TD-LTE網(wǎng)絡(luò)上行CoMP方案研究與外場(chǎng)試驗(yàn)*

王啟星，何麗峰，鄭 毅，胡臻平，劉光毅，林 興，李 蕾，Peter Butovitsch

（1.中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院 北京100053；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司 南京210029；3.愛(ài)立信（中國(guó)）通信有限公司 北京100102）

1 引言

經(jīng)過(guò)兩年多的規(guī)模試驗(yàn)，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)逐漸走向成熟，并在部分城市進(jìn)入試商用階段。隨著越來(lái)越多的用戶終端（UE）進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷不斷加重，小區(qū)間干擾問(wèn)題也日益顯現(xiàn)出來(lái)。

與傳統(tǒng)2G、3G網(wǎng)絡(luò)采用異頻組網(wǎng)方式不同，LTE采用同頻組網(wǎng)，大幅提高了頻譜利用效率。LTE采用下行OFDM/上行SC-FDMA作為基本傳輸技術(shù)，小區(qū)內(nèi)的不同用戶采用正交的子載波傳輸業(yè)務(wù)，基本避免了小區(qū)內(nèi)用戶之間的干擾，但是相鄰小區(qū)都采用同一頻點(diǎn)部署，來(lái)自鄰區(qū)相同傳輸資源上的信號(hào)會(huì)干擾本小區(qū)內(nèi)的用戶，造成信道條件惡化，用戶速率下降。如何避免和消除小區(qū)間的干擾，成為L(zhǎng)TE研究的重要課題。

多小區(qū)協(xié)作（coordinated multi-point processing，CoMP）是目前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究的熱點(diǎn)，通過(guò)相鄰多個(gè)小區(qū)之間進(jìn)行協(xié)作，可以有效地將干擾轉(zhuǎn)化為有用信號(hào)，改善傳輸信道質(zhì)量。其中上行CoMP是基站側(cè)功能，可以通過(guò)基帶升級(jí)的方式實(shí)現(xiàn)，無(wú)需對(duì)現(xiàn)有終端進(jìn)行改動(dòng)，因此可以在現(xiàn)網(wǎng)中提前引入，以提升LTE基站上行接收能力。

本文首先根據(jù)TD-LTE規(guī)模試驗(yàn)中的測(cè)試數(shù)據(jù)分析網(wǎng)絡(luò)中的小區(qū)間干擾問(wèn)題，并介紹上行CoMP的系統(tǒng)模型和幾種實(shí)現(xiàn)方案，最后結(jié)合上行CoMP預(yù)商用平臺(tái)外場(chǎng)試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，重點(diǎn)分析上行CoMP的性能。

2 TD-LTE網(wǎng)絡(luò)小區(qū)間干擾

在TD-LTE規(guī)模試驗(yàn)中，通過(guò)終端軟件可以查看TD-LTE終端檢測(cè)到的小區(qū)情況。在中國(guó)移動(dòng)通信有限公司（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)移動(dòng)）某地規(guī)模試驗(yàn)網(wǎng)中，通過(guò)拉網(wǎng)測(cè)試統(tǒng)計(jì)終端同時(shí)檢測(cè)到的小區(qū)數(shù)目情況，考慮到一些鄰區(qū)信號(hào)很弱或者很不穩(wěn)定的情況，只考慮RSRP（參考信號(hào)接收功率）低于主小區(qū)10 dB以內(nèi)的鄰區(qū)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。在站間距為300～500 m的密集城區(qū)覆蓋區(qū)域里，終端有71.8%的概率會(huì)檢測(cè)到1個(gè)或多個(gè)（甚至可以檢測(cè)到6個(gè)）鄰區(qū)。

圖1 規(guī)模試驗(yàn)中終端檢測(cè)到鄰區(qū)數(shù)量統(tǒng)計(jì)(鄰區(qū)RSRP低于主小區(qū)10 dB以內(nèi))

對(duì)于同站3個(gè)小區(qū)，通常采取扇區(qū)化技術(shù)將不同小區(qū)設(shè)置成不同的朝向，但是在扇區(qū)的邊緣，為了保證覆蓋，不可避免地存在重疊覆蓋區(qū)域。根據(jù)圖2所示的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，終端存在30.1%的概率可以檢測(cè)到來(lái)自同站鄰區(qū)的信號(hào)。同時(shí)還可以看到，只有1.4%的概率可以同時(shí)檢測(cè)到同站3個(gè)小區(qū)的信號(hào)，這是由于3個(gè)小區(qū)分別打朝向不同的方向，幾乎不可能有同站3個(gè)小區(qū)的重疊覆蓋區(qū)域，之所以出現(xiàn)這種情況可能因?yàn)槠渲心硞€(gè)小區(qū)的信號(hào)是通過(guò)建筑物反射過(guò)來(lái)的。

圖2 規(guī)模試驗(yàn)中終端檢測(cè)到同站鄰區(qū)數(shù)量統(tǒng)計(jì)(鄰區(qū)RSRP低于主小區(qū)10 dB以內(nèi))

由于目前商用終端只支持單天線發(fā)送上行信號(hào)，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)上行的波束成形，上行信號(hào)在空間處于發(fā)散狀態(tài)。終端上行發(fā)送的信號(hào)可能同樣會(huì)被多個(gè)鄰區(qū)接收到，形成上行干擾。尤其對(duì)于位于小區(qū)邊緣的用戶，為了保證其上行信號(hào)被主服務(wù)小區(qū)接收到，往往采用功率控制技術(shù)提高上行信號(hào)的發(fā)送功率，但同時(shí)也對(duì)相鄰小區(qū)采用相同傳輸資源的用戶造成了較強(qiáng)的干擾。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，在網(wǎng)絡(luò)中模擬多用戶上行加擾后，主小區(qū)邊緣用戶上行吞吐率下降超過(guò)60%。

3 上行CoMP系統(tǒng)模型

多小區(qū)協(xié)作技術(shù)被認(rèn)為是解決小區(qū)間干擾的有效手段，也是LTE-Advanced標(biāo)準(zhǔn)化中的重點(diǎn)研究課題之一[1]。對(duì)于上行CoMP，在基站側(cè)對(duì)多個(gè)天線接收到的上行信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合處理，對(duì)終端功能沒(méi)有要求，因此可以不需要標(biāo)準(zhǔn)定義，在TD-LTE現(xiàn)網(wǎng)中通過(guò)基站功能升級(jí)提前支持上行CoMP，以解決小區(qū)間干擾問(wèn)題，提升網(wǎng)絡(luò)性能。

3.1 系統(tǒng)模型

上行CoMP的系統(tǒng)模型如圖3所示。在非協(xié)作的系統(tǒng)中，每個(gè)小區(qū)單獨(dú)處理各自小區(qū)內(nèi)的UE信號(hào)，UE上行信號(hào)會(huì)對(duì)鄰區(qū)造成干擾，使得鄰區(qū)在相同資源上傳輸業(yè)務(wù)的UE上行信道質(zhì)量下降；而在協(xié)作系統(tǒng)中，UE信號(hào)通過(guò)多個(gè)小區(qū)的天線進(jìn)行接收，并傳回基帶進(jìn)行合并處理，UE上行信號(hào)對(duì)于鄰小區(qū)不再是干擾，反而可以作為有用信號(hào)利用起來(lái)，獲得合并增益。由于需要進(jìn)行信號(hào)聯(lián)合處理，參與協(xié)作的多個(gè)小區(qū)需要交互接收到的上行信號(hào)，因此需要支持小區(qū)間基帶數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)于共基帶的多小區(qū)系統(tǒng)（比如同站3個(gè)小區(qū)或C-RAN架構(gòu)[2]），可直接在基帶處理板上通過(guò)高速數(shù)據(jù)接口傳輸。

圖3 非協(xié)作系統(tǒng)與上行CoMP系統(tǒng)模型

3.2 上行CoMP方案

對(duì)于上行CoMP接收算法，主要有兩種可行的實(shí)現(xiàn)方案，以2天線系統(tǒng)2個(gè)小區(qū)協(xié)作為例，信號(hào)處理流程分別如圖4所示的方案1[3]、方案2[4]。

方案1中協(xié)作的2個(gè)小區(qū)對(duì)接收到的上行信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合MMSE檢測(cè)，稱為聯(lián)合均衡（joint equalization）。這種方案將多個(gè)小區(qū)內(nèi)在相同資源塊上傳輸?shù)亩鄠€(gè)UE看成一個(gè)虛擬的多用戶MIMO系統(tǒng)，對(duì)各自的信道進(jìn)行估計(jì)并均衡，能夠充分利用多個(gè)鏈路的信息獲得分集增益，因此可以獲得較高的性能增益，但是對(duì)硬件處理能力具有一定的挑戰(zhàn)。

方案2中每個(gè)小區(qū)分別對(duì)用戶信號(hào)進(jìn)行MMSE檢測(cè)，將均衡后的數(shù)據(jù)合并到一起進(jìn)行軟解調(diào)，稱為聯(lián)合軟合并（joint soft-combining）。這種方案只需傳輸均衡后的數(shù)據(jù)，小區(qū)間交互數(shù)據(jù)量較小，對(duì)產(chǎn)品硬件架構(gòu)改動(dòng)較小。另外，該方案由于只對(duì)均衡后的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟合并處理，解調(diào)復(fù)雜度相對(duì)也要低一些。但采用這種方案單獨(dú)進(jìn)行MMSE檢測(cè)，不能對(duì)鄰區(qū)的干擾進(jìn)行有效消除，只能獲得部分合并增益，性能提升有限。

對(duì)于共基帶的BBU-RRU組網(wǎng)方式[5，6]，非常適合采用方案1的聯(lián)合均衡技術(shù)來(lái)消除小區(qū)間干擾，提升用戶上行速率。鑒于目前TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中同站3個(gè)小區(qū)通常都是共BBU的，根據(jù)上述的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)于同站CoMP協(xié)作，通常只需選擇其中的2個(gè)小區(qū)進(jìn)行聯(lián)合處理，基帶處理的復(fù)雜度也相對(duì)較低，因此可優(yōu)先在同站3個(gè)小區(qū)之間引入上行CoMP功能。

3.3 仿真結(jié)果

在上述分析的基礎(chǔ)上，本文采用方案1對(duì)2天線系統(tǒng)和8天線系統(tǒng)同站CoMP協(xié)作進(jìn)行了仿真分析，仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 同站上行CoMP仿真參數(shù)

為了結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)實(shí)際部署情況，仿真主要考慮下述3種不同的傳輸方式。

·1×2（SIMO）：UE單天線發(fā)送，基站2天線接收，每小區(qū)同一個(gè)資源塊調(diào)度1個(gè)用戶。

圖4 上行CoMP系統(tǒng)的不同實(shí)現(xiàn)方案

·1×8（SIMO）：UE單天線發(fā)送，基站8天線接收，每小區(qū)同一個(gè)資源塊調(diào)度1個(gè)用戶。

·1×8（MU-MIMO）：UE單天線發(fā)送，基站8天線接收，每小區(qū)同一個(gè)資源塊調(diào)度2個(gè)用戶。

仿真結(jié)果如圖5所示。可以看到在典型城市信道模型ITU-Umi場(chǎng)景下，對(duì)于2天線系統(tǒng)，上行CoMP可帶來(lái)99%的小區(qū)邊緣增益和37%的小區(qū)平均增益；對(duì)于8天線系統(tǒng)，由于通過(guò)8根天線同時(shí)接收可以獲得很高的接收分集增益，因此在單用戶傳輸時(shí)，上行CoMP后增益比較小，但是當(dāng)系統(tǒng)支持上行MU-MIMO時(shí)，8天線系統(tǒng)仍有較大的性能提升空間。從仿真結(jié)果來(lái)看，8天線系統(tǒng)MU-MIMO通過(guò)上行CoMP可帶來(lái)65%的小區(qū)邊緣增益和38%的小區(qū)平均增益。

圖5 同站上行CoMP仿真結(jié)果

4 上行CoMP外場(chǎng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中上行CoMP的性能，研究團(tuán)隊(duì)在TD-LTE試驗(yàn)網(wǎng)中基于預(yù)商用平臺(tái)開(kāi)展了同站上行CoMP的外場(chǎng)試驗(yàn)。由于是同站CoMP協(xié)作場(chǎng)景，因此采用圖4（a）中的方案1，并開(kāi)啟干擾抑制合并（IRC）的MMSE檢測(cè)算法[7]，更好地抑制協(xié)作小區(qū)集合外的干擾信號(hào)。

4.1 測(cè)試場(chǎng)景

此次試驗(yàn)選擇某城市密集居民樓場(chǎng)景，如圖6所示。采用D頻段2天線TD-LTE組網(wǎng)，站高約18 m。參與協(xié)作的兩個(gè)小區(qū)為圖6中的小區(qū)1和小區(qū)2。測(cè)試區(qū)域?yàn)閮蓚€(gè)小區(qū)交界處的重疊覆蓋區(qū)域。為了模擬真實(shí)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，在周圍幾個(gè)相鄰的小區(qū)內(nèi)共放置了9個(gè)加擾UE，同時(shí)開(kāi)啟上行業(yè)務(wù)。從主測(cè)小區(qū)1處觀察到，模擬加擾使得上行干擾余量抬升12.5 dB，符合TD-LTE規(guī)模試驗(yàn)測(cè)試規(guī)范要求的上行加擾條件[8]。

圖6 上行CoMP外場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)景

4.2 測(cè)試結(jié)果

為了比較開(kāi)啟上行CoMP功能后對(duì)用戶上行吞吐率的影響，測(cè)試時(shí)以小區(qū)1作為主測(cè)小區(qū)，測(cè)試終端在上述測(cè)試區(qū)域內(nèi)進(jìn)行遍歷，并記錄下各個(gè)位置的上行吞吐率均值。關(guān)閉和開(kāi)啟上行CoMP的上行吞吐率打點(diǎn)圖如圖7所示，可以看到，開(kāi)啟CoMP后上行吞吐率普遍提高。尤其在一些被樓房遮擋住的弱覆蓋區(qū)域（見(jiàn)圖7（a）的黑點(diǎn)區(qū)域），上行吞吐率得到顯著提升，有利于改善弱覆蓋區(qū)域的用戶體驗(yàn)。

兩個(gè)協(xié)作小區(qū)重疊覆蓋區(qū)域內(nèi)，按照主小區(qū)RSRP強(qiáng)度分區(qū)間統(tǒng)計(jì)的上行CoMP增益如圖8所示。可以觀察到，在信號(hào)覆蓋較弱的區(qū)域（主小區(qū)RSRP小于-90 dBm），CoMP增益達(dá)到50%以上，部分區(qū)域增益超過(guò)100%；在信號(hào)覆蓋較好的區(qū)域，由于存在較多的上行干擾信號(hào)使得這些區(qū)域內(nèi)用戶沒(méi)有達(dá)到上行峰值速率，開(kāi)啟上行CoMP聯(lián)合接收后也有一定的提升空間，測(cè)試結(jié)果表明在這些覆蓋較好的區(qū)域可獲得20%～50%的CoMP增益。隨著未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中逐漸支持MU-MIMO、上行64QAM等高效率傳輸方式，預(yù)期上行CoMP可以在這些區(qū)域帶來(lái)更高的性能改善，有利于提升好點(diǎn)處的用戶吞吐率，釋放更多資源給邊緣用戶，從而提升小區(qū)整體的平均吞吐率。

為了進(jìn)一步分析主小區(qū)與鄰小區(qū)信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度與CoMP增益之間的關(guān)系，定義Geometry為主小區(qū)RSRP減去鄰小區(qū)RSRP，不同Geometry下CoMP增益也統(tǒng)計(jì)在圖8中。可以看到，當(dāng)鄰區(qū)RSRP強(qiáng)度和主小區(qū)接近時(shí)，這時(shí)終端位于兩小區(qū)的邊緣地帶，可以獲得較高的CoMP增益。另外在切換時(shí)，由于存在所謂的“乒乓效應(yīng)”，當(dāng)鄰區(qū)信號(hào)強(qiáng)于主小區(qū)時(shí)，并不立即切換，而是當(dāng)高于某個(gè)閾值并持續(xù)一定時(shí)間后才會(huì)切換，在這種場(chǎng)景下CoMP增益非常明顯，如圖8中Geometry≤-1的區(qū)域。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合TD-LTE規(guī)模試驗(yàn)，對(duì)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中的小區(qū)間干擾問(wèn)題進(jìn)行分析，介紹了上行CoMP的系統(tǒng)模型和幾種實(shí)現(xiàn)方案，并通過(guò)外場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了2天線系統(tǒng)同站協(xié)作的上行CoMP性能。測(cè)試結(jié)果顯示，通過(guò)上行CoMP，小區(qū)邊緣用戶可以獲得50%～100%的上行吞吐率增益，顯著改善了由于鄰區(qū)干擾造成的用戶體驗(yàn)下降等問(wèn)題。相比TD-LTE 8天線系統(tǒng)，2天線系統(tǒng)上行接收性能較弱，通過(guò)采用上行CoMP可以縮小其與8天線系統(tǒng)的差距。在一些由于條件限制無(wú)法采用8天線組網(wǎng)的站點(diǎn)，可以在2天線系統(tǒng)中引入上行CoMP功能，保證用戶在覆蓋區(qū)域內(nèi)的平均業(yè)務(wù)體驗(yàn)。對(duì)于8天線系統(tǒng)，也可以通過(guò)上行CoMP進(jìn)一步提升其接收性能，以更好地支持上行MU-MIMO以及上行64QAM等高效傳輸方式，大幅提高系統(tǒng)整體吞吐率。

1 3GPP TR 36.819.Coordinated Multi-Point Operation for LTE Physical Layer Aspects(Release 11),Version 11.1.0,Dec 2011

2 王曉云，黃宇紅，崔春風(fēng)等.C-RAN:面向綠色的未來(lái)無(wú)線接入網(wǎng)演進(jìn).中國(guó)通信,2010(3)

3 Jiang D J,Wang Q X,Liu J J,et al.Uplink coordinated multi-point reception for LTE-Advanced systems.The 5th International Conference on Wireless Communications,Networking and Mobile Computing(WiCom’09),Bejing,China,2009

4 郭健，鄭迺錚，談?wù)褫x.LTE-Advanced上行CoMP軟信息合并接收算法.電信科學(xué),2012(8)

5 Wang Q X,Jiang D J,Jin J,et al.Application of BBU+RRU based comp system to LTE-Advanced.IEEE International Conference on Communications Workshops(ICC Workshops 2009),Beijing,China,2009

6 Li L,Liu J H,Xiong K H,et al.Field test of uplink CoMP joint processing with C-RAN testbed.Proceedings of the 7th International ICST Conference on Communications and Networking in China(CHINACOM2012),Kunming,China,2012

7 Zanella A,Chiani M,Moe Z Win.MMSE reception and successive interference cancellation for MIMO systems with high spectral efficiency.IEEE Transactions on Wireless Communications,2005,4(3):1244～1253

8 中國(guó)移動(dòng)通信有限公司.TD-LTE規(guī)模試驗(yàn)多鄰區(qū)干擾測(cè)試規(guī)范（V1.5），2011