移动通信原理与关键技术学习（第四代蜂窝移动通信系统）

前言：LTE 标准于2008 年底完成了第一个版本3GPP Release 8的制定工作。另一方面，ITU 于2007 年召开了世界无线电会议WRC07，开始了B3G 频谱的分配，并于2008 年完成了IMT-2000（即3G）系统的演进——IMT-Advanced（ 以下简称IMT-A，即俗称的“4G”）系统的最小性能需求和评估方法等的制定，发出了IMT-A 技术标准征集的通函。为了保持3GPP标准的技术优势和市场竞争优势，3GPP 于2008 年4 月正式开始了LTE 演进标准——LTEAdvanced（以下简称LTE-A）的研究和制定，并于2010 年6月通过ITU 的评估，于2010 年10 月正式成为IMT-A 的主要技术之一。

对比：相较于3GPP Release 7下的HSPA+（28.8Mbps），LMT-A（600Mbps）速度大大提升

1.LTE-A与IMT-A的关系：LTE-A是为了满足IMT-Advanced的需求而发展起来的，因此LTE-A可以被认为是满足IMT-Advanced标准的技术之一。

2.ITU-R通函中明确4G的主要特征之一是在高速移动环境中提供100Mbps传输速率，低速移动环境中提供1Gbps传输速率。

问：ITU-R 对 4G 的上下行峰值频谱效率要求是多少（给出相应的天线设置）？LTE-A 可以达到的上下行峰值频谱效率是多少（给出相应的天线设置）？LTE-A 最大的通信带宽是多少？上下行峰值速率是多少？时延性能如何？

答：

ITU-R 对 IMT4 下行峰值频谱效率 15bps/Hz(4x4)，上行峰值频谱效率6.75bps/Hz(2x4)。可扩展到 40MHz（100MHz），控制面延时 100ms，用户面延时 10ms。上下行峰值速率为 1Gbps。

LTE-A 性能要求下行峰值频谱效率 30 bps/Hz(8x8)，上行峰值频谱效率 15bps/Hz(4x4)。可扩展到 100MHz，控制面延时 50ms，用户面延时 5ms。下行峰值速率为 1GHz，上行峰值速率为 500MHz。

3.IMT-A关键技术：

        3GPP LTE-A：1.支持更宽的带宽；2.空域复用；3.多点协同通信；4.中继。

        IEEE 802.16m：1.增强型技术；2.新技术。

4.LTE目前支持最大20MHz的系统带宽，下行峰值速率可以达到大约300Mbps（4x4 MIMO，64QAM）。而ITU IMT-Advanced以1Gbps为设计目标，同时要求系统的最大带宽不小于40MHz。因此LTE-Advanced需要在LTE的基础上扩展系统带宽。

5.3GPP采用Carrier Aggregation，即载波聚合的方式，实现对LTE系统带宽的扩展。

6.3GPP为什么不采用直接扩展频谱来进行系统带宽扩展？

答：3GPP不采用直接扩展频谱来进行系统带宽扩展的原因是多方面的。

首先，直接扩展频谱的方式可能会引入更多的干扰和噪声，影响系统的性能和稳定性。在无线通信系统中，频谱是非常宝贵的资源，不同的系统和设备通常都在不同的频段上工作，以避免干扰。如果直接扩展频谱，可能会与其他系统或设备产生频率冲突，导致通信质量下降。

其次，直接扩展频谱可能会增加信号处理的复杂性和成本。随着频谱的扩展，信号的频率范围也会增加，这需要更复杂的信号处理技术和硬件设备来支持。这将导致系统成本的增加，并可能影响系统的可靠性和稳定性。

另外，载波聚合作为一种扩展系统带宽的技术，具有很多优点。通过将多个频谱资源聚合在一起，可以提供更大的传输带宽和更高的数据速率，从而提高系统的吞吐量和频谱效率。同时，载波聚合可以通过灵活地配置聚合的频谱资源，实现不同场景下的动态带宽分配，更好地满足用户的需求。

（粗体为简化答案）

ITU IMT-Advanced 要求系统的最大带宽不小于 40MHz，LTE-A 需要兼容LTE系统，采用载波聚合（carrier aggregation）来实现对 LTE 系统带宽的扩展。

通过联合调度和使用多个成员载波（Component Carrier，CC）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。成员载波是指可配置的 LTE 系统载波，且每个成员载波的带宽都不大于 LTE 系统所支持的上限（20MHz）。

CA 能够很好地达到峰值速率的要求，后向兼容 LTE 空口协议，能够灵活调度并使用 CC。

7. 载波聚合的概念

• 载波聚合（Carrier Aggregation，CA），即通过联合调度和使用多个成员载波（Component Carrier，CC）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。
• 成员载波是指可配置的LTE系统载波，且每个成员载波的带宽都不大于 LTE系统所支持的上限（20MHz）。
• 连续和非连续载波聚合，如下图所示。

问：CA主要有哪两种聚合方式？各自的基本工作原理是什么？各自有什么优缺点？最终 LTE-A 选用哪种聚合方式？

答：

更具数据流聚合位置，可分为 MAC 层聚合和物理层聚合，MAC 层聚合是每个载波对应单独的传输块和 HARQ 单元，载波上数据流的聚合在 MAC 层完成。物理层聚合是所有载波共用一个传输块和 HARQ，载波上数据流的聚合在物理层进行。

MAC 层聚合：HARQ 性能好，与 LTE 系统有较好的后向兼容性，但频谱效率和调度增益没有得到提高，系统开销大。

物理层聚合：系统开销小，但 HARQ 效率低下，甚至无法使用 HARQ 技术。

R10 中最终采用了 MAC 层聚合的方式。

8.使用载波聚合的带宽会更加大，整个系统带宽可以逐步累加至100MHz不等，其中（CCs：component carriers）分量载波为其基本频率块，每个CC都满足向后兼容Rel.8 LTE，满足峰值速率要求，且载波聚合支持连续和非连续频谱以及用于FDD的非对称带宽，实现灵活的频谱使用。

• 对称/不对称载波聚合指的是下行与上行有相同/不相同的载波数目。
• 不对称载波聚合即可以是cell-specific的，也可以是UE-specific的，cell-specific不对称载波是从系统的角度来看待的，而UE-specific不对称载波是从UE的角度来看待的。

基于下图方式：

FDD频分双工

TDD时分双工

图(a)从系统的角度来看是对称载波，但是由于不同的UE有不同的业务需求、射频单元处理能力以及基带模块结构，因此从UE角度来看，可以被配置为不对称载波聚合方式，并能够通过静态或半静态配置进行切换。

UE-specific不对称载波聚合技术的应用，为LTE-A中负载均衡、干扰协调、QoS管理以及功率控制等技术提供了更大的灵活性。

9.成员载波类型（Component Carrier types）

• Backwards compatible carrier（后向兼容载波）：允许LTE UEs和LTE-A UEs接入；可以作为一个独立的CC或者聚合载波中的一部份；对于FDD，在下行和上行总是配对使用。
• Non-backwards compatible carrier（非后向兼容载波）：允许LTE-A UEs接入，但是LTE UEs不能被接入；可以作为一个独立的CC或者聚合载波中的一部份。
• Extension carrier（扩展载波）：不可以作为一个独立的CC，只能作为聚合载波中的一部 分。

• CC之间的本质区别是看它是否能够被配置为一个小区以及是否能够为UE提供业务数据传输。
• 后向兼容和非后向兼容CC都可以有小区ID，都可以为UE提供数据传输，都可以即为stand-alone或者no stand-alone，唯一的区别在于是否支持LTE UE。
• 对于扩展CC，不能是stand-alone，但应该可以同时支持LTE UE和LTE-A UE，但需要进行RB块分配。
• 前2种CC是基础，对于扩展CC，则需要进一步分析和研究 其是否有必要。

10.在载波资源映射方式中，一个UE可以同时在多个CC上进行数据的发送和接收传输；方案A：载波的数据流在 MAC层聚合；方案B：载波的数据流在物理层聚合。

MAC层聚合：每个载波对应单独的传输块和HARQ单元，载波上数据流的聚合在MAC层完成。在没有采用空间复用情况下，一个UE在被调度的每个CC上只能有一个传输块和一个HARQ实体，且每个传输块只能被映射到一个CC上；

物理层聚合：所有载波共用一个传输块和HARQ，载波上数据流的聚合在物理层进行。

总结优劣：

MAC 层聚合：HARQ 性能好，与 LTE 系统有较好的后向兼容性，但频谱效率和调度增益没有得到提高，系统开销大。

物理层聚合：系统开销小，但 HARQ 效率低下，甚至无法使用 HARQ 技术（HARQ，全称为混合自动重传请求，是一种将前向纠错编码（FEC）和自动重传请求（ARQ）相结合而形成的技术。）。

R10 中最终采用了 MAC 层聚合的方式。

11.

主小区（Primary Cell）：在CA（载波聚合）中，UE只拥有一个RRC 连接，提供该RRC连接建立、重建立或切换过程中的 NAS移动性信息的小区为主小区；属于主小区的载波为主载波。

主小区只能在切换过程中改变；主小区不能被de-activated。

辅小区（Secondary Cell）：除主小区外，UE的其他服务小区。属于辅小区的载波为辅载波。

辅小区可以随时加入或退出UE的服务小区集合；辅小区可以被de-activated。

UE的服务小区集合只能包含一个主小区，可以包含多个辅小区。服务小区的数目由UE的载波聚合能力决定。

补充：

1.各个单元载波将采用LTE的设计，并最大占110个RB；

2.关于单元载波之间的间隔：对于连续单元载波进行聚合的情况，RAN4将对所需要的频率间隔进行研究；

3.所有的单元载波都是与R8 LTE兼容的，但不排除对于非后向兼容的单元载波的考虑；

4.关于聚合带宽和上下行非对称，目前的假设是物理层将支持110个RB以下的单元载波；UE可能被配置为在下上行分别聚合不同数量、不同带宽的单元载波，而对于TDD，典型情况下，上下行的单元载波数是相同的。RAN4将研究支持聚合的单元载波的带宽组合。

12.基于CA的PDCCH设计：

PDCCH的编码方式有独立和联合编码方式；PDCCH映射方式有分布式和集中式；

考虑到后向兼容性、实现复杂度以及PDCCH的链路自适应，最后LTE-A确定采用basic solution和Alternative solution 3 方案

13.部署场景展示：

1. 场景1：支持F1和F2的小区共址，重叠，提供相同的覆盖。

   

2. 场景2：支持F1和F2的小区共址，重叠，但F2的覆盖范围小于F1。因此，只有F1能够提供完整覆盖，F2用于提高吞吐量。

   

3. 场景3：支持F1和F2的小区共址，F2天线对准F1小区边缘，用于提高小区边缘的吞吐量。只有当F1和F2由同一个eNB控制时才能进行CA（载波聚合）

   

4. 场景4：F1提供宏覆盖，F2作为天线拉远单元的频率，提供热点覆盖，以提高热点地区的吞吐量。

   

5. 场景5：与场景2类似，只是又增加了频率放大器以扩展载频的覆盖范围。

   

在R10中，上行CA主要支持场景1-场景3，下行CA将支持所有的场景。

14.LTE-A MIMO增强技术：增强多天线eMIMO

LTE-A中MIMO技术增强的目的：提高峰值速率；提高系统级性能；用一个统一的结构来支持多样的传输方案；

LTE-A中MIMO技术要点：下行高阶MIMO；下行MU-MIMO增强；上行空间分集 (spatial multiplexing)；上行传输分集 (transmit diversity)；协作多点(CoMP)

下行LTE-A MIMO主要特点：增强到8传输天线，支持8-rank传输；支持2码字（codeword）传输。

LTE系统中在4天线端口发送情况下的传输分集技术采用SFBC与FSTD结合的方式

上行LTE-A MIMO主要特点：

1. 引入空间分集：层转移(layer shifting)
2. 基于码本的预编码：依靠rank(Rank-dependent)的码本
3. 基于被预编码过的DM-RS的传输方案：DM-RS也被预编码
4. 引入发射分集：PUCCH发射分集，空间正交资源发射分集（SORTD）Spatial Orthogonal Resource Transmit Diversity
5. 默认的操作模式: 上行单天线模式

上行增强多天线技术可以用于提高用户吞吐量，同时保持基于单载波的信号传输。 

15.协作多点（CoMP，Coordinated Multiple Points）传输技术是指协调的多点发射/接收技术，这里的多点是指地理上分离的多个天线接入点。

由于LTE目前采用的传统蜂窝小区的通信方式，并且不支持软切换。

作为提高小区吞吐量尤其是小区边缘吞吐量的手段，LTE-Advanced将在LTE的基础上引入（Coordinated Multiple Points）CoMP，即分布式天线的机制。

基本思想: 通过多个同类点之间的协作降低小区间干扰来提高系统边缘性能。

研究内容：

• 协调的调度与beamforming机制(CS/CB)，即根据干扰等信息在多个接入点间实现联合的调度；
• 联合的传输(JP)，即多个接入点联合向一个终端发送数据或者接收数据，例如网络MIMO。

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。

eNB之间的CoMP技术采用X2接口进行有线传输，eNB与Relay之间的COMP技术采用空口进行无线传输。

下行CoMP传输：下行COMP传输是指地理位置上分离的多点的动态协调传输。

在3GPP RAN1 55bis会议上确定了CoMP传输的原则:UE只接收来自一个小区(anchor cell)的PDCCH，UE能够或者不能够意识到是哪些小区 (Active CoMP Set) 在发送PDSCH。

问：CS/CB 与JP的工作重点分别是什么？

答：

Joint processing (JP)如下图：

1. Joint transmission (JT):下行链路物理共享信道(PDSCH)从多个小区传输并在协调小区之间使用DM-RS进行预编码；
2. 动态小区选择:PDSCH从一个小区传输，该小区是动态选择的。

   

Coordinated scheduling/beamforming (CS/CB)如下图：

PDSCH仅从一个小区站点发送，在小区之间协调调度/波束形成。

上行CoMP接收：在多个小区处接收物理上行链路共享信道(PUSCH)，调度在单元之间进行协调特别提高小区边缘用户吞吐量。

CoMP下行联合传输：

1. Global precoding ：多协作小区联合优化设计一个预编码矩阵 ；性能优；复杂度高。
2. MBSFN Precoding：多协作小区使用相同的预编码矩阵。
3. Local Precoding ：协作小区分别使用独立的基于单小区的预编码矩阵 ；每个小区都有需要独立的PMI反馈，开销大。
4. Weighted Local Precoding ：协作小区分别使用独立的基于单小区的预编码矩阵；在此基础上使用加权因子进行修正，带来的更大的性能增益;每个小区都有需要独立的PMI和加权因子馈，开销大。

16.中继Relay：LTE-Advanced接入网络支持中继节点（Relay Node，RN），通过中继节点向UE转发eNB的数据。

• RN通过无线与eNB相连
• 通过中继传输服务的eNB被称为DeNB (Donor eNB)
• RN与eNB之间的无线接口使用了修改的LTE/LTE-A空口协议，该接口称为Un
• 对UE来说，RN支持空中接口的功能集合，在中继节点上具备空口协议栈，也具备S1和X2等接
• 对接入网 (eNB)来说，RN具备部分UE的功能集合，包括L1，L2

Relay功能：提高中高速率数据应用的覆盖 ；提高小区的吞吐量，尤其是边缘吞吐量；不采用宏NodeB和有线承载，有效的增加容量。

ps：系统的吞吐量随着小区数目增加呈现指数增长，但是需要考虑无线承载耗费的资源。

Relay分类：

一、按照转发实现的协议层次：

• 层1中继(Repeater)：最小的延时 (+)；资源统一使用(+)；
• 层2中继：引入额外的延时(-)；资源分割(-)；需要额外的移动性管理机制；
• 层3中继：等价于具有自动承载的eNB。

二、按照是否被UE可见：

• 透明中继：对于UE不可见，不发送广播和同步信息；复杂度低(+)；资源统一使用(+)；
• 非透明中继：对于UE可见，发送广播和同步信息；复杂度高(-)；分布式资源；

三、按照中继链路和接入链路的发送协调方式

• TDD中继；

  

• FDD中继。

  

Relay节点的启动过程：

第一阶段: RN上电后附着（attach）到网络，获得初始配置参数，之后作为一个UE节点从网络去附着（dettach），此时核心网将RN当做普通的UE处理；

第二阶段：RN连接到一个特定的DeNB来启动作为中继的功能。此时进行RN的附着过程（而非第一阶段的模拟UE附着）此后DeNB先后与RN进行S1配置和X2配置，从而建立起正常的中继连接关系。

Relay在LTE-A中的部署：

中继引入的原因：LTE-A系统带宽很大，功率和覆盖范围严重受限；用传统的微基站方式改善各种覆盖问题成本仍然较高；而普通直放站在放大信号的同时放大干扰。

中继应用的场景：盲点/建筑物内/阴影/建筑峡谷/小区边缘；移动交通工具，如铁路/公共交通；临时组网。

中继的优势：改善覆盖；增加容量，提升系统频谱效率；采用无线回程，无需挖沟布线，只需要供电支持。

中继Relay使用的频段：Inband —— 接入链路和中继链路使用相同的频段；Outband—— 接入链路和中继链路使用不同的频段。

中继分为两种类型：

• Type1中继：具有独立的小区ID，发送自己的导频和同步信号；实际意义上的支持无线Backhaul的小型基站；用于扩展覆盖和补盲等；（part of LTE-Advanced）
• Type2中继：没有独立的小区ID，不发送自己的导频和同步；支持不同的物理层协作通信方式；用于增加小区吞吐量和频谱效率。（Inband node）

Relay在LTE-A中的部署：

• LTE-A中引入中继技术的主要目的在于利用单跳中继来增强覆盖；
• 一个DeNB可以连接多于一个RN（Relay Node），30-40个左右；
• 从频谱的角度看，可以部署三种类型的RN：带外（outband）RN，要求独立Un无线资源的带内（inband）RN和不要求独立Un无线资源的带内RN；
• Un接口上最多允许8个数据承载（DRB），这些数据承载与EPS承载之间是多对一映射的；
• 在Un接口上不做流控制，没有头压缩增强功能，没有半静态调度；
• 载波聚合（CA）技术在Un接口上可用，但与具体实现相关。

17.异构网络技术（Heterogeneous Networks，HetNet ）：为了满足LTE-A的性能要求，多家公司讨论的一个共同主题是在系统中引入发射功率等级低于通常的“宏”eNB的新节点。这些新节点（微微小区、家庭eNB、中继）将系统布局的拓扑结构改变为具有全新干扰环境的异构网络，多个类别的节点“竞争”相同的无线资源。

在LTE中，异构网络技术可以应用于无线通信系统的多个层面，包括宏基站覆盖层、小基站覆盖层和终端设备层。通过引入低功耗的微基站，可以形成层叠式异构网络结构，实现更灵活的网络覆盖和更高的频谱利用率。

Femto / Home eNodeB：Home eNodeB的主要特点是其小范围覆盖和低功率传输。这种基站通常被放置在室内，用于增强信号覆盖或提供额外的无线通信容量。通过与移动运营商的核心网络进行连接，Home eNodeB可以为用户提供与外界的通信服务。

作用：为室内用户提供很高的吞吐量；扩展室内覆盖；增加室内和室外的容量。

在通信LTE中，异构网络的关键技术主要包括以下几个方面：

1. 网络架构设计：异构网络中包括了不同类型的基站和接入点，因此需要进行合理的网络架构设计，以确保各种接入点之间的协同工作，提高网络性能。
2. 资源管理和调度：由于异构网络中存在多种接入点和用户，因此需要进行有效的资源管理和调度，以实现频谱资源的优化利用。
3. 干扰管理和协调：异构网络中的多种接入点可能会导致干扰问题，因此需要进行干扰管理和协调，以降低干扰对网络性能的影响。
4. 移动性管理：由于异构网络中存在多种接入点，用户的移动性管理成为一个重要的问题。需要设计合理的移动性管理机制，以确保用户在不同接入点之间的平滑切换。
5. 无线资源优化：异构网络中的无线资源优化是一个关键问题。需要通过各种技术手段，如功率控制、调制编码方式选择等，优化无线资源的利用，提高网络性能。