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LTE-Advanced 的关键技术简介

2016-07-13 大红鹰娱乐平台科技

LTE-Advanced的关键技术简介

(部分内容摘自互联网)大红鹰娱乐平台深圳R&D部  赵安平博士

       


       2004年底,在3GPP(the 3rd Generation Partners Hip Project)中开始进行LTE(Long Term Evaluation)的标准化工作,与3G以CDMA(Code Division Multiple Access,码分多址)技术为基础不同,根据无线通信向宽带化方向发展的趋势,LTE采用了OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用)技术为基础,结合多天线和快速分组调度等设计理念,形成了新的面向下一代移动通信系统的空中接口技术,又称为3G演进型系统。2008年初,完成了LTE第一个版本的系统技术规范,即LTE Release 8,LTE也被通俗的称为3.9G,具有100Mbit/s的数据下载能力,被视作从3G向4G演进的主流技术,它改进并增强了3G的空中接入技术,在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率。


       LTE-Advanced(LTE-A)是LTE的演进版本,其目的是为了能够提供多种服务和更高速的数据业务及应用,以满足未来几年内无线通信市场的需求。LTE-A指的是LTE在Release 10以及之后(LTE Release 10 & beyond)的技术版本。LTE-A满足和超过IMT-Advanced(Internati-onal Mobile Telecommunications)的需求,同时还要保持对LTE Release 8较好的后向兼容性。LTE-A将在100MHz频谱带宽的情况下,具有下行峰值速率能够达到1Gbit/s,上行应当超过500Mbit/s的能力,通常而言,LTE-A才是真正的4G。目前市场上出售的所谓4G手机都是基于LTE Release 8制作的。


       LTE-Advanced特点或演进目标

       作为LTE技术的演进,LTE-A必然针对LTE技术具有一定的兼容性,同时还必须有所增强,下面是LTE-A 的主要演进目标:

       ?LTE-Advanced将基于LTE平滑演进,LTE-Advanced网络应当能够支持LTE终端。反之,LTE-Advanced 终端也应当能够在LTE 网络中使用基本功能

       ?能够支持从宏蜂窝到室内环境(如家庭网络)的覆盖

       ?优先考虑低速移动的用户

       ?网络自适应和自优化功能应当进一步加强

       ?在3GPP之前的各个版本当中支持的功能都应当在LTE-Advanced系统中有所体现,包括与其他类型接入网的切换、网络共享等

       ?降低成本,包括网络建设、终端、功率使用效率以及骨干网的支撑等

       ?降低终端的复杂度

       ?频谱方面:应当同时支持连续和不连续的频谱;能够支持最大不超过100MHz的带宽;支持ITU(International Telecommunication Unit)分配的无线频段;能够与LTE共享相同的频段

       ?系统性能方面:在规定时间内满足ITU对IMT-Advanced技术的所有要求;下行峰值速率能够达到1Gbit/s,上行应当超过500Mbit/s,其他性能应不低于LTE的标准


       LTE-Advanced的关键技术

       为了满足IMT-Advanced的性能要求,3GPP制定了LTE-Advanced的研究目标,其关键技术包括了载波聚合(Carrier Aggregation,CA)、增强型上/下行MIMO(Enhanced UL/DL MIMO)、协作的多点传输与接收(Coordinated Multiple Point Transmission and Reception,CoMP)、接力通信(Relay);此外,以上的关键技术同时包括FDD(Frequency Division Duplexing,频分双工)和TDD(Time Division Duplexing,时分双工)两种制式。上述的有关LTE-A的关键技术的实施能大大地提高无线通信系统的峰值数据速率、峰值谱效率、小区平均谱效率以及小区边界用户性能,同时也能提高整个网络的组网效率,从而可以使得LTE-A系统成为未来几年内无线通信发展的主流,下面将对LTE-A的关键技术进行简单介绍。


       1.载波聚合(Carrier Aggregation,CA)

       载波聚合是能满足LTE-A更大带宽需求并且能保持对LTE后向兼容性的必备技术。LTE目前最大支持20MHz的系统带宽,可实现下行100Mbit/s、上行50Mbit/s的峰值速率。在LTE-Advanced的规划中,提出了在100MHz频谱带宽下,达到下行峰值速率1Gbit/s、上行500Mbit/s的目标,因此需要对LTE的系统20MHz的频谱带宽作进一步的扩展。LTE-Advanced将采用载波聚合的方式实现系统带宽的扩展。载波聚合的场景可以分为以下3种:带内连续载波聚合(Intra-Band,Continuous)、带内非连续载波聚合(Intra-Band,Non-Continuous)、以及带外非连续载波聚合(Inter-Band,Non-Continuous)。

       由于频谱规划和分配的结果,一个运营商拥有的频率资源可能分散在各个非连续的频段,非连续载波的聚合提供了一个系统对分散的频率资源进行整合利用的解决方案。另外值得一提的是,同样是出于对运营商所拥有的频率资源情况的考虑,在载波聚合中各个单位载波的带宽并不限定为20MHz,可以支持更小的选项以提供充分的灵活性。带外非连续载波聚合通常会造成共站同功率的两个成员载波的覆盖不相同。标准中曾对LTE-A每个成员载波是否都要保证对LTE Release 8后向兼容性的问题进行过长时间的讨论。考虑到频谱效率、系统简单性、终端/eNodeB复杂度和测试复杂度等因素,标准最后决定在Release 10中,CA成员载波都是后向兼容的,在后续版本中可以考虑引入其他形态载波的可能性。

       LTE-A不同终端聚合的载波数目可以不同。FDD系统中,同一个终端聚合的上/下行成员载波的数目也可以不同;但TDD系统中,通常上/下行成员载波的数目是相同的。在MAC到PHY映射上,无论上行还是下行,每个成员载波有独立的HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request)实体,这种方式可以最大程度地重用Release 8的功能,并能保证较好的HARQ性能,缺点是可能需要反馈多个ACK/NACK。LTE上行采用了单载波传输方式(DFT-S-OFDM),在LTE-A上行多载波聚合传输时,经过对OFDM和N x DFT-S-OFDM之间的评估之后,最终传输方式采纳了N x DFT-S-OFDM的形式,即其中每个成员载波按独立的DFT-S-OFDM传输。


       2.增强型MIMO(Enhanced MIMO)

       多天线技术的增强是为了满足LTE-A峰值谱效率和平均谱效率提升需求的重要途径之一。LTE Release 8下行支持1、2、4天线发射,终端侧2、4天线接收,下行可支持最大4层(Layer)传输。上行只支持终端侧单天线发送,基站侧最多4天线接收。LTE Release 8的多天线发射模式包括开环(Open loop)MIMO,闭环(Closed loop)MIMO,波束成型(Beamforming),以及发射分集。特别,开怀MIMO指的是不需要终端反馈,系统盲目发送;闭环MIMO指的是需要终端反馈,反馈信息越准确增益越大。除了单用户MIMO,LTE中还采用了另外一种谱效率增强的多天线传输方式,称为多用户MIMO,多个用户复用相同的无线资源通过空分的方式同时传输。LTE-A中为提升峰值谱效率和平均谱效率,在上下行都扩充了发射/接收支持的最大天线个数,允许上行最多4天线4层发送,下行最多8天线8层发送,从而LTE-A中需要考虑更多天线数配置下的多天线发送方式。


       2.1 上行多天线增强

       在现行的LTE中,上行仅支持单天线的发送,也就是说不支持单用户MIMO。为了提高上行传输速率,同时也为了满足IMT-Advanced对上行峰值频谱效率的要求,LTE-Advanced将在LTE的基础上引入上行单用户MIMO,将支持最多4个发送天线。LTE-A上行除了需要考虑更多天线数配置外,还需要考虑上行低峰均比的需求和每个成员载波上的单载波传输的需求。对上行控制信道而言,容量提升不是主要需求,多天线技术主要用来进一步优化性能和覆盖,因此只需要考虑发射分集方式。经过评估,对采用码分的上行控制信道(PUCCH)格式 1/1a/1b采用了SORTD(Spatial Orthogonal Resource Transmit Diversity)的发射分集方式,即在多天线上采用互相正交的码序列对信号进行调制传输。上行控制信道格式2的分集方式还在讨论中。

       对上行业务信道而言,容量提升是主要需求,多天线技术需要考虑空间复用的引入。同时,由于发射分集相对于更为简单的开环秩1预编码并没有性能优势,因此标准最终确定上行业务信道不采用发射分集,对小区边界的用户等可以直接采用开环秩1预编码。目前,2发射天线和4发射天线下的低峰均比秩1-4的码本设计都已完成。

       与LTE一样,LTE-A的上行参考信号(Reference Signal,RS)也包括用于信道测量的SRS(Sounding RS)和用于信号检测DMRS(Demodulation RS)。由于上行空间复用及多载波的采纳,单个用户使用的上行DMRS的资源开销需要扩充,最直接的方式就是在LTE上行RS使用的CAZAC(Const Amplitude Zero Auto-Correlation)码循环移位(Cyclic Shift)的基础上,不同数据传输层的DMRS使用不同的循环移位。还有一种可能是在时域的多个RS符号上叠加正交码(Orthogonal Cover Code,OCC)来扩充码复用空间。目前,关于两种扩充方式的讨论还在继续。对于SRS信号,为了支持上行多天线信道测量以及多载波测量,资源开销相对于Release 8 SRS信号同样需要扩充,除了延用Release 8周期性SRS发送模式以外,LTE-A还增加了非周期SRS发送模式,由NodeB触发UE发送,实现SRS资源的扩充。


       2.2 下行多天线增强

       在现行的LTE中下行可以支持最多4个发送天线,而LTE-Advanced将会在此基础上进一步增强以提高下行吞吐量。目前确定将扩展到支持最多8个发送天线。因为支持的传输层数的增加,导致需要考虑更大尺寸的码本设计。因为LTE-A下行业务信道的传输可以采用专用参考信号(Dedicated RS),因此原则上下行发送可以基于码本也可以基于非码本。同时,对于闭环MIMO,为了减少反馈开销,采用基于码本的PMI反馈方式。目前8天线码本的设计正在进行,初步采用双预编码矩阵码本(Dual-index Precoding Codebook)结构,即把码本矩阵用两个矩阵的乘积表示,通常两个矩阵中一个是基码本,另一个是根据信道变化特征在基码本上的修正。为了进一步减少反馈开销,还可以考虑根据信道的变化快慢不同的统计特征分别进行长周期反馈(比如空间相关性)和短周期反馈(比如快衰因素)。

       LTE-A采用用户专用参考信号的方式来进行业务信道的传输,同一用户业务信道的不同层使用的参考信号以CDM+FDM的方式相互正交。为了测量最多八层信道,除了原来的公共参考信号(Common RS)外,还引入了信道状态指示参考信号(Channel State Indication RS,CSI-RS),CSI-RS在时频域可以设置得比较稀疏,各天线端口的CSI-RS以CDM+FDM的方式相互正交。另外,LTE-A中目前正在讨论对多用户MIMO的继续增强,以充分开发多用户分集增益和联合信号处理的增益来减少多用户流间的干扰,同时也做到性能和复杂度之间的较好折中。

       根据目前标准上达成的结论,多用户MIMO支持最多4个用户复用,每用户不超过两层,总共不超过4层传输。为了增加调度灵活性,多用户MIMO调度对用户而言是透明的,即用户可以不知道是否有其它用户与其在相同的资源上进行空间复用,并且用户可以在单用户MIMO和多用户MIMO状态之间动态进行转换。


       3.协作多点传输(Coordinated Multiple Point Transmission and Reception,CoMP)

       LTE-Advanced中提出的协作式多点传输技术可分为分布式天线系统(Distributed Antenna System,DAS)和协作式MIMO两大类。DAS改变了传统蜂窝系统中集中式天线系统的风格,将天线分散安装,再用光纤或是电缆将它们连接到一个中央处理单元进行统一的收发信号处理。这使得发送功率得以降低,提高整个系统的功率使用效率,降低小区间的干扰等。协作MlMO是对传统的基于单基站的MIMO技术的补充,它通过基站间协作的MIMO传输来达到减小小区间干扰、提高系统容量、改善小区边缘的覆盖和用户数据速率的目的。若干小区的基站使用光纤或电缆连接,通过协作通信与用户形成虚拟MIMO系统,各基站由中央处理单元进行统一的调度或联合的信号处理。协作多点传输是一种提升小区边界容量和小区平均吞吐量的有效途径,其核心想法是当终端位于小区边界区域时,它能同时接收到来自多个小区的信号,同时它自己的传输也能被多个小区同时接收。在下行,如果对来自多个小区的发射信号进行协调以规避彼此间的干扰,能大大提升下行性能。在上行,信号可以同时由多个小区联合接收并进行信号合并,同时多小区也可以通过协调调度来抑制小区间干扰,从而达到提升接收信号信噪比的效果。按照进行协调的节点之间的关系,CoMP可以分为intra-site CoMP和inter-site CoMP两种。Intra-site CoMP协作发生在一个站点(site,eNodeB)内,此时因为没有回传(Backhaul)容量的限制,可以在同一个站点的多个小区(cell)间交互大量的信息。Inter-site CoMP协作发生在多个站点间,对回传容量和时延提出了更高要求。反过来说,Inter-site CoMP性能也受限于当前Backhaul的容量和时延能力。

       在协作多点发射(对应下行CoMP)中,按业务数据是否在多个协调点上都能获取,可以分为协作调度/波束成型(Coordinated Scheduling/Beamforming,CS/CBF)和联合处理(Joint Processing,JP)两种。对CS/CBF而言,业务数据只在服务小区上能获取,即对终端的传输只来自服务小区(Serving Cell),但相应的调度和发射权重等需要小区间进行动态信息交互和协调,以尽可能减少多个小区的不同传输之间的互干扰。而对JP而言,业务数据在多个协调点上都能获取,对终端的传输来自多个小区,多小区通过协调的方式共同给终端服务,就像虚拟的单个小区一样,这种方式通常有更好的性能,但对Backhaul的容量和时延提出了更高要求。

       一种常见的CS/CBF方式是,终端对多个小区的信道进行测量和反馈,反馈的信息既包括期望的来自服务小区的预编码向量,也包括邻近的强干扰小区的干扰预编码向量,多个小区的调度器经过协调,各小区在发射波束时尽量使得对邻小区不造成强干扰,同时还尽可能保证本小区用户期望的信号强度。在联合处理方式中,既可以由多个小区执行对终端的联合预编码,也可以由每个小区执行独立的预编码、多个小区联合服务同一个终端。既可以多小区共同服务来自某个小区的单个用户,也可以多小区共同服务来自多小区的多个用户。目前,CoMP还处在研发阶段,对协作多点接收(对应上行CoMP)而言,由于主要影响调度器和接收机,可以通过实现途径达到,因此目前在Release 10中没有标准化。对协作多点发射,由于intra-site CoMP已经可以达到可观的性能增益,同时又不需要对站点间的X2接口在标准化上提出新的要求,因此目前intra-site CoMP是标准关注的重点。CSI-RS的设计也是CoMP的一个标准化重点。为了支持终端对邻小区信道的测量,在CSI-RS设计时需要尽量保证小区之间CSI-RS的正交性,以及考虑本小区业务信道对测量邻小区CSI-RS信号强度的影响。


       4.中继(Relay)

       所谓中继技术,就是将一条基站与移动台的链路分割为基站与中继站和中继站与移动台两条链路,从而有机会将一条质量较差的链路替换为两条质量较好的链路,以获得更高的链路容量和更好的传输效率。LTE-Advanced的Relay技术主要定位在覆盖增强场景,Relay节点(RN)用来传递eNodeB(基站)和终端之间的业务/信令传输,目的是为了增强高数据速率的覆盖、临时性网络部署、小区边界吞吐量提升、覆盖扩展和增强、支持群移动等,同时也能提供较低的网络部署成本。RN通过宿主(Donor)eNodeB以无线方式连接到接入网,RN和宿主eNodeB间的接口定义为Un口,终端仍通过Uu口和RN相连。Un口可以是带内的也可以是带外的,带内是指eNodeB和RN之间的链路(Link)与RN和终端之间的链路共享同一段频率,否则称为带外。目前标准关注的场景中,eNodeB和RN之间的链路与eNodeB和终端之间的链路总是共享同一段频率。

       按照中继节点(RN)是否具有独立的Cell ID,3GPP将中继节点分为中继类型1和中继类型2两类。特别,中继类型1有独立的Cell ID;传输自己的同步信道、参考信号等;终端直接从RN接收调度信令,HARQ反馈等,并将自己的控制信道等直接发送给RN;即在LTE Release 8终端看来,RN就是一个LTE Release 8基站,而LTE-A终端可能可以分辨RN和eNodeB;中继类型1可以起到扩展网络覆盖的功能。反之,中继类型2没有独立的Cell ID,不能形成新的小区,对LTE Release 8终端是透明的,即LTE Release 8终端意识不到Relay的存在;可以传输业务信道,但至少不能传输CRS和PDCCH;中继类型2可以起到提高网络吞吐量的功能。目前标准中主要关注带内中继类型1。

       关于各链路的资源使用,eNodeB→RN和RN→UE两条链路在同一频带上时分复用,一个时间内只有一个传输;RN→eNodeB和UE→RN两条链路在同一频带上时分复用,一个时间内只有一个传输。另外,关于Backhaul链路的传输资源,在FDD系统中,eNodeB→RN和RN→eNodeB分别在下行频带和上行频带上传输;TDD系统中,eNodeB→RN和RN→eNodeB分别在eNodeB和RN之间的Backhaul链路的下行子帧和上行子帧上传输。

       为了完成带内回传,需要分配一些资源用来进行eNodeB和RN之间的信息传输,这些资源不能再被用作RN和终端之间的接入链路的传输。为了保持对Release 8终端的后向兼容性,在下行,RN通过配置MBSFN(广播多播单频网)子帧的方式来进行回传链路的传输,即在配置的MBSFN子帧中,RN实际上在接收来自eNodeB的下行信息,此时RN不再给下辖的终端发送下行数据。而当RN向eNodeB传送信息时,可以通过调度使得RN下辖的终端在此时不再发送上行数据给RN。目前,标准上正在对带内Type I Relay的Backhaul各信道设计进行讨论,主要集中在控制信道设计、参考信号设计和各链路的定时关系上。


       5.异构网干扰协调增强(eICIC for Heterogenous Networks)

       异构网是一种显著提升系统吞吐量和网络整体效率的技术,异构网是指低功率节点(Low Power Node,LPN)被布放在宏基站覆盖区域内,形成同覆盖的不同节点类型的异构系统。低功率节点包括Micro,Pico,RRH(Remote Radio Head),Relay和Femto(毫微蜂窝基站,通常指家庭基站)等。目前讨论的异构场景主要包括室内家庭基站、室外热点和室内热点,其他场景优先级较低。


       异构网中很重要的部分就是同覆盖的各节点间的干扰问题,尤其是因为宏基站发射功率较LPN大很多,导致宏站对LPN中边界用户下行接收的干扰,以及宏站边缘大功率终端对附近LPN的干扰。另外,在家庭基站等CSG(Closed Subscriber Group)场景下,家庭基站的发射也会对附近的宏基站用户造成影响,因而控制信道之间的干扰是更关键的问题。目前,对干扰进行规避和控制的方法包括完全异频,CA-based和non-CA-based。特别,在完全异频的方式情况下,宏基站和覆盖内的LPN完全异频,类似分层网的情况,此时基本无干扰。在CA-based场景下,两种节点的控制信道可以位于不同的成员载波上,业务信道可以共道传输。在non-CA-based场景下控制信道和业务信道都可以共道传输,此时可以通过频分/时分等方式来正交化两种节点的控制信道,也可以通过其它方式来实现控制信道的部分正交。

       上述关键技术分别是提升系统峰值数据速率、峰值谱效率、小区平均谱效率、小区边界用户性能和整个网络效率的使能技术,表1列举了LTE-Advanced需求指标和使用技术的对应关系。


       LTE-Advanced对天线设计的挑战

       为了使得移动终端能支持LTE-Advanced的技术,对移动通信的基本元素天线设计来讲将面临新的挑战。这种挑战的表现主要体现在以下两个方面:一是为了实现Enhanced MIMO的功能,LTE-Advanced移动终端将比LTE终端需要更多数目的天线。这对于现有的LTE设备对所需的天线数目来讲都已很小的情况来讲,如何减少天线的尺寸以及去寻找新的空间去放置更多的天线将是射频工程师所面临的第一个挑战。另一方面,如何实现LTE-Advanced中提出的载波聚合技术将是射频工程师所面临的第二个挑战。对于天线设计而言,带内载波聚合方案较容易实现,比如在不使用开关的情况下就能覆盖LTE高频及低频段天线设计的话,可以通过设置一个单一馈电点的天线来实现带内载波聚合。但是对于带外载波聚合而言情况将不这么简单。实现带外载波聚合的一个主要前提条件是选择一个合适的RF前端架构,并且带外载波聚合只有在RF前端的双工器的工作频段与天线馈电同步才能实现。这需要不同频段(指低端与高端)的双工器必须同步或者匹配,但是遗憾的是所述的不同频段的双工器同步或者匹配方案很难实现。表2为3GGP提出的LTE-Advanced规范中(主要的)带外载波聚合对。从表2中可以看出带外载波聚合所需的低频带频率都小于1.0GHz,而高频带频率都大于1.7GHz。因此,一个简单并且可行的方法是对该天线采取低端和高端进行独立(或分别)馈电的馈电方式。高端和低端分别馈电的方式将不需要再在RF前端架构中使用难以实现的双工器去同步匹配高频段与低频段,因此带外载波聚合可以得到实现。最后值得提出的是与带内载波聚合相比,带外载波聚合具有更好的灵活度,所以在多数情况下带外载波聚合将被采用。


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