時分長期演進上行協作多點技術原理與實踐

中國移動通信集團江蘇有限公司無錫分公司 羅一民 馮新華 楊錫繼

0 引言

在LTE（長期演進）系統中，OFDM（正交頻分復用）技術和MIMO（多輸入多輸出）技術通過把高速率的數據流分成若干低速率的數據流，調制到一組正交的子載波集上進行傳輸，可以有效地消除小區內的干擾。但是在實際應用中，為了獲得更高的頻譜利用率，TD-LTE（時分長期演進）系統采用了同頻組網的方式，使得位于小區邊緣的用戶將接收到來自相鄰小區的同頻干擾，嚴重限制了邊緣用戶的服務質量和吞吐量，并且OFDM技術無法有效地消除小區間干擾。為此，3GPP（第3代伙伴計劃）在提出了很多新的關鍵技術，協作多點（CoMP）傳輸技術就是其中之一。CoMP無論是在上行還是在下行，都可以提高系統性能，尤其是改善小區邊緣頻譜效率及性能。雖然CoMP增加了系統的復雜性，但能顯著提高容量和覆蓋增益，有效減小小區間干擾。

1 CoMP原理介紹

1.1 CoMP技術概述

協作多點（CoMP）傳輸技術是指協作的多點發射/接收技術，這里的多點是指地理上分離的多個天線接入點。它是利用光纖連接的天線站點協同在一起為用戶服務，相鄰的幾個天線站或節點同時為一個用戶服務，從而提高用戶的數據率。協作多點通信系統模型見圖1。

CoMP技術通過移動網絡中多節點（基站、用戶、中繼節點等）協作傳輸，解決現有移動蜂窩單跳網絡中的單小區單站點傳輸對系統頻譜效率的限制，更好地克服小區間干擾，提高無線頻譜傳輸效率，提高系統的平均和邊緣吞吐量，進一步擴大小區的覆蓋。

1.2 CoMP功能核心思想

目前TD-LTE網絡拓撲結構的主要問題是：基站的交界處存在干擾和覆蓋質量下降的問題，導致終端在小區切換部位的性能較差。CoMP核心思想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。對于上行CoMP，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作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。上行多點協同傳輸原理見圖2。

1.3 CoMP分類

按照進行協調節點之間的關系，CoMP主要分為站內協作（intra-site CoMP）和站間協作（inter-site CoMP），見圖 3。

1）同站協作（intra-site CoMP）：協作發生在一個站點內，此時因為沒有回傳容量的限制，可以在同一個站點的多個小區間交互大量的信息。且只需考慮eNB（演進節點B）的處理時延，處理時延短得多，由于不用通過X2接口來交換復雜的協作信號，在站點間協作過程中就沒有額外的開銷。

2）站間協作（inter-site CoMP）：協作發生在多個站點間，由于在協作eNB之間需要共享調度信息、動態的信道信息及用戶數據，且X2接口存在時延，因此共享的信息并不能反映即時的狀態，同時由于傳輸過程中需共享各種信息就引入了開銷問題，對回傳容量和時延提出了更高要求。

所以站間協作受到了X2接口承載能力及時延的限制，相比站點間協作，站內協作能獲得較大的聯合傳輸增益和網絡吞吐量，并且頻譜利用率也得到提高。

1.4 上行CoMP功能算法原理

由于下行CoMP功能實現涉及終端和網絡設備，功能實現較復雜；而上行CoMP功能只需對基站檢測算法進行改進，無需對終端進行改動即可實現提升小區上行吞吐率。且目前TD-LTE系統上行速率受限于終端發射天線數量。因此，實現上行CoMP功能對提升TD-LTE網絡性能意義重大。

上行CoMP功能通過協作簇內的多個小區對終端上行信號進行聯合接收和處理，抑制小區間的干擾，并獲得有用信號的接收分集增益，提高系統抗干擾能力。協作簇見圖4。

系統對協作簇接收的信號進行MMSE（最小均方誤差）檢測，采用多天線接收合并算法〔MRC（最大比合并）或IRC（干擾抑制合并）〕，進一步消除干擾。

試驗仿真結果顯示：基站2天線配置下，在開啟上行CoMP功能后，小區邊緣用戶的增益明顯高于小區中點獲得的增益。2天線上行CoMP可帶來37%的平均增益，而邊緣增益到達99%，其中2個小區參與的協作簇增益較明顯。

2 上行CoMP功能規模實驗網應用

2.1 功能應用背景

隨著TD-LTE的大規模試驗組網，小區密集程度越來越高，同頻組網模式帶來的干擾問題成為抑制容量的主要瓶頸，尤其是小區邊緣網絡性能受限。

根據TD-LTE規模試驗網測試數據統計，密集城區的站間距300～500m，小區間干擾嚴重。

通過對鄰區數量分布統計，88.7%的概率可以檢測到1個或多個鄰區，最多可檢測到6個鄰區信號，有34.2%的概率檢測到同站鄰區。

2.2 上行CoMP功能規模試驗網測試

從仿真結果和現網鄰區統計結果可知，同站2個鄰區作為上行CoMP協作簇獲得增益較高，無需通過X2接口進行協作。同站上行CoMP（intra-siteCoMP）功能利用站內基帶設備實現上行信號的聯合處理，提高上行吞吐率和頻譜效率。

2.2.1 測試環境

在規模TD-LET試驗網中，選取PCI（物理小區標識）為124和PCI為125為同站協作簇小區，進行上行CoMP功能測試。該站點為D頻段兩天線基站，RRU（射頻拉遠單元）發射功率為2×20W，上下行時隙配比1∶3，頻譜帶寬10MHz，與周邊基站間距500m左右。測試區域為低矮居民樓場景。

2.2.2 遍歷測試

在周邊站點無加擾和有加擾兩種狀態下進行遍歷測試，對比分析服務小區在不同的RSRP（參考信號接收功率）電平區間段內，與協作小區RSRP在不同的電平差值下獲得的增益情況，見圖5。

將服務小區的電平區間分為2個區間，低于－95 dbm定義為弱覆蓋區域，從電平強度上反映終端所處的位置，得出上行CoMP功能開啟后上行吞吐率的增益。

1）在無加擾環境下，上行CoMP增益為20%～40%。在RSRP高于－95dBm的區域上行吞吐率已經達到峰值，故上行CoMP增益很小；在弱覆蓋區域內上行CoMP有更高增益。

2）在加擾環境下，干噪比（IoT）等于12.5 dB，上行CoMP增益為50%～140%。上行CoMP表現出較強的抗干擾特性，由于沿兩協作小區邊界徑向測試，因此在強覆蓋區域也有20%左右增益，上行CoMP增益與加擾UE（用戶設備）的位置相關性較大。

2.2.3 切換帶測試

小區切換帶測試方案見圖6。由上面遍歷測試結果，在信號覆蓋較強的區域內，上行CoMP功能帶來的上行吞吐率增益較小。為進一步分析上行CoMP功能的應用場景，定點考察評估小區邊緣獲得的增益，選取小區切換帶進行測試。

2個UE放置在同一個小區內，同時在協作小區內增加UE進行加擾。UE1和UE2在切換帶內移動位置，在不同的位置對比開啟上行CoMP功能前后上行吞吐率的提升。

在有加擾的情況下，切換點CoMP功能帶來的上行吞吐率增益均達到100%，尤其是在弱覆蓋點。

3 結論

通過對上行CoMP功能的理論分析和現場功能驗證，該功能能有效提升上行吞吐率，特別是小區邊緣。

1）在無加擾場景下，上行CoMP在聯合覆蓋區域可獲得20%～40%的上行吞吐率增益，信號較差點處增益較大，信號好點處增益較小；在上行加擾場景下，上行CoMP在聯合覆蓋區域可獲得50%～140%的上行吞吐率增益，增益與加擾場景和測試路線有關，上行CoMP表現出較強的抗干擾性能，在強信號覆蓋區域也會獲得CoMP增益，因此推論在同站協作小區的聯合覆蓋區域，可獲得較大CoMP增益。

2）在小區邊緣切換區域，CoMP可以獲得平均100%的增益，特別在弱覆蓋區域內，能明顯改善弱覆蓋現象。

3）上行CoMP增益不以犧牲鄰站資源利用率為代價，協作小區中的所有UE都可以獲得上行CoMP增益。

TD-LTE系統采用同頻組網模式，如何降低干擾給網絡性能帶來的影響是網絡優化面臨的巨大挑戰，上行CoMP技術能有效抵抗網絡干擾，擴大小區覆蓋范圍，提升用戶的網絡感知。 ◆