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        LTE—A的性能和關(guān)鍵技術(shù)

        2012-12-31 00:00:00陳濛曾帥
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2012年25期

        摘 要:LTE-A在頻點(diǎn)、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(biāo)是滿足并超過ITU-R關(guān)于IMT-A(4G)標(biāo)準(zhǔn)的需求,并具有后向兼容性,以提高技術(shù)競爭力,降低運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)協(xié)作傳輸技術(shù),中繼和MIMO增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行了分析。

        關(guān)鍵詞:CoMP eNodeB LTE-A;MIMO

        中圖分類號:TN93文獻(xiàn)標(biāo)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(tǒng)在關(guān)鍵技術(shù)方面有了很大的增強(qiáng),引入了一些新的候選技術(shù),如載波聚合技術(shù)、增強(qiáng)型多天線技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)MIMO技術(shù)等,其支持的系統(tǒng)帶寬最小為20MHZ,最大帶寬達(dá)到100MHZ。因此性能指標(biāo)得到很大改善,具體表現(xiàn)為:

        (1)使用4×4MIMO且傳輸帶寬大于70MHZ時(shí),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(shí)峰值頻譜效率為30bit/s/Hz,上行4×4天線配置時(shí)峰值頻譜效率為15bit/s/Hz。(3)下行4×4MIMO配置下小區(qū)平均頻譜效率為3.7bit/s/Hz,上行2×4MIMO配置下小區(qū)平均頻譜效率為2.0bit/s/Hz。(4)下行4×4MIMO配置下小區(qū)邊緣頻譜效率為0.12bit/s/Hz,上行2×4MIMO配置下小區(qū)邊緣頻譜效率為0.07bit/s/Hz。(5)在系統(tǒng)容量方面,LTE-A要求每5MHz帶寬內(nèi)支持200~300個(gè)并行的VoIP用戶。(6)LTE-A對時(shí)延的控制更加嚴(yán)格,具體為:控制層從空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)換到連接狀態(tài)的時(shí)延低于50ms,從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換到連接狀態(tài)的時(shí)延低于10ms;用戶層在FDD模式的時(shí)延小于5ms,在TDD模式的時(shí)延小于10ms。

        2 LTE-A關(guān)鍵技術(shù)

        LTE-A中,為了滿足更高的性能指標(biāo),引入了一系列關(guān)鍵技術(shù),包括上下行MIMO擴(kuò)展、載波聚合技術(shù)、接力通信和協(xié)作的多點(diǎn)傳輸與接收技術(shù)。

        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(guī)劃方式下,想要找到滿足LTE-A要求的200MHz帶寬想當(dāng)困難。因此,規(guī)范規(guī)定LTE-A可以采用載波聚合技術(shù),即將連續(xù)或者離散的多個(gè)成員載波組合在一起,LTE-A終端可以同時(shí)接入多個(gè)成員載波進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

        每個(gè)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(gè)版本R10中只有后向兼容成員載波。不同成員載波間可以進(jìn)行協(xié)作調(diào)度,以降低干擾、提高系統(tǒng)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(shù)量、不同帶寬的成員載波,下行可配置的成員載波數(shù)要大于上行可配置數(shù);對于TDD,典型情況下,上下行的成員載波數(shù)是相同的。

        載波聚合中,下行控制信令PDCCH只在一個(gè)載波內(nèi)傳輸,各載波獨(dú)立進(jìn)行編碼,通過載波指示域進(jìn)行跨載波調(diào)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(tǒng)在傳輸塊的映射以及控制信道的設(shè)計(jì)等方面與單載波系統(tǒng)有所區(qū)別。在LTE-A系統(tǒng)中,每個(gè)子載波對應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流,子載波之間數(shù)據(jù)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(gè)子載波分配一個(gè)獨(dú)立的 傳輸塊(如果采用空間分集,則為2個(gè)傳輸塊),單一的數(shù)據(jù)流在某一些點(diǎn)上被分到不同的載波上,載波上數(shù)據(jù)流的聚合在MAC層完成。其中,每個(gè)成員載波都維持其原來的物理結(jié)構(gòu),如相同的傳輸塊大小、軟緩存大小,可以復(fù)用LTE原有的軟硬件設(shè)計(jì)。另外,每個(gè)載波還可以使用不同的MIMO算法以及不同的鏈路自適應(yīng)和HARQ算法,HARQ重傳和ACK/NACK反饋都以成員載波為單位進(jìn)行。這種方式下,鏈路自適應(yīng)技術(shù)使用效果明顯,且在HARQ方面體現(xiàn)出了很好的性能。由于對物理層、RLC層與MAC層設(shè)計(jì)沒有影響,因此與LTE系統(tǒng)有較好的后向兼容性。缺點(diǎn)是頻譜效率和調(diào)度增益沒有得到很好的實(shí)現(xiàn),且系統(tǒng)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(gè)傳輸塊(如果采用空間分集,則為2個(gè)傳輸塊),所有的成員載波都使用相同的傳輸塊和相同的調(diào)制和編碼方式,HARQ重傳在所有成員載波上進(jìn)行,且所有成員載波使用同一個(gè)ACK/NAK。物理層需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì),且對RLC和MAC層設(shè)計(jì)有一定的影響。這種方式不能與LTE相兼容,且傳輸個(gè)數(shù)和HARQ過程較少,因此系統(tǒng)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(shù)。

        考慮到與LTE的兼容性,規(guī)范規(guī)定采用MAC層聚合的方式。

        2.2 多點(diǎn)協(xié)作傳輸技術(shù)

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

        CoMP的核心思想是:當(dāng)UE處于小區(qū)邊界區(qū)域時(shí),無論系統(tǒng)負(fù)荷量高低,UE都有可能會同時(shí)接收到來自多個(gè)小區(qū)的信號,同時(shí)UE的發(fā)射信號也可能被多個(gè)小區(qū)所接收。這種情況下,如果對來自多個(gè)小區(qū)的信號進(jìn)行協(xié)調(diào),就可以大大提升下行性能。這種協(xié)調(diào)技術(shù)可以像干擾避免技術(shù)那樣簡單,也可以像多個(gè)小區(qū)都傳送相同數(shù)據(jù)那么復(fù)雜。對上行鏈路來說,由于信號可以同時(shí)被多個(gè)小區(qū)接收到,那么如果多個(gè)小區(qū)基站能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)度協(xié)調(diào),那么系統(tǒng)就可以利用這種多路接收的特點(diǎn)來顯著提高系統(tǒng)的鏈路特性。在接下來的章節(jié)將介紹CoMP的體系結(jié)構(gòu)和幾種不同的設(shè)計(jì)方案。

        (1)CoMP體系結(jié)構(gòu)

        CoMP通信可以分為基站內(nèi)部的CoMP和基站之間的CoMP兩種類型。對于基站內(nèi)部的CoMP來說,由于信號的協(xié)作工作發(fā)生在一個(gè)基站內(nèi),不涉及基站間的傳輸通路,因此同一個(gè)基站的多個(gè)小區(qū)間可以交換大量的信息。而基站間的CoMP則涉及多個(gè)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(shí)延的限制。也就是說,不同基站之間的CoMP對傳輸?shù)呢?fù)荷和性能提出了更高的要求。

        一種與分布式eNodeB相關(guān)的CoMP體系結(jié)構(gòu)。eNodeB的無線遠(yuǎn)端單元(RRU)即射頻拉遠(yuǎn)模塊放在不同位置上,因此,盡管CoMP的協(xié)調(diào)工作只在一個(gè)eNodeB中進(jìn)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(shí)現(xiàn)方法,即協(xié)作調(diào)度/波束賦形(CS/CBF)和聯(lián)合處理/聯(lián)合傳輸(JP/JT)。CS/CBF方式下,UE只接收服務(wù)小區(qū)的發(fā)射信號,與non-CoMP傳輸十分相似。但相應(yīng)的調(diào)度(包括波束賦形)等功能需要在小區(qū)間進(jìn)行動態(tài)協(xié)調(diào),以便控制和(/或)降低多個(gè)小區(qū)之間的干擾。原則上,應(yīng)該選擇用戶的最優(yōu)服務(wù)集來構(gòu)造發(fā)射波束,以便提高服務(wù)用戶的信號強(qiáng)度,同時(shí)降低對其他鄰近用戶的干擾。在JP/JT方式下,不同小區(qū)或者基站都同時(shí)向同一個(gè)終端發(fā)射信號,這些不同的發(fā)射點(diǎn)雖然天線的地理位置比較分散,但是通過協(xié)調(diào)功能可以將它們看作一個(gè)發(fā)射源。這種方案比協(xié)作調(diào)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(xù)演化和改進(jìn),根據(jù)不同天線地理位置上的分散性,先后提出了多點(diǎn)協(xié)作處理方法(如相干或非相干)、協(xié)作區(qū)域定義、網(wǎng)絡(luò)式MIMO和協(xié)作MIMO;根據(jù)是否采用不同的小區(qū)對UE發(fā)送相同的數(shù)據(jù),協(xié)作MIMO又可以分為使用多小區(qū)協(xié)作的單小區(qū)天線處理和多小區(qū)天線處理兩種類型。前者可以對小區(qū)內(nèi)額外的空間自由度所形成的干擾凹陷點(diǎn)進(jìn)行預(yù)編碼來實(shí)現(xiàn)。后者包括協(xié)作預(yù)編碼和CL宏分集。在協(xié)作預(yù)編碼過程中,每一個(gè)小區(qū)都要針對多個(gè)終端完成多用戶預(yù)編碼,每一個(gè)終端也會從多個(gè)小區(qū)接收到多個(gè)數(shù)據(jù)流。在CL宏分集過程中,每個(gè)小區(qū)獨(dú)立地執(zhí)行預(yù)編碼過程,同時(shí)多個(gè)小區(qū)聯(lián)合為同一個(gè)終端提供服務(wù)。

        (3)上行CoMP

        上行協(xié)作多點(diǎn)接收是指從多個(gè)地理上分散的不同小區(qū)中接收信號,在接收過程中,小區(qū)之間可以通過調(diào)度協(xié)調(diào)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(xié)作單元可以是不同的eNodeB射頻拉遠(yuǎn)模塊或者中繼單元等。另外,由于上行CoMP主要影響調(diào)度器和接收機(jī),目前在實(shí)現(xiàn)上還存在爭議。因此,LTE-A中只定義了需要進(jìn)行多點(diǎn)接收的信令。

        (4)小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)

        另一種簡單的CoMP傳輸方案是基于eNodeB之間資源管理的協(xié)調(diào)工作來控制小區(qū)間的干擾,它能夠有效地改善小區(qū)邊緣的頻譜利用率。LTE-A中ICIC增強(qiáng)技術(shù)還包括動態(tài)干擾協(xié)調(diào)(D-ICIC)和靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)(S-ICIC)。在D-ICIC中,負(fù)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(tài)和半靜態(tài)空域資源的協(xié)調(diào)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(gè)高潮。并且引入中繼節(jié)點(diǎn)(RN)進(jìn)行eNodeB和終端之間的業(yè)務(wù)和信令的轉(zhuǎn)發(fā)工作,以增強(qiáng)高速數(shù)據(jù)速率的覆蓋、群移動性和小區(qū)邊界覆蓋,如將覆蓋擴(kuò)展到小區(qū)內(nèi)或小區(qū)外的嚴(yán)重衰落區(qū)域。多跳中繼使小區(qū)覆蓋范圍擴(kuò)大,從而使得小區(qū)邊緣用戶的吞吐量得到增強(qiáng),CAPEX和OPEX降低。

        中繼節(jié)點(diǎn)通過施主小區(qū)與無線接入網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無線連接,中繼節(jié)點(diǎn)RN通過Un接口與施主eNodeB相連接,終端通過Uu接口與中繼節(jié)點(diǎn)相連接。當(dāng)前Uu連接處于研究階段,它包括帶內(nèi)和帶外兩種類型。帶內(nèi)連接方式下,eNodeB到中繼的鏈路所使用的頻帶與施主小區(qū)內(nèi)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(shí)現(xiàn)與施主小區(qū)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(jié)點(diǎn)類型

        (3)資源分配

        2.4 MIMO增強(qiáng)技術(shù)

        在LTE R8中,上行僅支持單天線的發(fā)送,為了提高上行吞吐量,同時(shí)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(fā)射天線,LTE-A確定將擴(kuò)展到支持最多8*8天線,以進(jìn)一步提高下行峰值頻譜效率(30bit/s/Hz)。同時(shí),下行MIMO對波束賦形進(jìn)行了擴(kuò)展,引入了多流空間復(fù)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(kuò)展到8×8配置的場景下。3GPP RAN1達(dá)成了一些關(guān)于LTE-A中SU-MIMO的8天線空間復(fù)用和發(fā)射分集基本結(jié)論如下。

        空間復(fù)用傳輸塊的最大數(shù)目為2,每個(gè)傳輸塊內(nèi)有1個(gè)MCS域,每個(gè)傳輸塊中有1bit的ACK/NACK用來作為評估的基準(zhǔn),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(zhǔn)。

        3 結(jié)語

        3GPP組織于2008年年底完成了LTE標(biāo)準(zhǔn)第一個(gè)版本R8的制定工作。LTE-Advanced是在LTE R8/R9版本基礎(chǔ)上的進(jìn)一步演進(jìn)和增強(qiáng),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(shù)之一。LTE-A在頻點(diǎn)、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(biāo)是滿足并超過ITU-R關(guān)于IMT-A(4G)標(biāo)準(zhǔn)的需求,并具有后向兼容性,以提高技術(shù)競爭力,降低運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)升級版本。

        參考文獻(xiàn)

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