LTE-Advanced关键技术及标准化进展

 摘要

LTE-Advanced作为4G的候选技术方案，是在LTE基础上的进一步增强。本文介绍了3GPP中LTE-Advanced的各个关键技术点及其标准化情况，包括载波聚合、多点协作传输、上下行MIMO传输以及中继等。

1  引言

2008年3月ITU-R发出通函，向各成员征集4G候选技术提案，正式启动了4G标准化工作，3GPP也展开了面向4G的研究工作，并于2008年6月完成了LTE-Advanced（以下简称LTE-A）技术的需求报告，2009年6月3GPP向ITU提交了技术描述文件，10月提交了自评估报告，完成了IMT-Advanced候选技术提交工作。LTE-A是LTE的平滑演进，与LTE R8保持后向兼容；支持多种覆盖场景，提供从宏蜂窝到室内场景的无缝覆盖；重点解决低速移动环境中的高速数据传输，包括进一步降低技术成本和能耗等；性能指标是系统带宽大于20 MHz，支持的下行峰值速率为1Gbit/s，频谱效率提高到30bit/s/Hz，上行峰值速率为500Mbit/s，频谱效率提高到15 bit/s/Hz。LTE-A系统将下行天线扩展到8×8，上行天线扩展到4×4，并且引入了载波聚合技术、中继技术和多点协作传输技术，以下总结了这些技术的标准化进展情况。

2  关键技术及标准化进展

（1）载波聚合技术

ITU IMT-Advanced要求系统的最大带宽不小于40MHz，考虑到现有的频谱分配方式和规划，很难找到足以承载IMT-Advanced系统带宽的整段频带，因此3GPP确定采用载波聚合的方式，聚合两个或更多的成员载波，从而解决LTE-A系统对频带资源的需求。载波聚合可以分为连续载波聚合和非连续载波聚合两种，连续频谱聚合可以简化基站和终端的配置，可以应用于如3.4~3.8GHz频段的频率分配，非连续频谱聚合有更强的频谱聚合灵活性，需要定义频谱聚合所支持的终端能力，以便将终端大小、成本和功率损耗降到最低。

3GPP自RAN1 #53次会议开始讨论载波聚合的相关内容，在RAN1 #54bis会议得出如下几点基本的结论：考虑到与LTE的兼容性，各个成员载波将采用LTE的设计，并最大占110个RB（20MHz）；所有的成元载波都是与R8 LTE兼容的，但不排除对非后向兼容的成元载波的考虑；关于聚合带宽和上下行非对称，UE可能被配置为在上下行分别聚合不同数量、不同带宽的成元载波，而对于TDD，典型情况下，上下行的成员元载波数是相同的。

在这些基本结论的基础上，将MAC层聚合作为基准假设，即从UE角度每个调度的成员载波均有一个传输块和HARQ。对载波聚合中的下行控制信令PDCCH的设计，确定了一个PDCCH只在一个载波内传输，采用各载波分别编码的PDCCH设计方式，支持通过载波指示比特进行跨载波调度的方式。采用UE Specific的机制确定是否使用载波指示域（CIF），长度固定为3bit，位置在不同DCI格式下均是固定的，当DCI格式的大小相同时，使用显式的CIF支持跨载波的调度，当DCI格式的大小不同时，是否包含CIF需要进一步的讨论。

对于PCFICH的设计方式，每个成员载波有独立的控制区域大小，在有控制区域的载波上，重用Rel-8PCFICH的设计（调制、编码、映射）。关于跨载波调度情况下的控制区域指示问题，需要进一步的讨论。

对于PHICH的设计方式，重用R8中的PHICH物理传输，包括正交码的设计，调制，扰码序列，映射到REs的方法，PHICH只在发送UL grant的下行成员载波上传输，PHICH 资源映射原则：在没有载波指示域（CIF）的1:1 或者 Many:1 的DL和UL映射，重用 R8 映射。需要进一步讨论的问题有：不同载波是采用统一的PHICH资源还是分别采用不同的PHICH资源，在下行载波对上行载波是1对多的情况下，或者带有载波指示域的情况下，如何进行PHICH资源映射。

LTE-A支持最多5个下行成员载波的设计（未来考虑扩展到更多数目），对于PUCCH的设计方式，在没有PUSCH数据发送的时候，一个UE的所有Ack/Nack在PUCCH上发送，目前支持PUCCH映射到UE专用的一个上行成员载波上。每个UE在PUCCH上发送一个调度请求。支持至多是5个下行载波的周期CSI上报，CQI/PMI/RI的编码和映射延用R8的原则。需要进一步研究的问题有：是否支持多个上行载波同时发送Ack/Nack，以及Ack/Nack资源分配的确切方法。

载波聚合情况的上行功率控制，LTE-A中的上行功率控制范围与R8类似：在降低由邻区产生干扰的同时，主要对慢变信道进行补偿；PUSCH采用部分功率控制或者全信道损失补偿，PUCCH采用全信道损失补偿。LTE-A支持连续和非连续载波聚合下，载波专用的上行功率控制。

关于载波的类型，目前定义了“后向兼容载波”，“非后向兼容载波”，“扩展载波”，“UE下行载波集合”，“UE上行载波集合”等概念，后向兼容载波是LTE R8的终端可以接入的载波；非后向兼容载波是LTE R8不能接入的载波，由双工间隔的原因引起的非后向兼容载波可以作为独立的载波使用；扩展载波是不能作为独立载波使用的非后向兼容载波；在此基础上，高通提出载波Segment的概念，其与扩展载波的区别在于工作带宽和PDCCH传输的不同等，目前正在等待RAN4联络函的回复。考虑到终端PDCCH盲检测的负担，以及PHICH资源预留的数量和灵活性，多家公司建议定义PDCCH Monitoring Set的概念，即终端进行PDCCH检测的下行成员载波集合，但是需要考虑集合的具体定义，如何更新（频度）等都需要进一步的讨论。

（2）下行传输技术

LTE支持4×4天线的配置，LTE-A将SU-MIMO扩展到8×8配置的场景下，到目前为止，3GPP RAN1达成了一些关于LTE-A中SU-MIMO的8天线空间复用和发送分集有一些一致性的结论。

空间复用传输块的最大数目为2，每个传输块内有1个MCS域，每个传输块中有1bit的ACK/NACK用来作为评估的基准，码字到层的映射，4层以下（包括4层）重用LTE的映射方法，4层以上将LTE码字到层映射的方法作为基准。采用基于码本的预编码反馈作为基本的工作假设，是否采用Layer Shifting以及控制信令的细节等还需要进一步讨论。对于8天线的发送分集方式，R10 UE在非MBSFN子帧中的PDCCH和PDSCH，重用R8中的2或4天线的分集方式，对于R10 UE在MBSFN子帧中的PDSCH分集方式需要进一步讨论。

LTE R8中的多用户MIMO，通过传输模式5半静态的配置用户处于多用户MIMO状态，并且每个用户只有一个layer，下行控制信令Format 1D和MU-MIMO的传输模式相关。总体来说，LTE R8中的多用户MIMO具有以下特点：

仅限于基于码本的预编码方式，采用的是SU-MIMO优化的码本，4发射天线配置的粒度是4比特。解调基于公共参考信号，编码信息是通过基站的下行分配信令指示的。由于没有与其共同调度终端相关的下行信令，限制了基于终端的干扰抑制/消除的有效性和灵活性。

反馈上报支持的模式有非周期Mode 3-1上报和周期Mode1-1和Mode 2-1上报，只支持宽带PMI预编码上报，这种反馈机制在相关性强的天线配置情况，也就是频率选择性弱的场景下更有用。并且只支持Rank1上报。

尽管R8标准中没有明确的限制在一个资源块上调度多于两个用户，实际中因为单个的功率偏置比特，最多只能同时调度两个用户。另外，每个用户限制接收一个Layer。

LTE-A将多用户MIMO进行了扩展，讨论的内容集中在：单用户和多用户的切换，是进行透明还是非透明的多用户MIMO（也就是用户是否知道自己配对的用户信息），反馈的增强方法（考虑基于CQI/RI/PMI的增强，或者可能的显式反馈方法），码本的增强方法，每个参与配对的MU-MIMO 的UE layer数，共同调度的MU-MIMO 终端数量等。目前，确定支持SU-MIMO和MU-MIMO之间的动态切换，即不需要RRC Reconfiguration的切换，其他问题还没有得出相应的具体结论。