LTE-Advanced:下一代无线宽带技术

[摘要]LTE-Advanced(简称LTE-A或称为LTE R10)是LTE R8的平滑演进，文章在简单回顾LTE R8物理层结构的基础上，分析了LTE-A的技术需求和指标，并对LTE-A的几项关键技术进行了详细的解读，包括：载波聚合、扩展的上下行空间复用、下行协作多点传输和异构网络。

[关键词]LTE-AdvancedIMT-A载波聚合MIMOCoMP异构网络

1背景

为了应对宽带接入的挑战，同时为了满足新型无线业务的需求，3GPP在2004年启动了LTE技术的标准化工作，并于2009年3月发布了LTE R8版本，原则上完成了LTE标准草案，LTE进入实质研发阶段。2010年12月，日本电信运营商NTT DoCoMo在日本推出了首个LTE服务。目前，全球范围内已有超过18家运营商公布了自己的LTE部署计划。

考虑到LTE R8相比于ITU-R定义的IMT-Advanced的要求还存在一定的差距，目前，3GPP的工作重点逐步转向对LTE R8的进一步增强，已经启动了LTE-Advanced(LTE-A或LTE R10)研究项目，目的是在保证其对LTE R8后向兼容的基础上，达到甚至超过IMT-Advanced的要求。

由于LTE R8已经大量使用了近20年来积累的先进信号处理技术，如OFDM、MIMO、自适应技术等，在继续扩展这些技术应用的同时，LTE-A的着力点更多地集中在无线资源管理(RRM)和网络层的优化方面。本文将着重对LTE-A的关键技术进行详细的探讨。

2LTE R8物理层综述

LTE R8在20MHz带宽内的上下行峰值数据速率分别为75Mb／s和300Mb／s，支持频分双工(FDD)和时分双工(TDD)两种模式。

下行链路是针对多发射天线系统的，采用基于循环前缀的OFDM多址接入方案。图1所示为4个发送天线端口的下行FDD系统帧结构，采用公共参考信号和常规的循环前缀(CP)。每个子帧由两个长度为0.5ms的时隙构成(含7个OFDM符号)，包括参考信号、控制信号和传输数据。控制信号位于前，7(7≤3)个OFDM符号中，后面紧跟着数据信息。控制信号与数据信息之间采用时分复用(TDM)的方式，其优点是可以降低延时，并实现用户终端的微睡眠(mic ro-sleep)，即允许用户在判断其子帧无数据分配时切断功放，从而显著降低用户设备(UE)的功率消耗，延长电池寿命。

在上行，单载波频分复用(SC-FDMA)通过离散傅里叶变换扩展OFDM(DFT-S-OFDM)来实现。DFT-S-OFDM与下行OFDM传输方案原理相似，主要的区别在于星座符号在映射到不同的子载波前先进行DFT预编码。DFT预编码可以减小信号的立方度量(CM)，带来更高的最大传输功率，进而提高小区边缘覆盖，延长用户端的电池寿命。与下行相似，小区内的用户保持频域正交性，这样有助于基站(eNodeB或eNB)更有效地控制干扰。每个上行子帧也包含2个长度为0.5ms的子帧(常规CpR寸含7个DFT-S-OFDM符号)。上行链路上支持两种类型的参考信号：一是解调参考信号，用于信道估计和上行数据或控制信号的解调；二是探测参考信号，用于上行频率选择调度，以便动态分配最优的频带资源，以及下行基于专用参考信号的波束成形。

3LTE-A的技术需求

LTE R8不能完全满足IMT-A的要求，因此，3GPP设计LTE-A，使之成为JMT-A的候选技术。表1总结了LTE-A对频谱利用率的要求：

除了提高频谱利用率之外，有效缩短延迟时间也是LTE-A的目标之一，时延的控制将更加严格。控制层从空闲状态到连接状态的过渡时间，要从LTE的100ms减少到LTE-A的50ms；从休眠状态到激活状态，要从LTE的50ms减少到LTE-A的低于10ms。另外，LTE-A的容量和覆盖也将进一步增强。

于是，需要在LTE-A中引入更为先进的技术，来为技术目标的实现提供有效的手段。这些新技术包括：

◆载波聚合

◆扩展的空间复用和多点协作

◆异构网络

下面将对这些关键技术逐一进行分析。

4LTE-A的关键技术

4.1载波聚合

在LTE-A中，载波聚合(Carrier Aggregation)是一项具有吸引力的技术，通过载波聚合来实现带宽扩展。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，即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达100MHz，实现上下行峰值目标速率分别为500Mb／s和1Gb／s，与此同时为合法用户提供后向兼容。

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。成员载波有三种不同的类型：

(1)后向兼容载波：LTE R8用户设备也可以接入这种载波类型，不需要考虑标准的版本。这种载波对所有现有的LTE R8技术特征都必须支持。

(2)非后向兼容载波：只有LTE-A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LTER8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-A小区，并加快用户与LTE-A小区的同步)。

(3)扩展载波：这种类型的载波用作其他载波的延伸。例如，当存在来自于宏蜂窝的高干扰时，用来为家庭eNB提供业务。

载波聚合的三种可能方案是：同一频带内的成员载波的连续聚合，同一频带内的成员载波的不连续聚合，和多个频带内的成员载波的不连续聚合。最多5个成员载波聚合起来提供最大100MHz的带宽。根据现有的物理层技术指标，在20MHz系统带宽上，下行峰值速率采用两层空间复用能达到150.752Mb／s，四层空间复用能达到299.552 Mb／s。有了载波聚合技术，这些峰值速率将随着载波个数的增长而线性增长。比如，下行链路使用5×20MHz带宽时，峰值速率理论上可以达到1.5Gb／s。上行峰值数据速率在现有技术下可以达到75.376Mb／s，采用载波聚合技术后，峰值上行速率理论可达376.88Mb／S；若再辅以上行空间复用技术，可以获得超过500Mb／s的峰值速率。

4.2扩展的空间复用和下行多点协作技术

MIM0传输方案已经在LTE R8下行链路中得以应用，包括发送分集和高达四层(layer)的开环闭环空间复用。这些方案由eNB发出的常规参考信号支持。闭环空间复用采用基于码本的预编码技术，单层的用户专用参考信号用于波束成形。MU-MIMQ(多用户MIMO)传

输方案基于码本反馈来应用，由于码本与真实信道存在量化误差，用户端缺乏对干扰的有效控制；因此，在LTER8中，相对于SU-MIMO(单用户MIMO)，MU-MIMQ没有带来性能的增益。LTE-A重新确定了MU-MIMO的特征。

在LTE R9和RR10中，上下行传输性能通过下列技术特征来提高：

◆增强的单小区下行MU-MIMO支持

◆扩展的八层下行空间复用

◆下行多点协作通信

◆扩展的四层上行空间复用

(1)增强的单小区下行MU-MIMO支持

LTE R9引入了两路正交的用户专用参考信号，允许一个eNB采用闭环空间复用，通过信道互易性建立天线权重，发送两路数据给一个UE；同时，也允许一个eNB使用时频资源发送两路数据给两个UE。这样，系统可以在SU-MIMO-MU-MIMO两种状态下进行动态的切换。由于每个UE并不知道是否有另一个使用相同资源的UE存在，所以这种调度对用户而言是透明的，所需的控制信令的开销相对较小。UE从用户专用信号中提取信道预测信息之后，可以估计出表示干扰的相关矩阵。接收机通过这些信息来进行干扰消除。

在LTE R9中，eNB基于信道互易性形成发送波束，通过MU-MIMO的增强技术带来了扇区吞吐量的大幅提高。而在LTE-A中，考虑到利用信道互易性提取的信息不可靠，需要进一步研究增强空间信道反馈的可分辨性的方法，以充分利用多用户分集增益和联合信号处理的增益，来减少多用户间的干扰，同时也要做到性能和复杂度之间的较好折中。

(2)八层下行空间复用

从四层到八层空间复用的扩展，是为了提高LTE-A系统下行的峰值吞吐量。使用八个发射天线，相应地，引入八层用户专用参考信号作为解调。考虑到用户专用参考信号的分布密度可以基于数据传输的层数和资源分配的大小来调整，所以使用用户专用参考信号来支持高阶的空间复用，相较于采用公共参考信号更加经济。为了提供信道质量的反馈，需要通过eNB返回多达八层的带宽选择信息、信道空间信息(码本)以及参考信息。

信道状态指示参考信号(CSI-RS，Channel StateIndication RS)，不用于解调，分散地分布于时间和频率上，占用的开销大概为1％或更少。设计CSI-RS时，不仅需要考虑支持八个发送天线，同时还要保证小区边缘的用户可以测量到相邻小区的CSI-RS，来支持多点协作通信。CSI-RS的功率、密度和位置要也需要仔细讨论，因为这些因素有可能会影响到LTE R9和R8中的同一子帧中其他用户的数据传输。

(3)下行协作多点传输

协作多点传输(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，能够实现可观的性能增益。LTE-A需要提供空中接口，使得eNB之间的协作成为可能。多个eNB可以协作来确定某个UE的调度、传输参数和发送天线的权重，这种协作是以eNB之间高容量的回程链路为基础的。在CoMP中支持基于闭环波束成形或者预编码的传输。图2中，三个eNB协调去创建一个到UE1和UE2的多点传输。

UE离多个eNB较近，就处于干扰受限环境。CoMP的目的是减少网络中对UF的干扰，如果干扰eNB和服务eNB之间存在协调，就可以减小和预测干扰。CoMP的开销控制、反馈方法和调度限制正在研究之中。目前，COMP还处在SI阶段，协作多点接收(即上行CoMP)在LTE R10中没有标准化。

(4)四层上行空间复用

LTE-A兼容的用户需要支持多达四个发送天线，通过四层空间复用提高上行峰值速率。和LTE R8一样，LTE R1O中的上行传输方案也要进行DFT预编码的OFDM变换。在保证单载波特性的同时，将峰均功率比或立方度量限制为一个较低的值。支持开环和闭环的空间复用。在进行闭环操作时，使用基于码本的预编码。其中，层偏移(Layer shifting)机制可以提供空间复用的稳定性，来克服天线增益的不平衡性和因移动速度带来的信道质量指示(CQI)不匹配的问题。码本设计方案也正在研究之中，需要考虑预编码传输峰均比等问题。

4.3异构网络

异构网络是分布在宏蜂窝中的低功率节点组成的集合。低功率节点的类型各种各样，可以是微蜂窝、微微蜂窝、家庭基站技术、中继或分布式天线系统。这些低功率的节点被放置在不同的环境中，包括热点、家庭、企业，来提高系统整体的容量和覆盖。CoMP可以减少干扰，而为了更有效地支持异构网络部署，还需要引入小区间干扰协调技术。

以中继(RN，Relay Node)为例，作为LTE-A加入的新功能，采用具备无线中继功能的站点对信号进行必要的处理、选择性放大和转发，可以改善由无线信道环境导致的阴影衰落，扩大信号覆盖范围和提高系统的吞吐量。与之相比，传统的直放站虽然也可以通过放大转发来提供eNB覆盖的延伸，但不能有效分离信号和干扰。

中继通过宿主eNB(Donor eNB)以无线方式连接到接入网，主要分为两种类型：

(1)类型1

该类型中继有自己的物理小区号，发送与宿主小区相区别的独立的同步信道、参考符号，用户直接从中继接收调度信息和HARQ反馈。在LTE R8终端看来，中继就是一个基站，而LTE-A终端可以区分中继和eNB。

(2)类型2

该类型中继不含有独立的物理小区号，也就是说不产生任何新的小区。对于LTE R8中的用户是透明的，即LTE R8中的用户不会意识到其存在。

中继支持两种类型的回传连接：

◆带内回传。eNB到中继链路，与eNB到UE链路共享频带；

◆带外回传。eNB到中继链路，不与eNB到uE链路共享频带。

目前，标准中主要关注带内回传类型1的中继，致力于控制信道的设计、参考信号的设计和各链路的定时关系的确定。

5结束语

作为LTE R8技术的后续演进，LTE R8技术所有相关要求同样适用于LTE-A，二者是强兼容关系。LTE R8的终端可以接入到LTE-A网络中，这为未来的平滑演进打下了良好的基础。而与LTE R8相比，LTE-A的复杂度和成本需要尽量降低。LTE R8较为关注宏蜂窝环境的业务支撑能力，而LTE－A则支持多种环境，包括宏蜂窝到室内环境，重点解决低速移动环境。

载波聚合技术通过已有带宽的汇聚扩展传输带宽；MIM0增强技术通过空域上的进一步扩展提高小区容量；COMP通过小区间协作，提高小区边缘吞吐量；中继通过无线的接力，提高覆盖：有了这些关键技术的引入以及相互之间的补充，相信LTE-A能够充分满足甚至超越IMT-A的需求，成为未来通信的领跑者。

作者简介

卢敏：南京邮电大学通信与信息工程学院讲师，主要研究领域为新一代无线移动通信相关技术。

国际电联秘书长：关注农村电信领域重点强化宽带接入

5月17日，“2011年世界电信和信息社会日大会”在北京举行，国际电联秘书长哈玛德·图埃发来致辞。他在致辞中表示，国际电联将关注全球农村社区，为世界最偏远角落人们享受到信息通信技术的福祉做出努力。

图埃指出，信息通信技术是加速实现千年发展目标的催化剂，发展农村信息通信技术为增加农民收入和抵抗饥饿贫困提供了机遇，信息通信技术及相关技术应用是完善管理和提供农村服务的重要工具。

“现在是开展全国行动、为农村社区迎来信息通信技术提供机遇的时刻。”图埃表示，国际电联致力于联通世界，确保最边远地区和最弱势群体亦能受益于信息通信技术所带来的便捷。在必要的人力、物力、财力资源筹措，以及加强毁灭性自然灾害发生后应急反应等方面，国际电联均已取得前所未有的成果。

据图埃介绍，国际电联目前的工作重点是通过强化宽带接入，推进内部发展，从而建成信息高速公路，利用各种手段使农村社区和城市均能实现其理想的网络。