LTE-A及移动网络技术演进

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作者：沈大鹏
主要内容：
1 概述
　　随着LTE网络在全球的大规模商用，充分证明了无线通信网络可以提供峰值数据速率高达150Mbps、延迟低于20ms的移动宽带服务。在LTE演进（LTE-Advanced）的峰值数据传输速率会超过1Gbps，增强多频段和多天线技术的同时，在现有LTE技术的基础上平滑演进，并且后向兼容LTE标准。目前在韩国已经开始了LTE-A载波聚合的商业部署[1-2]。
　　终端用户不断上升的数据速率期望值以及网络日益增长的容量需求，使得运营商在保护移动宽带市场、挖掘新的商业机会的同时，不仅要保护既有网络投资，还要进一步地提高网络运营效率。
　　2 LTE Release 12关键技术
　　LTE Release 12的技术增强主要集中在容量（Capacity）、覆盖（Coverage）、小区间协调（Coordination）和成本（Cost）4个领域。通过站点间载波聚合、LTE-WLAN融合、宏小区增强技术、异构网络、3D波束赋形、先进的UE接收机、CoMP（Coordination Multi-Point，多点协调）以及SON（Self-Organized Network，自组织网络）等技术的综合运用，实现网络在容量和服务质量等方面的提升。
　　2.1 小基站增强技术
　　随着无线宽带市场的发展和用户规模的扩大，移动数据流量快速增长，Release 12的增强功能主要在2个方面帮助小基站的部署：降低小基站间的信令交互；宏基站和小基站配合提高用户传输速率。
　　大量高密度的小基站部署会增加核心网络的信令负荷，这种情况将通过分离无线接入网络（RAN）架构中用户平面和控制平面的功能得到改善，即让宏基站做流动管理，同时将高数据流量由小基站来承载。
　　双连接（Dual Connectivity）-站点间的载波聚合，对于那些没有理想传输网络的运营商来说是一个有吸引力的解决方案。双连接通过宏基站进行移动性管理，同时聚合小基站提供额外的用户面容量，提高用户数据吞吐量。这个技术实现了宏基站和小基站的容量优化，通过载波聚合增加带宽，即使在过载的网络，站点间载波聚合也可以提供50%的小区边缘增益。
　　同时，根据密集部署场景的需求，Release 12还通过引入256QAM、动态开关及小区发现、空中同步增强等技术合力保证小基站的高效部署。小基站室内稀疏部署时，256QAM在30%的覆盖区域提升小区平均频谱效率16%，有效地增强了频谱效率。动态小区开关和小区发现技术降低了干扰及能耗，提升频谱效率10%以上；多跳空口同步增强满足3μs要求，可有效降低网络干扰，提高网络部署的可靠性和灵活度[3]。
　　2.2 载波聚合增强功能
　　载波聚合增强功能在Release 12中将能够实现FDD/TDD载波聚合。基于Release 10的载波聚合是FDD或TDD聚合同频段或跨频段的载波，Release 12允许共站的FDD和TDD载波实现聚合。作为小基站增强功能中站点间载波聚合功能的扩展，进一步会支持站点间的载波聚合。
　　根据射频特性和性能要求，如图1所示，支持3个下行链路60MHz频谱的载波聚合，数据速率可高达450Mbps。
　　图1 3个下行链路60MHz频谱的载波聚合
　　2.3 宏蜂窝增强功能
　　随着网络流量的快速增长，未来网络的部署会同时兼顾宏基站和小基站发展演进。利用多天线技术、先进的接收器、网络架构和新的频谱资源，可以有效地改进网络宏基站的容量和覆盖。宏单元的改进是对运营商的吸引力，因为它们允许在现有基站站址和运输基础设施进一步剥削。由于既有的网络设备资源和投资，针对宏基站技术的增强无疑对运营商更具吸引力。
（2）先进的上行接收机；
　　（3）增强型多点协调技术（eCoMP）；
　　（4）基于资源池的无线网络架构；
　　（5）高容量传输；
　　（6）授权共享访问（ASA）以获得更多的频率资源。
　　通过增加基站天线数量2个到4个，甚至到8个，会显著提高网络容量增益，并且可通过使用基于专用解调参考信号先进接收机的单用户和多用户MIMO方案（SU/MU MIMO），使网络容量增益得以进一步提高。
　　Release 12引入了基于波束赋形和自动小区分裂技术的三维有源天线系统（3D AAS）。通过波束赋形技术，3D AAS可以在水平及垂直方向上自动调整天线主波瓣方向，小区呼吸范围更大，能更深入地满足用户大容量需求；当热点区域的用户较多时，3D AAS也可以自动小区分裂，提高小区容量。在引入3D MIMO支持多用户的情况下，传统宏站小区平均吞吐率可提升43%、小区边缘吞吐率可提升41%，是Release 12以及后续演进的重点之一。
　　基于集中调度技术的增强CoMP（eCoMP）技术可以协调宏基站和小基站资源，小区站点的天线以一种协作的方式进行接收/发射，改善UE/eNodeB的接收信号质量，降低小区之间的干扰，提升小区边缘用户吞吐量以及小区平均吞吐量。
　　此外，运营商通过使用已授权频谱外的资源作为补充的方式授权共享访问（ASA），获得更多的频谱资源和QoS保障，从而提高用户数量和网络的容量。
　　2.4 机器型通信（MTC）
　　据预测，到2020年世界上物与物之间的通信业务是人与人之间的30倍，全球至少有500亿台M2M设备会连接到移动网络中。预期的嵌入式机器对机器的调制解调器的数目在将来会大幅增加。目前每个基站可以支持最多5 000～10 000用户，而机器对机器的通信会高达每基站100 000连接的设备，这一切对移动网络提出了新的要求。
　　除了3GPP中已经制订支持MTC（Machine Type Communication，机器型通信）的功能外，Release 12还针对以下方面进行了特别的优化：
　　（1）网络负荷优化：确保MTC特定信令和连接，保证非常大量连接的设备可以通过在LTE无线支承和小量数据地有效传递。
　　（2）在3GPP中定义了一个新的UE类别，成本根据MTC操作特点进行了优化。研究表明，对于射频部分，UE仅使用一个接收天线和半双工操作，可以显著降低成本。在基带方面，通过单个接收天线，带宽减少和峰值数据速率的降低可以节省60%的设备成本。
　　一些安装在极端覆盖条件下的MTC UE，可能只需要非常低的数据速率和更大的延迟。Release 12版本提供了一些LTE覆盖改善的解决方案，主要通过如进一步重复、功率提升和某些控制信道功能的简化等技术来实现。
　　2.5 3GPP-WLAN互通
　　3GPP已经针对3GPP-WLAN互通进行相关的研究。目前ANDSF（Access Network Discovery and Selection Function，接入网络发现选择机制）没有考虑RAN侧和WLAN侧的负荷，仅仅根据WLAN信号强度来决定是否将话务从3GPP网络转移到WLAN网络。
　　针对3GPP-WLAN互通RAN级别的帮助是针对目前典型的WLAN选择不足之处，以达到蜂窝网络与WLAN之间的负载均衡，保证用户的体验质量。负载均衡的目的是由eNodeB根据动态需求，主动引导UE的流量使用运营商控制的WLAN或RAN。
　　作为Release 12的一部分，目的是确定3GPP-WLAN选择接入网络和流量转向指定的机制。所引入的解决方案支持部署和不部署ANDSF，并充分考虑了和支持RAN规则的ANDSF共存。RAN参数通过系统的广播或专用信令传送[4]。
　　2.6 免许可频段LTE
　　对于移动运营商来说，许可频段（Licensed Bands）一直以来都是其核心资产，是提供高质量无线通信服务的基础，并在可以预见的未来举足轻重。但是，随着移动互联网的蓬勃发展，公众对高带宽无线业务需求的爆发与频谱资源的稀缺之间矛盾日益尖锐，免许可频段作为许可频段的补充，还存在丰富的资源以及极大的发展空间。以5GHz频段为例，目前全球各国已分配的免许可频谱资源总计超过500MHz。
　　免许可频段LTE可以在免许可频段内应用LTE技术，实现许可频段和免许可频段的有效载波间聚合，从而倍增网络容量，提升频谱利用率。该方案在现有LTE网络的基础上，不需要修改安全认证、核心网业务管理和计费架构，仅升级基站就可以实现U-LTE的部署，并且和原LTE业务进行无缝切换。还可以在室内室外热点等任何有小基站部署的区域进行灵活部署，不需要额外的站址和传输资源，帮助运营商节省部署和运维成本[5]。
　　2.7 其他增强技术
　　随着移动宽带时代的到来，海量数据业务迅速增长，多制式多层次网络不断部署，如何更快速优化网络性能、精准满足终端体验要求，是当前运营商面临的主要问题。自组织网络（SON）真正做到了多制式多层次的网络快速准确地自动部署和优化，让网络一直保持最佳状态，更高效合理地为每个用户分配无线资源，使无线资源利用率和终端用户体验达到最优化。
　　TDD LTE增强上下行干扰管理和话务适配（eIMTA）功能可以根据实时话务统计动态调整上下行。Release 12版本中的eIMTA功能可以极大地改善小基站部署环境下TDD的容量和服务质量。
　　此外，3GPP还在LTE-HSPA融合、LTE-WLAN互通、商务及公共安全通信等方面进行了深入地探讨和研究。
　　3 总结
　　在Release 12版本中针对LTE增强功能和部署，尤其在小基站的部署、宏基站功能增强、SON、异构网络的灵活部署和干扰管理等方面进行了深入地研究。表1针对其中主要技术进行了总结：
　　基站设备会在700—2 600MHz频段支持LTE和LTE-Advanced技术，同时和小基站紧密配合，主要功能如下：