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LTE-Advanced 的關鍵技術簡介

2016-07-13 信維科技

LTE-Advanced的關鍵技術簡介

(部分內容摘自互聯網)信維深圳R&D部  趙安平博士

       


       2004年底,在3GPP(the 3rd Generation Partners Hip Project)中開始進行LTE(Long Term Evaluation)的標準化工作,與3G以CDMA(Code Division Multiple Access,碼分多址)技術為基礎不同,根據無線通信向寬帶化方向發展的趨勢,LTE采用了OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交頻分復用)技術為基礎,結合多天線和快速分組調度等設計理念,形成了新的面向下一代移動通信系統的空中接口技術,又稱為3G演進型系統。2008年初,完成了LTE第一個版本的系統技術規范,即LTE Release 8,LTE也被通俗的稱為3.9G,具有100Mbit/s的數據下載能力,被視作從3G向4G演進的主流技術,它改進并增強了3G的空中接入技術,在20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100Mbit/s與上行50Mbit/s的峰值速率。


       LTE-Advanced(LTE-A)是LTE的演進版本,其目的是為了能夠提供多種服務和更高速的數據業務及應用,以滿足未來幾年內無線通信市場的需求。LTE-A指的是LTE在Release 10以及之后(LTE Release 10 & beyond)的技術版本。LTE-A滿足和超過IMT-Advanced(Internati-onal Mobile Telecommunications)的需求,同時還要保持對LTE Release 8較好的后向兼容性。LTE-A將在100MHz頻譜帶寬的情況下,具有下行峰值速率能夠達到1Gbit/s,上行應當超過500Mbit/s的能力,通常而言,LTE-A才是真正的4G。目前市場上出售的所謂4G手機都是基于LTE Release 8制作的。


       LTE-Advanced特點或演進目標

       作為LTE技術的演進,LTE-A必然針對LTE技術具有一定的兼容性,同時還必須有所增強,下面是LTE-A 的主要演進目標:

       ?LTE-Advanced將基于LTE平滑演進,LTE-Advanced網絡應當能夠支持LTE終端。反之,LTE-Advanced 終端也應當能夠在LTE 網絡中使用基本功能

       ?能夠支持從宏蜂窩到室內環境(如家庭網絡)的覆蓋

       ?優先考慮低速移動的用戶

       ?網絡自適應和自優化功能應當進一步加強

       ?在3GPP之前的各個版本當中支持的功能都應當在LTE-Advanced系統中有所體現,包括與其他類型接入網的切換、網絡共享等

       ?降低成本,包括網絡建設、終端、功率使用效率以及骨干網的支撐等

       ?降低終端的復雜度

       ?頻譜方面:應當同時支持連續和不連續的頻譜;能夠支持最大不超過100MHz的帶寬;支持ITU(International Telecommunication Unit)分配的無線頻段;能夠與LTE共享相同的頻段

       ?系統性能方面:在規定時間內滿足ITU對IMT-Advanced技術的所有要求;下行峰值速率能夠達到1Gbit/s,上行應當超過500Mbit/s,其他性能應不低于LTE的標準


       LTE-Advanced的關鍵技術

       為了滿足IMT-Advanced的性能要求,3GPP制定了LTE-Advanced的研究目標,其關鍵技術包括了載波聚合(Carrier Aggregation,CA)、增強型上/下行MIMO(Enhanced UL/DL MIMO)、協作的多點傳輸與接收(Coordinated Multiple Point Transmission and Reception,CoMP)、接力通信(Relay);此外,以上的關鍵技術同時包括FDD(Frequency Division Duplexing,頻分雙工)和TDD(Time Division Duplexing,時分雙工)兩種制式。上述的有關LTE-A的關鍵技術的實施能大大地提高無線通信系統的峰值數據速率、峰值譜效率、小區平均譜效率以及小區邊界用戶性能,同時也能提高整個網絡的組網效率,從而可以使得LTE-A系統成為未來幾年內無線通信發展的主流,下面將對LTE-A的關鍵技術進行簡單介紹。


       1.載波聚合(Carrier Aggregation,CA)

       載波聚合是能滿足LTE-A更大帶寬需求并且能保持對LTE后向兼容性的必備技術。LTE目前最大支持20MHz的系統帶寬,可實現下行100Mbit/s、上行50Mbit/s的峰值速率。在LTE-Advanced的規劃中,提出了在100MHz頻譜帶寬下,達到下行峰值速率1Gbit/s、上行500Mbit/s的目標,因此需要對LTE的系統20MHz的頻譜帶寬作進一步的擴展。LTE-Advanced將采用載波聚合的方式實現系統帶寬的擴展。載波聚合的場景可以分為以下3種:帶內連續載波聚合(Intra-Band,Continuous)、帶內非連續載波聚合(Intra-Band,Non-Continuous)、以及帶外非連續載波聚合(Inter-Band,Non-Continuous)。

       由于頻譜規劃和分配的結果,一個運營商擁有的頻率資源可能分散在各個非連續的頻段,非連續載波的聚合提供了一個系統對分散的頻率資源進行整合利用的解決方案。另外值得一提的是,同樣是出于對運營商所擁有的頻率資源情況的考慮,在載波聚合中各個單位載波的帶寬并不限定為20MHz,可以支持更小的選項以提供充分的靈活性。帶外非連續載波聚合通常會造成共站同功率的兩個成員載波的覆蓋不相同。標準中曾對LTE-A每個成員載波是否都要保證對LTE Release 8后向兼容性的問題進行過長時間的討論。考慮到頻譜效率、系統簡單性、終端/eNodeB復雜度和測試復雜度等因素,標準最后決定在Release 10中,CA成員載波都是后向兼容的,在后續版本中可以考慮引入其他形態載波的可能性。

       LTE-A不同終端聚合的載波數目可以不同。FDD系統中,同一個終端聚合的上/下行成員載波的數目也可以不同;但TDD系統中,通常上/下行成員載波的數目是相同的。在MAC到PHY映射上,無論上行還是下行,每個成員載波有獨立的HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request)實體,這種方式可以最大程度地重用Release 8的功能,并能保證較好的HARQ性能,缺點是可能需要反饋多個ACK/NACK。LTE上行采用了單載波傳輸方式(DFT-S-OFDM),在LTE-A上行多載波聚合傳輸時,經過對OFDM和N x DFT-S-OFDM之間的評估之后,最終傳輸方式采納了N x DFT-S-OFDM的形式,即其中每個成員載波按獨立的DFT-S-OFDM傳輸。


       2.增強型MIMO(Enhanced MIMO)

       多天線技術的增強是為了滿足LTE-A峰值譜效率和平均譜效率提升需求的重要途徑之一。LTE Release 8下行支持1、2、4天線發射,終端側2、4天線接收,下行可支持最大4層(Layer)傳輸。上行只支持終端側單天線發送,基站側最多4天線接收。LTE Release 8的多天線發射模式包括開環(Open loop)MIMO,閉環(Closed loop)MIMO,波束成型(Beamforming),以及發射分集。特別,開懷MIMO指的是不需要終端反饋,系統盲目發送;閉環MIMO指的是需要終端反饋,反饋信息越準確增益越大。除了單用戶MIMO,LTE中還采用了另外一種譜效率增強的多天線傳輸方式,稱為多用戶MIMO,多個用戶復用相同的無線資源通過空分的方式同時傳輸。LTE-A中為提升峰值譜效率和平均譜效率,在上下行都擴充了發射/接收支持的最大天線個數,允許上行最多4天線4層發送,下行最多8天線8層發送,從而LTE-A中需要考慮更多天線數配置下的多天線發送方式。


       2.1 上行多天線增強

       在現行的LTE中,上行僅支持單天線的發送,也就是說不支持單用戶MIMO。為了提高上行傳輸速率,同時也為了滿足IMT-Advanced對上行峰值頻譜效率的要求,LTE-Advanced將在LTE的基礎上引入上行單用戶MIMO,將支持最多4個發送天線。LTE-A上行除了需要考慮更多天線數配置外,還需要考慮上行低峰均比的需求和每個成員載波上的單載波傳輸的需求。對上行控制信道而言,容量提升不是主要需求,多天線技術主要用來進一步優化性能和覆蓋,因此只需要考慮發射分集方式。經過評估,對采用碼分的上行控制信道(PUCCH)格式 1/1a/1b采用了SORTD(Spatial Orthogonal Resource Transmit Diversity)的發射分集方式,即在多天線上采用互相正交的碼序列對信號進行調制傳輸。上行控制信道格式2的分集方式還在討論中。

       對上行業務信道而言,容量提升是主要需求,多天線技術需要考慮空間復用的引入。同時,由于發射分集相對于更為簡單的開環秩1預編碼并沒有性能優勢,因此標準最終確定上行業務信道不采用發射分集,對小區邊界的用戶等可以直接采用開環秩1預編碼。目前,2發射天線和4發射天線下的低峰均比秩1-4的碼本設計都已完成。

       與LTE一樣,LTE-A的上行參考信號(Reference Signal,RS)也包括用于信道測量的SRS(Sounding RS)和用于信號檢測DMRS(Demodulation RS)。由于上行空間復用及多載波的采納,單個用戶使用的上行DMRS的資源開銷需要擴充,最直接的方式就是在LTE上行RS使用的CAZAC(Const Amplitude Zero Auto-Correlation)碼循環移位(Cyclic Shift)的基礎上,不同數據傳輸層的DMRS使用不同的循環移位。還有一種可能是在時域的多個RS符號上疊加正交碼(Orthogonal Cover Code,OCC)來擴充碼復用空間。目前,關于兩種擴充方式的討論還在繼續。對于SRS信號,為了支持上行多天線信道測量以及多載波測量,資源開銷相對于Release 8 SRS信號同樣需要擴充,除了延用Release 8周期性SRS發送模式以外,LTE-A還增加了非周期SRS發送模式,由NodeB觸發UE發送,實現SRS資源的擴充。


       2.2 下行多天線增強

       在現行的LTE中下行可以支持最多4個發送天線,而LTE-Advanced將會在此基礎上進一步增強以提高下行吞吐量。目前確定將擴展到支持最多8個發送天線。因為支持的傳輸層數的增加,導致需要考慮更大尺寸的碼本設計。因為LTE-A下行業務信道的傳輸可以采用專用參考信號(Dedicated RS),因此原則上下行發送可以基于碼本也可以基于非碼本。同時,對于閉環MIMO,為了減少反饋開銷,采用基于碼本的PMI反饋方式。目前8天線碼本的設計正在進行,初步采用雙預編碼矩陣碼本(Dual-index Precoding Codebook)結構,即把碼本矩陣用兩個矩陣的乘積表示,通常兩個矩陣中一個是基碼本,另一個是根據信道變化特征在基碼本上的修正。為了進一步減少反饋開銷,還可以考慮根據信道的變化快慢不同的統計特征分別進行長周期反饋(比如空間相關性)和短周期反饋(比如快衰因素)。

       LTE-A采用用戶專用參考信號的方式來進行業務信道的傳輸,同一用戶業務信道的不同層使用的參考信號以CDM+FDM的方式相互正交。為了測量最多八層信道,除了原來的公共參考信號(Common RS)外,還引入了信道狀態指示參考信號(Channel State Indication RS,CSI-RS),CSI-RS在時頻域可以設置得比較稀疏,各天線端口的CSI-RS以CDM+FDM的方式相互正交。另外,LTE-A中目前正在討論對多用戶MIMO的繼續增強,以充分開發多用戶分集增益和聯合信號處理的增益來減少多用戶流間的干擾,同時也做到性能和復雜度之間的較好折中。

       根據目前標準上達成的結論,多用戶MIMO支持最多4個用戶復用,每用戶不超過兩層,總共不超過4層傳輸。為了增加調度靈活性,多用戶MIMO調度對用戶而言是透明的,即用戶可以不知道是否有其它用戶與其在相同的資源上進行空間復用,并且用戶可以在單用戶MIMO和多用戶MIMO狀態之間動態進行轉換。


       3.協作多點傳輸(Coordinated Multiple Point Transmission and Reception,CoMP)

       LTE-Advanced中提出的協作式多點傳輸技術可分為分布式天線系統(Distributed Antenna System,DAS)和協作式MIMO兩大類。DAS改變了傳統蜂窩系統中集中式天線系統的風格,將天線分散安裝,再用光纖或是電纜將它們連接到一個中央處理單元進行統一的收發信號處理。這使得發送功率得以降低,提高整個系統的功率使用效率,降低小區間的干擾等。協作MlMO是對傳統的基于單基站的MIMO技術的補充,它通過基站間協作的MIMO傳輸來達到減小小區間干擾、提高系統容量、改善小區邊緣的覆蓋和用戶數據速率的目的。若干小區的基站使用光纖或電纜連接,通過協作通信與用戶形成虛擬MIMO系統,各基站由中央處理單元進行統一的調度或聯合的信號處理。協作多點傳輸是一種提升小區邊界容量和小區平均吞吐量的有效途徑,其核心想法是當終端位于小區邊界區域時,它能同時接收到來自多個小區的信號,同時它自己的傳輸也能被多個小區同時接收。在下行,如果對來自多個小區的發射信號進行協調以規避彼此間的干擾,能大大提升下行性能。在上行,信號可以同時由多個小區聯合接收并進行信號合并,同時多小區也可以通過協調調度來抑制小區間干擾,從而達到提升接收信號信噪比的效果。按照進行協調的節點之間的關系,CoMP可以分為intra-site CoMP和inter-site CoMP兩種。Intra-site CoMP協作發生在一個站點(site,eNodeB)內,此時因為沒有回傳(Backhaul)容量的限制,可以在同一個站點的多個小區(cell)間交互大量的信息。Inter-site CoMP協作發生在多個站點間,對回傳容量和時延提出了更高要求。反過來說,Inter-site CoMP性能也受限于當前Backhaul的容量和時延能力。

       在協作多點發射(對應下行CoMP)中,按業務數據是否在多個協調點上都能獲取,可以分為協作調度/波束成型(Coordinated Scheduling/Beamforming,CS/CBF)和聯合處理(Joint Processing,JP)兩種。對CS/CBF而言,業務數據只在服務小區上能獲取,即對終端的傳輸只來自服務小區(Serving Cell),但相應的調度和發射權重等需要小區間進行動態信息交互和協調,以盡可能減少多個小區的不同傳輸之間的互干擾。而對JP而言,業務數據在多個協調點上都能獲取,對終端的傳輸來自多個小區,多小區通過協調的方式共同給終端服務,就像虛擬的單個小區一樣,這種方式通常有更好的性能,但對Backhaul的容量和時延提出了更高要求。

       一種常見的CS/CBF方式是,終端對多個小區的信道進行測量和反饋,反饋的信息既包括期望的來自服務小區的預編碼向量,也包括鄰近的強干擾小區的干擾預編碼向量,多個小區的調度器經過協調,各小區在發射波束時盡量使得對鄰小區不造成強干擾,同時還盡可能保證本小區用戶期望的信號強度。在聯合處理方式中,既可以由多個小區執行對終端的聯合預編碼,也可以由每個小區執行獨立的預編碼、多個小區聯合服務同一個終端。既可以多小區共同服務來自某個小區的單個用戶,也可以多小區共同服務來自多小區的多個用戶。目前,CoMP還處在研發階段,對協作多點接收(對應上行CoMP)而言,由于主要影響調度器和接收機,可以通過實現途徑達到,因此目前在Release 10中沒有標準化。對協作多點發射,由于intra-site CoMP已經可以達到可觀的性能增益,同時又不需要對站點間的X2接口在標準化上提出新的要求,因此目前intra-site CoMP是標準關注的重點。CSI-RS的設計也是CoMP的一個標準化重點。為了支持終端對鄰小區信道的測量,在CSI-RS設計時需要盡量保證小區之間CSI-RS的正交性,以及考慮本小區業務信道對測量鄰小區CSI-RS信號強度的影響。


       4.中繼(Relay)

       所謂中繼技術,就是將一條基站與移動臺的鏈路分割為基站與中繼站和中繼站與移動臺兩條鏈路,從而有機會將一條質量較差的鏈路替換為兩條質量較好的鏈路,以獲得更高的鏈路容量和更好的傳輸效率。LTE-Advanced的Relay技術主要定位在覆蓋增強場景,Relay節點(RN)用來傳遞eNodeB(基站)和終端之間的業務/信令傳輸,目的是為了增強高數據速率的覆蓋、臨時性網絡部署、小區邊界吞吐量提升、覆蓋擴展和增強、支持群移動等,同時也能提供較低的網絡部署成本。RN通過宿主(Donor)eNodeB以無線方式連接到接入網,RN和宿主eNodeB間的接口定義為Un口,終端仍通過Uu口和RN相連。Un口可以是帶內的也可以是帶外的,帶內是指eNodeB和RN之間的鏈路(Link)與RN和終端之間的鏈路共享同一段頻率,否則稱為帶外。目前標準關注的場景中,eNodeB和RN之間的鏈路與eNodeB和終端之間的鏈路總是共享同一段頻率。

       按照中繼節點(RN)是否具有獨立的Cell ID,3GPP將中繼節點分為中繼類型1和中繼類型2兩類。特別,中繼類型1有獨立的Cell ID;傳輸自己的同步信道、參考信號等;終端直接從RN接收調度信令,HARQ反饋等,并將自己的控制信道等直接發送給RN;即在LTE Release 8終端看來,RN就是一個LTE Release 8基站,而LTE-A終端可能可以分辨RN和eNodeB;中繼類型1可以起到擴展網絡覆蓋的功能。反之,中繼類型2沒有獨立的Cell ID,不能形成新的小區,對LTE Release 8終端是透明的,即LTE Release 8終端意識不到Relay的存在;可以傳輸業務信道,但至少不能傳輸CRS和PDCCH;中繼類型2可以起到提高網絡吞吐量的功能。目前標準中主要關注帶內中繼類型1。

       關于各鏈路的資源使用,eNodeB→RN和RN→UE兩條鏈路在同一頻帶上時分復用,一個時間內只有一個傳輸;RN→eNodeB和UE→RN兩條鏈路在同一頻帶上時分復用,一個時間內只有一個傳輸。另外,關于Backhaul鏈路的傳輸資源,在FDD系統中,eNodeB→RN和RN→eNodeB分別在下行頻帶和上行頻帶上傳輸;TDD系統中,eNodeB→RN和RN→eNodeB分別在eNodeB和RN之間的Backhaul鏈路的下行子幀和上行子幀上傳輸。

       為了完成帶內回傳,需要分配一些資源用來進行eNodeB和RN之間的信息傳輸,這些資源不能再被用作RN和終端之間的接入鏈路的傳輸。為了保持對Release 8終端的后向兼容性,在下行,RN通過配置MBSFN(廣播多播單頻網)子幀的方式來進行回傳鏈路的傳輸,即在配置的MBSFN子幀中,RN實際上在接收來自eNodeB的下行信息,此時RN不再給下轄的終端發送下行數據。而當RN向eNodeB傳送信息時,可以通過調度使得RN下轄的終端在此時不再發送上行數據給RN。目前,標準上正在對帶內Type I Relay的Backhaul各信道設計進行討論,主要集中在控制信道設計、參考信號設計和各鏈路的定時關系上。


       5.異構網干擾協調增強(eICIC for Heterogenous Networks)

       異構網是一種顯著提升系統吞吐量和網絡整體效率的技術,異構網是指低功率節點(Low Power Node,LPN)被布放在宏基站覆蓋區域內,形成同覆蓋的不同節點類型的異構系統。低功率節點包括Micro,Pico,RRH(Remote Radio Head),Relay和Femto(毫微蜂窩基站,通常指家庭基站)等。目前討論的異構場景主要包括室內家庭基站、室外熱點和室內熱點,其他場景優先級較低。


       異構網中很重要的部分就是同覆蓋的各節點間的干擾問題,尤其是因為宏基站發射功率較LPN大很多,導致宏站對LPN中邊界用戶下行接收的干擾,以及宏站邊緣大功率終端對附近LPN的干擾。另外,在家庭基站等CSG(Closed Subscriber Group)場景下,家庭基站的發射也會對附近的宏基站用戶造成影響,因而控制信道之間的干擾是更關鍵的問題。目前,對干擾進行規避和控制的方法包括完全異頻,CA-based和non-CA-based。特別,在完全異頻的方式情況下,宏基站和覆蓋內的LPN完全異頻,類似分層網的情況,此時基本無干擾。在CA-based場景下,兩種節點的控制信道可以位于不同的成員載波上,業務信道可以共道傳輸。在non-CA-based場景下控制信道和業務信道都可以共道傳輸,此時可以通過頻分/時分等方式來正交化兩種節點的控制信道,也可以通過其它方式來實現控制信道的部分正交。

       上述關鍵技術分別是提升系統峰值數據速率、峰值譜效率、小區平均譜效率、小區邊界用戶性能和整個網絡效率的使能技術,表1列舉了LTE-Advanced需求指標和使用技術的對應關系。


       LTE-Advanced對天線設計的挑戰

       為了使得移動終端能支持LTE-Advanced的技術,對移動通信的基本元素天線設計來講將面臨新的挑戰。這種挑戰的表現主要體現在以下兩個方面:一是為了實現Enhanced MIMO的功能,LTE-Advanced移動終端將比LTE終端需要更多數目的天線。這對于現有的LTE設備對所需的天線數目來講都已很小的情況來講,如何減少天線的尺寸以及去尋找新的空間去放置更多的天線將是射頻工程師所面臨的第一個挑戰。另一方面,如何實現LTE-Advanced中提出的載波聚合技術將是射頻工程師所面臨的第二個挑戰。對于天線設計而言,帶內載波聚合方案較容易實現,比如在不使用開關的情況下就能覆蓋LTE高頻及低頻段天線設計的話,可以通過設置一個單一饋電點的天線來實現帶內載波聚合。但是對于帶外載波聚合而言情況將不這么簡單。實現帶外載波聚合的一個主要前提條件是選擇一個合適的RF前端架構,并且帶外載波聚合只有在RF前端的雙工器的工作頻段與天線饋電同步才能實現。這需要不同頻段(指低端與高端)的雙工器必須同步或者匹配,但是遺憾的是所述的不同頻段的雙工器同步或者匹配方案很難實現。表2為3GGP提出的LTE-Advanced規范中(主要的)帶外載波聚合對。從表2中可以看出帶外載波聚合所需的低頻帶頻率都小于1.0GHz,而高頻帶頻率都大于1.7GHz。因此,一個簡單并且可行的方法是對該天線采取低端和高端進行獨立(或分別)饋電的饋電方式。高端和低端分別饋電的方式將不需要再在RF前端架構中使用難以實現的雙工器去同步匹配高頻段與低頻段,因此帶外載波聚合可以得到實現。最后值得提出的是與帶內載波聚合相比,帶外載波聚合具有更好的靈活度,所以在多數情況下帶外載波聚合將被采用。


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