LTE标准化演进及R10版本关键技术分析

麻倩 马涛

摘 要：LTE是3GPP的长期演进计划，致力于未来10年的应用，以OFDM为核心技术。LTE标准在3GPP R8引入，目前R8、R9、R10阶段已经冻结。3GPP R10阶段即LTE-Advanced（4G），引入了一些重要的增强功能，使无线网络性能得到大幅度提高。本论文先简要介绍LTE标准化演进，其次对我们所说的4G即LTE R10版本引入的关键技术，包括载波聚合（CA）、无线中继（Relay）等关键技术进行分析。

关键词：LTE；标准化；LTE-A LTE；R10关键技术

1 前言

移动通信从2G、3G到3.9G，是从移动语音业务到高速数据业务发展的过程。伴随GSM等移动网络在过去的二十年中的广泛普及，语音通信业务获得了巨大成功。基于CDMA的第三代移动通信网络可以提供更多样化的通信和娱乐业务，降低无线数据网络的运营成本。但这也仅仅是往宽带无线技术演进的一个开始。LTE技术的产生受到了业界的广泛关注。这种以OFDM为核心技术的3G演进系统，支持1.25-20MHz可变带宽，上、下行峰值速率分别达到50Mbps、100Mbps，频谱效率达到3GPP R6的2-4倍；在系统架构上采用全IP的方式，通过QoS机制保证实时业务的服务质量；提高小区边缘用户的数据速率等。截止2013年1月，GSA统计已经有66个国家的145家运营商推出了商用LTE服务。

2 LTE标准化演进

LTE是Long term Evolution的简称，又称E-UTRA/E-UTRAN，和3GPP2 UMB合称为E3G（Evoled 3G）。LTE的最初提出是为了抗衡WiMAX技术。LTE/LTE-A标准发展如下所示：

2004年12月：3GPP通过LTE Study Item立项申请；

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

2007年11月：3GPP正式通过TD-LTE帧结构方案；

2008年12月：第一个可商用的LTE R8版本系列规范发布；

2010年4月：LTE R9版本发布（ASN.1冻结）

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

2008年3月：3GPP启动LTE-Advanced研究（SI）；

2009年9月：LTE-A作为IMT-Advanced技术天提交到ITU；同时3GPP启动LTE-A WI（R10版本）；

2009年9月：中国向ITU提交了TD-LTE-Advanced，被采纳为IMT-Advanced候选技术之一；

2010年9月：ITU WP5D#9会议通过了6个候选技术提案都满足ITU-R规定的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版本关键技术分析

3.1 载波聚合

为了满足单用户峰值速率和系统容量提升的要求，一种最直接的办法就是增加系统的传输带宽。因此LTE-Advanced系统引入一项增加传输带宽的技术，也就是CA（Carrier Aggregation，载波聚合）。CA技术可以将2～5个LTE成员载波（Component Carrier，CC）聚合在一起（R10只支持2载波），实现最大100MHz的传输带宽，有效提高了上下行传输速率。终端根据自己的能力大小决定最多可以同时利用几个载波进行上下行传输。

CA功能可以支持连续或非连续载波聚合，每个载波最大可以使用的资源是110个RB。每个用户在每个载波上使用独立的HARQ实体，每个传输块只能映射到特定的一个时隙上。每个载波上面的PDCCH信道相互独立，可以重用R8版本的设计，使用每个载波的PDCCH为每个载波的PDSCH和PUSCH信道分配资源。也可以使用CIF域利用一个载波上的PDCCH信道调度多个载波的上下行资源分配。

3.2 增强的干扰协调

随着LTE网络的部署和发展，未来网络构成是由多制式、多种功率等级的基站构成的异构网络（Heterageneous Network，HetNet）。在异构网络中，各种功率的基站间必然会存在干扰问题，传统的ICIC技术是解决LTE系统中干扰的一种方法，通过如软频率复用、控制下行发射功率等方式可以缓解同频宏网络部署时小区间的干扰问题，但是它不能解决异构网络下的干扰问题。因此在LTE-A中，提出增强的干扰协调技术（Enhanced ICIC，eICIC），目的是解决异构网络场景下的各种复杂干扰问题。

下图是异构场景下的干扰场景分析。对于图中a场景中，宏网络用户处于CSG小区的覆盖范围内，因为没有权限接入到CSG小区中而受到HeNB小区较强的下行干扰。b场景中，因为使用偏置使距离宏网络更近的小区用户驻留在Pico小区中，这些用户会受到宏网络较强的下行干扰。

目前增强的干扰协调技术主要有基于非CA和基于CA的两种解决思路。对于基于非CA的eICIC技术，主要是使用TDM的方式来解决共信道干扰问题，包括使用几乎全空的子帧（Almost Blank Subframe，ABS），时间偏移，符号偏移等多种方法。对于基于CA的eICIC技术，可以利用CIF域进行载波间的交叉调度方式将不同的控制信息调度在不同的载波上以减小控制信道的干扰问题。对于数据信道，可以使用下行干扰协调机制。

3.3 无线中继技术

为了获得3GPP LTE-A制定的高速无线宽带接入设计目标，LTE-A技术引入了无线中继（Relay）技术。Relay技术中，终端用户可以通过中间接入点中继接入网络来获得宽带服务。这种技术可以减小无线链路的空间损耗，增大信噪比，进而提高边缘用户信道容量。3GPP从R9版本开始对Relay技术进行研究，在R10版本对其进行标准化、经过长期的讨论，3GPP根据中继的策略对Relay进行了如下分类：

（1）Type 1 Relay：Type 1 Relay可以独立控制某个小范围区域内的终端，具有独立的小区标识和无线资源管理机制。从终端侧来看，Type 1 Relay就是一个常规的eNodeB。

（2）Type 1a Relay：Type 1a Relay具备Type 1 Relay的大部分特征，但其Relay与终端之间的接入链路和eNodeB与Relay之间的回程链路使用的频谱是不同的。

（3）Type 1b Relay：Type 1b Relay也具备Type 1 Relay的大部分特征，但其Relay与终端之间的接入链路和eNodeB与Relay之间的回程链路使用的是相同频谱。该类Relay通过接入链路和回程链路的物理隔离，来实现Relay同时工作在两条链路上而不发生相互干扰。

（4）Type 2 Relay：Type 2 Relay具有独立的物理层、MAC层、RLC层等功能，具有独立或部分RRC功能。由于Type 2 Relay没有自己独立的小区，也不具备独立的PCI，其独立控制功能受控于eNodeB，即Type 2 Relay仅发送PDSCH，但不发送CRS和PDCCH。

3.4 多点协作传输与接收

LTE-A系统中引入了多点协作传输与接入技术（CoOrdinated Multi-Point transmission and reception，CoMP），主要目的是消除小区边缘处的小区干扰，提高边缘用户的传输速率。LTE系统中同频组网是主要的组网方式，小区间干扰成为影响小区边缘用户性能的主要因素。CoMP技术可以将干扰信号转化为有用的传输信号来提高边缘位置处的用户使用体验。CoMP技术可以分为下行和上行。

3.4.1 下行CoMP

下行CoMP的实现方式分为联合处理（Joint Processing，JP）和协作调度/波束赋形（Coordinated Scheduling/Beamforming，CS/CB）两大类。

（1）联合处理：多个传输节点同时保存准备向用户传输的数据。

联合传输（Joint Transmission，JT）：同时从多个传输节点向用户传输相同的数据以达到提高信噪比的目的。

动态传输点选择传输（Dynamic Point Selection，DPS）：某一时刻只从一个特定传输节点向用户传输数据。

（2）协作调度/波束赋形：只有主服务传输节点保存准备向用户传输数据。

通过在传输节点间传递信息，多个传输节点联合决定CS/CB的调度方式。

根据协作小区是否隶属于同一个基站，CoMP又可分为基站内CoMP（Inter-site CoMP）和基站间CoMP（Intra-site CoMP）。对于基站内CoMP，协作是发生在同一个基站下的各小区之间，因此小区间可以交互大量的数据，而且小区之间信息的共享可认为是没有时延的。在分布式天线系统中，同一个BBU（Base Band Unit）下各个RRH（Remote Radio Head）之间的协作也可看做基站内CoMP。而对于基站间CoMP，小区间需要通过X2接口来交互大量的控制信息或用户数据，这对于X2接口的容量和时延提出了很高的要求。

为了支持下行CoMP的正常工作，需要终端进行特定的反馈。反馈信息需要包含多个传输点的信道状态信息，干扰信息以及测量信息。根据实现方式不同，可以通过显式、隐式的方式来反馈信道状态，TDD系统也可以通过终端发送SRS信号，基站利用信道互易性和CSI信息进行下行信道质量的估计。

3.4.2 上行CoMP

上行CoMP的实现方式和下行基本相似，分为联合接收（Joint Reception，JS）和协作调度（Coordinated Scheduling，CS）两类。

（1）联合接收：通过多天线接收某一终端的信号，这些天线可以位于不同的位置或不同的基站。

（2）协作调度：多个接收点进行信息交换，决定由哪个接收点为终端服务。

上行CoMP同样存在基站内和基站间CoMP的情况。对于非同一站址的情况，根据实现不同，对S1或X2接口的时延和容量都会有非常高的要求。

3.5 增强MIMO

要达到LTE-A提出的目标数据传输速率，需要通过增加天线数量以提高峰值频谱效率，即多天线技术，包括波束赋形和空间复用等。多天线技术是一种有效的提高系统容量和频谱利用率的方法。目前这方面最直接的方法是在基站站点上增加天线，即采用高阶的MIMO技术。

在LTE阶段可以做到在基站侧设置4个天线，终端侧设置4个接收天线和1个发射天线，这样只能做到下行4x4、上行1x4。

为了进一步提高峰值频谱效率，LTE-A中的空间维度进一步扩展，并且对下行多用户MIMO进一步增强。具体来讲，基站侧将增加到8天线，终端侧增加到8个接收天线和4个发射天线，这样就可以做到下行8x8、上行4x8，从而进一步提高了下行传输的吞吐量和频谱效率。此外，LTE-A下行支持单用户MIMO和多用户MIMO的动态切换，通过增强型信道反馈和新的码本设计进一步增强了下行多用户MIMO的性能。

4 小结

作为LTE的平滑演进，LTE-A能够保持与LTE良好的兼容性；提供更高的峰值速率和吞吐量，下行的峰值速率为1Gbit/s，上行峰值速率为500Mbit/s；更高的频谱效率，下行提高到30bit/s/Hz，上行提高到15bit/s/Hz；支持多种应用场景，提供从宏蜂窝到室内场景的无缝覆盖。R10版本引入几项技术，载波聚合通过已有带宽的汇聚扩展了传输带宽；MIMO增强通过空域上的进一步扩展提高小区吞吐量；CoMP通过小区间协作，提高小区边缘吞吐量；Relay通过无线的接力，提高覆盖。通过上述关键技术的引入，LTE-A能够充分满足或者超越IMT-A的需求，成为未来通信的领跑者。

[参考文献]

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[4]王可.LTE及LTE-Advanced标准介绍.大唐电信.

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