LTE標準化演進及R10版本關鍵技術分析

麻倩 馬濤

摘 要：LTE是3GPP的長期演進計劃，致力于未來10年的應用，以OFDM為核心技術。LTE標準在3GPP R8引入，目前R8、R9、R10階段已經凍結。3GPP R10階段即LTE-Advanced（4G），引入了一些重要的增強功能，使無線網絡性能得到大幅度提高。本論文先簡要介紹LTE標準化演進，其次對我們所說的4G即LTE R10版本引入的關鍵技術，包括載波聚合（CA）、無線中繼（Relay）等關鍵技術進行分析。

關鍵詞：LTE；標準化；LTE-A LTE；R10關鍵技術

1 前言

移動通信從2G、3G到3.9G，是從移動語音業務到高速數據業務發展的過程。伴隨GSM等移動網絡在過去的二十年中的廣泛普及，語音通信業務獲得了巨大成功。基于CDMA的第三代移動通信網絡可以提供更多樣化的通信和娛樂業務，降低無線數據網絡的運營成本。但這也僅僅是往寬帶無線技術演進的一個開始。LTE技術的產生受到了業界的廣泛關注。這種以OFDM為核心技術的3G演進系統，支持1.25-20MHz可變帶寬，上、下行峰值速率分別達到50Mbps、100Mbps，頻譜效率達到3GPP R6的2-4倍；在系統架構上采用全IP的方式，通過QoS機制保證實時業務的服務質量；提高小區邊緣用戶的數據速率等。截止2013年1月，GSA統計已經有66個國家的145家運營商推出了商用LTE服務。

2 LTE標準化演進

LTE是Long term Evolution的簡稱，又稱E-UTRA/E-UTRAN，和3GPP2 UMB合稱為E3G（Evoled 3G）。LTE的最初提出是為了抗衡WiMAX技術。LTE/LTE-A標準發展如下所示：

2004年12月：3GPP通過LTE Study Item立項申請；

2006年6月：3GPP啟動LTE Work Item（Release 8）

2007年11月：3GPP正式通過TD-LTE幀結構方案；

2008年12月：第一個可商用的LTE R8版本系列規范發布；

2010年4月：LTE R9版本發布（ASN.1凍結）

2008年：ITU完成了IMT-Advanced標準征集通系列文件：通函，最小要求，提交模板，評估方法指南；

2008年3月：3GPP啟動LTE-Advanced研究（SI）；

2009年9月：LTE-A作為IMT-Advanced技術天提交到ITU；同時3GPP啟動LTE-A WI（R10版本）；

2009年9月：中國向ITU提交了TD-LTE-Advanced，被采納為IMT-Advanced候選技術之一；

2010年9月：ITU WP5D#9會議通過了6個候選技術提案都滿足ITU-R規定的IMT-Advanced最小要求；

2011年2月：3GPP完成了LTE-A R10基本版本并提交。

3 LTE R10版本關鍵技術分析

3.1 載波聚合

為了滿足單用戶峰值速率和系統容量提升的要求，一種最直接的辦法就是增加系統的傳輸帶寬。因此LTE-Advanced系統引入一項增加傳輸帶寬的技術，也就是CA（Carrier Aggregation，載波聚合）。CA技術可以將2～5個LTE成員載波（Component Carrier，CC）聚合在一起（R10只支持2載波），實現最大100MHz的傳輸帶寬，有效提高了上下行傳輸速率。終端根據自己的能力大小決定最多可以同時利用幾個載波進行上下行傳輸。

CA功能可以支持連續或非連續載波聚合，每個載波最大可以使用的資源是110個RB。每個用戶在每個載波上使用獨立的HARQ實體，每個傳輸塊只能映射到特定的一個時隙上。每個載波上面的PDCCH信道相互獨立，可以重用R8版本的設計，使用每個載波的PDCCH為每個載波的PDSCH和PUSCH信道分配資源。也可以使用CIF域利用一個載波上的PDCCH信道調度多個載波的上下行資源分配。

3.2 增強的干擾協調

隨著LTE網絡的部署和發展，未來網絡構成是由多制式、多種功率等級的基站構成的異構網絡（Heterageneous Network，HetNet）。在異構網絡中，各種功率的基站間必然會存在干擾問題，傳統的ICIC技術是解決LTE系統中干擾的一種方法，通過如軟頻率復用、控制下行發射功率等方式可以緩解同頻宏網絡部署時小區間的干擾問題，但是它不能解決異構網絡下的干擾問題。因此在LTE-A中，提出增強的干擾協調技術（Enhanced ICIC，eICIC），目的是解決異構網絡場景下的各種復雜干擾問題。

下圖是異構場景下的干擾場景分析。對于圖中a場景中，宏網絡用戶處于CSG小區的覆蓋范圍內，因為沒有權限接入到CSG小區中而受到HeNB小區較強的下行干擾。b場景中，因為使用偏置使距離宏網絡更近的小區用戶駐留在Pico小區中，這些用戶會受到宏網絡較強的下行干擾。

目前增強的干擾協調技術主要有基于非CA和基于CA的兩種解決思路。對于基于非CA的eICIC技術，主要是使用TDM的方式來解決共信道干擾問題，包括使用幾乎全空的子幀（Almost Blank Subframe，ABS），時間偏移，符號偏移等多種方法。對于基于CA的eICIC技術，可以利用CIF域進行載波間的交叉調度方式將不同的控制信息調度在不同的載波上以減小控制信道的干擾問題。對于數據信道，可以使用下行干擾協調機制。

3.3 無線中繼技術

為了獲得3GPP LTE-A制定的高速無線寬帶接入設計目標，LTE-A技術引入了無線中繼（Relay）技術。Relay技術中，終端用戶可以通過中間接入點中繼接入網絡來獲得寬帶服務。這種技術可以減小無線鏈路的空間損耗，增大信噪比，進而提高邊緣用戶信道容量。3GPP從R9版本開始對Relay技術進行研究，在R10版本對其進行標準化、經過長期的討論，3GPP根據中繼的策略對Relay進行了如下分類：

（1）Type 1 Relay：Type 1 Relay可以獨立控制某個小范圍區域內的終端，具有獨立的小區標識和無線資源管理機制。從終端側來看，Type 1 Relay就是一個常規的eNodeB。

（2）Type 1a Relay：Type 1a Relay具備Type 1 Relay的大部分特征，但其Relay與終端之間的接入鏈路和eNodeB與Relay之間的回程鏈路使用的頻譜是不同的。

（3）Type 1b Relay：Type 1b Relay也具備Type 1 Relay的大部分特征，但其Relay與終端之間的接入鏈路和eNodeB與Relay之間的回程鏈路使用的是相同頻譜。該類Relay通過接入鏈路和回程鏈路的物理隔離，來實現Relay同時工作在兩條鏈路上而不發生相互干擾。

（4）Type 2 Relay：Type 2 Relay具有獨立的物理層、MAC層、RLC層等功能，具有獨立或部分RRC功能。由于Type 2 Relay沒有自己獨立的小區，也不具備獨立的PCI，其獨立控制功能受控于eNodeB，即Type 2 Relay僅發送PDSCH，但不發送CRS和PDCCH。

3.4 多點協作傳輸與接收

LTE-A系統中引入了多點協作傳輸與接入技術（CoOrdinated Multi-Point transmission and reception，CoMP），主要目的是消除小區邊緣處的小區干擾，提高邊緣用戶的傳輸速率。LTE系統中同頻組網是主要的組網方式，小區間干擾成為影響小區邊緣用戶性能的主要因素。CoMP技術可以將干擾信號轉化為有用的傳輸信號來提高邊緣位置處的用戶使用體驗。CoMP技術可以分為下行和上行。

3.4.1 下行CoMP

下行CoMP的實現方式分為聯合處理（Joint Processing，JP）和協作調度/波束賦形（Coordinated Scheduling/Beamforming，CS/CB）兩大類。

（1）聯合處理：多個傳輸節點同時保存準備向用戶傳輸的數據。

聯合傳輸（Joint Transmission，JT）：同時從多個傳輸節點向用戶傳輸相同的數據以達到提高信噪比的目的。

動態傳輸點選擇傳輸（Dynamic Point Selection，DPS）：某一時刻只從一個特定傳輸節點向用戶傳輸數據。

（2）協作調度/波束賦形：只有主服務傳輸節點保存準備向用戶傳輸數據。

通過在傳輸節點間傳遞信息，多個傳輸節點聯合決定CS/CB的調度方式。

根據協作小區是否隸屬于同一個基站，CoMP又可分為基站內CoMP（Inter-site CoMP）和基站間CoMP（Intra-site CoMP）。對于基站內CoMP，協作是發生在同一個基站下的各小區之間，因此小區間可以交互大量的數據，而且小區之間信息的共享可認為是沒有時延的。在分布式天線系統中，同一個BBU（Base Band Unit）下各個RRH（Remote Radio Head）之間的協作也可看做基站內CoMP。而對于基站間CoMP，小區間需要通過X2接口來交互大量的控制信息或用戶數據，這對于X2接口的容量和時延提出了很高的要求。

為了支持下行CoMP的正常工作，需要終端進行特定的反饋。反饋信息需要包含多個傳輸點的信道狀態信息，干擾信息以及測量信息。根據實現方式不同，可以通過顯式、隱式的方式來反饋信道狀態，TDD系統也可以通過終端發送SRS信號，基站利用信道互易性和CSI信息進行下行信道質量的估計。

3.4.2 上行CoMP

上行CoMP的實現方式和下行基本相似，分為聯合接收（Joint Reception，JS）和協作調度（Coordinated Scheduling，CS）兩類。

（1）聯合接收：通過多天線接收某一終端的信號，這些天線可以位于不同的位置或不同的基站。

（2）協作調度：多個接收點進行信息交換，決定由哪個接收點為終端服務。

上行CoMP同樣存在基站內和基站間CoMP的情況。對于非同一站址的情況，根據實現不同，對S1或X2接口的時延和容量都會有非常高的要求。

3.5 增強MIMO

要達到LTE-A提出的目標數據傳輸速率，需要通過增加天線數量以提高峰值頻譜效率，即多天線技術，包括波束賦形和空間復用等。多天線技術是一種有效的提高系統容量和頻譜利用率的方法。目前這方面最直接的方法是在基站站點上增加天線，即采用高階的MIMO技術。

在LTE階段可以做到在基站側設置4個天線，終端側設置4個接收天線和1個發射天線，這樣只能做到下行4x4、上行1x4。

為了進一步提高峰值頻譜效率，LTE-A中的空間維度進一步擴展，并且對下行多用戶MIMO進一步增強。具體來講，基站側將增加到8天線，終端側增加到8個接收天線和4個發射天線，這樣就可以做到下行8x8、上行4x8，從而進一步提高了下行傳輸的吞吐量和頻譜效率。此外，LTE-A下行支持單用戶MIMO和多用戶MIMO的動態切換，通過增強型信道反饋和新的碼本設計進一步增強了下行多用戶MIMO的性能。

4 小結

作為LTE的平滑演進，LTE-A能夠保持與LTE良好的兼容性；提供更高的峰值速率和吞吐量，下行的峰值速率為1Gbit/s，上行峰值速率為500Mbit/s；更高的頻譜效率，下行提高到30bit/s/Hz，上行提高到15bit/s/Hz；支持多種應用場景，提供從宏蜂窩到室內場景的無縫覆蓋。R10版本引入幾項技術，載波聚合通過已有帶寬的匯聚擴展了傳輸帶寬；MIMO增強通過空域上的進一步擴展提高小區吞吐量；CoMP通過小區間協作，提高小區邊緣吞吐量；Relay通過無線的接力，提高覆蓋。通過上述關鍵技術的引入，LTE-A能夠充分滿足或者超越IMT-A的需求，成為未來通信的領跑者。

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