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来源: 作者: 2019-03-13 13:17:36

作者:爱立信(中国)通信有限公司 赵铁

一、引言

3GPP长期演进(LTE)是一个具有高度灵活的无线接口的下一代无线络标准,计划在2009年部署。目前已初步达到预期目标。3GPP的工作重点自LTE标准发布后正逐步转向对LTE的进一步演进的研究,该标准被称为LTE-Advanced。

该标准的一个目标是达到甚至超过由ITU-R定义的IMT-Advanced的需求。这些IMT-Advanced的需求将在性能和容量等方面比现有的移动通信系统(包括LTE)有显著增强。本文讨论一些LTE-Advanced中的关键技术。

二、LTE-Advanced的需求

3GPP在2008年3月启动了LTE-Advanced研究项目。项目任务包括界定LTE- Advanced的需求和研究演进技术的组成,以满足ITU定义的所有的IMT-Advanced的要求。

作为一个LTE演进的标准,LTE-Advanced应向后兼容,即应该能在已被LTE占用的频谱上部署LTE-Advanced,同时对现有的LTE终端没有影响。这种频谱兼容性对于平滑的、低成本的过渡到LTE-Advanced络至关重要。

除了对向后兼容的要求,LTE-Advanced应当满足甚至超过由ITU-R定义的IMT-Advanced在容量、传输速率和低成本部署等方面的需求。这包括下行峰值传输速率高达1Gbit/s, 上行达500Mbit/s。然而,比峰值速率更重要的是在小区的大部分区域提供高速数据速率的可能性。

三、LTE-Advanced的技术构成

当前蜂窝系统(如LTE)的链路性能已经相当接近Shannon极限。从纯链路预算的角度来看,LTE-Advanced所要求的非常高的数据速率需要一个非常高的信噪比来保证,这往往高于通常无线络所能提供的信噪比。因此有必要通过寻求一些方法来改善信噪比。

下面部分简单介绍了LTE-Advanced的一些基本技术。

1.更宽频段的传输和频谱共享

LTE可工作在不同的频谱带宽上,带宽范围从1.4MHz左右到高达20MHz(可提供最高300Mbit/s的数据传输速率)。LTE支持频分双工(FDD)和时分双工(TDD)。在TDD操作模式下,LTE完全兼容目前的3GPP TS-SCDMA无线接入技术。

图1 载波聚合举例

LTE-Advanced的极高的目标峰值速率只有在增加传输带宽后才能实现,高达100MHz的载波带宽是LTE-Advanced的一个特色。同时,这样的带宽扩展也保证了在前面讨论的频谱兼容性。这个带宽扩展可以通过所谓的载波聚合(carrier aggregation)实现,即多个LTE“载波分量”在物理层聚合从而提供所需的带宽。载波聚合所图1所示。对于一个LTE的终端,每个载波分量将被视为一个LTE载波,而一个LTE-Advanced终端可以利用全部带宽。

图1所示为连续的“载波分量”聚合的情形,然而,实际情况是,运营商并不是总能获得大量的连续频谱(如100MHz)的。因此,LTE-Advanced允许将非连续的“载波分量”聚合,以应对不能获得大量连续频谱的情况。应当指出的是,不连续的“载波分量”从实施的角度来说是一个很大的挑战。因此,虽然基本规范将支持频谱聚合,但实际执行将受到严格限制。

对于能够接收多个“载波分量”的LTE-Advanced终端,同步信号和广播信道只要存在于其中一个“载波分量”就够了。因此,运营商可以通过启用/禁用同步信号,控制频谱的哪一部分可让LTE终端接入。载波聚合使用与否以及将哪些“载波分量”聚合,这些信息是通过系统信息提供给LTE-Advanced终端的。

最后,请注意,从峰值速率的角度来说更高的传输带宽是有用的,但作为一个扩大平均速率覆盖的工具,更高的传输带宽也许尤为重要。例如,在LTE系统中为获得一个高速数据速率而需要更高阶的调制和/或更高的编码率,这往往会受限于无线环境而无法达到。但通过使用更高的带宽,相同的数据速率可能通过高效的QPSK调制和/或较低的编码率获得。

2.多天线解决方案

多天线技术,包括波束赋形和空间复用,是组成LTE的关键技术。可以预计它将是LTE–Advanced中的一个重要部分并发挥更重要的作用。目前LTE的多天线设计支持多达4个天线端口,在下行方向配置小区特定的参考信号,并使用基于码本的预编码技术。这种结构同时支持多达4个空间复用层(这意味着峰值数据速率可达300 Mbit/s)和基于码本的波束赋形。结合100MHz的带宽,目前LTE的空间复用方案可使峰值速率高达1.5 Gbit/s,远远超过LTE-Advanced的要求。

下行支持的传输层数超过4层是有可能的,这可作为通过扩大带宽来提高峰值速率的补充手段。然而,对单个终端来说,较大层数的空间复用主要是用于高信噪比情况(即靠近基站)或特定情况,如比较小的小区或固定无线的部署。同时,新标准中更重要的目标是提高更大区域的数据传输速率。因此,对可提高接收机信噪比的波束赋形的改进以及在波束中使用空间复用,在很多情况下比单独增加传输层数目更重要。在使用超过4个天线的情况时,结合小区特定参考信号的基于码本的波束赋形可能会导致过多的开销。因此对于LTE–Advanced来说,使用UE专用参考信号可能更有吸引力。

3.协同多点传输

协同的多点发送/接收(CoMP)可以如图2所示部署,此方法将基带处理放在一个节点中,而多个天线分散在不同的地理位置上。这意味着在下行方向多个传输点的发射是需要协同进行的。这种新的传输策略有效地改善了系统的覆盖和容量。

在目前的络中,多个地理上分散的天线连接到一个中央基带处理单元这种络建设的方法作为控制成本的有效手段已被广泛使用。这样的结构开辟了新的传输策略。

图2 协同多点传输

4.中继技术

从链路预算的角度来看,提供密集的络架构的可能方法是部署不同类型的中继解决方案。从本质上讲,这种架构的目的是减少发射机和接收机间的距离,从而获得更高的数据传输速率。根据应用场景的不同,可使用不同类型的中继解决方案。

直放站只是简单地放大并转发所收到的模拟信号,在今天已被广泛地用于处理覆盖漏洞。传统直放站一旦安装,将会不断地转发接收到的信号而不论是否有终端在其覆盖范围内。这种直放站对于终端和基站是不可见的。然而,我们可以考虑更先进的直放站结构(“层一中继”),例如络可以控制直放站的发射功率,只有当用户出现在直放站控制的区域才启动该直放站,从而增加该地区所支持的数据速率。

终端发送的附加测量报告可作为指导络控制开启直放站的手段。然而,调度和重传控制总是在基站中实现,因此从移动性的角度来看直放站是透明的。

中间节点也可以对任何接收到的数据在转发到用户之前进行解码和重新编码。这通常被称为解码转发中继。中间节点的这种操作会引入显著的延迟,延迟大于LTE 1毫秒的子帧时长。但是,使用这种操作没有噪声会被中继节点转发并且速率适配可针对每一个链路单独执行。至于直放站,根据支持的功能存在许多不同的选择(例如支持超过两跳,支持状结构)。但从高层来看有两个基本的类型,即转发是在第2层执行(通常记为层二中继)还是在第3层执行(通常记为层三中继或自回程)。虽然它们的基本特征非常相似,(例如它们都引入了延误,都没有噪声放大),但自回程解决方案不需要任何新的节点,且协议或接口规范与现有解决方案是重复使用的,因而优于层二中继。

四、性能评估

为了评估LTE–Advanced的一些技术的潜力,按照ITU规定的评估场景对其进行了一些系统级的性能评测。对使用CoMP的系统的下行用户数据速率和系统容量与传统系统进行了比较。对于下行传输,使用了线性迫零波束赋形和非线性编码的组合。上行传输的调度,不同的终端是相互独立的,并且使用了干扰抑制和消除的接收器处理技术。最后,由于下行CoMP系统的性能很大程度上依赖于协同eNodeB所获得的信道估计的准确度,因此对eNodeB中信道估计的不同精度分别进行了研究。

评估结果显示,与LTE系统比较,使用载波聚合、协同多点传输、CoMP和中继技术并结合多天线解决方案的系统能获得显著的性能增益,小区边界处和小区内激活无线链路的平均频谱效率远大于传统系统,且协同的小区数目越多系统增益越大。

参考文献

[1] 3GPP TR 25.814 Physical layer aspect for evolved Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) 3GPP TS 36.300 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRAN); Overall description; Stage 2

[2] 3GPP TR 36.913, “Requirements for Further Advancements for EUTRA”

[3] HSPA to LTE-Advanced, Rysavy Research / 3G Americas, September 2009

[4] Ericsson Internal Documents

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