LTE系統(tǒng)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)階段性引入的考量[圖]

0 前言

3GPP為了打造新一代無線通信系統(tǒng)，超越2G/3G系統(tǒng)的無線接入能力，全面支撐高性能數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，提出了LTE長期演進(jìn)計(jì)劃。2008年3GPP從R8版本正式開始了LTE的標(biāo)準(zhǔn)化工作，目前已經(jīng)進(jìn)入到了R12版本標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。LTE協(xié)議定義了1.4、3、5、10和20 MHz等帶寬配置，20 MHz的無線帶寬支持下行100 Mbit/s、上行50 Mbit/s的傳輸速率（基于CAT3終端）。目前，LTE的產(chǎn)業(yè)鏈從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備到終端設(shè)備，已經(jīng)成熟并實(shí)現(xiàn)商用，國內(nèi)移動通信運(yùn)營商也正在積極進(jìn)行LTE技術(shù)試驗(yàn)。

由于站址資源稀缺，增添新的站點(diǎn)存在諸多困難，理想的站址位置選擇幾乎不可實(shí)現(xiàn)，因此，對比LTE系統(tǒng)與2G/3G系統(tǒng)的覆蓋能力，研究其共站址建設(shè)的可行性，從而提高站址資源利用率，是運(yùn)營商提高建網(wǎng)效率、降低建設(shè)成本的關(guān)鍵，也是不得不考慮的一個重要課題。

本文首先基于標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)，由鏈路預(yù)算對比了GSM 900M、DCS 1800M、UMTS 2100M、LTE 1800M和LTE 2100M的覆蓋能力，然后根據(jù)仿真給出了IRC、MIMO、ICIC（Inter Cell Interference Coordination）以及TTI Bundling等覆蓋增強(qiáng)技術(shù)的適用場景、性能增益和局限性，最后結(jié)合各種技術(shù)的增益，以提升用戶感受和上下行覆蓋平衡為出發(fā)點(diǎn)，給出了覆蓋增強(qiáng)技術(shù)的階段性引入建議。

1 LTE與2G/3G共站址的可行性

針對2G/3G網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)，選取語音業(yè)務(wù)和視頻電話業(yè)務(wù)（CS64K）分別作為GSM、 WCDMA系統(tǒng)與LTE系統(tǒng)覆蓋能力比較的基準(zhǔn)業(yè)務(wù)。根據(jù)LTE系統(tǒng)高速率的要求，選取速率256和512 kbit/s作為上行基準(zhǔn)速率，選取1和2 Mbit/s作為下行基準(zhǔn)速率［1］。針對LTE初期主要滿足熱點(diǎn)部署的要求，按照鏈路預(yù)算的相關(guān)理論，在密集城區(qū)、500 m典型站間距場景下，各種制式的覆蓋能力核算如表1所示。

由表1可以看到，基于選取的業(yè)務(wù)類型和基準(zhǔn)速率，1.8和2.1 GHz的LTE系統(tǒng)上下行覆蓋能力皆比WCDMA系統(tǒng)和GSM差一些。LTE系統(tǒng)的覆蓋能力受限于上行信道。從上行信道的覆蓋能力分析，密集城區(qū)500 m站間距條件下，1.8和2.1 GHz的LTE系統(tǒng)均能達(dá)到256 kbit/s的速率，但是還不能達(dá)到512 kbit/s的速率。需要注意的是表1的結(jié)果是基于密集城區(qū)的模型計(jì)算得到的覆蓋能力估計(jì)，如果模型發(fā)生變化，比如換成一般城區(qū)或郊區(qū)模型，上下行覆蓋能力會有所提升。

1.8 GHz頻段下行速率1 024和2 048 kbit/s覆蓋能力計(jì)算結(jié)果相同，2.1 GHz頻段也出現(xiàn)了相同的計(jì)算結(jié)果，原因是由于假設(shè)速率為1 024 kbit/s時系統(tǒng)為用戶分配10個RB；而2 048 kbit/s時系統(tǒng)為用戶分配20個RB。系統(tǒng)為小區(qū)邊緣用戶分配的RB數(shù)目由各廠家設(shè)備實(shí)現(xiàn)的具體調(diào)度算法所決定，必須考慮系統(tǒng)效率和用戶需求之間的平衡。如小區(qū)中用戶較多，為了達(dá)到較高的速率而RB數(shù)又有限，就需要調(diào)度較高格式的MCS，導(dǎo)致解調(diào)門限升高，覆蓋半徑縮短。

2 覆蓋增強(qiáng)技術(shù)

2.1 IRC

在實(shí)際的環(huán)境中，通常很難檢測出來自鄰近小區(qū)的干擾信號。然而，接收端采用多天線技術(shù)時，接收機(jī)可以利用空間特性進(jìn)行干擾抑制。IRC就是此類技術(shù)之一［2］，它利用多天線獲得的干擾統(tǒng)計(jì)特性實(shí)現(xiàn)干擾消除的功能。這項(xiàng)技術(shù)不需要對發(fā)射端做任何額外的標(biāo)準(zhǔn)化工作，不依賴任何額外的信號區(qū)分手段（如頻分、碼分、交織器分），而僅僅依靠空分手段來實(shí)現(xiàn)其功能。

圖1（a）的仿真中假設(shè)基站接收天線數(shù)量為4，分別設(shè)置ρ=0.2和0.8，ρ值越大，信道的相關(guān)性越強(qiáng)。該小區(qū)終端信號接收功率和每個干擾終端的接收功率差為：PΔ=4.77和7.78 dB。圖1（a）橫軸代表鄰小區(qū)干擾終端的數(shù)量，縱軸代表仿真系統(tǒng)誤碼率。可以看到，在4天線接收的情況下，當(dāng)干擾信號小于等于4時，IRC性能較好；當(dāng)干擾數(shù)量大于4之后，性能逐漸衰退，這說明發(fā)生碰撞的用戶數(shù)量如果遠(yuǎn)大于接收天線的數(shù)量，IRC性能變差。

圖1（b）展示了干擾終端之間的信道相似程度對接收機(jī)的影響，其中高相似性代表干擾終端地理位置接近，反之代表干擾終端地理位置較遠(yuǎn)�？梢钥吹疆�(dāng)干擾終端之間經(jīng)歷相同或相近的物理信道時（高相關(guān)性），IRC較好地刪除了干擾造成的影響；而當(dāng)干擾終端經(jīng)歷的物理信道差異性較大時（低相關(guān)性），IRC的性能將有3 dB左右的衰退。這也說明，干擾終端地理位置相近，信道條件單一時，IRC能夠更好地發(fā)揮作用。 另外，依然可以看到，雖然IRC專門為抵抗天線之間的相關(guān)性而設(shè)計(jì)，但是隨著天線分支之間相關(guān)性的提升（ρ值增大），IRC的性能也逐步變差。

IRC能夠提升基站上行解調(diào)能力，對于同頻網(wǎng)內(nèi)干擾和同頻網(wǎng)外干擾能夠進(jìn)行有效的干擾消除，可提升解調(diào)性能1~7 dB，其性能受到無線環(huán)境和干擾終端的分布不同影響較大。根據(jù)以上研究結(jié)果，IRC適合在散射、折射、繞射條件簡單的室外環(huán)境中得到應(yīng)用。如果是在室內(nèi)環(huán)境中應(yīng)用，由于多徑復(fù)雜，效果就會受到影響。另外，IRC適合在用戶地理位置相對集中的環(huán)境中進(jìn)行應(yīng)用。

2.2 MIMO

LTE中的多天線傳輸大體而言就是把數(shù)據(jù)調(diào)制的輸出映射到不同的天線端口。天線的輸入包含對應(yīng)于1個或者2個傳輸塊的調(diào)制符號（QPSK、16QAM、64QAM）。不同的多天線傳輸方案對應(yīng)不同的傳輸模式［3-4］。目前LTE 有9種傳輸模式（TM），TM1對應(yīng)于單天線傳輸，而其他TM對應(yīng)于不同的天線傳輸模式，包括天線分集、波束賦形和空分復(fù)用。

TM2對應(yīng)的是發(fā)射分集技術(shù)，發(fā)射分集主要提高鏈路的信號傳輸質(zhì)量。這種模式下，相同的信息流用多根天線發(fā)送。利用多天線的空間分集效應(yīng)，提升接收端的SINR。該工作模式主要適用于信道質(zhì)量不好的用戶，如小區(qū)邊緣的用戶。

TM3對應(yīng)開環(huán)空間復(fù)用模式，UE不反饋PMI信息，基站利用UE傳送的RI信息來選擇空間層的數(shù)目。當(dāng)并行不相關(guān)的子信道數(shù)量大于1時（RI>1），系統(tǒng)可以利用多層的傳輸大幅提高傳輸速率；當(dāng)RI為1時，TM3回退到發(fā)射分集技術(shù)�？臻g復(fù)用主要是利用天線陣元之間或者波束之間的不相關(guān)性，如果天線間干擾過大，接收側(cè)不能有效地將多根天線區(qū)分開來，則其效果可能比單天線發(fā)送還差。因此，開環(huán)空間復(fù)用技術(shù)主要針對信道相關(guān)性較低、信干噪比較高、有一定移動速度的室外用戶開啟。

TM4的閉環(huán)空間復(fù)用與開環(huán)空間復(fù)用類似，都是多根天線上（最大為4）發(fā)射2個碼字，但是由于采用了反饋機(jī)制，閉環(huán)模式下能夠獲得一定的陣列增益。因?yàn)槠湫枰�根�?jù)信道條件反饋PMI，因此性能提升的關(guān)鍵在于發(fā)射端是否根據(jù)無線信道狀況對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼，以便接收端更容易將信號分解成原始數(shù)據(jù)流。因此，閉環(huán)空間復(fù)用適用于高干信噪比、低相關(guān)性的場景以及信道變化較慢的情況，如室內(nèi)場景或游牧場景。

FDD-LTE系統(tǒng)的部署主要考慮TM2、TM3、TM4 3種工作模式，由于缺乏TDD系統(tǒng)的上下行信道的互易性，暫時不考慮波束賦形技術(shù)。

圖2和圖3顯示了上行1×4相比1×2天線配置在覆蓋性能和容量性能方面的增益。目前，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的默認(rèn)配置是下行2×2、上行1×2，由于LTE系統(tǒng)是上行受限，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期應(yīng)盡早考慮上行的覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，即上行的1×4覆蓋增強(qiáng)。受室外覆蓋室內(nèi)穿透損耗較大、陰影衰落等因素影響，在考慮網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案時，應(yīng)當(dāng)盡早考慮增強(qiáng)型的多天線技術(shù)方案。郊區(qū)等遠(yuǎn)距離覆蓋場景，上行多天線增強(qiáng)可以對擴(kuò)大覆蓋范圍，提升業(yè)務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生關(guān)鍵作用。

2.3 ICIC

WCDMA系統(tǒng)的干擾主要來自小區(qū)內(nèi)，而LTE系統(tǒng)的干擾主要來自鄰小區(qū)。ICIC技術(shù)是通過管理無線資源使得小區(qū)間干擾得到控制，是一種考慮多個小區(qū)中資源使用和負(fù)載等情況而進(jìn)行的多小區(qū)無線資源管理功能［5］。小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)通過小區(qū)間的協(xié)調(diào)對一個小區(qū)的可用資源進(jìn)行某種限制，以提高鄰小區(qū)在這些資源上的SINR、小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)速率和覆蓋。資源包括時域和頻域資源以及發(fā)射功率。

根據(jù)可用頻率資源重新分配的頻度，可以將ICIC技術(shù)分為靜態(tài)協(xié)調(diào)（頻度為若干天）、半靜態(tài)協(xié)調(diào)（頻度為秒級或更長）和動態(tài)協(xié)調(diào)（頻度為幾十或幾百毫秒），時間粒度越小，則干擾規(guī)避的效果越好，但是相應(yīng)的信令交互的需求就越高，極端情況下可能導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)度大大滯后于無線信道的變化。

根據(jù)無線資源的協(xié)調(diào)方式，可以將目前的ICIC技術(shù)分為部分頻率復(fù)用（FFR）和軟頻率復(fù)用（SFR）2種方案。FFR方式是基站根據(jù)分配的頻段結(jié)合調(diào)度算法動態(tài)調(diào)度中心用戶和邊緣用戶的使用頻段，相鄰小區(qū)的邊緣頻段互相正交，如圖4（a）所示。與FFR方案相比， SFR只是對某些子頻帶上的功率進(jìn)行調(diào)整，但不是完全限制使用，如圖4（b）所示。

采用FFR和SFR后，上下行的SINR都有所改善。其中FFR改善比SFR改善更明顯。FFR約有1~5 dB的改善，SFR約有1~3 dB的改善。FFR和SFR在系統(tǒng)低負(fù)荷時，增益非常有限；在系統(tǒng)中高負(fù)荷時對邊緣頻譜利用率有明顯增益；在中等負(fù)荷時，對邊緣頻譜利用率增益最大。SFR相對于FFR來說以更低的整體頻譜利用率的損失，獲得和FFR相近的邊緣頻譜利用率的增益。

在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，LTE主要針對熱點(diǎn)地區(qū)，未形成連片覆蓋，且系統(tǒng)負(fù)荷相對較低，可采用頻率選擇性調(diào)度方案來降低系統(tǒng)干擾。當(dāng)LTE形成連片覆蓋，且系統(tǒng)負(fù)荷相對較高時，可開通SFR方案的ICIC功能降低系統(tǒng)干擾。3GPP對ICIC的具體算法沒有統(tǒng)一，各廠家的ICIC算法各有差異，考慮到異廠家設(shè)備的差異性，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中應(yīng)盡量保證成片區(qū)域單個廠家連續(xù)覆蓋。

2.4 TTI Bundling

TTI Bundling即把一個數(shù)據(jù)包在連續(xù)多個TTI資源上重復(fù)進(jìn)行傳輸，接收端將多個TTI資源上的數(shù)據(jù)合并達(dá)到提高傳輸質(zhì)量的目的。目前，設(shè)備實(shí)現(xiàn)的TTI Bundling只針對VoIP業(yè)務(wù)開啟。

利用多個TTI 綁定進(jìn)行上行傳輸，能夠有效提高上行覆蓋能力，但是這是以犧牲系統(tǒng)資源為前提的�？紤]到目前網(wǎng)絡(luò)中主要是碎片特性的小速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如果未來LTE網(wǎng)絡(luò)還是以該業(yè)務(wù)類型為主，可以考慮將TTI Bundling引入到數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中。研究表明，無論是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)還是VoIP業(yè)務(wù)，利用4時隙綁定，能夠提供上行1~2 dB的解調(diào)性能增益。而進(jìn)一步利用8時隙綁定，相比4時隙性能可進(jìn)一步提高1~3 dB。從系統(tǒng)頻譜效率和覆蓋的折中考慮，僅推薦處于上行覆蓋較差的用戶（邊緣用戶）使用TTI bundling技術(shù)。未來系統(tǒng)可以進(jìn)一步采用自適應(yīng)調(diào)整綁定時隙數(shù)目的方案，提升邊緣用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

3 覆蓋增強(qiáng)技術(shù)需求分析

在現(xiàn)有2G/3G站址上建設(shè)LTE可以滿足下行1 Mbit/s的邊緣速率需求；如果小區(qū)中用戶較多，站間距離較大時會限制用戶獲得2 Mbit/s以上的下行速率。

下行ICIC可以提供1~3 dB的解調(diào)性能抬升；下行4×2 MIMO配置相比目前2×2配置也能較大改善系統(tǒng)性能。但LTE建設(shè)初期，覆蓋主要受限于上行信道，所以該階段主要考慮上行信道的問題。而4×2 MIMO的商用還要延后；而設(shè)備實(shí)現(xiàn)的下行的ICIC技術(shù)也不是3GPP所定義的嚴(yán)格意義上的ICIC，廠家普遍采用了沒有X2接口交互的干擾協(xié)調(diào)方案。

若要提供上行信道512 kbit/s以上的邊緣速率，就必須考慮上行信道的覆蓋增強(qiáng)技術(shù)。

a） 上行1×2和1×4天線IRC能夠帶來1~7 dB的解調(diào)增益。但是該增益的大小與業(yè)務(wù)類型和用戶數(shù)量密切相關(guān)，而且干擾用戶的信道相關(guān)性也會對IRC性能產(chǎn)生較大影響。鏈路預(yù)算中，上行1×2 IRC解調(diào)增益取為2 dB；1×4 IRC解調(diào)增益取為2.5 dB。

b） 上行ICIC技術(shù)能夠帶來1~3 dB的解調(diào)改善，目前廠家主要實(shí)現(xiàn)了不基于X2接口交互的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，上行ICIC技術(shù)增益取為2 dB。

c） 時隙綁定技術(shù)無論針對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和VoIP業(yè)務(wù)都能帶來1~2 dB的增益。但是目前時隙綁定主要針對VoIP技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備針對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)暫時并不啟用時隙綁定技術(shù)，鑒于此，鏈路預(yù)算不考慮時隙綁定技術(shù)的增益。

d） 上行1×4 MIMO配置相比1×2能夠帶來3 dB左右的解調(diào)性能增益。

表2示出的是依據(jù)上述條件的LTE上行鏈路覆蓋能力。

由表2可以看到，上行1×2 MIMO配置條件下，加上IRC、上行ICIC等覆蓋增強(qiáng)技術(shù)帶來的增益，可以使上行覆蓋能力基本達(dá)到與下行（見表1）覆蓋相當(dāng)?shù)乃�平。而�?dāng)上行達(dá)到1×4 MIMO配置時，附加各種覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，并且假設(shè)上行信道相關(guān)性不強(qiáng)使得分集增益能夠達(dá)到最大，那么上行覆蓋有可能超過下行覆蓋，造成了新的上下行覆蓋不平衡，這時就需要提升下行發(fā)射功率或者采取必要的下行覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，比如下行ICIC和下行4×2 MIMO。

4 結(jié)論與展望

根據(jù)本文分析得到的各項(xiàng)研究結(jié)果，LTE系統(tǒng)的覆蓋增強(qiáng)技術(shù)有必要盡早在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施。又考慮到技術(shù)的成熟度問題，上行IRC技術(shù)、提供干擾規(guī)避功能的各種上下行ICIC技術(shù)、時隙綁定技術(shù)、上行1×4 MIMO（接收分集，不需要額外開銷）技術(shù)都應(yīng)盡早在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施。

3GPP在LTE-Advanced系統(tǒng)中進(jìn)一步引入了提升覆蓋、降低干擾的協(xié)作多點(diǎn)傳輸（CoMP）技術(shù)和中繼（Relay）技術(shù)。CoMP技術(shù)實(shí)質(zhì)上就是一種多小區(qū)MIMO技術(shù)，通過多小區(qū)之間的聯(lián)合傳輸，進(jìn)一步減少小區(qū)之間的干擾。而Relay技術(shù)可以從物理空間上擴(kuò)大小區(qū)的覆蓋范圍，改善終端鏈路質(zhì)量，從而提高系統(tǒng)的效率和用戶的速率�；�于各項(xiàng)適應(yīng)不同場景的覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，未來的LTE網(wǎng)絡(luò)必將為用戶提供無處不在的良好業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

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作者：許國平 畢猛 文博 薛楠 來源：郵電設(shè)計(jì)技術(shù)