LTE系统覆盖增强技术阶段性引入的考量

0 前言

3GPP为了打造新一代无线通信系统，超越2G/3G系统的无线接入能力，全面支撑高性能数据业务，提出了LTE长期演进计划。2008年3GPP从R8版本正式开始了LTE的标准化工作，目前已经进入到了R12版本标准的制定工作。LTE协议定义了1.4、3、5、10和20 MHz等带宽配置，20 MHz的无线带宽支持下行100 Mbit/s、上行50 Mbit/s的传输速率（基于CAT3终端）。目前，LTE的产业链从网络设备到终端设备，已经成熟并实现商用，国内移动通信运营商也正在积极进行LTE技术试验。

由于站址资源稀缺，增添新的站点存在诸多困难，理想的站址位置选择几乎不可实现，因此，对比LTE系统与2G/3G系统的覆盖能力，研究其共站址建设的可行性，从而提高站址资源利用率，是运营商提高建网效率、降低建设成本的关键，也是不得不考虑的一个重要课题。

本文首先基于标准业务，由链路预算对比了GSM 900M、DCS 1800M、UMTS 2100M、LTE 1800M和LTE 2100M的覆盖能力，然后根据仿真给出了IRC、MIMO、ICIC（Inter Cell Interference Coordination）以及TTI Bundling等覆盖增强技术的适用场景、性能增益和局限性，最后结合各种技术的增益，以提升用户感受和上下行覆盖平衡为出发点，给出了覆盖增强技术的阶段性引入建议。

1 LTE与2G/3G共站址的可行性

针对2G/3G网络承载的业务特点和网络规划的标准，选取语音业务和视频电话业务（CS64K）分别作为GSM、 WCDMA系统与LTE系统覆盖能力比较的基准业务。根据LTE系统高速率的要求，选取速率256和512 kbit/s作为上行基准速率，选取1和2 Mbit/s作为下行基准速率［1］。针对LTE初期主要满足热点部署的要求，按照链路预算的相关理论，在密集城区、500 m典型站间距场景下，各种制式的覆盖能力核算如表1所示。

由表1可以看到，基于选取的业务类型和基准速率，1.8和2.1 GHz的LTE系统上下行覆盖能力皆比WCDMA系统和GSM差一些。LTE系统的覆盖能力受限于上行信道。从上行信道的覆盖能力分析，密集城区500 m站间距条件下，1.8和2.1 GHz的LTE系统均能达到256 kbit/s的速率，但是还不能达到512 kbit/s的速率。需要注意的是表1的结果是基于密集城区的模型计算得到的覆盖能力估计，如果模型发生变化，比如换成一般城区或郊区模型，上下行覆盖能力会有所提升。

1.8 GHz频段下行速率1 024和2 048 kbit/s覆盖能力计算结果相同，2.1 GHz频段也出现了相同的计算结果，原因是由于假设速率为1 024 kbit/s时系统为用户分配10个RB；而2 048 kbit/s时系统为用户分配20个RB。系统为小区边缘用户分配的RB数目由各厂家设备实现的具体调度算法所决定，必须考虑系统效率和用户需求之间的平衡。如小区中用户较多，为了达到较高的速率而RB数又有限，就需要调度较高格式的MCS，导致解调门限升高，覆盖半径缩短。

2 覆盖增强技术

2.1 IRC

在实际的环境中，通常很难检测出来自邻近小区的干扰信号。然而，接收端采用多天线技术时，接收机可以利用空间特性进行干扰抑制。IRC就是此类技术之一［2］，它利用多天线获得的干扰统计特性实现干扰消除的功能。这项技术不需要对发射端做任何额外的标准化工作，不依赖任何额外的信号区分手段（如频分、码分、交织器分），而仅仅依靠空分手段来实现其功能。

图1（a）的仿真中假设基站接收天线数量为4，分别设置ρ=0.2和0.8，ρ值越大，信道的相关性越强。该小区终端信号接收功率和每个干扰终端的接收功率差为：PΔ=4.77和7.78 dB。图1（a）横轴代表邻小区干扰终端的数量，纵轴代表仿真系统误码率。可以看到，在4天线接收的情况下，当干扰信号小于等于4时，IRC性能较好；当干扰数量大于4之后，性能逐渐衰退，这说明发生碰撞的用户数量如果远大于接收天线的数量，IRC性能变差。

图1（b）展示了干扰终端之间的信道相似程度对接收机的影响，其中高相似性代表干扰终端地理位置接近，反之代表干扰终端地理位置较远。可以看到当干扰终端之间经历相同或相近的物理信道时（高相关性），IRC较好地删除了干扰造成的影响；而当干扰终端经历的物理信道差异性较大时（低相关性），IRC的性能将有3 dB左右的衰退。这也说明，干扰终端地理位置相近，信道条件单一时，IRC能够更好地发挥作用。 另外，依然可以看到，虽然IRC专门为抵抗天线之间的相关性而设计，但是随着天线分支之间相关性的提升（ρ值增大），IRC的性能也逐步变差。

IRC能够提升基站上行解调能力，对于同频网内干扰和同频网外干扰能够进行有效的干扰消除，可提升解调性能1~7 dB，其性能受到无线环境和干扰终端的分布不同影响较大。根据以上研究结果，IRC适合在散射、折射、绕射条件简单的室外环境中得到应用。如果是在室内环境中应用，由于多径复杂，效果就会受到影响。另外，IRC适合在用户地理位置相对集中的环境中进行应用。

2.2 MIMO

LTE中的多天线传输大体而言就是把数据调制的输出映射到不同的天线端口。天线的输入包含对应于1个或者2个传输块的调制符号（QPSK、16QAM、64QAM）。不同的多天线传输方案对应不同的传输模式［3-4］。目前LTE 有9种传输模式（TM），TM1对应于单天线传输，而其他TM对应于不同的天线传输模式，包括天线分集、波束赋形和空分复用。

TM2对应的是发射分集技术，发射分集主要提高链路的信号传输质量。这种模式下，相同的信息流用多根天线发送。利用多天线的空间分集效应，提升接收端的SINR。该工作模式主要适用于信道质量不好的用户，如小区边缘的用户。

TM3对应开环空间复用模式，UE不反馈PMI信息，基站利用UE传送的RI信息来选择空间层的数目。当并行不相关的子信道数量大于1时（RI>1），系统可以利用多层的传输大幅提高传输速率；当RI为1时，TM3回退到发射分集技术。空间复用主要是利用天线阵元之间或者波束之间的不相关性，如果天线间干扰过大，接收侧不能有效地将多根天线区分开来，则其效果可能比单天线发送还差。因此，开环空间复用技术主要针对信道相关性较低、信干噪比较高、有一定移动速度的室外用户开启。

TM4的闭环空间复用与开环空间复用类似，都是多根天线上（最大为4）发射2个码字，但是由于采用了反馈机制，闭环模式下能够获得一定的阵列增益。因为其需要根据信道条件反馈PMI，因此性能提升的关键在于发射端是否根据无线信道状况对数据进行预编码，以便接收端更容易将信号分解成原始数据流。因此，闭环空间复用适用于高干信噪比、低相关性的场景以及信道变化较慢的情况，如室内场景或游牧场景。

FDD-LTE系统的部署主要考虑TM2、TM3、TM4 3种工作模式，由于缺乏TDD系统的上下行信道的互易性，暂时不考虑波束赋形技术。

图2和图3显示了上行1×4相比1×2天线配置在覆盖性能和容量性能方面的增益。目前，网络设备的默认配置是下行2×2、上行1×2，由于LTE系统是上行受限，网络建设初期应尽早考虑上行的覆盖增强技术，即上行的1×4覆盖增强。受室外覆盖室内穿透损耗较大、阴影衰落等因素影响，在考虑网络覆盖方案时，应当尽早考虑增强型的多天线技术方案。郊区等远距离覆盖场景，上行多天线增强可以对扩大覆盖范围，提升业务质量产生关键作用。

2.3 ICIC

WCDMA系统的干扰主要来自小区内，而LTE系统的干扰主要来自邻小区。ICIC技术是通过管理无线资源使得小区间干扰得到控制，是一种考虑多个小区中资源使用和负载等情况而进行的多小区无线资源管理功能［5］。小区间干扰协调通过小区间的协调对一个小区的可用资源进行某种限制，以提高邻小区在这些资源上的SINR、小区边缘的数据速率和覆盖。资源包括时域和频域资源以及发射功率。

根据可用频率资源重新分配的频度，可以将ICIC技术分为静态协调（频度为若干天）、半静态协调（频度为秒级或更长）和动态协调（频度为几十或几百毫秒），时间粒度越小，则干扰规避的效果越好，但是相应的信令交互的需求就越高，极端情况下可能导致系统调度大大滞后于无线信道的变化。

根据无线资源的协调方式，可以将目前的ICIC技术分为部分频率复用（FFR）和软频率复用（SFR）2种方案。FFR方式是基站根据分配的频段结合调度算法动态调度中心用户和边缘用户的使用频段，相邻小区的边缘频段互相正交，如图4（a）所示。与FFR方案相比， SFR只是对某些子频带上的功率进行调整，但不是完全限制使用，如图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改善更明显。FFR约有1~5 dB的改善，SFR约有1~3 dB的改善。FFR和SFR在系统低负荷时，增益非常有限；在系统中高负荷时对边缘频谱利用率有明显增益；在中等负荷时，对边缘频谱利用率增益最大。SFR相对于FFR来说以更低的整体频谱利用率的损失，获得和FFR相近的边缘频谱利用率的增益。

在网络建设初期，LTE主要针对热点地区，未形成连片覆盖，且系统负荷相对较低，可采用频率选择性调度方案来降低系统干扰。当LTE形成连片覆盖，且系统负荷相对较高时，可开通SFR方案的ICIC功能降低系统干扰。3GPP对ICIC的具体算法没有统一，各厂家的ICIC算法各有差异，考虑到异厂家设备的差异性，在网络建设中应尽量保证成片区域单个厂家连续覆盖。

2.4 TTI Bundling

TTI Bundling即把一个数据包在连续多个TTI资源上重复进行传输，接收端将多个TTI资源上的数据合并达到提高传输质量的目的。目前，设备实现的TTI Bundling只针对VoIP业务开启。

利用多个TTI 绑定进行上行传输，能够有效提高上行覆盖能力，但是这是以牺牲系统资源为前提的。考虑到目前网络中主要是碎片特性的小速率数据业务，如果未来LTE网络还是以该业务类型为主，可以考虑将TTI Bundling引入到数据业务中。研究表明，无论是数据业务还是VoIP业务，利用4时隙绑定，能够提供上行1~2 dB的解调性能增益。而进一步利用8时隙绑定，相比4时隙性能可进一步提高1~3 dB。从系统频谱效率和覆盖的折中考虑，仅推荐处于上行覆盖较差的用户（边缘用户）使用TTI bundling技术。未来系统可以进一步采用自适应调整绑定时隙数目的方案，提升边缘用户的业务体验。

3 覆盖增强技术需求分析

在现有2G/3G站址上建设LTE可以满足下行1 Mbit/s的边缘速率需求；如果小区中用户较多，站间距离较大时会限制用户获得2 Mbit/s以上的下行速率。

下行ICIC可以提供1~3 dB的解调性能抬升；下行4×2 MIMO配置相比目前2×2配置也能较大改善系统性能。但LTE建设初期，覆盖主要受限于上行信道，所以该阶段主要考虑上行信道的问题。而4×2 MIMO的商用还要延后；而设备实现的下行的ICIC技术也不是3GPP所定义的严格意义上的ICIC，厂家普遍采用了没有X2接口交互的干扰协调方案。

若要提供上行信道512 kbit/s以上的边缘速率，就必须考虑上行信道的覆盖增强技术。

a） 上行1×2和1×4天线IRC能够带来1~7 dB的解调增益。但是该增益的大小与业务类型和用户数量密切相关，而且干扰用户的信道相关性也会对IRC性能产生较大影响。链路预算中，上行1×2 IRC解调增益取为2 dB；1×4 IRC解调增益取为2.5 dB。

b） 上行ICIC技术能够带来1~3 dB的解调改善，目前厂家主要实现了不基于X2接口交互的干扰协调技术，上行ICIC技术增益取为2 dB。

c） 时隙绑定技术无论针对数据业务和VoIP业务都能带来1~2 dB的增益。但是目前时隙绑定主要针对VoIP技术，网络设备针对数据业务暂时并不启用时隙绑定技术，鉴于此，链路预算不考虑时隙绑定技术的增益。

d） 上行1×4 MIMO配置相比1×2能够带来3 dB左右的解调性能增益。

表2示出的是依据上述条件的LTE上行链路覆盖能力。

由表2可以看到，上行1×2 MIMO配置条件下，加上IRC、上行ICIC等覆盖增强技术带来的增益，可以使上行覆盖能力基本达到与下行（见表1）覆盖相当的水平。而当上行达到1×4 MIMO配置时，附加各种覆盖增强技术，并且假设上行信道相关性不强使得分集增益能够达到最大，那么上行覆盖有可能超过下行覆盖，造成了新的上下行覆盖不平衡，这时就需要提升下行发射功率或者采取必要的下行覆盖增强技术，比如下行ICIC和下行4×2 MIMO。

4 结论与展望

根据本文分析得到的各项研究结果，LTE系统的覆盖增强技术有必要尽早在网络中实施。又考虑到技术的成熟度问题，上行IRC技术、提供干扰规避功能的各种上下行ICIC技术、时隙绑定技术、上行1×4 MIMO（接收分集，不需要额外开销）技术都应尽早在网络中实施。

3GPP在LTE-Advanced系统中进一步引入了提升覆盖、降低干扰的协作多点传输（CoMP）技术和中继（Relay）技术。CoMP技术实质上就是一种多小区MIMO技术，通过多小区之间的联合传输，进一步减少小区之间的干扰。而Relay技术可以从物理空间上扩大小区的覆盖范围，改善终端链路质量，从而提高系统的效率和用户的速率。基于各项适应不同场景的覆盖增强技术，未来的LTE网络必将为用户提供无处不在的良好业务体验。

参考文献：

［1］ 郭省力. LTE FDD 链路预算及覆盖估算方法研究［J］. 邮电设计技术，2012（7）：56-60.

［2］ J. Modestino，V. Eyuboglu. Integrated multielement receiver structures for spatially distributed interference channels，IEEE Trans. Inform. Theory［J］. 1998，32：195-219.

［3］ 3GPP TS36.201 LTE physical layer，General description［S/OL］. ［2012-12-06］. http://wenku.baidu.com/view/72f4ba8fcc22bcd126ff0 c1b.html.

［4］ 3GPP TS36.211 Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）；Physical Channels and Modulation［S/OL］. ［2012-12-06］. http://wenku.baidu.com/view/951f363567ec102de2bd 8946.html.

［5］ 3GPP TS36.300 Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）；Overall description［S/OL］. ［2012-12-06］. http://wenku.baidu.com/view/35d93d0790c69ec3d5bb7562.html.

作者：许国平 毕猛 文博 薛楠 来源：邮电设计技术