1.2.3 LTE-Advanced关键技术及演进

1.2.3.1 LTE-Advanced的演进方向

LTE-Advanced是LTE的演进，正式名称为Further Advancements for E-UTRA，2008年3月开始，2008年5月确定需求。它满足ITU-R的IMT-Advanced技术征集的需求，不仅是3GPP形成欧洲IMT-Advanced技术提案的一个重要来源，还是一个后向兼容的技术，完全兼容LTE，是演进而不是革命。

2009年9月，中国向ITU提交了TD-LTE-Advanced标准，该标准被采纳为IMT-Advanced候选技术之一。TD-LTE-Advanced指的是LTE-Advanced技术的TDD分支系统，是TD-LTE在IMT-Advanced阶段的升级演进，并于2010年被正式确立为4G国际标准之一。

1.技术参数

•带宽：100MHz。

•峰值速率：下行1Gbit/s，上行500Mbit/s。

•峰值频谱效率：下行30bit/s/Hz，上行15bit/s/Hz。

•针对室内环境进行优化。

•有效支持新频段和大带宽应用。

•峰值速率大幅提高，频谱效率有限改进。

2.主要新技术

（1）载波聚合

载波聚合（CA，Carrier Aggregation）是能满足LTE-Advanced更大带宽需求且能保持对LTE后向兼容性的必备技术。目前，LTE支持的最大带宽是20MHz，LTE-Advanced通过聚合多个对LTE后向兼容的载波可以支持最大100MHz带宽。接收能力超过20MHz的LTE-Advanced终端可以同时接收多个成员载波，而对于LTE R8的终端，也可以正常接收其中一个成员载波。载波聚合的场景可以分为3种：带内连续载波聚合（Intra-Band，Contiguous）、带内非连续载波聚合（Intra-Band，Non-contiguous）、带外非连续载波聚合（Inter-Band，Non-contiguous）。

（2）中继（Relay）技术：Relay Station（RS）

R10的Relay技术主要定位在覆盖增强场景。Relay节点（RN）用来传递eNode B和终端之间的业务/信令传输，目的是增强高数据速率的覆盖、临时性网络部署、小区边界吞吐量提升、覆盖扩展和增强、支持群移动等，同时也能提供较低的网络部署成本。RN通过宿主eNode B以无线方式连接到接入网。RN和宿主eNode B间的接口定义为Un口，终端仍通过Uu口和RN相连。Un口可以是带内的也可以是带外的，带内是指eNode B和RN之间的链路（Link）与RN和终端之间的链路共享同一段频率，否则称为带外。标准关注的场景中，eNode B和RN之间的链路与eNode B和终端之间的链路总是共享同一段频率。

（3）协同多点传输

协同多点（CoMP，Coordinative Multiple Point）传输类似于分布式天线，用于提供增强服务，尤其是小区边缘。CoMP是一种提升小区边界容量和小区平均吞吐量的有效途径。其核心想法是当终端位于小区边界区域时，它能同时接收来自多个小区的信号，同时它自己的传输也能被多个小区同时接收。在下行，如果对来自多个小区的发射信号进行协调以规避彼此间的干扰，能大大提升下行性能。在上行，信号可以同时由多个小区联合接收并进行信号合并，同时多小区也可以通过协调调度来抑制小区间干扰，从而达到提升接收信号信噪比的效果。按照进行协调的节点之间的关系，CoMP可以分为Intra-site CoMP和Inter-site CoMP两种。

（4）异构网干扰协调增强（eICIC for Heterogeneous Network）

异构网技术是一种显著提升系统吞吐量和网络整体效率的技术。异构网是指低功率节点被布放在宏基站覆盖区域内，形成同覆盖的不同节点类型的异构系统。低功率节点（LPN，Low Power Node）包括Micro、Pico、RRH（Remote Radio Head）、Relay和Femto（毫微蜂窝基站，通常指家庭基站）等。目前的异构场景主要包括室内家庭基站、室外热点和室内热点，其他场景优先级较低。

（5）多天线增强传输（EMAT，Enhanced Multiple Antenna Transmission）

多天线技术的增强是满足LTE-Advanced峰值谱效率和平均谱效率提升需求的重要途径之一。LTE R8下行支持1、2、4天线发射，终端侧2、4天线接收，下行可支持最大4层传输。上行只支持终端侧单天线发送，基站侧最多4天线接收。LTE R8的多天线发射模式包括开环（Open loop）MIMO、闭环（Closed loop）MIMO、波束赋形（Beamforming）以及发射分集。除了单用户MIMO（SU-MIMO，Single-User MIMO），LTE中还采用了另外一种谱效率增强的多天线传输方式，称为多用户MIMO（MU-MIMO，Multi-User MIMO），多个用户复用相同的无线资源通过空间分集的方式同时传输。LTE-Advanced中为提升峰值谱效率和平均谱效率，在上下行都扩充了发射/接收支持的最大天线个数，允许上行最多4天线4层发送，下行最多8天线8层发送，从而使LTE-Advanced中需要考虑更多天线数配置下的多天线发送方式。

1.2.3.2 载波聚合

1.原理简介

IMT-Advanced系统要求的最大带宽不小于40MHz，考虑到现有的频谱分配方式和规划，无线频谱已经被2G、3G以及卫星等通信系统大量占用，很难找到足以承载IMT-Advanced系统宽带的整段频带，也面临着如何有效地利用现有剩余离散频段的问题。同时LTE虽然支持最大20MHz的多种传输带宽，但为了支持更高的峰值速率（例如下行1Gbit/s），传输带宽需要扩展到100MHz。基于这样的现实情况，3GPP在LTE-Advanced中开始使用载波聚合技术，用来解决系统对频带资源的需求，同时为了更好地兼容LTE现有标准、降低标准化工作的复杂度以及支持灵活的应用场景。

载波聚合通过联合调度和使用多个成员载波（CC，Component Carrier）上的资源，使得LTE-Advanced系统可以支持最大100MHz的带宽，从而能够实现更高的系统峰值速率。如图1-8所示，将可配置的系统载波定义为成员载波，每个成员载波的带宽都不大于之前LTE R8系统所支持的上限（20MHz）。为了满足峰值速率的要求，组合多个成员载波，允许配置带宽最高可高达100MHz，实现上下行峰值目标速率分别为500Mbit/s和1Gbit/s，与此同时为合法用户提供后向兼容。

载波聚合的核心思想是允许终端在多个子频带上同时进行数据收发，从而使系统可以获得更宽的频谱（最高支持100MHz）和更高的峰值速率（低速移动、热点覆盖场景下可达1Gbit/s），并可通过灵活调度带来增益（包括频率选择性分集增益和多服务队列联合调度增益）。另外，载波聚合提供跨载波干扰避免功能，频谱充裕时可以有效减少小区间干扰。

2.技术特点

①成员载波的带宽不大于LTE系统所支持的上限（20MHz）；

②成员载波可以频率连续，也可以频率非连续，可提供灵活的带宽扩展方案；

③最大支持100MHz带宽，系统/终端的最大峰值速率可达1Gbit/s；

④提供跨载波调度增益，包括频率选择性增益和多服务队列联合调度增益；

⑤提供跨载波干扰避免功能，频谱充裕时可以有效减少小区间干扰。

3.接口方案

（1）方案1

方案1如图1-9所示。

数据分组在MAC层切割，每个成员载波有独立的TB和HARQ实体，每个TB仅映射在一个物理成员载波上。每个载波独立进行MCS选择和HARQ重传，调度信令开销和HARQ反馈开销较大。

（2）方案2

方案2如图1-10所示。

数据分组在物理层切割，一个大TB映射在多个物理成员载波上，仅有一个HARQ实体。调度信令和反馈信令开销较小，而且HARQ过程也比较简单，不能针对每个成员载波的信道状况进行MCS的选择。

（3）方案3

方案3如图1-11所示。

数据分组在MAC层切割，每个成员载波有独立的TB和HARQ实体，每个TB交织映射在多个物理成员载波上，目的是获得额外的频率分集增益。

4.调度算法

调度算法有以下4种：

①不相交的排队（DQS）算法；

②相交的排队（JQS）算法；

③正比公平调度（PFS）算法；

④安排针对有最大优先功能站点信道（DQS）的算法。

5.应用场景

载波聚合可以有效地支持处于异构网中不同类型的成员载波，使频谱资源的利用更加灵活。成员载波有以下3种不同的类型。

①后向兼容载波：LTE R8用户设备也可以接入这种类型的载波，不需要考虑标准的版本。这种载波对于所有现有的LTE R8技术特征都必须支持，可独立工作（Stand-alone），也可以参与载波聚合。

②非后向兼容载波：只有LTE-Advanced用户可以接入这种类型的载波。这种载波支持先进的技术特征，比如LTE R8用户不可用的少控制操作（Control-less Operations）或者锚定载波的概念（锚定载波是具有特殊功能的成员载波，引导用户搜索LTE-Advanced小区，并加快用户与LTE-Advanced小区的同步）。如果是由于双工间隔造成的非后向兼容性，则该载波可独立工作，否则只能与其他独立载波进行聚合。

③扩展载波：这种类型的载波用作其他载波的延伸，不可独立工作，必须与至少一个可独立工作的载波进行聚合。例如，当存在来自于宏蜂窝的高干扰时，用来为家庭eNode B提供业务。

基于载波聚合的典型部署场景如图1-12所示。

1.2.3.3 Relay

中继（Relay）是通过中继节点对eNode B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。

LTE系统容量要求很高，这样的容量需要较高的频段。为了满足下一代移动通信系统的高速率传输的要求，LTE-Advanced技术引入了无线中继技术。用户终端可以通过中间接入点中继接入网络来获得带宽服务，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。

无线中继技术包括Repeaters和Relay。

Repeaters是在接到母基站的射频信号后，在射频上直接转发，在终端和基站都不可见，而且并不关心目的终端是否在其覆盖范围内，因此它只起到放大器的作用，仅限于增加覆盖，并不能提高容量。

Relay技术是在原有站点的基础上，通过增加一些新的Relay站（或称中继节点、中继站），加大站点和天线的分布密度。这些新增的Relay节点和原有基站（母基站）都通过无线连接，和传输网络之间没有有线的连接，下行数据先到达母基站，然后再传给Relay节点，Relay节点再传输至终端用户，上行则反之。这种方法拉近了天线和终端用户间的距离，可以改善终端的链路质量，从而提高系统的频谱效率和用户数据率。

3GPP在2010年12月完成了Relay R10版本阶段的标准化工作，已定义的中继站特征有以下两点。

①中继节点对于UE来说，就是一个独立的eNode B，信令交互与LTE一致。

②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。

带内中继是指接入链路（中继节点与UE之间）与回传链路（中继节点与eNode B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。

带外中继是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。

R10版本的Relay技术主要定位在覆盖增强场景。

Relay节点（RN）用来传递eNode B和终端之间的业务/信令传输，目的是增强高数据速率的覆盖、临时性网络部署、小区边界吞吐量提升、覆盖扩展和增强、支持群移动等，同时也能提供较低的网络部署成本。

RN通过宿主eNode B以无线方式连接到接入网。RN和宿主eNode B间的接口定义为Un口，终端仍通过Uu口和RN相连。Un口可以是带内的，也可以是带外的。标准关注的场景中，eNode B和RN之间的链路与eNode B和终端之间的链路总是共享同一段频率（如图1-13所示）。

按照RN是否具有独立的Cell ID，3GPP将RN分为两类。

(1)Type1 Relay

有独立的Cell ID；传输自己的同步信道、参考信号等；终端直接从RN接收调度信令，HARQ反馈等，并将自己的控制信道等直接发送给RN；即在R8终端看来，RN就是一个R8基站，而LTE-Advanced终端可能可以分辨RN和eNode B。

(2)Type2 Relay

没有独立的Cell ID，不能形成新的小区；对R8终端是透明的，即R8终端意识不到Relay的存在；可以传输业务信道，但至少不能传输CRS和PDCCH。

标准中主要关注带内Type1 Relay。

关于各链路的资源使用，eNode B→RN和RN→UE两条链路在同一频带上时分复用，一个时间内只有一个传输；RN→eNode B和UE→RN两条链路在同一频带上时分复用，一个时间内只有一个传输。

另外，关于回传链路的传输资源，在FDD系统中，eNode B→RN和RN→eNode B分别在下行频带和上行频带上传输；在TDD系统中，eNode B→RN和RN→eNode B分别在eNode B和RN之间的回传链路的下行子帧和上行子帧上传输。

为了完成带内回传，需要分配一些资源用来进行eNode B和RN之间的信息传输，这些资源不能再被用作RN和终端之间的接入链路的传输。为了保持对R8终端的后向兼容性，在下行，RN通过配置MBSFN（广播多播单频网）子帧的方式来进行回传链路的传输，即在配置的MBSFN子帧中，RN实际上在接收来自eNode B的下行信息，此时RN不再给下辖的终端发送下行数据。而当RN向eNode B传送信息时，可以通过调度使得RN下辖的终端在此时不再发送上行数据给RN。

标准正在对带内Type1 Relay的回传各信道设计进行讨论，主要集中在控制信道设计、参考信号设计和各链路的定时关系上。

Relay的技术优势有以下几点：

①部署灵活，不需要光纤与机房；

②运营成本低；

③可抑制网络干扰；

④可扩展网络覆盖；

⑤可提升网络容量。

Relay的几种应用场景如下。

①密集城区：部署中继提高高速业务的覆盖范围。

②乡村环境：通过中继扩展网络覆盖，降低对光纤或微波的依赖。

③室内环境：克服穿透损耗，提升覆盖与容量，摆脱光纤制约。

④城市盲点：解决覆盖补盲，降低网络建设成本。

⑤高速铁路：高速率接入，避免终端频繁切换基站带来的问题，降低资源开销。

1.2.3.4 CoMP

LTE-Advanced系统基于OFDM和MIMO技术，通过把高速率的数据流分成若干低速率的数据流，调制到一组正交的子载波集上进行传输，可以有效地消除小区内的干扰。但在实际应用中，为了获得更高的频谱利用率，系统采用了同频组网的方式，使得位于小区边缘的用户将体验到来自相邻小区的同频干扰，严重限制了边缘用户的服务质量和吞吐量，因此，为了减少小区间干扰，提高同频组网的性能，LTE-Advanced提出了协作式多点传输（CoMP，Coordinated Multiple Points Transmission/Reception）技术。

协作式多点传输技术指地理位置上分离的多个传输点，协同参与为一个终端的数据（PDSCH）传输或者联合接收一个终端发送的数据（PUSCH）。参与协作的多个传输点通常指不同小区的基站。CoMP方案在多个基站之间引入协作，并通过在协作基站之间共享必要的信息，如信道状态信息、调度信息和数据信息等，对小区间干扰进行有效抑制。根据传输方案的不同，可以分为两类：一种是协作调度（Coordinated Scheduling）/波束赋形，也称为“干扰避免”，用户只由单个基站提供服务，通过对系统资源有效分配，减小相邻小区边缘区域使用的资源在时间、频率或者空间上的冲突，从而在尽可能保持系统高频谱利用率的基础上避免小区间干扰，提高信号的接收信噪比。一种是联合传输（JP，Joint Processing），也称为“干扰利用”，即用户由协作的多个基站共同服务，在协作的基站端通过联合处理消除用户间干扰，将干扰信号作为有用信号加以利用，从而有效利用小区间的干扰，提高小区边缘用户的服务质量和吞吐量，提高系统的频谱利用率。

1.协作调度/波束赋形

如图1-14所示为协作调度技术，多个终端的服务小区分别是Cell1、Cell2和Cell3，多个终端会被分配到不同的时间/频率资源上以避开干扰。进一步地，对于调度到相同资源上的两个终端，在进行波束赋形加权向量计算时，需要能控制彼此的干扰。具体来说，图1-14中Cell1小区在计算终端UE11的波束赋形加权向量时，如能在终端UE12的方向上形成零陷，则终端UE12受到的干扰会降低，也就是小区间的干扰会被抑制。

为了支持协同波束赋形的功能，需要尽量满足以下条件。

①一个小区的基站除了要获得驻留在该小区内的终端的信号信息外，还要获得相邻小区内终端的信道信息。如图1-14中的Cell1小区需获得终端UE12的信道信息，而此功能在LTE系统中是无法实现的。因此，LTE-Advanced系统需要对反馈功能做些必要的扩展以支持协同波束赋形技术。

一种扩展的方法是终端上报服务小区的信道信息以及对其产生强干扰的小区的信道信息，终端的服务小区再将这些信息通过小区间的连接通道传递给相邻小区。这种扩展方法会增加反馈量，加大上行信道的负荷。

另外一种扩展方法是对信道互易性的扩展，终端发送的上行信号（如SRS信号）能在多个小区都接收到，这些小区的基站根据上行信号估计出上行信道信息，再利用上下行互易性得到下行信道信息，用于抑制小区间干扰。

②要求调度消息可以及时地在小区之间传递。如果参与协作的小区由同一个eNode B控制或者有光纤直连，那么传递的时延是可以忽略的，容量也不会受限。但典型的工作场景是，协作的小区受不同的eNode B控制，且通过X2接口通信。X2接口的时延和容量限制都会制约协同波束赋形技术的应用。在实际的X2接口时延和容量约束下，如何实现协同波束赋形仍是在进一步研究的课题。

2.联合传输

采用联合传输技术时可以有多个传输点同时向终端传输数据，如图1-15所示，与协同波束赋形技术明显不同，联合传输技术的多个小区同时向某个终端发送数据。

联合处理的增益来自两方面。

其一，参与协作的小区发送的信号都是有用信号，降低了终端受到的总干扰水平；

其二，参与协作的小区信号相互叠加，提高了终端接收到的信号的功率水平。

两者的综合作用提升了终端的接收信干噪比（SINR）。此外，不同小区的天线间一般距离比较大，远大于半波长，联合处理还有可能获得分集增益。

后期随着基于BBU+RRU组网模式的大量建设，位于BBU的中央处理单元或中央调度单元可以控制多个RRU（多达上百个）的信号。在基于BBU+RRU组网模式的协作多点传输（CoMP）系统中，同一个BBU下的RRU可以进行信号的联合传输（CoMP-JP），不同BBU下的RRU之间可以进行协作调度（CoMP-CS），CoMP系统在BBU+RRU组网模式中非常利于使用协作多点传输（CoMP）技术，它将是未来CoMP的一大应用场景。