)干擾協(xié)調(diào)(ICIC)機(jī)制，第一次突破了單個(gè)小區(qū)獨(dú)立控制的思路，將多小區(qū)看做一個(gè)大系統(tǒng)，引入聯(lián)合協(xié)調(diào)干擾的思想。因此，LTE系統(tǒng)的鏈路流量已經(jīng)接近香農(nóng)極限，在LTE系統(tǒng)的后續(xù)演進(jìn)中，對(duì)于更高的頻譜效率要求[1]，鏈路級(jí)技術(shù)改進(jìn)所能做的工作已經(jīng)有限，而為了達(dá)到提升鏈路級(jí)性能(SINR)的目的，必須轉(zhuǎn)而尋求系統(tǒng)級(jí)的解決手段。協(xié)作通信技術(shù)就是在這種背景下被引入到LTE系統(tǒng)中的。

協(xié)作通信是指系統(tǒng)中多個(gè)基站(eNodeB)或者多個(gè)基站和天線站遠(yuǎn)程射頻單元(RRU)同時(shí)進(jìn)行多點(diǎn)發(fā)送/接收的技術(shù)，用戶終端(UE)將與多個(gè)基站和天線站之間建立上下行鏈接進(jìn)行通信?；九c多個(gè)天線站、多個(gè)基站之間可以用光纖進(jìn)行網(wǎng)狀互聯(lián)，如圖1所示。具體地說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)中插入天線站，或者基于現(xiàn)有站點(diǎn)形成分布式天線系統(tǒng)[2]，進(jìn)行與UE間的多發(fā)多收，稱為協(xié)同多點(diǎn)傳輸技術(shù)(CoMP);當(dāng)直接利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，在各個(gè)基站之間用光纖互聯(lián)，多個(gè)基站直接與UE進(jìn)行通信，稱為基站間協(xié)同技術(shù)。這兩種形式都是協(xié)作通信在實(shí)際中的應(yīng)用。圖1是基站間協(xié)同技術(shù)的示例，在這種情況下，其中一個(gè)基站是與UE通信的主基站，其他基站則退化為RRU天線站。

協(xié)作通信主要利用了系統(tǒng)處理的增益，為了帶來(lái)多站協(xié)作的增益，需要在具體技術(shù)中考慮多站協(xié)作問(wèn)題。目前還在研究中的最主要的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)有:

(1)智能關(guān)聯(lián)。UE能夠自動(dòng)搜尋路損最小的發(fā)送站點(diǎn)進(jìn)行接入。

(2)站間負(fù)荷均衡技術(shù)。多個(gè)站點(diǎn)共同分擔(dān)覆蓋區(qū)域內(nèi)的業(yè)務(wù)負(fù)荷，需要站間通信協(xié)調(diào)業(yè)務(wù)分擔(dān)和資源使用情況。

(3)多天線協(xié)作MIMO技術(shù)。多個(gè)覆蓋站點(diǎn)每個(gè)都可以采用不同的多輸入多輸出(MIMO)使用形式，例如多站點(diǎn)覆蓋的區(qū)域，不同用戶可以占用相同的時(shí)頻資源，但由多個(gè)站點(diǎn)分別對(duì)不同用戶進(jìn)行波束賦形，區(qū)分用戶，提高頻譜效率。

(4)協(xié)作站點(diǎn)選取技術(shù)。選擇恰當(dāng)?shù)恼军c(diǎn)個(gè)數(shù)、分布位置進(jìn)行多站協(xié)作，以期達(dá)到最優(yōu)的合作效果。

(5)動(dòng)態(tài)ICIC技術(shù)[3]。在多站協(xié)作通信中，采用光纖連接的多個(gè)基站能夠進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)通信，因此能夠?qū)崿F(xiàn)真正的動(dòng)態(tài)ICIC技術(shù)，協(xié)調(diào)小區(qū)間的干擾。

2 網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)

2.1 應(yīng)用協(xié)作通信網(wǎng)技術(shù)后的網(wǎng)絡(luò) 演進(jìn)

經(jīng)典的宏蜂窩組網(wǎng)常用宏站、微蜂窩組成分層混合網(wǎng)絡(luò)，宏站進(jìn)行連續(xù)覆蓋，微蜂窩用于熱點(diǎn)覆蓋、盲區(qū)覆蓋，對(duì)宏蜂窩的業(yè)務(wù)熱點(diǎn)進(jìn)行吸收，同時(shí)補(bǔ)充宏蜂窩連續(xù)覆蓋產(chǎn)生的覆蓋漏洞和盲區(qū)。以LTE系統(tǒng)為例，在R8中，宏蜂窩和微蜂窩組成分層網(wǎng)絡(luò)覆蓋的形式，采用軟頻率復(fù)用(SFR)方式進(jìn)行多個(gè)小區(qū)之間、宏微蜂窩之間的頻率規(guī)劃，那么組網(wǎng)形式如圖2所示。

現(xiàn)有系統(tǒng)為了解決小區(qū)交接區(qū)域的同頻干擾、宏微小區(qū)之間的同頻干擾問(wèn)題，多采用SFR的方式，保證不同校區(qū)在重疊覆蓋的邊緣區(qū)域采用不同的頻段，采用頻分復(fù)用來(lái)對(duì)抗同頻干擾。但這引起的問(wèn)題是:

●頻譜利用率降低。頻分復(fù)用的方式是通過(guò)犧牲頻譜利用率的方式來(lái)降低干擾的。

●降低通信質(zhì)量。在UE向小區(qū)邊緣的移動(dòng)過(guò)程中，將進(jìn)行頻繁的工作頻段的被動(dòng)改變，這種改變會(huì)破壞頻選調(diào)度過(guò)程中的鏈路適配的性能，從而降低通信質(zhì)量。

●過(guò)于依賴內(nèi)外圈劃分的方案。不同的劃分方案將對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響，如果要得到一個(gè)適于高速、低速、輕載、重載各種場(chǎng)景的小區(qū)干擾協(xié)調(diào)方案，系統(tǒng)ICIC算法復(fù)雜度高，這增加了每個(gè)eNodeB的負(fù)擔(dān)。

當(dāng)引入多站協(xié)作通信技術(shù)后，基站之間用光纖相連，其中一個(gè)基站作為主基站，用于業(yè)務(wù)通信，其他基站退化為RRU，多點(diǎn)同時(shí)發(fā)送和接收。在這種情況下，增大了主基站的覆蓋范圍，縮小了切換區(qū)域，變傳統(tǒng)的宏微小區(qū)分層網(wǎng)覆蓋為多NodeB節(jié)點(diǎn)分擔(dān)負(fù)荷的大區(qū)覆蓋，如圖3所示。在這種大區(qū)覆蓋中，多點(diǎn)收發(fā)不僅令上下行覆蓋距離增大了，而且，由于UE可以選擇與路損最小的站點(diǎn)進(jìn)行接入，同時(shí)多點(diǎn)收發(fā)帶來(lái)了類似3G系統(tǒng)中軟切換的宏分集增益，因而在覆蓋能力上也更強(qiáng)了，覆蓋質(zhì)量更好了，覆蓋概率更高了。此外，利用協(xié)作通信中對(duì)調(diào)度算法和多站協(xié)調(diào)算法的設(shè)計(jì)，對(duì)大區(qū)內(nèi)的業(yè)務(wù)負(fù)荷多站動(dòng)態(tài)分擔(dān)，同時(shí)支持大區(qū)內(nèi)所有的業(yè)務(wù)，不同UE可以隨意選擇信號(hào)質(zhì)量最好的基站進(jìn)行接入，UE在主站和從站覆蓋的范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于在同一主基站的覆蓋區(qū)內(nèi)，可以平穩(wěn)快速的切換，業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量(QoS)感受更好。由此，對(duì)于頻譜效率、業(yè)務(wù)性能有所提升，而ICICl算法復(fù)雜度也會(huì)相應(yīng)降低一些。

2.2 干擾分析

多站協(xié)作通信系統(tǒng)中，協(xié)作的多個(gè)站點(diǎn)中一個(gè)基站作為主基站，其他基站退化為RRU，這樣，主機(jī)站控制覆蓋范圍內(nèi)的與其相連接的UE通信，同時(shí)與其他退化為RRU的基站協(xié)調(diào)資源使用情況。這樣，在覆蓋范圍內(nèi)，原本多個(gè)小區(qū)間的上下行同頻干擾被極大的降低了，甚至能夠達(dá)到近似正交的情況，那么，系統(tǒng)的干擾來(lái)源將是遠(yuǎn)端的其他的協(xié)同工作的基站組產(chǎn)生的干擾。

下面將使用一個(gè)簡(jiǎn)單的LTE系統(tǒng)模型和協(xié)作通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行干擾分析的研究。如圖4所示，圖4(a)為R8 LTE系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)小區(qū)會(huì)受到來(lái)自其他相鄰小區(qū)的同頻干擾;圖(b)為多站協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)，3個(gè)基站一組，組內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)協(xié)作通信，每個(gè)組會(huì)受到其他組的同頻干擾，本節(jié)將比較兩種情況下NodeB的覆蓋范圍內(nèi)的上下行干擾變化情況。

表1是干擾分析的基本參數(shù)表，在不采用任何額外技術(shù)的情況下(例如智能天線抗干擾技術(shù)、干擾協(xié)調(diào)技術(shù)等等)，分析結(jié)果如圖5和圖6所示。圖5是下行鏈路覆蓋范圍內(nèi)的干擾抬升的分析，圖6是上行鏈路覆蓋范圍內(nèi)的干擾抬升分析，可以看到，單獨(dú)由多站點(diǎn)協(xié)作通信帶來(lái)的干擾有所降低，從下行鏈路來(lái)說(shuō)，干擾級(jí)別整體降低約為2 dB左右，上行鏈路的干擾降低約為2～4 dB。

本節(jié)采用了一個(gè)簡(jiǎn)單的場(chǎng)景對(duì)協(xié)作通信系統(tǒng)帶來(lái)的干擾的降低進(jìn)行了分析，實(shí)際中，由于宏蜂窩、微蜂窩分層組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，恰當(dāng)?shù)倪x取宏、微蜂窩節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作，帶來(lái)的干擾降低的效果將會(huì)更好，考慮到天線下傾、ICIC、多天線技術(shù)的使用，協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)將成為一個(gè)小區(qū)內(nèi)、小區(qū)間干擾都近似正交的系統(tǒng)，使得干擾對(duì)系統(tǒng)吞吐量的影響大大降低，頻譜效率得到提升。

雖然協(xié)作通信技術(shù)帶來(lái)了明顯的系統(tǒng)增益，但使這項(xiàng)技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)全部發(fā)揮出來(lái)，還有許多問(wèn)題需要研究，例如:

(1)信令信道的覆蓋問(wèn)題，多個(gè)站點(diǎn)協(xié)作發(fā)送擴(kuò)大了單站的覆蓋范圍，但是首先需要控制信道在整個(gè)覆蓋范圍內(nèi)達(dá)到良好覆蓋性能，這是一個(gè)有待詳細(xì)研究的問(wèn)題。

(2)在大的覆蓋范圍內(nèi)的所有的系統(tǒng)負(fù)荷，在多個(gè)NodeB之間如何進(jìn)行分擔(dān)，這部分工作會(huì)增加NodeB之間的信令流量。

(3)動(dòng)態(tài)ICIC?；局g真正的動(dòng)態(tài)ICIC需要大量的站間通信，這將隨著協(xié)作基站規(guī)模的增加而不斷增加，后續(xù)要進(jìn)行研究。

上面這些問(wèn)題是協(xié)作通信技術(shù)應(yīng)用中遇到的關(guān)鍵問(wèn)題，解決好這些問(wèn)題，必將使得系統(tǒng)性能有著更高的提升。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了協(xié)作通信系統(tǒng)的原理、現(xiàn)有R8 LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)向協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)，同時(shí)對(duì)于一個(gè)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)的干擾情況與現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的對(duì)比分析?？梢钥吹剑瑓f(xié)作通信概念是對(duì)于單站通信技術(shù)的系統(tǒng)性提升，無(wú)論覆蓋、干擾、流量都能得到更高的性能[4-8]。它的引入將真正使得LTE這項(xiàng)技術(shù)成為通信技術(shù)的一個(gè)巔峰，滿足當(dāng)前以及未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)業(yè)務(wù)發(fā)展的需求，并會(huì)引導(dǎo)新型業(yè)務(wù)的不斷興起，開(kāi)啟移動(dòng)數(shù)據(jù)通信的新時(shí)代。

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收稿日期:2009-11-05

孫慧霞，哈爾濱工程大學(xué)畢業(yè)，中興通訊股份有限公司產(chǎn)品規(guī)劃主任工程師，從事CDMA、TD-SCDMA以及TD-LTE等產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作，涉及多個(gè)通信系統(tǒng)的系統(tǒng)仿真、算法設(shè)計(jì)、產(chǎn)品規(guī)劃。