TD-LTE網(wǎng)絡上行CoMP方案研究與外場試驗*

王啟星，何麗峰，鄭 毅，胡臻平，劉光毅，林 興，李 蕾，Peter Butovitsch

（1.中國移動通信有限公司研究院 北京100053；2.中國移動通信集團江蘇有限公司 南京210029；3.愛立信（中國）通信有限公司 北京100102）

1 引言

經(jīng)過兩年多的規(guī)模試驗，TD-LTE網(wǎng)絡逐漸走向成熟，并在部分城市進入試商用階段。隨著越來越多的用戶終端（UE）進入網(wǎng)絡，網(wǎng)絡負荷不斷加重，小區(qū)間干擾問題也日益顯現(xiàn)出來。

與傳統(tǒng)2G、3G網(wǎng)絡采用異頻組網(wǎng)方式不同，LTE采用同頻組網(wǎng)，大幅提高了頻譜利用效率。LTE采用下行OFDM/上行SC-FDMA作為基本傳輸技術，小區(qū)內(nèi)的不同用戶采用正交的子載波傳輸業(yè)務，基本避免了小區(qū)內(nèi)用戶之間的干擾，但是相鄰小區(qū)都采用同一頻點部署，來自鄰區(qū)相同傳輸資源上的信號會干擾本小區(qū)內(nèi)的用戶，造成信道條件惡化，用戶速率下降。如何避免和消除小區(qū)間的干擾，成為LTE研究的重要課題。

多小區(qū)協(xié)作（coordinated multi-point processing，CoMP）是目前學術界和產(chǎn)業(yè)界研究的熱點，通過相鄰多個小區(qū)之間進行協(xié)作，可以有效地將干擾轉(zhuǎn)化為有用信號，改善傳輸信道質(zhì)量。其中上行CoMP是基站側(cè)功能，可以通過基帶升級的方式實現(xiàn)，無需對現(xiàn)有終端進行改動，因此可以在現(xiàn)網(wǎng)中提前引入，以提升LTE基站上行接收能力。

本文首先根據(jù)TD-LTE規(guī)模試驗中的測試數(shù)據(jù)分析網(wǎng)絡中的小區(qū)間干擾問題，并介紹上行CoMP的系統(tǒng)模型和幾種實現(xiàn)方案，最后結合上行CoMP預商用平臺外場試驗的測試結果，重點分析上行CoMP的性能。

2 TD-LTE網(wǎng)絡小區(qū)間干擾

在TD-LTE規(guī)模試驗中，通過終端軟件可以查看TD-LTE終端檢測到的小區(qū)情況。在中國移動通信有限公司（以下簡稱中國移動）某地規(guī)模試驗網(wǎng)中，通過拉網(wǎng)測試統(tǒng)計終端同時檢測到的小區(qū)數(shù)目情況，考慮到一些鄰區(qū)信號很弱或者很不穩(wěn)定的情況，只考慮RSRP（參考信號接收功率）低于主小區(qū)10 dB以內(nèi)的鄰區(qū)，統(tǒng)計結果如圖1所示。在站間距為300～500 m的密集城區(qū)覆蓋區(qū)域里，終端有71.8%的概率會檢測到1個或多個（甚至可以檢測到6個）鄰區(qū)。

圖1 規(guī)模試驗中終端檢測到鄰區(qū)數(shù)量統(tǒng)計(鄰區(qū)RSRP低于主小區(qū)10 dB以內(nèi))

對于同站3個小區(qū)，通常采取扇區(qū)化技術將不同小區(qū)設置成不同的朝向，但是在扇區(qū)的邊緣，為了保證覆蓋，不可避免地存在重疊覆蓋區(qū)域。根據(jù)圖2所示的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，終端存在30.1%的概率可以檢測到來自同站鄰區(qū)的信號。同時還可以看到，只有1.4%的概率可以同時檢測到同站3個小區(qū)的信號，這是由于3個小區(qū)分別打朝向不同的方向，幾乎不可能有同站3個小區(qū)的重疊覆蓋區(qū)域，之所以出現(xiàn)這種情況可能因為其中某個小區(qū)的信號是通過建筑物反射過來的。

圖2 規(guī)模試驗中終端檢測到同站鄰區(qū)數(shù)量統(tǒng)計(鄰區(qū)RSRP低于主小區(qū)10 dB以內(nèi))

由于目前商用終端只支持單天線發(fā)送上行信號，因此無法實現(xiàn)上行的波束成形，上行信號在空間處于發(fā)散狀態(tài)。終端上行發(fā)送的信號可能同樣會被多個鄰區(qū)接收到，形成上行干擾。尤其對于位于小區(qū)邊緣的用戶，為了保證其上行信號被主服務小區(qū)接收到，往往采用功率控制技術提高上行信號的發(fā)送功率，但同時也對相鄰小區(qū)采用相同傳輸資源的用戶造成了較強的干擾。根據(jù)試驗結果統(tǒng)計，在網(wǎng)絡中模擬多用戶上行加擾后，主小區(qū)邊緣用戶上行吞吐率下降超過60%。

3 上行CoMP系統(tǒng)模型

多小區(qū)協(xié)作技術被認為是解決小區(qū)間干擾的有效手段，也是LTE-Advanced標準化中的重點研究課題之一[1]。對于上行CoMP，在基站側(cè)對多個天線接收到的上行信號進行聯(lián)合處理，對終端功能沒有要求，因此可以不需要標準定義，在TD-LTE現(xiàn)網(wǎng)中通過基站功能升級提前支持上行CoMP，以解決小區(qū)間干擾問題，提升網(wǎng)絡性能。

3.1 系統(tǒng)模型

上行CoMP的系統(tǒng)模型如圖3所示。在非協(xié)作的系統(tǒng)中，每個小區(qū)單獨處理各自小區(qū)內(nèi)的UE信號，UE上行信號會對鄰區(qū)造成干擾，使得鄰區(qū)在相同資源上傳輸業(yè)務的UE上行信道質(zhì)量下降；而在協(xié)作系統(tǒng)中，UE信號通過多個小區(qū)的天線進行接收，并傳回基帶進行合并處理，UE上行信號對于鄰小區(qū)不再是干擾，反而可以作為有用信號利用起來，獲得合并增益。由于需要進行信號聯(lián)合處理，參與協(xié)作的多個小區(qū)需要交互接收到的上行信號，因此需要支持小區(qū)間基帶數(shù)據(jù)傳輸，對于共基帶的多小區(qū)系統(tǒng)（比如同站3個小區(qū)或C-RAN架構[2]），可直接在基帶處理板上通過高速數(shù)據(jù)接口傳輸。

圖3 非協(xié)作系統(tǒng)與上行CoMP系統(tǒng)模型

3.2 上行CoMP方案

對于上行CoMP接收算法，主要有兩種可行的實現(xiàn)方案，以2天線系統(tǒng)2個小區(qū)協(xié)作為例，信號處理流程分別如圖4所示的方案1[3]、方案2[4]。

方案1中協(xié)作的2個小區(qū)對接收到的上行信號進行聯(lián)合MMSE檢測，稱為聯(lián)合均衡（joint equalization）。這種方案將多個小區(qū)內(nèi)在相同資源塊上傳輸?shù)亩鄠€UE看成一個虛擬的多用戶MIMO系統(tǒng)，對各自的信道進行估計并均衡，能夠充分利用多個鏈路的信息獲得分集增益，因此可以獲得較高的性能增益，但是對硬件處理能力具有一定的挑戰(zhàn)。

方案2中每個小區(qū)分別對用戶信號進行MMSE檢測，將均衡后的數(shù)據(jù)合并到一起進行軟解調(diào)，稱為聯(lián)合軟合并（joint soft-combining）。這種方案只需傳輸均衡后的數(shù)據(jù)，小區(qū)間交互數(shù)據(jù)量較小，對產(chǎn)品硬件架構改動較小。另外，該方案由于只對均衡后的數(shù)據(jù)進行軟合并處理，解調(diào)復雜度相對也要低一些。但采用這種方案單獨進行MMSE檢測，不能對鄰區(qū)的干擾進行有效消除，只能獲得部分合并增益，性能提升有限。

對于共基帶的BBU-RRU組網(wǎng)方式[5，6]，非常適合采用方案1的聯(lián)合均衡技術來消除小區(qū)間干擾，提升用戶上行速率。鑒于目前TD-LTE網(wǎng)絡中同站3個小區(qū)通常都是共BBU的，根據(jù)上述的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對于同站CoMP協(xié)作，通常只需選擇其中的2個小區(qū)進行聯(lián)合處理，基帶處理的復雜度也相對較低，因此可優(yōu)先在同站3個小區(qū)之間引入上行CoMP功能。

3.3 仿真結果

在上述分析的基礎上，本文采用方案1對2天線系統(tǒng)和8天線系統(tǒng)同站CoMP協(xié)作進行了仿真分析，仿真參數(shù)見表1。

表1 同站上行CoMP仿真參數(shù)

為了結合現(xiàn)網(wǎng)實際部署情況，仿真主要考慮下述3種不同的傳輸方式。

·1×2（SIMO）：UE單天線發(fā)送，基站2天線接收，每小區(qū)同一個資源塊調(diào)度1個用戶。

圖4 上行CoMP系統(tǒng)的不同實現(xiàn)方案

·1×8（SIMO）：UE單天線發(fā)送，基站8天線接收，每小區(qū)同一個資源塊調(diào)度1個用戶。

·1×8（MU-MIMO）：UE單天線發(fā)送，基站8天線接收，每小區(qū)同一個資源塊調(diào)度2個用戶。

仿真結果如圖5所示?？梢钥吹皆诘湫统鞘行诺滥Ｐ虸TU-Umi場景下，對于2天線系統(tǒng)，上行CoMP可帶來99%的小區(qū)邊緣增益和37%的小區(qū)平均增益；對于8天線系統(tǒng)，由于通過8根天線同時接收可以獲得很高的接收分集增益，因此在單用戶傳輸時，上行CoMP后增益比較小，但是當系統(tǒng)支持上行MU-MIMO時，8天線系統(tǒng)仍有較大的性能提升空間。從仿真結果來看，8天線系統(tǒng)MU-MIMO通過上行CoMP可帶來65%的小區(qū)邊緣增益和38%的小區(qū)平均增益。

圖5 同站上行CoMP仿真結果

4 上行CoMP外場試驗

為了驗證真實網(wǎng)絡環(huán)境中上行CoMP的性能，研究團隊在TD-LTE試驗網(wǎng)中基于預商用平臺開展了同站上行CoMP的外場試驗。由于是同站CoMP協(xié)作場景，因此采用圖4（a）中的方案1，并開啟干擾抑制合并（IRC）的MMSE檢測算法[7]，更好地抑制協(xié)作小區(qū)集合外的干擾信號。

4.1 測試場景

此次試驗選擇某城市密集居民樓場景，如圖6所示。采用D頻段2天線TD-LTE組網(wǎng)，站高約18 m。參與協(xié)作的兩個小區(qū)為圖6中的小區(qū)1和小區(qū)2。測試區(qū)域為兩個小區(qū)交界處的重疊覆蓋區(qū)域。為了模擬真實網(wǎng)絡場景，在周圍幾個相鄰的小區(qū)內(nèi)共放置了9個加擾UE，同時開啟上行業(yè)務。從主測小區(qū)1處觀察到，模擬加擾使得上行干擾余量抬升12.5 dB，符合TD-LTE規(guī)模試驗測試規(guī)范要求的上行加擾條件[8]。

圖6 上行CoMP外場測試場景

4.2 測試結果

為了比較開啟上行CoMP功能后對用戶上行吞吐率的影響，測試時以小區(qū)1作為主測小區(qū)，測試終端在上述測試區(qū)域內(nèi)進行遍歷，并記錄下各個位置的上行吞吐率均值。關閉和開啟上行CoMP的上行吞吐率打點圖如圖7所示，可以看到，開啟CoMP后上行吞吐率普遍提高。尤其在一些被樓房遮擋住的弱覆蓋區(qū)域（見圖7（a）的黑點區(qū)域），上行吞吐率得到顯著提升，有利于改善弱覆蓋區(qū)域的用戶體驗。

兩個協(xié)作小區(qū)重疊覆蓋區(qū)域內(nèi)，按照主小區(qū)RSRP強度分區(qū)間統(tǒng)計的上行CoMP增益如圖8所示?？梢杂^察到，在信號覆蓋較弱的區(qū)域（主小區(qū)RSRP小于-90 dBm），CoMP增益達到50%以上，部分區(qū)域增益超過100%；在信號覆蓋較好的區(qū)域，由于存在較多的上行干擾信號使得這些區(qū)域內(nèi)用戶沒有達到上行峰值速率，開啟上行CoMP聯(lián)合接收后也有一定的提升空間，測試結果表明在這些覆蓋較好的區(qū)域可獲得20%～50%的CoMP增益。隨著未來網(wǎng)絡中逐漸支持MU-MIMO、上行64QAM等高效率傳輸方式，預期上行CoMP可以在這些區(qū)域帶來更高的性能改善，有利于提升好點處的用戶吞吐率，釋放更多資源給邊緣用戶，從而提升小區(qū)整體的平均吞吐率。

為了進一步分析主小區(qū)與鄰小區(qū)信號相對強度與CoMP增益之間的關系，定義Geometry為主小區(qū)RSRP減去鄰小區(qū)RSRP，不同Geometry下CoMP增益也統(tǒng)計在圖8中?？梢钥吹?，當鄰區(qū)RSRP強度和主小區(qū)接近時，這時終端位于兩小區(qū)的邊緣地帶，可以獲得較高的CoMP增益。另外在切換時，由于存在所謂的“乒乓效應”，當鄰區(qū)信號強于主小區(qū)時，并不立即切換，而是當高于某個閾值并持續(xù)一定時間后才會切換，在這種場景下CoMP增益非常明顯，如圖8中Geometry≤-1的區(qū)域。

5 結束語

本文結合TD-LTE規(guī)模試驗，對TD-LTE網(wǎng)絡中的小區(qū)間干擾問題進行分析，介紹了上行CoMP的系統(tǒng)模型和幾種實現(xiàn)方案，并通過外場試驗驗證了2天線系統(tǒng)同站協(xié)作的上行CoMP性能。測試結果顯示，通過上行CoMP，小區(qū)邊緣用戶可以獲得50%～100%的上行吞吐率增益，顯著改善了由于鄰區(qū)干擾造成的用戶體驗下降等問題。相比TD-LTE 8天線系統(tǒng)，2天線系統(tǒng)上行接收性能較弱，通過采用上行CoMP可以縮小其與8天線系統(tǒng)的差距。在一些由于條件限制無法采用8天線組網(wǎng)的站點，可以在2天線系統(tǒng)中引入上行CoMP功能，保證用戶在覆蓋區(qū)域內(nèi)的平均業(yè)務體驗。對于8天線系統(tǒng)，也可以通過上行CoMP進一步提升其接收性能，以更好地支持上行MU-MIMO以及上行64QAM等高效傳輸方式，大幅提高系統(tǒng)整體吞吐率。

1 3GPP TR 36.819.Coordinated Multi-Point Operation for LTE Physical Layer Aspects(Release 11),Version 11.1.0,Dec 2011

2 王曉云，黃宇紅，崔春風等.C-RAN:面向綠色的未來無線接入網(wǎng)演進.中國通信,2010(3)

3 Jiang D J,Wang Q X,Liu J J,et al.Uplink coordinated multi-point reception for LTE-Advanced systems.The 5th International Conference on Wireless Communications,Networking and Mobile Computing(WiCom’09),Bejing,China,2009

4 郭健，鄭迺錚，談振輝.LTE-Advanced上行CoMP軟信息合并接收算法.電信科學,2012(8)

5 Wang Q X,Jiang D J,Jin J,et al.Application of BBU+RRU based comp system to LTE-Advanced.IEEE International Conference on Communications Workshops(ICC Workshops 2009),Beijing,China,2009

6 Li L,Liu J H,Xiong K H,et al.Field test of uplink CoMP joint processing with C-RAN testbed.Proceedings of the 7th International ICST Conference on Communications and Networking in China(CHINACOM2012),Kunming,China,2012

7 Zanella A,Chiani M,Moe Z Win.MMSE reception and successive interference cancellation for MIMO systems with high spectral efficiency.IEEE Transactions on Wireless Communications,2005,4(3):1244～1253

8 中國移動通信有限公司.TD-LTE規(guī)模試驗多鄰區(qū)干擾測試規(guī)范（V1.5），2011