时分长期演进上行协作多点技术原理与实践

中国移动通信集团江苏有限公司无锡分公司 罗一民 冯新华 杨锡继

0 引言

在LTE（长期演进）系统中，OFDM（正交频分复用）技术和MIMO（多输入多输出）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。但是在实际应用中，为了获得更高的频谱利用率，TD-LTE（时分长期演进）系统采用了同频组网的方式，使得位于小区边缘的用户将接收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，并且OFDM技术无法有效地消除小区间干扰。为此，3GPP（第3代伙伴计划）在提出了很多新的关键技术，协作多点（CoMP）传输技术就是其中之一。CoMP无论是在上行还是在下行，都可以提高系统性能，尤其是改善小区边缘频谱效率及性能。虽然CoMP增加了系统的复杂性，但能显著提高容量和覆盖增益，有效减小小区间干扰。

1 CoMP原理介绍

1.1 CoMP技术概述

协作多点（CoMP）传输技术是指协作的多点发射/接收技术，这里的多点是指地理上分离的多个天线接入点。它是利用光纤连接的天线站点协同在一起为用户服务，相邻的几个天线站或节点同时为一个用户服务，从而提高用户的数据率。协作多点通信系统模型见图1。

CoMP技术通过移动网络中多节点（基站、用户、中继节点等）协作传输，解决现有移动蜂窝单跳网络中的单小区单站点传输对系统频谱效率的限制，更好地克服小区间干扰，提高无线频谱传输效率，提高系统的平均和边缘吞吐量，进一步扩大小区的覆盖。

1.2 CoMP功能核心思想

目前TD-LTE网络拓扑结构的主要问题是：基站的交界处存在干扰和覆盖质量下降的问题，导致终端在小区切换部位的性能较差。CoMP核心思想是当终端位于小区边界区域时，它能同时接收到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。对于上行CoMP，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作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。上行多点协同传输原理见图2。

1.3 CoMP分类

按照进行协调节点之间的关系，CoMP主要分为站内协作（intra-site CoMP）和站间协作（inter-site CoMP），见图 3。

1）同站协作（intra-site CoMP）：协作发生在一个站点内，此时因为没有回传容量的限制，可以在同一个站点的多个小区间交互大量的信息。且只需考虑eNB（演进节点B）的处理时延，处理时延短得多，由于不用通过X2接口来交换复杂的协作信号，在站点间协作过程中就没有额外的开销。

2）站间协作（inter-site CoMP）：协作发生在多个站点间，由于在协作eNB之间需要共享调度信息、动态的信道信息及用户数据，且X2接口存在时延，因此共享的信息并不能反映即时的状态，同时由于传输过程中需共享各种信息就引入了开销问题，对回传容量和时延提出了更高要求。

所以站间协作受到了X2接口承载能力及时延的限制，相比站点间协作，站内协作能获得较大的联合传输增益和网络吞吐量，并且频谱利用率也得到提高。

1.4 上行CoMP功能算法原理

由于下行CoMP功能实现涉及终端和网络设备，功能实现较复杂；而上行CoMP功能只需对基站检测算法进行改进，无需对终端进行改动即可实现提升小区上行吞吐率。且目前TD-LTE系统上行速率受限于终端发射天线数量。因此，实现上行CoMP功能对提升TD-LTE网络性能意义重大。

上行CoMP功能通过协作簇内的多个小区对终端上行信号进行联合接收和处理，抑制小区间的干扰，并获得有用信号的接收分集增益，提高系统抗干扰能力。协作簇见图4。

系统对协作簇接收的信号进行MMSE（最小均方误差）检测，采用多天线接收合并算法〔MRC（最大比合并）或IRC（干扰抑制合并）〕，进一步消除干扰。

试验仿真结果显示：基站2天线配置下，在开启上行CoMP功能后，小区边缘用户的增益明显高于小区中点获得的增益。2天线上行CoMP可带来37%的平均增益，而边缘增益到达99%，其中2个小区参与的协作簇增益较明显。

2 上行CoMP功能规模实验网应用

2.1 功能应用背景

随着TD-LTE的大规模试验组网，小区密集程度越来越高，同频组网模式带来的干扰问题成为抑制容量的主要瓶颈，尤其是小区边缘网络性能受限。

根据TD-LTE规模试验网测试数据统计，密集城区的站间距300～500m，小区间干扰严重。

通过对邻区数量分布统计，88.7%的概率可以检测到1个或多个邻区，最多可检测到6个邻区信号，有34.2%的概率检测到同站邻区。

2.2 上行CoMP功能规模试验网测试

从仿真结果和现网邻区统计结果可知，同站2个邻区作为上行CoMP协作簇获得增益较高，无需通过X2接口进行协作。同站上行CoMP（intra-siteCoMP）功能利用站内基带设备实现上行信号的联合处理，提高上行吞吐率和频谱效率。

2.2.1 测试环境

在规模TD-LET试验网中，选取PCI（物理小区标识）为124和PCI为125为同站协作簇小区，进行上行CoMP功能测试。该站点为D频段两天线基站，RRU（射频拉远单元）发射功率为2×20W，上下行时隙配比1∶3，频谱带宽10MHz，与周边基站间距500m左右。测试区域为低矮居民楼场景。

2.2.2 遍历测试

在周边站点无加扰和有加扰两种状态下进行遍历测试，对比分析服务小区在不同的RSRP（参考信号接收功率）电平区间段内，与协作小区RSRP在不同的电平差值下获得的增益情况，见图5。

将服务小区的电平区间分为2个区间，低于－95 dbm定义为弱覆盖区域，从电平强度上反映终端所处的位置，得出上行CoMP功能开启后上行吞吐率的增益。

1）在无加扰环境下，上行CoMP增益为20%～40%。在RSRP高于－95dBm的区域上行吞吐率已经达到峰值，故上行CoMP增益很小；在弱覆盖区域内上行CoMP有更高增益。

2）在加扰环境下，干噪比（IoT）等于12.5 dB，上行CoMP增益为50%～140%。上行CoMP表现出较强的抗干扰特性，由于沿两协作小区边界径向测试，因此在强覆盖区域也有20%左右增益，上行CoMP增益与加扰UE（用户设备）的位置相关性较大。

2.2.3 切换带测试

小区切换带测试方案见图6。由上面遍历测试结果，在信号覆盖较强的区域内，上行CoMP功能带来的上行吞吐率增益较小。为进一步分析上行CoMP功能的应用场景，定点考察评估小区边缘获得的增益，选取小区切换带进行测试。

2个UE放置在同一个小区内，同时在协作小区内增加UE进行加扰。UE1和UE2在切换带内移动位置，在不同的位置对比开启上行CoMP功能前后上行吞吐率的提升。

在有加扰的情况下，切换点CoMP功能带来的上行吞吐率增益均达到100%，尤其是在弱覆盖点。

3 结论

通过对上行CoMP功能的理论分析和现场功能验证，该功能能有效提升上行吞吐率，特别是小区边缘。

1）在无加扰场景下，上行CoMP在联合覆盖区域可获得20%～40%的上行吞吐率增益，信号较差点处增益较大，信号好点处增益较小；在上行加扰场景下，上行CoMP在联合覆盖区域可获得50%～140%的上行吞吐率增益，增益与加扰场景和测试路线有关，上行CoMP表现出较强的抗干扰性能，在强信号覆盖区域也会获得CoMP增益，因此推论在同站协作小区的联合覆盖区域，可获得较大CoMP增益。

2）在小区边缘切换区域，CoMP可以获得平均100%的增益，特别在弱覆盖区域内，能明显改善弱覆盖现象。

3）上行CoMP增益不以牺牲邻站资源利用率为代价，协作小区中的所有UE都可以获得上行CoMP增益。

TD-LTE系统采用同频组网模式，如何降低干扰给网络性能带来的影响是网络优化面临的巨大挑战，上行CoMP技术能有效抵抗网络干扰，扩大小区覆盖范围，提升用户的网络感知。 ◆