LTE同频组网关键问题分析

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编者按

创新已成为现阶段通信业的主旋律,“创新引领未来”也因此成为2010年通信展的最重要主题。涵盖信息通信、互联网和广播电视等诸多领域的创新技术与应用,如三网融合、3G应用演示及体验、4G前瞻性技术开拓、物联网技术及应用、绿色通信、新媒体等成为本届展览会的展示亮点。

2010年11月上半月刊的“移动通信的技术创新”专栏,将以“通信展之技术创新深度观察”为主题,邀请业界专家对通信展中展示的重点创新技术及应用如lte、云计算、物联网等进行深度分析,华为技术有限公司也在此进一步阐述和剖析其在通信展上提出的创新性的“云―管―端”信息服务新架构。

【摘要】文章分析了LTE基本原理支持同频组网的可行性,进而对LTE同频组网的问题从“能与不能”、“多与不多”、“高与不高”三个层面进行了分析,对LTE同频组网能力做了初步判断,并指出了还需要提高的重要技术方向。

【关键词】长期演进 LTE 同频组网

自2008年底完成R8版本标准的标准化后,LTE技术已经进入设备研发和测试验证阶段。在工业和信息化部电信研究院以及中国移动的推动下,几乎所有的主流厂商(包括国内和国际)都积极参与到TD-LTE的系统研发中。

从前期试验情况看,2.3GHz TD-LTE系统设备已经支持规范要求的大部分功能,并符合各项射频指标。目前,系统和终端厂商在积极开发2.6GHz硬件平台的同时,也逐渐将研发重点转到系统性能(吞吐量)和关键技术算法的优化上来,包括链路自适应、多用户调度、多天线技术(包括MIMO和智能天线)和同频组网等。尤其是同频组网技术,是所有新兴蜂窝移动通信技术必须面对和需要很好解决的关键技术问题。TD-LTE采用20MHz的大系统带宽,由于频率资源的有限性,占用3个或更多20MHz载频进行异频组网是不现实的,因此,同频组网技术对TD-LTE来说,是至关重要的技术问题。

本文试图从问题的不同重要性出发,从三个层面对LTE同频组网的关键技术问题做进一步系统的分析。

1 OFDMA同频组网可行性分析

传统观点认为,LTE系统所采用的OFDMA是一种为实现小区内正交传输设计的多址技术,不像CDMA系统对小区内、小区间的多址都有考虑。但是,需要纠正一种误解,OFDMA技术虽然并没有刻意地设计小区间多址机制,但并不意味着OFDMA系统不具备任何小区间多址的能力。事实上,OFDMA系统是通过“随机窄带传输”来实现一种自然的干扰随机化的。

OFDMA系统是一种“宽带组网、窄带传输”的系统,虽然小区带宽可以达到20MHz,但小区内每个用户的传输带宽通常是远远小于20MHz(最小可达几百kHz)的。如图1所示,在某一个特定时刻,一个采用OFDMA的LTE小区的发送信号通常只是在20MHz内的若干个RB(资源块)上窄带发送的,因此,一个LTE小区的发送信号是一些“离散的窄带信号”,对相邻小区形成的干扰也是“离散的窄带干扰”。

LTE系统窄带传输所占用的RB分布在本小区内是已知的,但在没有采用小区之间干扰协调技术(ICIC)时,对于其他小区则是随机分布的,因此,LTE小区之间的同频干扰是一种“随机窄带干扰”。如图2所示,两个相邻小区传输的RB是随机分布的,因此在小区边缘会形成随机碰撞、随机干扰,不过,只有发生碰撞的RB才会受到同频干扰影响,其余没有发生碰撞的RB则不受干扰影响。

有些观点认为,LTE系统在同频干扰特性上和GSM系统相似。应该说,这种观点有一定道理,因为两种系统都是属于“窄带传输、窄带干扰”类型的,但这种观点也有不确切之处,原因有二:

GSM系统采用异频组网方式,各小区采用的频率资源是采用网络规划方法规划好的,因此可以完全避免若干相邻小区之间的同频干扰,但是这是以频谱效率的降低作为代价的。LTE系统则支持同频组网方式,即各小区可采用相同的20MHz频率资源,小区之间的窄带干扰是随机分布的,无法刻意控制(如果不采用ICIC技术),因此不可能像GSM系统那样完全避免相邻小区之间的干扰,干扰是随机发生、随机分布的。

LTE系统采用了GSM系统所没有的另一种干扰抑制方法,即RB之间的联合编码。由于LTE是宽带系统,一个用户通常占用多个RB传输,并在这些RB之间采用联合信道编码。在这多个RB中,通常只有一部分发生随机碰撞,而其他RB则并不受影响,因此,通过联合信道解码,对那些受到干扰影响的RB中的误码进行纠错,从而将同频干扰的影响降低。

综上所述,即使不采用ICIC技术,基于OFDMA的LTE系统通过自然的干扰随机化,也可以具有一定的同频组网能力。当然,这种干扰随机化在系统接近空载的时候效果最好,随着系统负载的增大,抗干扰能力逐渐减弱。当然,这是所有蜂窝通信系统的共同问题,如CDMA系统的同频干扰也是随着负载提高而增大的。

2 三个层面的LTE同频组网问题

虽然OFDMA技术本身具备同频组网的可能性,LTE系统还采用了信道编码、CDMA(码分多址)等各种增强技术抑制同频干扰,但一个系统的同频组网能力到底有多强不仅取决于其采用了哪些技术,更取决于具体系统设计是否具有足够的设计余量,如编码码率是否足够低、扩频比是否足够大等。

由于LTE系统各个信道采用的抗干扰技术和系统设计余量不尽相同,因此不同信道的同频组网能力也不同。另外,不同信道受到同频干扰的后果也是不同的。因此,笼统地谈论LTE系统“是否能同频组网”是不尽科学的,而应该将LTE系统的同频组网能力分解为三个层面的问题来分析:

(1)第一层面:“能与不能”的问题

即:LTE系统能否在同频组网条件下正常工作?回答这个问题需要评估和系统可用性直接相关的信道,如同步信号(PSS、SSS)、广播信道(PBCH)、参考符号(RS)等。这些信道/信号如果在同频组网条件下不能正常工作,则会直接影响LTE系统的可用性。

(2)第二层面:“多与不多”的问题

即:LTE系统是否能在同频组网条件下支持大量用户同时运行?回答这个问题要评估和系统用户容量直接相关的信道,如控制信道(PDCCH、PUCCH)、随机接入信道(PRACH)等。这些信道如果在同频组网条件下的容量不足,则会影响LTE系统能支持的最大用户数量。

(3)第三层面:“高与不高”的问题

即:LTE系统是否能在同频组网条件下实现预期的高频谱效率?回答这个问题要评估和系统频谱效率直接相关的信道,即业务信道(PDSCH、PUSCH)。如果这些信道在同频组网条件下无法实现较高的频谱效率,则会影响LTE系统相对其他移动通信系统的竞争力。

3 LTE系统在同频组网条件下的可用性分析

LTE系统在同频组网条件下的可用性,取决于同步信号(PSS、SSS)、广播信道(PBCH)、参考信号(RS)等信道。由于这些信道的重要性,LTE采用信道编码、CDMA等多种抗干扰手段实现它们的同频组网。

首先,LTE由于采用OFDMA,可以为PSS、SSS、PBCH、RS等重要的专用信道分配专用的时间和频率资源(这些信道总是在特定的符号和子载波传输),使本小区的PSS、SSS、PBCH、RS只分别受到其他小区同类信道的干扰,而不会受到其他类型信道的干扰。而CDMA系统(如WCDMA和CDMA2000系统)各信道在时频域是完全重叠的,只是占用不同的码道。本小区的广播信道、导频信道等不仅受到其他小区同类信道的干扰,还受到其他类型信道(如控制信道、业务信道)的干扰。因此,LTE系统的专用信道面临的小区间干扰比CDMA系统要小一些,可以采用相对较高的信道编码和相对较小的扩频比。

在此基础上,PSS采用长度为62的频域ZC(Zadoff-Chu)序列,SSS采用长度为62的二进制序列,对噪声的抑制达到约17.9dB,因此具有足够的抗同频干扰能力。下行RS采用频域位移(shifting)、扰码和功率增强(Power boosting)方法,上行RS采用零相关序列和序列shifting方法,具有较强的同频干扰抑制效果,其同频组网能力在上、下行数据信道的仿真和测试中已获得验证。

这里重点分析PBCH的同频组网能力。PBCH采用卷积信道编码、QPSK、速率匹配和4次重传,等效调制编码率为0.0416,RAN4标准定义的1×2天线配置下的终端解调门限为SNR=-6.4dB,在2×2天线配置下采用SFBC(空频块码),还可以进一步降低解调门限。从表1可以看到,LTE PBCH的干扰抑制能力明显强于TD-SCDMA和WiMAX,虽然比WCDMA弱一些,但由于LTE为PBCH分配了专用的时频空间,LTE需要克服的同频干扰也比WCDMA小一些。

采用仿真方法可以进一步分析LTE PBCH的同频干扰能力。通过对19个基站、54个小区的系统级仿真获得的SINR CDF曲线如图3所示。可以看到,按解调门限SINR=-6.4dB计,PBCH达到BLER=1%的覆盖率为99.9%,满足同频组网的需要。

考虑到仿真结果和实际信道的差异,我们也对实际信道条件下的SINR CDF曲线进行了路测。路测在我国某个大城市的密集城区进行,共测试了约60000个坐标采样,获得的实际SINR CDF曲线如图4所示。可以看到,按解调门限SINR=-6.4dB计,PBCH达到BLER=1%的覆盖率同样能达到99.9%,和仿真结果相符,满足同频组网的需要。

综上所述,LTE系统PBCH的覆盖满足99.9%以上终端的开机小区初搜的要求。因此,可以初步判断,LTE系统是可以在同频组网条件下正常工作的。

4LTE系统在同频组网条件下的用户容量和频谱效率分析

LTE系统在同频组网条件下的用户容量,主要取决于PDCCH和PUCCH能支持的用户数量。由于PUCCH的频域宽度有较大的灵活性,可以根据需要占用更多的RB,另外,上行信令还可以通过PUSCH传输,因此上行用户数量不是整个系统的瓶颈。相对而言,PDCCH则能成为LTE系统用户容量的“短板”。

PDCCH最大只能占下行资源的20%左右(3个符号/子帧),不同用户可采用不同扩频比,即1个用户的PDCCH可以占用1个、2个4个或8个CCE,SINR越低的用户可以采用越多的CCE,因此小区边缘用户的PDCCH最大扩频比=8。同时,从整个小区的角度讲,PDCCH同时调度的用户越多,每个用户占用的CCE数量越多,PDCCH的占用率也越高,各小区PDCCH之间的同频干扰也就越大。因此,PDCCH是一个干扰受限的信道,一个小区的PDCCH占用率有一定的上限,如果占用率过高(即用户容量过于饱和),PDCCH SINR过低,PDCCH覆盖率就可能无法满足要求,从而导致小区边缘用户的PDCCH BLER不满足要求。

通过仿真,可以获得不同CCE配置的PDCCH的解调门限,如表2所示:

我们仍采用SINR CDF的方式分析LTE系统的同频干扰情况。但和图3中的空闲(Idle)状态的SINR CDF不同,这里必须仿真激活(Active)状态下的SINR CDF。Active状态下的SINR仿真和Idle仿真的主要区别是必须考虑3dB的切换门限,即只有当目标小区强于本小区3dB以上时才进行切换,因此Active状态下的SINR水平将明显高于Idle状态下的SINR水平。图5所示是Active状态下的SINR CDF曲线,为了保证小区边缘用户的BLER=1%的覆盖率为99%,PDCCH的占用率不能高于40%。占用率40%的PDCCH在1ms内的40%包含35个CCE。根据表2所示的各种CCE配置的解调门限,可以导出各种CCE配置的用户在所有用户中的比例,如表3所示。根据这个比例,可以导出40% PDCCH资源可以在1ms内调度17个用户。以TD-LTE为例,当上行和下行子帧比例为2:2时,1s内可调度9200个用户/次。而根据对正常业务类型分布和流量模型的分析,1个小区1s内调度约4500个用户/次即可满足要求。因此,从理论上分析,PDCCH的用户容量可以满足LTE系统要求。

考虑到仿真结果和实际信道的差异,我们也对实际信道条件下的SINR CDF曲线进行了路测。路测在我国某个大城市的核心城区进行,共测试了约60000个坐标采样,和图4中的Idle状态SINR CDF不同,这里测量的是Active状态下的SINR CDF。需要指出的是,这种情况下的测试结果获得的实际SINR CDF曲线不仅受到3dB切换门限的影响,而且受到切换等待时间的影响,在实际网络中,即使目标小区比本小区强3dB以上,仍不会马上切换,而只有这个3dB差异持续一定时间(如320ms)后才切换,在这个等待时间内,SINR有可能进一步恶化,因此实际网络路测得SINR水平比图5中的SINR水平更高。图6显示了路测曲线和仿真曲线的差异,可以看到,路测中会出现一定比例的极低SINR样本,这些样本对PDCCH的覆盖率造成了一定影响。如图7所示,根据实际路测曲线推导出的各种负载下的SINR CDF曲线,根据这个结果,即使只占用10%的PDCCH,也无法达到99%的覆盖率。各种负载下的覆盖率和用户容量如表4所示,可以看到,覆盖率和用户容量可能无法同时达到较高水平,需要在两者之间进行折中。例如,如果首要目标是实现98%以上的覆盖率,那么就只能使用10%的PDCCH资源,1s内支持的用户数将减低到4000个以下,可能对多用户的调度带来一定困难。

综上所述,PDCCH用户容量可能成为LTE系统同频组网能力的“相对短板”,在实际组网环境中,PDCCH的用户容量可能为系统的同频组网带来一定挑战,建议设备厂商应对PDCCH的实现做更好的优化,增强其抗同频干扰的能力,如:实现准确的CCE格式自适应(本文中的分析已经假设CCE格式自适应是完美的,如果考虑算法实现的不完美性,部分结果可能进一步恶化)、PDCCH的功率分配(即将发射功率向低SINR用户倾斜)、充分利用SPS(半持续调度)等。

LTE系统在同频组网条件下的频谱效率,主要取决于PDSCH和PUSCH的同频组网性能。侧重于这方面分析的文献很多,本文由于篇幅限制,只做简单讨论。

首先,根据仿真结果,LTE系统采用同频组网获得的频谱效率明显高于采用3频点异频组网,这说明,对LTE系统来讲,更好的组网方式是同频组网。

其次,根据仿真结果,在同频组网环境下,LTE的下行频谱效率能达到R6 HSDPA的3倍多,上行频谱效率达到R6 HSUPA的2倍多,满足LTE标准化之初人们对LTE系统的期望的设计目标,虽然由于多流MIMO技术只能用于小区中心区域,LTE在小区中心区域的性能提高幅度高于小区边缘,等效的拉大了小区中心和边缘的绝对差距。

当然,上述结果是基于仿真得到的,实际设备在实际组网环境中的实际性能还有待于进一步研究。

5 小结

本文分三个层面问题对LTE系统的同频组网能力做了初步分析:

(1)“能与不能”问题:经过研究,LTE在同频组网条件下,应能够正常工作。

(2)“多与不多”问题:根据理论分析和仿真,LTE控制信道满足系统用户容量需求,但当考虑密集城区实际组网环境时,同频干扰情况会更加恶劣,PDCCH用户容量可能成为LTE同频组网的“相对短板”,必须对CCE格式自适应、PDCCH功率分配、SPS等增强技术做进一步优化,才能确保LTE系统满足大量用户组网的要求。

(3)“高于不高”问题:根据仿真,LTE的最佳组网方式是同频组网,且在同频组网环境下的频谱效率满足设计要求。但实际部署后能实现的频谱效率还取决于设备实现的程度及其在实际恶劣信道环境中的表现。