TD-LTE网络上行CoMP方案研究与外场试验*

王启星，何丽峰，郑 毅，胡臻平，刘光毅，林 兴，李 蕾，Peter Butovitsch

（1.中国移动通信有限公司研究院 北京100053；2.中国移动通信集团江苏有限公司 南京210029；3.爱立信（中国）通信有限公司 北京100102）

1 引言

经过两年多的规模试验，TD-LTE网络逐渐走向成熟，并在部分城市进入试商用阶段。随着越来越多的用户终端（UE）进入网络，网络负荷不断加重，小区间干扰问题也日益显现出来。

与传统2G、3G网络采用异频组网方式不同，LTE采用同频组网，大幅提高了频谱利用效率。LTE采用下行OFDM/上行SC-FDMA作为基本传输技术，小区内的不同用户采用正交的子载波传输业务，基本避免了小区内用户之间的干扰，但是相邻小区都采用同一频点部署，来自邻区相同传输资源上的信号会干扰本小区内的用户，造成信道条件恶化，用户速率下降。如何避免和消除小区间的干扰，成为LTE研究的重要课题。

多小区协作（coordinated multi-point processing，CoMP）是目前学术界和产业界研究的热点，通过相邻多个小区之间进行协作，可以有效地将干扰转化为有用信号，改善传输信道质量。其中上行CoMP是基站侧功能，可以通过基带升级的方式实现，无需对现有终端进行改动，因此可以在现网中提前引入，以提升LTE基站上行接收能力。

本文首先根据TD-LTE规模试验中的测试数据分析网络中的小区间干扰问题，并介绍上行CoMP的系统模型和几种实现方案，最后结合上行CoMP预商用平台外场试验的测试结果，重点分析上行CoMP的性能。

2 TD-LTE网络小区间干扰

在TD-LTE规模试验中，通过终端软件可以查看TD-LTE终端检测到的小区情况。在中国移动通信有限公司（以下简称中国移动）某地规模试验网中，通过拉网测试统计终端同时检测到的小区数目情况，考虑到一些邻区信号很弱或者很不稳定的情况，只考虑RSRP（参考信号接收功率）低于主小区10 dB以内的邻区，统计结果如图1所示。在站间距为300～500 m的密集城区覆盖区域里，终端有71.8%的概率会检测到1个或多个（甚至可以检测到6个）邻区。

图1 规模试验中终端检测到邻区数量统计(邻区RSRP低于主小区10 dB以内)

对于同站3个小区，通常采取扇区化技术将不同小区设置成不同的朝向，但是在扇区的边缘，为了保证覆盖，不可避免地存在重叠覆盖区域。根据图2所示的统计数据，终端存在30.1%的概率可以检测到来自同站邻区的信号。同时还可以看到，只有1.4%的概率可以同时检测到同站3个小区的信号，这是由于3个小区分别打朝向不同的方向，几乎不可能有同站3个小区的重叠覆盖区域，之所以出现这种情况可能因为其中某个小区的信号是通过建筑物反射过来的。

图2 规模试验中终端检测到同站邻区数量统计(邻区RSRP低于主小区10 dB以内)

由于目前商用终端只支持单天线发送上行信号，因此无法实现上行的波束成形，上行信号在空间处于发散状态。终端上行发送的信号可能同样会被多个邻区接收到，形成上行干扰。尤其对于位于小区边缘的用户，为了保证其上行信号被主服务小区接收到，往往采用功率控制技术提高上行信号的发送功率，但同时也对相邻小区采用相同传输资源的用户造成了较强的干扰。根据试验结果统计，在网络中模拟多用户上行加扰后，主小区边缘用户上行吞吐率下降超过60%。

3 上行CoMP系统模型

多小区协作技术被认为是解决小区间干扰的有效手段，也是LTE-Advanced标准化中的重点研究课题之一[1]。对于上行CoMP，在基站侧对多个天线接收到的上行信号进行联合处理，对终端功能没有要求，因此可以不需要标准定义，在TD-LTE现网中通过基站功能升级提前支持上行CoMP，以解决小区间干扰问题，提升网络性能。

3.1 系统模型

上行CoMP的系统模型如图3所示。在非协作的系统中，每个小区单独处理各自小区内的UE信号，UE上行信号会对邻区造成干扰，使得邻区在相同资源上传输业务的UE上行信道质量下降；而在协作系统中，UE信号通过多个小区的天线进行接收，并传回基带进行合并处理，UE上行信号对于邻小区不再是干扰，反而可以作为有用信号利用起来，获得合并增益。由于需要进行信号联合处理，参与协作的多个小区需要交互接收到的上行信号，因此需要支持小区间基带数据传输，对于共基带的多小区系统（比如同站3个小区或C-RAN架构[2]），可直接在基带处理板上通过高速数据接口传输。

图3 非协作系统与上行CoMP系统模型

3.2 上行CoMP方案

对于上行CoMP接收算法，主要有两种可行的实现方案，以2天线系统2个小区协作为例，信号处理流程分别如图4所示的方案1[3]、方案2[4]。

方案1中协作的2个小区对接收到的上行信号进行联合MMSE检测，称为联合均衡（joint equalization）。这种方案将多个小区内在相同资源块上传输的多个UE看成一个虚拟的多用户MIMO系统，对各自的信道进行估计并均衡，能够充分利用多个链路的信息获得分集增益，因此可以获得较高的性能增益，但是对硬件处理能力具有一定的挑战。

方案2中每个小区分别对用户信号进行MMSE检测，将均衡后的数据合并到一起进行软解调，称为联合软合并（joint soft-combining）。这种方案只需传输均衡后的数据，小区间交互数据量较小，对产品硬件架构改动较小。另外，该方案由于只对均衡后的数据进行软合并处理，解调复杂度相对也要低一些。但采用这种方案单独进行MMSE检测，不能对邻区的干扰进行有效消除，只能获得部分合并增益，性能提升有限。

对于共基带的BBU-RRU组网方式[5，6]，非常适合采用方案1的联合均衡技术来消除小区间干扰，提升用户上行速率。鉴于目前TD-LTE网络中同站3个小区通常都是共BBU的，根据上述的统计数据，对于同站CoMP协作，通常只需选择其中的2个小区进行联合处理，基带处理的复杂度也相对较低，因此可优先在同站3个小区之间引入上行CoMP功能。

3.3 仿真结果

在上述分析的基础上，本文采用方案1对2天线系统和8天线系统同站CoMP协作进行了仿真分析，仿真参数见表1。

表1 同站上行CoMP仿真参数

为了结合现网实际部署情况，仿真主要考虑下述3种不同的传输方式。

·1×2（SIMO）：UE单天线发送，基站2天线接收，每小区同一个资源块调度1个用户。

图4 上行CoMP系统的不同实现方案

·1×8（SIMO）：UE单天线发送，基站8天线接收，每小区同一个资源块调度1个用户。

·1×8（MU-MIMO）：UE单天线发送，基站8天线接收，每小区同一个资源块调度2个用户。

仿真结果如图5所示。可以看到在典型城市信道模型ITU-Umi场景下，对于2天线系统，上行CoMP可带来99%的小区边缘增益和37%的小区平均增益；对于8天线系统，由于通过8根天线同时接收可以获得很高的接收分集增益，因此在单用户传输时，上行CoMP后增益比较小，但是当系统支持上行MU-MIMO时，8天线系统仍有较大的性能提升空间。从仿真结果来看，8天线系统MU-MIMO通过上行CoMP可带来65%的小区边缘增益和38%的小区平均增益。

图5 同站上行CoMP仿真结果

4 上行CoMP外场试验

为了验证真实网络环境中上行CoMP的性能，研究团队在TD-LTE试验网中基于预商用平台开展了同站上行CoMP的外场试验。由于是同站CoMP协作场景，因此采用图4（a）中的方案1，并开启干扰抑制合并（IRC）的MMSE检测算法[7]，更好地抑制协作小区集合外的干扰信号。

4.1 测试场景

此次试验选择某城市密集居民楼场景，如图6所示。采用D频段2天线TD-LTE组网，站高约18 m。参与协作的两个小区为图6中的小区1和小区2。测试区域为两个小区交界处的重叠覆盖区域。为了模拟真实网络场景，在周围几个相邻的小区内共放置了9个加扰UE，同时开启上行业务。从主测小区1处观察到，模拟加扰使得上行干扰余量抬升12.5 dB，符合TD-LTE规模试验测试规范要求的上行加扰条件[8]。

图6 上行CoMP外场测试场景

4.2 测试结果

为了比较开启上行CoMP功能后对用户上行吞吐率的影响，测试时以小区1作为主测小区，测试终端在上述测试区域内进行遍历，并记录下各个位置的上行吞吐率均值。关闭和开启上行CoMP的上行吞吐率打点图如图7所示，可以看到，开启CoMP后上行吞吐率普遍提高。尤其在一些被楼房遮挡住的弱覆盖区域（见图7（a）的黑点区域），上行吞吐率得到显著提升，有利于改善弱覆盖区域的用户体验。

两个协作小区重叠覆盖区域内，按照主小区RSRP强度分区间统计的上行CoMP增益如图8所示。可以观察到，在信号覆盖较弱的区域（主小区RSRP小于-90 dBm），CoMP增益达到50%以上，部分区域增益超过100%；在信号覆盖较好的区域，由于存在较多的上行干扰信号使得这些区域内用户没有达到上行峰值速率，开启上行CoMP联合接收后也有一定的提升空间，测试结果表明在这些覆盖较好的区域可获得20%～50%的CoMP增益。随着未来网络中逐渐支持MU-MIMO、上行64QAM等高效率传输方式，预期上行CoMP可以在这些区域带来更高的性能改善，有利于提升好点处的用户吞吐率，释放更多资源给边缘用户，从而提升小区整体的平均吞吐率。

为了进一步分析主小区与邻小区信号相对强度与CoMP增益之间的关系，定义Geometry为主小区RSRP减去邻小区RSRP，不同Geometry下CoMP增益也统计在图8中。可以看到，当邻区RSRP强度和主小区接近时，这时终端位于两小区的边缘地带，可以获得较高的CoMP增益。另外在切换时，由于存在所谓的“乒乓效应”，当邻区信号强于主小区时，并不立即切换，而是当高于某个阈值并持续一定时间后才会切换，在这种场景下CoMP增益非常明显，如图8中Geometry≤-1的区域。

5 结束语

本文结合TD-LTE规模试验，对TD-LTE网络中的小区间干扰问题进行分析，介绍了上行CoMP的系统模型和几种实现方案，并通过外场试验验证了2天线系统同站协作的上行CoMP性能。测试结果显示，通过上行CoMP，小区边缘用户可以获得50%～100%的上行吞吐率增益，显著改善了由于邻区干扰造成的用户体验下降等问题。相比TD-LTE 8天线系统，2天线系统上行接收性能较弱，通过采用上行CoMP可以缩小其与8天线系统的差距。在一些由于条件限制无法采用8天线组网的站点，可以在2天线系统中引入上行CoMP功能，保证用户在覆盖区域内的平均业务体验。对于8天线系统，也可以通过上行CoMP进一步提升其接收性能，以更好地支持上行MU-MIMO以及上行64QAM等高效传输方式，大幅提高系统整体吞吐率。

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

2 王晓云，黄宇红，崔春风等.C-RAN:面向绿色的未来无线接入网演进.中国通信,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，郑迺铮，谈振辉.LTE-Advanced上行CoMP软信息合并接收算法.电信科学,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 中国移动通信有限公司.TD-LTE规模试验多邻区干扰测试规范（V1.5），2011