TD-LTE演進關鍵技術研究

毛劍慧，鄧 偉，楊 光

（中國移動通信有限公司研究院 北京100053）

1 引言

TD-LTE主要以OFDM多址接入和多天線技術為基礎，可以提供更低傳輸時延、更高用戶傳輸速率、增加容量和覆蓋的移動通信網絡。TD-LTE現有基站主要以3GPP R9版本為主，包括下行雙流波束成形、網絡自優化等特性，2008年3月3GPP標準組織開始對于TD-LTE后續演進（LTE-Advanced，LTE-A）技術進行立項，截至2012年年底，R10標準化工作基本結束。

2 TD-LTE后續演進技術引入背景

本節重點從TD-LTE現網實際情況出發，介紹引入TD-LTE演進關鍵技術的必要性和急迫性。

·用戶速率亟需進一步提升。目前主流商用終端為等級3的終端，在上下行子幀配比2∶2條件下，下行峰值速率為60 Mbit/s，上行峰值速率為20 Mbit/s，上下行小區吞吐量為15.2 Mbit/s/26.8 Mbit/s；在上下行子幀配比1∶3條件下，下行峰值速率為80 Mbit/s，上行峰值速率為10 Mbit/s，上下行小區吞吐量為6.9 Mbit/s/38.3 Mbit/s。因此仍有進一步提升速率的需求，可以借鑒TD-LTE演進技術中的載波聚合（carrier aggregation,CA）、MIMO增強技術。

·同頻干擾需要進一步抑制。在宏基站同頻組網時存在較強的上行干擾，目前采用基站IRC接收或者小區間干擾消除（ICIC）技術進行抑制；但如果采用宏微基站同頻分層組網，同頻組網產生的控制信道干擾將更為顯著，因此需要引入TD-LTE后續演進技術中的增強小區間干擾消除（eICIC）技術對干擾進行抑制。

·網絡管理維護效率需要進一步提升。目前采用路測終端進行測試和優化，需要測試人員攜帶路測終端對于覆蓋內的所有道路、室內進行遍歷，查找覆蓋空洞等網絡問題，網絡管理維護效率較低。因此，可以考慮引入TD-LTE后續演進技術中的MDT（最小化路測）技術提升網管維護效率。

·小區邊緣用戶吞吐量需要進一步提升。TD-LTE宏基站主要采用20 MHz同頻組網方案，小區邊緣用戶由于同頻干擾的影響吞吐量較低，因此可以考慮引入協作多點傳輸（coordinated multi-point transmission and reception,CoMP）技術提升邊緣用戶吞吐量。

3 TD-LTE后續演進關鍵技術

如第2節所述，需要引入LTE-A技術提升現網性能。

以下將詳細介紹LTE-A各關鍵技術。LTE-A系統引入了一系列新技術以滿足3GPP R10版本標準的需求，主要包括載波聚合、多天線技術演進、CoMP、中繼（relay）以及增強型小區間干擾消除、網絡自組織增強(eSON)、增強型廣播多播服務（E-MBMS）等。3GPP R10版本標準完成之后，LTE-A技術仍然在不斷完善，不斷衍生出新的增強方案并加入R11版本中，持續提升了LTE-A系統的性能。

3.1 載波聚合技術

載波聚合技術是將多個頻率上相鄰或離散的LTE載波聚合使用，以提供更大的傳輸帶寬。LTE系統的用戶終端可以在每一個單獨的載波上使用，而LTE-A系統的用戶終端根據能力不同，可以使用從一個載波到全部頻譜的通信。通過擴展系統和終端的工作帶寬，載波聚合一方面提高了數據傳輸速率，另一方面也能夠更高效地使用頻譜資源。本節從載波聚合的概念及引入需求出發，介紹了載波聚合的頻帶場景和可能的應用部署場景。

3.1.1 需求及技術原理

圖1 載波聚合

為了滿足LTE-A峰值速率和帶寬的需求，載波聚合被確定為3GPP LTE-A中的核心技術之一。如圖1所示，載波聚合的核心思想有兩點：一是一塊大的連續頻譜或若干離散頻譜被劃分為多個成員載波（component carrier,CC），各CC的帶寬和LTE R8/R9載波相同（不大于20 MHz），以保證已有（不支持載波聚合）LTE終端的接入，同時降低設備復雜度；二是支持載波聚合的LTE-A終端可以部分或完全地使用這些頻譜（即同時接入多個CC），以提供高于單個成員載波的數據速率。對于LTE-A終端，不同CC可以進行資源調度和干擾協調等方面的協作，以提高系統性能。

以3GPP R8最大系統帶寬20 MHz為基礎，LTE-A最多可以支持5個載波聚合，系統帶寬為100 MHz，最大峰值速率可達下行3 Gbit/s、上行1.5 Gbit/s。同時LTE-A支持同一頻段內連續/非連續載波聚合和跨頻段載波聚合，以充分利用運營商的可用頻譜。為了便于系統升級，3GPP R10/R11中成員載波均為后向兼容載波，允許R8/R9終端接入，但是未來可以支持非后向兼容載波，以便于支持零散頻譜和感知無線電技術識別的頻譜等應用場景。

3.1.2 產業現狀

根據中國移動目前TD-LTE頻譜資源情況，并結合3GPP標準化進程，2013年要求主設備及終端具備支持頻段41的40 MHz和頻段40的40 MHz載波聚合的能力；2014年主要考慮引入F頻段與D頻段跨頻段同時隙配比40 MHz載波聚合功能。截至2013年年底，主要系統廠商具備支持頻段內40 MHz載波聚合的能力并進行實驗室與外場驗證，測試結果表明，在上下行子幀1∶3配比、特殊時隙10∶2∶2配置下的下行峰值速率可以達到220 Mbit/s，如圖2所示。

3.2 多天線技術演進技術

3.2.1 需求及技術原理

多天線技術的演進是滿足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 R8下行支持最大4層傳輸，而上行只支持單天線發送。LTE-A為提升峰值譜效率和平均頻譜效率，在上下行都擴充了發射/接收支持的最大數據層數，允許下行最多8天線8層發送，上行最多4天線4層發送。

（1）下行MIMO增強技術[1]

下行MIMO增強技術是在LTE R8/R9版本中多天線傳輸技術基礎上的進一步演進和擴展，包括：增加下行傳輸模式9（TM9），下行可以支持8×8波束成形，支持最多8層傳輸；此外參考信號有了很大的變化，R8的下行公共參考信號由下行解調參考信號（DMRS）和下行測量參考信號（CSI-RS）代替，下行波束成形不再局限于SRS測量計算成形權值，可以采用基于碼本選擇的形式進行波束成形。

圖2 下行連續40 Mbit/s載波聚合峰值速率

因此，波束成形的方式將更加靈活，可以廣泛應用于以下場景。

·無探測參考信號（SRS）發送的場景。下行載波聚合環境下，信道探測參考信號僅在主載波上進行發送，輔載波不發送SRS，因此基站無法獲取輔載波的信道特征，導致基于SRS測量計算成形權值方法的性能下降。因此，在該場景下，為了保證波束成形的性能，建議采用基于碼本反饋的波束成形方法。

·上行探測參考信號資源受限的場景。目前，TD-LTE主要的子幀配比方式為3DL∶1UL，1個無線幀中僅有2個上行子幀，在多用戶場景下上行資源將可能受限。因此，在該場景下，也建議R10終端采用基于碼本反饋的波束成形方法，減少SRS開銷以用于R8/R9波束成形的用戶。

此外，雖然LTE-A系統中基站的天線數已經擴展到8個，最大可以支持下行8流發送，但是考慮到終端的成本和體積，很難將用戶端擴展到8個天線，所以多個用戶間共享相同的時頻資源與基站通信的方式即MU-MIMO（多用戶MIMO）逐漸成為研究熱點。如圖3所示，MU-MIMO將傳統的點對點通信模式轉變為點對多點的傳輸模式，基站在相同時頻資源上同時服務多個用戶，通過基站側的預編碼消除多用戶間干擾，可以有效提高系統吞吐量。基站基于上行信道信息或用戶反饋情況進行多用戶配對，將同一個時頻資源同時分配給多個配對用戶，用戶之間的干擾利用波束成形算法刪除。MU-MIMO利用波束成形的方向性，實現多用戶的空分多址，能進一步獲得多用戶空間復用增益，適用于密集城區的小區中心用戶。

圖3 MU-MIMO示意

（2）上行MIMO增強技術

上行MIMO增強技術是在LTE R8/R9版本中上行單天線傳輸技術基礎上的進一步演進和擴展，包括：系統上行支持4×4配置的MIMO，并對上行解調參考信號（UL DMRS）和上行探測參考信號的容量進行擴充，以同時支持更多正交用戶。

因為上行MIMO有賴于終端功能的大幅提升，在LTE階段，雖然在下行使用了MIMO技術，但是上行依然采用單天線發送的方式，因此上行頻譜效率比較低。LTE-A終端的基本配置為2個以上發送射頻通道，支持多個天線同時傳輸信號，因此可以在上行傳輸中引入MIMO技術提升頻譜效率。LTE-A系統上行支持4×4配置的MIMO技術，從理論的角度來說，相比于R8可以實現4倍的上行峰值速率。

但必須指出，在實際終端設計中，上行多流傳輸需要設計多個獨立的發射通路，勢必會增加終端射頻前端的體積及功耗，因此建議在某些行業終端中引入上行多流傳輸技術。

在負荷較大的區域，為了同時服務更多的上行用戶，可以采用上行MU-MIMO技術。其主要原理是將多個用戶配對，共享相同的時頻資源，在基站側抑制多用戶間干擾，從而提高資源利用率。由于用戶端較難實現信令的交互，所以該技術同樣對用戶側透明，也就是說用戶并不知道是否存在配對用戶，僅在基站端進行用戶間的干擾刪除。

3.2.2 產業現狀

增強多天線技術對于系統、終端的實現難度均較高，主要設備廠商已支持上行雙流多天線增強技術，預計2014年支持其他MIMO增強技術。終端設計需要考慮到射頻前端的體積、成本及功耗等諸多因素，因此建議僅行業應用終端引入上行多流技術。

終端實現下行4流TM9難度較大，且現網環境下多流傳輸的調度比例需要進一步研究及仿真，預計2014年進行技術驗證。

3.3 協作多點傳輸技術

CoMP技術是指在相鄰基站間引入協作，在協作基站之間共享信道狀態和調度等有用信息，通過協作基站間的聯合數據處理和發送，將傳統的點對點/點對多點系統拓展為多點對多點的協作系統，將多個接入點信號的發送與接收進行緊密協調，可以有效降低干擾、提高系統容量、改善小區邊界的覆蓋和用戶數據速率，特別是對小區邊界用戶的性能改善十分有效。

3.3.1 需求及技術原理

在實際網絡環境下，邊緣用戶由于信號強度較弱或者干擾較大等原因造成邊緣速率較低，因此需要引入CoMP技術提升小區邊緣用戶速率。

根據用戶數據是否在基站間共享，CoMP可以分為兩大類：協調調度（coordinated scheduling/coordinated beamforming，CS/CB）和聯合處理（joint processing，JP）。

CS/CB也稱為“干擾避免”，不需要在基站間共享用戶數據，通過對系統資源的劃分和限制或者有效分配，減小相鄰小區邊緣區域使用的資源在時間、頻率或者空間上的沖突，從而在盡可能保持系統高頻譜利用率的基礎上避免小區間干擾，提高信號的接收信噪比，如圖4所示。

圖4 協作調度/波束成形

JP也稱為“干擾利用”，需要在基站間共享用戶數據，通過協作接收或者發送多個協作用戶的信號，實現多小區之間的干擾減少或抑制。JP技術可以將干擾信號作為有用信號加以利用，從而降低小區間的干擾，提高小區邊緣用戶的服務質量和吞吐量，提高系統的頻譜利用率，如圖5所示。對于下行鏈路的JP，基站端的干擾抑制需要利用下行信道狀態信息。對于FDD系統，由于上下行信道不互易，需要反饋使用碼本量化的下行信道信息到協作基站，為降低反饋開銷，反饋的信道矩陣信息存在較大量化損失，使用JP技術困難較大；然而對于TDD系統，由于上下行信道存在互易性，可以通過上行信道估計獲得下行信道的狀態信息，因此更適合使用JP技術。

圖5 聯合傳輸/處理

3.3.2 產業現狀

上行兩天線多小區聯合接收可以獲得40%～50%小區邊緣性能增益，因此主要系統廠商已完成開發并進行了外場驗證（外場測試結果如圖6所示）；上行8天線多小區聯合接收可以獲得20%～30%小區邊緣性能增益，部分系統廠商已支持該功能并進行了外場驗證（外場測試結果如圖7所示）。

仿真表明，下行8天線多小區聯合發送可以獲得20%～30%小區邊緣性能增益，但主設備需要進行站間天線校準，產品實現難度較大，且站間需要通過X2接口傳遞用戶數據信息，傳輸資源開銷較大，因此方案正在研究階段，預計2014年支持該功能并進行相關驗證。

圖6 上行2天線CoMP外場測試結果

圖7 上行8天線CoMP外場測試結果

3.4 中繼技術

3.4.1 需求及技術原理

在2G/3G中，直放站是室內深度覆蓋的一種補充手段，可用于無傳輸資源的室內深度覆蓋補充。但2G/3G中的直放站直接將信號和噪聲同時放大進行層一轉發，從而帶來網絡干擾的抬升。在這種背景下，在LTE系統中，提出了中繼技術，解決信號放大過程中增加網絡干擾的問題。

中繼就是在宏基站和移動臺之間增加具有無線回傳功能的中間節點（中繼站），對宏基站的下行發射信號或者終端的上行發射信號進行解調和譯碼以及資源調度等基帶處理，再重新編碼、調制、再生放大后轉發給終端或者宏基站，因此可以有效抑制網絡干擾的抬升，提高信號傳輸的質量和可靠性，克服無線直放站的干擾問題。

3 GPP確定R10版本中繼技術包含帶內中繼（inband relay）和帶外中繼（outband relay）兩種類型。

（1）帶內中繼

帶內中繼指接入鏈路（中繼站與終端之間）與回傳鏈路（中繼站與基站之間）采用相同頻率進行傳輸的中繼形式，如圖8所示，中繼站采用相同的頻率與基站、終端進行數據交互。當采用硬件實現技術將中繼站的收發天線隔離度做得足夠大時，中繼站可以在相同的頻帶上同時進行收發；當中繼站的收發天線隔離度不夠時，中繼站在兩段鏈路采用相同的頻帶進行收發需要在時間上進行隔離，即中繼站需要在不同的時間段分別與覆蓋下的終端和所附著的宏基站進行通信。

圖8 帶內中繼示意

需要特別指出的是，在LTE系統中，雖然帶內中繼的回傳鏈路與接入鏈路可以共享一條射頻通道，但由于LTE上下行采用不同的傳輸體制，如下行OFDMA、上行SC-FDMA，因此中繼站需要分別為回傳鏈路與接入鏈路設計不同的基帶處理模塊。

（2）帶外中繼

帶外中繼指接入鏈路與回傳鏈路采用不同頻率的中繼形式，如圖9所示，由于頻帶隔離的原因，中繼站可以在同一時間進行全雙工收發。因此，帶外中繼一般較帶內中繼具有更高的鏈路容量，回傳鏈路設計可不考慮對接入鏈路的影響，且系統設計和實現簡單。

圖9 帶外中繼示意

3.4.2 產業現狀

中繼技術可以提供無線回傳，實現快速、靈活的部署，應用于補盲或者補熱場景，目前個別系統廠商已開發出面向商用的中繼產品并進行了相關驗證，測試結果表明中繼可以明顯改善室外宏基站弱覆蓋區域的信號質量和上下行吞吐量，并且在特定外場條件下可以提升宏基站的覆蓋距離50%（約600 m），起到了明顯的覆蓋拉遠增強作用。其他系統廠商預計在2014年可以推出中繼產品以滿足不同部署需求。

3.5 網絡自組織增強方案

3.5.1 需求及技術原理

隨著通信技術的快速發展，移動通信網絡變得越來越復雜和龐大。對于運營商來說，在使用新技術的同時，如何降低基礎設施建設費用（CAPEX）以及網絡運營費用（OPEX），是一個巨大的挑戰。在這一背景下，NGMN（Next Generation Mobile Network）組織和3GPP提出了自配置自優化網絡的需求，目標是通過實現網絡自配置、自維護和自優化，降低操作維護開銷、減少人為操作、提高網絡性能。

自配置自優化網絡是指網絡自身能夠探測環境信息并由此做出自主決策，擁有自配置和自優化功能的通信網絡技術。網絡技術能夠有效地檢測并解決網絡異常情況，自動適應網絡變化，是解決未來網絡規劃優化工作、提高網絡服務質量、大幅降低網絡建設和維護成本的有效途徑。目前無線側自配置自優化功能主要包含基站自配置與網絡自優化兩部分，其中基站自配置包括：基站自啟動、物理層小區標識（PCI）自配置以及鄰小區自配置（ANR）；網絡自優化包括：隨機接入參數優化、LTE網絡內部及跨RAT移動頑健性優化、LTE網絡內部及跨RAT移動負載均衡優化、網絡節能優化以及最小化路測。

此外，在以上研究的基礎上，3GPP進一步提出了基于終端分類（如終端速度等方面)的移動頑健性、移動負載均衡優化功能以及小小區（small cell）等場景中的自組織增強功能研究。

持續不斷地降低網絡運營成本和維護復雜度是運營商的長期目標。通過引進自配置、自優化等機制，可以提高網絡性能和質量，同時節省建設和運營成本，提高網絡利潤率。因此，網絡自配置自優化技術的發展包含技術與市場兩方面的驅動力。

3.5.2 產業現狀

由于不同SON功能在3GPP不同版本中定義，因此廠商支持時間有差別。該功能可以顯著提升網絡優化、網管維護的效率，目前主設備廠商已經具備支持SON功能中的PCI、ANR及MDT能力，終端預計2014年獲得支持。

3.6 增強型小區間干擾協調技術

3.6.1 需求及技術原理

宏基站網絡中引入同頻微基站小功率傳輸節點后形成異構網絡，宏微基站間的干擾不僅存在于數據域，而且存在于控制域，如果控制域的干擾無法合理控制，部分受干擾嚴重的終端將難以有效接收控制信息，從而降低網絡性能。

R10標準化引入的增強型小區間干擾協調技術就是采用時域干擾協調方案解決宏基站、微基站和微微基站等多種基站進行混合組網時小區間的控制信道和數據信道的干擾問題，但eICIC功能無法規避同步信道、CRS等信道的干擾。因此，R11標準化引入FeICIC，基站將鄰區信息發送至終端，終端進行干擾抑制處理，從而進一步減少異構網絡中宏微基站之間的干擾。

3.6.2 產業現狀

目前由于宏微基站主要采用異頻組網，因此宏微基站之間的干擾并不強烈，預計部分系統廠商將在2014年支持該功能并可進行相關測試。

4 結束語

本文從現網發展需求出發，介紹了LTE的演進技術——LTE-A，介紹了載波聚合、多天線技術演進、協作多點傳輸、中繼、增強型小區間干擾協調、網絡自組織增強方案等未來LTE-A增強型關鍵技術的基本原理與產業現狀。新技術的引入，對于解決未來多頻段、多站型、多系統等復雜環境下的混合組網面臨的資源需求、覆蓋及容量問題、性能與速率提升、高干擾控制等提供了堅實的保障。但功能引入需要綜合考量技術發展與產業現狀等多方面因素，分步驟、分階段地適時引入LTE-A新功能。

1 金婧.LTE-Advanced系統中多天線協作研究.北京郵電大學博士學位論文，2011