LTE-A關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展分析

摘要：LTE-A是LTE技術(shù)的平滑演進(jìn)，引入了多載波聚合、中繼、協(xié)作多點(diǎn)傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)。其中，多載波聚合是在頻域上進(jìn)行擴(kuò)展，以滿足LTE-A對(duì)高帶寬的需求；中繼技術(shù)能帶來更廣的覆蓋范圍和更高的系統(tǒng)容量，同時(shí)也面臨干擾復(fù)雜化問題；協(xié)作多點(diǎn)傳輸技術(shù)能提高小區(qū)邊緣的吞吐量；多天線技術(shù)通過增加上下行天線端口的數(shù)量，來提高峰值速率和頻譜效率。關(guān)鍵詞：LTE，LTE-A，多載波聚合，中繼，協(xié)作多點(diǎn)傳輸技術(shù)0引言LTE-Advanced是3GPP為了滿足IMT-Advanced的需求在LTE基礎(chǔ)上的技術(shù)演進(jìn)，也是4G的首選技術(shù)。為了進(jìn)一步提高LTE的性能以保證LTE在未來市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的優(yōu)勢(shì)地位，LTE-Advanced采用了載波聚合、中繼、協(xié)同多點(diǎn)和多天線增強(qiáng)等關(guān)鍵技術(shù)，極大地提高了無(wú)線通信系統(tǒng)的峰值速率（在100MHz的頻譜帶寬能夠提供下行1Gbit/s、上行500Mbit/s的峰值速率）、峰值譜效率、小區(qū)邊緣的用戶吞吐量和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)效率，使得LTE和LTE-A成為未來至少10年內(nèi)無(wú)線通信發(fā)展的主流。1關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展1.1多載波聚合目前，LTE-A支持的最小帶寬是20MHz，最大的帶寬是100MHz。LTE—A有6個(gè)候選的頻點(diǎn)，即：450-470MHz，698～862MHz，790～862MHz，2.3～2.4GHz，3.2～3.4GHz，4.4～4.99GHz[1]。若考慮到目前頻譜分配方式和規(guī)劃，很難找到足夠承載LTE-A系統(tǒng)的100MHz的整段頻帶。因此，3GPP提出了多載波聚合技術(shù)來解決LTE-A系統(tǒng)對(duì)頻譜資源的需求。載波聚合就是通過聯(lián)合調(diào)度并使用多個(gè)成員載波上的資源，使得LTE-Advanced系統(tǒng)可以最大支持100MHz的帶寬，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更高的系統(tǒng)峰值速率和頻譜效率[2]。LTE-Advanced支持連續(xù)載波聚合以及頻帶內(nèi)和頻帶間的非連續(xù)載波聚合，最大能聚合帶寬可達(dá)100MHz。為了保持與LTE的后向兼容性，即保證LTE終端能夠接入LTE-Advanced系統(tǒng)，每個(gè)載波應(yīng)能夠配置成與LTE后向兼容的載波，也不排除設(shè)計(jì)僅被LTE-Advanced系統(tǒng)使用的載波。按照頻譜的連續(xù)性，多載波聚合可以分為連續(xù)性載波聚合和非連續(xù)性載波聚合。圖1展示了連續(xù)和非連續(xù)載波聚合。5個(gè)連續(xù)的20MHz的頻帶聚合成1個(gè)100MHz帶寬，2個(gè)不連續(xù)的載波聚合成1個(gè)40MHz的帶寬。3GPP自RANl#53次會(huì)議開始討論載波聚合的相關(guān)內(nèi)容，在RANl#54次會(huì)議中得出以下幾個(gè)基本點(diǎn)：考慮到LTE的兼容性，各成員載波將采用LTE的設(shè)計(jì)，所有成員都與R8保持兼容，但也不排除對(duì)非后向兼容載波成員的考慮[3]；關(guān)于聚合帶寬和上下行非對(duì)稱問題，UE可能配置為上下行不同載波的數(shù)量、不同帶寬成員的載波；而對(duì)于TDD，在典型的情況下，上下行成員的數(shù)量是相同的。在物理層設(shè)計(jì)中，LTE-Advanced系統(tǒng)還需要解決載波間的時(shí)間同步、頻點(diǎn)分配和保護(hù)帶寬設(shè)計(jì)等問題[4]。在MAC層和RLC層設(shè)計(jì)中，要解決不同載波間的協(xié)調(diào)機(jī)制，聯(lián)合隊(duì)列/單數(shù)據(jù)隊(duì)列/多數(shù)據(jù)隊(duì)列的調(diào)度等問題。與物理層/MAC層/RLC層的飛速進(jìn)展相比，LTE-Advanced系統(tǒng)在載波聚合控制信道的研究工作進(jìn)展較慢。合理的設(shè)計(jì)聚合載波的控制信道和信令，同時(shí)降低開銷是控制信道設(shè)計(jì)中需要解決的重要問題。1.2中繼（Relay）技術(shù)中繼技術(shù)作為L(zhǎng)TE-A系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，將為小區(qū)帶來更大的覆蓋范圍和更高的系統(tǒng)容量，而且中繼設(shè)備的復(fù)雜度遠(yuǎn)低于基站，因此利用中繼進(jìn)行小區(qū)覆蓋的性價(jià)比較高。根據(jù)中繼執(zhí)行的功能不同可以將中繼分為3類：L1Relay，L2Relay和L3Relay。L1Relay可以看作是一個(gè)智能直放站，并不解調(diào)、解碼基站的信號(hào)，只進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)。其優(yōu)點(diǎn)是具有較低的時(shí)延，缺點(diǎn)則是在放大信號(hào)的同時(shí)也放大了噪音。L2Relay實(shí)現(xiàn)解碼轉(zhuǎn)發(fā)功能，轉(zhuǎn)發(fā)PDCPPDU，RLCPDU，MACPDU和傳輸塊，比無(wú)線回傳的基站簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，較直放站復(fù)雜，從協(xié)議功能上講，L2Relay有一定的資源分配功能，但沒有完整的L3Relay資源管理功能[3]；L3Relay具有與基站相似的空中協(xié)議結(jié)構(gòu)，不僅可以解調(diào)基站的信號(hào)，還具有相當(dāng)完整的RRM能力和權(quán)限，實(shí)際相當(dāng)于一個(gè)使用無(wú)線回傳鏈路的小基站，優(yōu)點(diǎn)是功能完備，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴。LTE-A標(biāo)準(zhǔn)中定義了TypelRelay（L3Relay）和Type2relay（L2Relay）。Type1Relay是帶外節(jié)點(diǎn)，每個(gè)Type1Relay都有屬于自己的小區(qū)ID，且小區(qū)ID與所屬基站的小區(qū)ID不同。TypelRelay具有資源調(diào)度和HARQ功能，對(duì)于R8終端，Type1Relay的表現(xiàn)如同一個(gè)基站，可以獲得覆蓋和容量增益。TypeIIRelay是帶內(nèi)Relay節(jié)點(diǎn)，沒有獨(dú)立的物理小區(qū)ID，也不能產(chǎn)生新的小區(qū)；對(duì)R8的UE是透明的，即R8的UE不知道TypeIIRelay的存在；可以傳輸業(yè)務(wù)信道，但不能傳輸CRS和PDCCH。目前，3GPP的討論主要集中在TypeIRelay的回傳鏈路設(shè)計(jì)，以及對(duì)2種類型Relay的評(píng)估假設(shè)和評(píng)估結(jié)論的討論上。其中回傳鏈路的設(shè)計(jì)主要討論了R-PDCCH的復(fù)用方式，是否需要設(shè)計(jì)R-PHICH，是否需要R-PCFICH，回傳鏈路上行HARQ定時(shí)，上行回傳子幀的配置以及R-PDCCH的DMRS設(shè)計(jì)等[3]。中繼技術(shù)作為L(zhǎng)TE-A系統(tǒng)的候選技術(shù)之一，提供了更為廣泛的覆蓋范圍，更高的資源利用率，更好的鏈路性能和較低的建網(wǎng)成本[5]。然而，新技術(shù)帶來優(yōu)良性能的同時(shí)也必然帶來新的挑戰(zhàn)。中繼技術(shù)的引入使得小區(qū)面臨資源需求增加，干擾復(fù)雜化問題。有效的資源復(fù)用方案和干擾抑制技術(shù)成為當(dāng)前關(guān)注的重點(diǎn)，而多天線技術(shù)在LTE-A系統(tǒng)中的應(yīng)用，將為中繼資源的復(fù)用以及干擾抑制帶來新的思路。1.3協(xié)作多點(diǎn)傳輸為了提高小區(qū)邊緣用戶的性能，滿足小區(qū)邊緣頻譜效率的要求，LTE-A系統(tǒng)中提出了協(xié)作多點(diǎn)傳輸技術(shù)，即CoMP（coordinatedmultiplepoint）技術(shù)。協(xié)作多點(diǎn)技術(shù)指的是協(xié)調(diào)的多點(diǎn)發(fā)射/接收技術(shù)，這里的多點(diǎn)是指地理位置上分離的多個(gè)天線接入點(diǎn)[6]。CoMP技術(shù)通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中多節(jié)點(diǎn)協(xié)作傳輸，能解決現(xiàn)有移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的單小區(qū)單站點(diǎn)傳輸對(duì)系統(tǒng)頻譜效率的限制，更好地克服小區(qū)間干擾，提高無(wú)線頻譜傳輸效率，提高系統(tǒng)邊緣的吞吐量，進(jìn)一步擴(kuò)大小區(qū)的覆蓋。協(xié)作多點(diǎn)可分為波束賦形/多點(diǎn)協(xié)同調(diào)度和多點(diǎn)聯(lián)合處理兩大類，分別適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，互相之間不能完全取代。在3GPP最近針對(duì)ITU的初步評(píng)估中，協(xié)作多點(diǎn)技術(shù)是惟一能在基站4天線配置條件下滿足所有場(chǎng)景的需求指標(biāo)的技術(shù)，并同時(shí)明顯改進(jìn)了上行和下行的系統(tǒng)性能。3GPPRANl定義了服務(wù)小區(qū)、協(xié)作小區(qū)集合和測(cè)量小區(qū)集合[3]。服務(wù)小區(qū)與R8中的服務(wù)小區(qū)的定義相同，是用來傳輸PDCCH的單個(gè)小區(qū)，CoMP協(xié)作小區(qū)集合是一組直接或者間接給UE發(fā)送PD-SCH的小區(qū)集合，這個(gè)集合可以對(duì)UE透明，也可以對(duì)UE不透明，CoMP測(cè)量集合是一組上報(bào)與UE連接的信道狀態(tài)信息的小區(qū)集合。CoMP中UE的信息反饋是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)，主要包括信息反饋的方式以及反饋內(nèi)容[7]。反饋信息主要是下行的信道信息，UE的反饋方式主要分為：顯示的反饋、隱示的反饋、基于SRS的反饋。顯示反饋是直接反饋信道的狀態(tài)信息；隱示反饋是UE端經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚恚答伣oeNBl個(gè)信道狀態(tài)指示CQl；SRS反饋利用信號(hào)的對(duì)稱性，終端發(fā)送SRS可以用來作為eNB進(jìn)行信道狀態(tài)信息的估計(jì)，這種方法在TDD系統(tǒng)中尤為適用。目前3GPP的討論仍集中在如何采用統(tǒng)一的框架對(duì)單小區(qū)單用戶MIMO、多用戶MIMO以及CoMP進(jìn)行反饋，而且隨著StudyItem的結(jié)束，將評(píng)估CoMP帶來的性能增益，以便決定是否在以后進(jìn)行CoMP方面WorkItem的立項(xiàng)研究。1.4多天線技術(shù)多天線（MIMO）技術(shù)，包括波束賦形、空間復(fù)用和發(fā)射分集，是LTE系統(tǒng)提高系統(tǒng)吞吐量的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[8]。對(duì)于大距離非相關(guān)天線陣列可以采用空間復(fù)用方案同時(shí)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流，來實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率；對(duì)于小距離相關(guān)天線陣列，可以采用波束賦形技術(shù)，將天線的波束指向用戶，減少用戶之間干擾；對(duì)于控制信道等需要更好的保證接收正確率的場(chǎng)景，發(fā)射分集可以發(fā)揮更好的作用。在LTE-A系統(tǒng)中，多天線技術(shù)將進(jìn)一步得到增強(qiáng)。在LTER8中，上行僅支持單天線的發(fā)送，在LTE-Advanced增強(qiáng)為上行最大支持4天線發(fā)送。物理上行共享信道引入單用戶MIMO，可以支持最大2個(gè)碼字流和4層傳輸，而物理層上行控制信道也可以通過發(fā)射分集的方式提高上行控制信息的傳輸質(zhì)量，提高覆蓋。LTE-A下行傳輸由LTER8的4天線擴(kuò)展到8天線，最大支持8層和2個(gè)碼字流的傳輸，從而進(jìn)一步提高了下行傳輸?shù)耐掏铝亢皖l譜效率。此外，LTE-A下行支持單用戶MIMO和多用戶MIMO的動(dòng)態(tài)切換，并通過增強(qiáng)型信道狀態(tài)信息反饋和新的碼本設(shè)計(jì)進(jìn)一步增強(qiáng)了下行多用戶MIMO的性能。LTE-A將多用戶MIMO進(jìn)行了擴(kuò)展，討論的內(nèi)容主要集中在：?jiǎn)斡脩艉投嘤脩糸g的切換，是進(jìn)行透明還是非透明的多用戶MIMO，反饋的增強(qiáng)方法，每個(gè)參與配對(duì)的MU-MIMO的UElayer數(shù)，共同調(diào)度的MU-MIMO終端數(shù)量等[9]。目前，已經(jīng)確定支持SU-MIMO和MU-MIMO之間的動(dòng)態(tài)切換，其他問題還沒有得出相應(yīng)的具體結(jié)論。2總結(jié)LTE-A是3GPP為了滿足IMT-Advanced的需求在LTE基礎(chǔ)上進(jìn)行的技術(shù)演進(jìn)，旨在維持LTE在未來無(wú)線通信技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中的優(yōu)勢(shì)地位。其中載波聚合技術(shù)是在頻域上進(jìn)行擴(kuò)展，以滿足LTE-A對(duì)高帶寬的需求；Relay是無(wú)線的接力，拉近基站和用戶之間的距離，以擴(kuò)大覆蓋范圍，提高通信的質(zhì)量；CoMP是光纖拉遠(yuǎn)基站，目的是提高小區(qū)邊緣的吞吐量；多天線技術(shù)通過增加上下行天線端口的數(shù)量，來提高峰值速率和頻譜效率。通過上述關(guān)鍵技術(shù)的引入，LTE-A能夠充分滿足或者超越IMT-A的需求，同時(shí)，LTE-A的關(guān)鍵技術(shù)將不斷地完善，新的關(guān)鍵技術(shù)也將不斷地產(chǎn)生，LTE-A將成為未來移動(dòng)通信的領(lǐng)跑者。參考文獻(xiàn)：[1]沈嘉.LTE-Advanced關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)趨勢(shì)[J].移動(dòng)通信，2008，8：20-25.[2]程順川.載波聚合技術(shù)在LTE-Advanced系統(tǒng)中的性能研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2010.[3]焦惠穎.LTE-Advanced關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2009，12（12）：19-22.[4]曹亙，張欣，鄭瑞，等.LTE-Advanced系統(tǒng)中的多載波聚合技術(shù)[J].現(xiàn)代電信科技，2009（2）：48-51.[5]沈嘉.3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2008：425437.[6]賈雙雙.基于LTE—A的協(xié)同多點(diǎn)傳輸技術(shù)的研究[J/OL].[2010-10-