2022年面向未来移动互联网的TD-LTE-A技术 .pdf

学号： 08083766 姓名：王宏祥班级:网络 08-2 班名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 8 页 - - - - - - - - - 1. 引言随着数据通信与多媒体业务需求的发展，对无线通信系统的速率要求也越来越高。研究数据显示，移动互联网业务数据量按照年均131% 的速度持续增长，LTE系统的带宽支持能力及其性能指标已不足以满足未来510 年内移动互联网飞速发展的需求， 支持更大系统带宽、 更高峰值速率、 更高系统容量、 更小用户面和控制面时延需求的LTE-Advanced(LTE-A)技术孕育而生。LTE-A是 3GPP 为了满足 ITU IMT-A(4G)的需求而推出的 LTE后续演进技术标准，将 LTE升级到 4G不需要改变 LTE标准的核心，而只需在LTE R8版本基础上进行扩充、增强、完善。3GPP 从 2008年 4 月正式开始 LTE-A标准的研究和制定，最大可支持 100MHz的系统带宽，下行峰值速率超过1Gbps ，上行峰值速率达到500Mbps 。LTE-A 系统设计不仅需要满足性能，还要考虑对LTE 较好的后向兼容性，以降低运营商网络升级的成本。作为我国推广的3GTD-SCDMA的演进与发展， TD-LTE/TD-LTE-A成为我国对3G后移动通信技术发展中重点关注的内容。出于对 TD-SCDMA 后续演进技术的关注，中国公司主导了TD-LTE技术的国际标准化进程。 2009 年 10 月，中国政府正式向 ITU 提交了 TD-LTE-A作为 4G国际标准候选技术，并在今年的10 月份通过技术评估，作为LTE-A 的一个模式成为4G 国际主流技术。本文对TD-LTE-A涉及的关键技术和现状， 以及在未来移动互联网中的应用前景进行了探讨和分析。2.TD-LTE-A 增强技术为了满足3GPP为 LTE-A 制定的技术需求， TD-LTE-A 引入了上 / 下行增强MIMO(Enhanced UL/DL MIMO)、 协 作 多 点 传 输 (Coordinated Multi-point Transmission, CoMP) 、中继 (Relay) 、载波聚合 (Carrier Aggregation，CA)、分层网干扰协调增强 (Enhanced Inter-cell Interference Coordination ，eICIC)等关键技术。上/ 下行增强 MIMO 技术扩展了天线端口数量并同时支持多用户发送/ 接收，可充分利用空间资源，提高LTE-A 系统的上下行容量 ;CoMP技术通过基站/ 扇区的相互协作，有效抑制小区间干扰，可提高系统的频谱利用率; Relay技术通过无线回传有效解决覆盖和容量问题，摆脱了对有线回传链路的依赖，部署灵活方便 ;CA可提供更好的用户体验， 有效解决密集网络部署场景下的干扰问题; 分层网干扰协调增强可重点解决异构网络下控制信道的干扰协调问题，保证网络覆盖的同时有效满足业务QoS需求。TD-LTE-A 系统引入上述增强技术，可显著提高无线通信系统的峰值数据速率、峰值谱效率、 小区平均谱效率以及小区边界用户性能，有效改善小区边缘覆盖和平衡 DL/UL业务性能，提供更大的带宽和VoIP 容量，从而使 TD-LTE-A成为未来移动互联网发展的主流标准之一。TD-LTE-A增强功能可通过硬件 / 软件升级实现，保证 TD-LTE系统向 TD-LTE-A系统的平滑过渡和演进， 充分保持 TD-LTE-A对 TD-LTE的后向兼容性。2.1 多天线增强多天线增强是满足TD-LTE-A峰值谱效率和平均谱效率提升需求的重要途径名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 8 页 - - - - - - - - - 之一，可以进一步发挥TDD优势。为了满足ITU IMT-A 的需求， TD-LTE-A采用了高阶 MIMO 技术，即将 TD-LTE系统的下行 4 发 4 收、上行 1 发 4 收天线配置扩展到下行 8 发 8 收和上行 4 发 8 收。与 TD-LTE系统相比， TD-LTE-A系统多天线增强技术在实现方案上主要体现在以下几个方面，如图1 中所示： TD-LTE 系统受到 4 发天线配置的约束， 只能实现基于码本的2/4 天线预编码，而 TD-LTE-A下行高阶 MIMO 需要更大尺寸的码本设计，对于闭环MIMO 传输模式，预编码可基于8 天线双码本结构 2 实现，获得更大的复用增益; TD-LTE 系统只能支持单码字单流的波束赋型( 基于专用导频DRS解调的传输模式 7)，而 TD-LTE-A系统将 Rel-8 公共导频 CRS 在功能上进行划分，定义了新的信道状态信息测量导频CSI-RS和解调导频 DMRS3 ， 最大可支持 8阶 MIMO传输; 可支持多用户 MIMO(MU-MIMO)和多用户波束赋型 (MU-BF)，MU-MIMO/ 与单用户 MIMO(SU-MIMO)的区别主要在于：在MU-MIMO 系统中，多个用户占用相同的时域和频域资源， 通过空间复用来提升系统吞吐量，更加充分地利用多天线的优势; TD-LTE 上行 1 发天线配置只能支持单用户SIMO ， 通过扩展上行天线端口数，TD-LTE-A 上行可实现基于码本的2/4 天线预编码，提高了上行频谱效率和峰值速率 ; 可支持协作多点传输 (CoMP) 等更高传输速率方案，通过小区间相互协作有效避免小区间干扰， 或将小区间干扰信号转化为有用信号，提高小区尤其是边缘频谱效率。图 1. 多天线增强技术的实现方案为实现上述多天线增强方案，TD-LTE-A 系统需要用户终端 (UE)和基站的天名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 8 页 - - - - - - - - - 线校准，并为 Rel-9/Rel-10设计新的下行信道状态信息测量导频(CSI-RS) 和用户专用解调导频 (DMRS) 。TD-LTE-A 上行除了要考虑更多天线数配置外，还需要考虑上行低峰均比的需求以及成员载波(Component Carrier，CC)上的单载波传输的需求。 TD-LTE-A的上行参考信号包括用于信道测量的SRS(Sounding RS)和用于数据检测的 DMRS4 。由于上行空间复用及多载波技术的引入，LTE R8上行单个用户使用的 DMRS 资源需要扩充以支持更多用户; 对于 SRS信号，为了支持上行多天线、多小区和多载波测量，同样需要引入新的SRS 增强技术。2.2 协作多点传输协作多点传输 (CoMP) 是指多小区间相互协作，交互相应的控制信息和/ 或数据信息，实现联合发送和接收， 避免或利用小区间干扰， 从而增强接收信号质量的网络增强技术 5 。 CoMP拓扑架构可以是RRU协作、 inter-eNB/intra-eNB协作或中继协作， 根据硬件成本和现网部署灵活选择。基于上述拓扑架构， 可以实现两类 CoMP 协作方案，即联合处理 / 传输 JP 或协作调度 / 波束赋形 CBF ，前者是多点传输，又称干扰利用，实现较为复杂，后者是单点传输，又称干扰避免，实现较为简单。 为优化这两类传输方案， 需要协作簇选择， 这可以采用静态协作簇配置或动态协作簇配置， 也可以是网络选择或UE选择， 协作簇配置应考虑 LTE定义的测量集概念。CoMP 传输重点应用是下行传输。下行CoMP 通常需要协作点共享UE信道状态信息和 UE数据信息以及联合资源分配和调度。相对于 LTE非 CoMP 传输，CoMP传输增加的复杂度主要体现在：- UE 需要测量邻小区信道质量(这在 R8/R9/R10 中已有定义 )，同样， eNB需要测量邻小区UE的信道状态信息CSI，增加了上行 SRS检测次数，这相对于LTE需要额外定义 ; - 额外的上下行信令传输， 但在 TDD系统可以设置成透明模式， 即不增加额外信令 ; - 额外的基站间信令和数据交互，需要在专用接口(如 X2 接口或背板 ) 上定义新的进程 ; - MIMO 预编码处理，在信道矩阵维数变大的情况下，预编码加权系数的求解变得更为复杂。- 小区间联合调度和资源分配， 问题求解复杂度增加， 数据缓存需求亦增加。协作多点传输技术的应用场景如图2 所示， 其中 BBU+RRU 协作是 C-RAN架构下一种重要实现方式。目前, LTE R10 没有定义用于 inter-eNB CoMP 的 X2接口以及 multi-cell反馈机制，但 CSI-RS设计考虑支持 inter-cell测量。不论是CBF或 JP方案，UE仅从服务小区接收PDCCH，且数据传输对 UE透明，DMRS 是用户专用导频，而CSI-RS是小区公共导频，以便实现多小区CSI 测量。基于 TDD信道互易性，上行 SRS 亦可用来测量CSI。虽然 CoMP没有进入 R10 规范，但intra-site CoMP 可以在 R10中实现， 并且 CBF 方案也可以在 Rel.8 基础上实现。通过 CoMP 进行干扰避免或利用，使得小区业务覆盖更趋均匀，有效提升了UE业务体验。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 8 页 - - - - - - - - - 图 2. 多点协作传输的应用场景2.3 中继技术中继(Relay) 是通过中继节点对 eNB或UE的发射信号进行再生并转发给目的端或下一个中继节点， 从而提高信号传输质量和可靠性的网络增强技术6 。 3GPP将在 2010 年 12 月完成 Relay R10版本阶段的标准化工作， 目前已定义的中继站特征是：- 中继节点对于 UE来说，就是一个独立的eNB ，信令交互与 LTE一致; - 中继节点具有自身的物理小区ID、同步信道以及参考符号 ; R10版本同时定义了两类中继节点：带内中继和带外中继。带内中继指接入链路( 中继节点与 UE之间)与回传链路 ( 中继节点与 eNB之间) 采用相同频率的中继形式。但由于 LTE下行采用 OFDMA，上行采用 SC-FDMA ，因此中继节点需要分别为回传链路与接入链路设计不同的基带处理模块。带外中继指接入链路与回传链路采用不同频率的中继形式。带外中继较带内中继具有更高的链路容量，回传链路设计可不考虑对接入链路的影响，系统设计简单。由此可见，中继技术的引进，对UE没有任何影响，对LTE终端具有完全兼容性。这是中继的优势之一，同时中继节点成本低于eNB ，部署灵活。另外，中继传输相比传统蜂窝结构还具有下列优势：系统容量得到极大提升、 小区边缘性能得到保证、小区覆盖面积/ 高速数据覆盖面积增加、相邻小区间干扰降低、移动终端功率效率提高 / 成本降低。在这种网络结构中，传输信道可以既有直通链路又包含通过多个中继转发链路，因而能够实现更高分集增益的协作通信。对于TDD系统，由于上下行链路共享同一频率，所以可以实现单收发机的中继站，进一步降低中继的成本。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 8 页 - - - - - - - - - 图 3. 中继技术的应用场景中继技术的应用场景如图3 所示，典型场景有：- 广域覆盖。扩展覆盖密度较低的偏远地区和扩大高数据速率业务覆盖范围，一方面使得小区覆盖范围之外的用户能够享受到基本的无线业务，从而使尽量多的用户接入网络 ; 另一方面可以减少网络中的基站数目。- 城市覆盖。引入中继站可以解决城市中常见的几类问题：消除阴影覆盖以及死区 ; 用于降低终端发射功率， 减小干扰，优化系统容量 ; 用于小区间负载平衡。- 室内覆盖。 室内用户对吞吐量要求高， 但用户相对静止不动。 这种应用场景的特点是中继站需要满足自开启与自配置的功能。- 高速覆盖。将中继节点设置在高速移动的交通工具之上，能够进行部分资源管理和本地用户管理， 从而合理的为本地用户进行资源分配，能够为本地的高速移动用户进行服务，提高用户吞吐量，减少切换开销。- 紧急覆盖。用于灾害或紧急事件现场的应急通信。- 骨干网覆盖。 骨干网覆盖应用场景指在偏远地区，通过中继节点建立多跳的中继回传链路， 从而降低系统布设成本， 提高资源利用效率， 解决偏远地区骨干网的部署问题。 此时，中继站需要支持多个基站的回传，且应支持多个中继站的多跳级联。2.4 载波聚合技术为支持更宽的传输带宽 ( 如 100MHz) 和更高的峰值速率 ( 如 1Gbps)，LTE-A引入了载波聚合技术 7 。载波聚合的优势在于：灵活调度带来的增益，包括频率选择性增益和多服务队列联合调度增益， 以及可以灵活使用 FDD 与 TDD 系统频谱，提供 FDD系统聚合 TDD频谱的可能性。图 4. 载波聚合基本原理载波聚合基本思想是将一块连续频谱或若干离散频谱划分为多个成员载波CC ，如图 4 中的 CC1CC5，每个 CC宽度不大于 20 MHz 。LTE UE可以接入任何一个 CC ，但同一时间只能接入一个CC ，如 UE1接入 CC1 ，UE2接入 CC2 。LTE-A UE名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 8 页 - - - - - - - - - 可以同时接入多达5 个 CC ，如 UE3同时接入 CC1和 CC2 ，UE4同时接入 CC3 、CC4和 CC5 。若 CC1CC5 每个 CC带宽都为 20MHz ，则 UE5将能获得 100MHz 的传输带宽。在图 4 中，CC1和 CC2聚合称为连续载波聚合， CC3 、CC4和 CC5聚合称为离散载波聚合。 连续载波聚合常应用于不同载波具有相同覆盖范围的场景，离散载波聚合常应用于不同载波具有不同覆盖范围或定向覆盖的场景。图 5. 载波聚合的应用场景目前，载波聚合逐步引入一些新设计，使载波聚合功能进一步增强，应用场景进一步扩充，如图5 所示。在分层网络中，若eNB与 HeNB(Home eNB) 采用相同频率的载波进行覆盖，则位于两小区重叠区域处的UE ，其 PDSCH 和 PDCCH( 下行物理控制信道 )上会被相邻站干扰 , 现有 ICIC 方案无法解决该问题。 对此，载波聚合引入了 cross carrier PDCCH ，可以为 UE选择一个可靠的载波 ( 相邻小区选择不同的载波 )传输 PDCCH，以提高 PDCCH 传输可靠性。另外，感知网络一个重要特点是感知频谱的快速使用和释放。LTE-A网络可以将自有频段设置为主载波，将感知频谱设置为辅载波。 这样，感知频谱快速退出相当于辅载波退出，但终端与网络之间保持连接，业务可以继续。相比 LTE ，LTE-A 的载波聚合需要较为复杂的物理信道和信令设计，即存在多个 CC情况下，如何将多个TB、多个 PDCCH、多个 PCFICH( 物理控制格式指示信道) 、多个 PHICH( 物理 HARQ 指示信道 ) 和多个 PUCCH( 物理上行控制信道 ) 映射到多个 CC上。考虑到载波聚合对LTE的兼容性，上述信道设计基本沿用了LTE的解决方案，做到LTE终端无限制进入LTE-A系统。2.5 eICIC 随 着不 断增 长的 数据 业务 要求 ，通 过简 单的 小区 分裂 或 LTE R8/9中ICIC(Inter-cell interference coordination)技术1 已经难以满足提高数据容量和小区边缘频谱效率的要求，在LTE R8中，针对邻小区的干扰和控制信道可靠性的分析，主要对数据域的干扰协调做了一定的标准化工作。在此背景下，同频共信道的异构网络的研究和标准化逐步走向前沿。异构网络是指在传统的Macro eNB覆盖区域内， 再部署若干个小功率传输节点，可能是 Pico eNB 和 Femto，但它们与传统分层覆盖采用的异频组网方式不同，这些小功率传输节点与Macro eNB占用的是相同的频率，甚至载波带宽，如图 6 所示。考虑到未来业务和需求的发展，异构网络将是网络发展的必然趋势和典型部署方式， 分层网络之间的同频复用也将更加普遍。异构网络的同频部署为进一步提高小区边缘UE的吞吐量或频谱效率提供了可能，但它也会带来潜在的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 8 页 - - - - - - - - - 问题，那就是 Macro eNB和小功率传输节点间的共信道干扰问题，新节点的引入使得系统拓扑结构更加复杂， 形成一个多种类型节点共同竞争相同无线资源的全新干扰环境。基于此，针对这种网络部署的增强的ICIC 技术在 LTE-A作为独立的 WI eICIC 被提出研究并标准化。在异构网络中， 控制信道的可靠性下降， 直接影响到小功率传输节点的有效利用，因此针对控制域的干扰协调成为eICIC 的主要研究和标准化内容。 在初始研究阶段， 3 种不同的控制域干扰协调方案被提出，分别为基于载波聚合的干扰协调方案，基于频域划分的干扰协调方案及基于时域划分的干扰协调方案，但综合考虑选择基于时域划分的干扰协调方案，在该方案中Macro eNB 和 Pico eNB/Femto 按照负载半静态调整分配一定的时域资源作为干扰节点对被干扰节点的保护资源，从而可以保证被干扰节点的终端可以在被干扰节点下被保护资源中可以可靠的通信， 得以继续驻留在被干扰节点下，从而可以实现干扰保护和卸载负载或均衡负载的作用，改善整个通信系统的性能。图 6. 分层网络的应用场景3. 结论与展望在 4G国际标准制定过程中，我国通信运营企业、制造企业、科研机构和高等院校，遵照国际标准化规则， 充分利用自身技术和产业优势，和国际主流企业展 开 全 面 的 合 作 ， 继 TD-SCDMA 之 后 再 次 推 动 了 新 一 代 移 动 通 信 技 术TD-LTE-Advanced的研究和标准化， 并获得了国际通信产业界的广泛支持和认可，成为 4G国际主流标准之一。根据4G标准的设计目标，未来4G网络将提供更高速率、 更高质量和更加丰富的信息服务， 进一步提升通信资源利用率， 降低能耗。TD-LTE-A 国际标准的确定，对推动TD-SCDMA/TD-LTE 产业的健康、可持续发展具有重大的现实意义，为移动互联网业务的发展奠定了广阔的市场前景。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 8 页 - - - - - - - - -