LTE―Advanced CoMP技术现网应用研究

【摘 要】对LTE-Advanced的CoMP技术原理及关键过程进行了阐述，通过提出在现网中进行硬件、软件及传输系统的改造，并且进行人为加载以模拟邻区对本小区的干扰等方法，测试了在LTE BBU集中部署的现网场景下，CoMP技术应用的性能及网络参数设置的合理性，验证了CoMP技术对现网边缘用户速率的提升有一定的帮助。

【关键词】LTE-Advanced 多点协作传输 联合调度 联合接收

[Abstract] Principles and key points of LTE-Advanced CoMP technique were addressed in this paper. Reforming the hardware， software and transmission system in existing network and adding artificial interference to simulate the interference of adjacent cells to the current cell， both the performance of CoMP technique and the feasibility of network parameter configuration in current network scenario of LTE BBU centralized deployment were tested. Results verify that CoMP technique is beneficial for rate enhancement of network-edge users.

[Key words]LTE-Advanced CoMP coordinative scheduling joint reception

1 引言

LTE的理论下行速率为100Mbps，但在实际环境中，和小区中心的用户相比，在小区边缘的用户由于干扰严重、信噪比低等原因而导致用户感知不佳。为了提高用户感知，加速部署LTE-A技术成为各大运营商的网络发展方向。LTE-A中对小区边缘用户更加重视，协议要求在2×2MIMO配置下，下行的边缘用户吞吐量目标为0.7bps/Hz/cell/user[1]。为了达到这个目标，3GPP在LTE-A版本中提供了很多新技术以解决干扰和提升性能，其中多点协作传输（CoMP，Coordinated Multiple Points Transmission/Reception）技术[2]可以较好地解决干扰、上行覆盖提升和下行用户边缘速率提升的问题。虽然CoMP技术分别在国内和国外都进行过一些测试，测试结果也都令人满意，但是所有的测试要么是理论性的仿真测试，要么是在一些中小国家的LTE商用网络上进行，其用户规模、网络规模、无线环境等与中国的实际情况相差甚远。因此在现网上进行CoMP技术研究及规模化应用测试是必须的，也是紧迫的。接下来本文将主要从CoMP原理、测试组网部署、网络改造、加载方案、测试点选择、参数配置等几个方面进行阐述。

2 CoMP原理及关键过程

2.1 CoMP原理简介

CoMP[3]是指地理位置上分离的多个传输点协同参与为一个终端传输数据，或者联合接收一个终端发送的数据。CoMP可以有Intra-eNB和Inter-eNB CoMP两种方式。Intra-eNB是在本基站内各小区间进行CoMP，实现起来比较容易；而Inter-eNB则是在基站间进行CoMP，对X2接口带宽和时延有较高的要求。

如果按照方向来分，CoMP分为上行CoMP和下行CoMP。上行CoMP适用于上行覆盖提升场景；下行CoMP适用于下行边缘用户速率提升场景。

下行CoMP有两种主流的算法：

（1）联合调度/协同波束赋形（CS/CB，Coordinated Scheduling/Beamforming）

在R8版本的LTE系统中，调度和波束赋形都是小区独立进行的，联合调度则打破了这种传统方式。在CS算法中，用户反馈的PMI矩阵是小区对自身求优的多个结果，然后由服务小区根据协作小区集内相互间干扰最小的原则，从用户反馈的PMI矩阵集中选择一个作为该用户的预编码矩阵[4]。很显然，要达到这样的目的，只能共享时频资源和信道的信息。CB[8]不需要基站间联合协作调度，而是让用户选择“最佳”小区定向波束进行通信，从而降低对相邻小区用户的干扰。从算法原理看，在CS/CB下，协作小区间不需要共享用户数据信息，对X2接口的压力较小。目前CS/CB算法逐渐成为CoMP的下行主流算法。

（2）联合处理（JP，Joint Processing）

联合处理技术[5]可以有多个传输点同时向终端传输数据。协作小区集内的基站不仅需要共享信道信息，还需要共享用户的数据信息。用户接收从多个基站传输来的下行共享信息，然后对这些信息进行合并。显然这样做的好处是将原来的干扰信号转变成有用信号，而且由于小区信号相互叠加，提高了终端接收到的信号的功率水平。但是不利的一面也是显而易见的，首先对终端的要求过高，其次对回传网的带宽和时延的要求也非常高。目前而言，下行的JP算法较难实现。

上行CoMP是指终端的服务小区和协作集中的其他小区在PUSCH信道上的联合接收，但是最终决策由服务小区完成，其他协作小区只负责将接收到的数据传递给服务小区[6]。目前上行CoMP主流应用的算法是联合接收。该算法可以更加有效地利用多点接收信号获得接收分集增益。协作小区把接收到的原始数据通过X2接口传输至服务小区，最后把汇总到的原始信号数据统一在服务小区进行基带处理。理论上该方案可以获得最大的CoMP增益，但是在CoMP UE数量很大时，X2链路的传输开销必然增加，这将导致网络整体性能的下降，因此该算法适合在网络轻负载下或者在Intra-eNB的时候使用。

2.2 CoMP关键过程

（1）边缘用户判定过程

CoMP技术不可避免地会增加系统复杂度和系统开销。其实对于处于小区中心的、SINR和RSRP都较佳的用户来说，没有CoMP服务也能保证通信质量，因此出于成本考虑，需要一种标准来界定哪些用户可以享受CoMP服务。按照用户的位置和是否需要CoMP服务，通常把用户分为中心用户和边缘用户两类，判断是否为边缘用户的方法一般有以下两种：

SINR门限法[7]：根据经验值，在系统上预先设定一个SINR门限，服务小区根据测量用户的SINR是否超出该门限来确定该用户是否是边缘用户。这种方法的关键是选择合适的SINR门限。

CoMP前后速率法[7]：预先计算每个用户采用CoMP技术传输前后的速率，当CoMP传输后的速率比CoMP传输前的速率提高到一定程度时，即CoMP带来的性能增益达到一定程度时，才把该用户列为CoMP用户。该方法虽然复杂度较高，但可以保证CoMP用户的性能提升。

（2）协作节点选择过程

协作小区集选择[4]方法主要有静态、动态、半动态几种。

1）静态配置：根据网络的规划情况固定地选择几个基站协作。该方式简单易行，从消除干扰的角度出发，一般是选择干扰较大的几个基站，这样有利于消除最强的几个小区间干扰。但是随着UE的移动，其最强干扰源也会随之改变，静态协作无法满足这种动态的变化。

2）动态配置：基站根据UE反馈的干扰源信息，其主服务基站动态地选择对该UE服务的协作簇。很显然这种配置方式可以最大程度地消除小区间干扰，但是该方式过于复杂，对网络的要求也非常高，目前不会使用。

3）半动态配置：该方式先确定一个大的协作集，然后在大协作集中动态地选择参与协作的基站，最终参与协作的基站数小于或者等于大协作集中的基站数。半动态方式明显比静态配置的适应性更强，比全动态配置的复杂度小，是目前主流的一种协作配置方式。

从理论上讲，参与协作的小区越多，CoMP性能发挥得越好。但是随着小区数的增加，回传网的压力也会逐渐增加。考虑到复杂度和开销，在满足用户业务QoS需求的前提下，再加入小区进行协作是不必要的，其带来的开销远大于增益，而且会影响其他小区用户进行CoMP。现网中一般选择1～2个协作小区，即协作集的大小一般是2～3个小区。

3 现网测试

3.1 测试情况概述

CoMP技术能否在现网应用成功，除了决定于厂商设备对技术的支持程度外，X2接口的带宽和时延能否满足CoMP技术的要求也是非常关键的。一般在控制面要求X2接口最大时延为20ms，而且在典型场景下的要求是小于10ms[8]。对于CoMP技术来说，在下行CS/CB算法中，在X2接口用户面不需要共享用户数据，但是控制面需要共享PMI；在下行JP算法中，在X2接口用户面需要共享用户数据，控制面在CoMP协作小区集中需要共享CSI[9]；在上行的JR算法中，每次数据传输的ACK/NAK需要共享。基于CoMP的新的信息交互和信令控制以及对X2接口带宽、时延的苛刻要求，使得各主流LTE设备厂商都重新定义了自己的X2+接口，虽然每个厂家的X2+接口的网络部署方式可能不一样，但是对于CoMP技术时延的要求是基本一致的。

（1）网络拓扑改造

X2+接口要求下行CoMP CS站间时延小于4ms，与上行CoMP JR站间时延小于0.3ms的要求基本一致。基本做法是：对于从BBU C板到IPRAN的承载S1/X2的光纤不做任何改动，需要实现CoMP功能的BBU则新增一块光接口板，并在光接口板新增一根光纤以承载支持站间CoMP功能的X2+接口。

针对BBU集中放置的站点，需要在BBU集中点增加光交换机，相应BBU站点增加支持X2+的光纤，通过光接口板利用光纤连接到光交换机上，然后再通过光交换机上联到BBU集中机房的城域网设备上。集中式部署的BBU一般都会满足时延要求。

对于分布式BBU部署的站点一般不需要部署光交换机，通过光纤直接连接光接口板到IPRAN的站点路由器设备，如果IPRAN的站点路由器设备光路接口资源不足，可以使用光纤直接连接光交换机和站点BBU上的光接口板。对于分布式BBU部署的站点，因为中间需要经过多个站点路由器设备、城域网路由器设备、以及可能的传输设备进行数据的处理及转发，所以在部署CoMP功能之前，需要对部署站点的站间时延进行测试，如果不满足CoMP方案对X2+接口的时延要求，则需要进行相应的拓扑及传输优化。

（2）工程安装改造

1）硬件改造：每个基站BBU配置一块光接口单板。

2）传输改造：如果BBU是分布式部署的，通过光纤将光接口板直接连接至IPRAN即可实现站间数据的交互；如果BBU是集中式部署的，通过光纤将光接口板直接连接到光交换路由器上。为了让BBU集中站点和BBU分布式站点间可以实现CoMP，将光交换机上联到BBU集中机房的城域网设备上。另外，需要为新增的光接口板分配一个新IP地址，而且如果需要光交换路由器，也需要分配一个IP地址。

时钟要求：站间测试对时钟具有较高要求，需要基站时钟同步为相位同步（GPS同步方式可以满足，以太网同步方式不能满足），因此需要对站点配置GPS设备。

软件版本：需要对BBU、RRU、网管的软件版本进行升级，使之能支持CoMP功能。

（3）测试加载方案

测试过程中进行加载，以模拟邻区对本小区的干扰。本次测试中使用的加载方法是LTE业界通用的OFDMA信道噪声发生器（OCNG，OFDMA Channel Noise Generator）方式，可以通过网管配置产生，使用非常方便。

（4）远中近点的定义

1）在用户均匀分布场景中，下行定义为：在eNB单射频模块43dBm发射功率的前提下，通过路径损耗的调整获得相应的下行参考信号SINR数值（单天线读数）：

近点：下行参考信号SINR=20～25dB（典型值25dB）；

中点：下行参考信号SINR=10～15dB（典型值10dB）；

远点：下行参考信号SINR=0～5dB（典型值0dB）。

2）在用户均匀分布场景中，上行定义为：在eNB单射频模块43dBm发射功率的前提下，通过路径损耗的调整获得相应的下行参考信号RSRP数值（单天线读数）。

近点：下行参考信号RSRP=-90～-85dBm（典型值-85dBm）；

中点：下行参考信号RSRP=-100～-95dBm（典型值-100dBm）；

远点：下行参考信号RSRP=-110～-105dBm（典型值-110dBm）。

3）在用户定点分布场景中，上行定义为：在eNB单射频模块43dBm发射功率的前提下，下行增加一定强度的邻区70%的OCNG模拟信号加扰，并通过本小区路径损耗和邻小区加扰信号强度的调整获得相应的下行参考信号SINR和RSRP数值（单天线读数）。

近点：下行参考信号SINR=20～25dB（典型值25dB），同时下行参考信号RSRP=-90～-85dBm（典型值-85dBm）；

中点：下行参考信号SINR=10～15dB（典型值10dB），同时下行参考信号RSRP=-100～-95dBm（典型值-100dBm）；

远点：下行参考信号SINR=0～5dB（典型值0dB），同时下行参考信号RSRP=-110～-105dBm（典型值-110dBm）。

（5）系统基本配置

3.2 测试结果

（1）JR总体组网性能

由图可知，无论是空载场景还是加载场景，上行JR都可以显著提升移动用户处于小区边缘时的吞吐量；在加载场景下，上行JR的性能增益好于空载场景。

（2）CS总体组网性能

4 结束语

CoMP作为LTE-Advanced的一项关键技术受到了广泛的关注[10]。本文从现网应用方面进行了测试研究，从测试结果可以看出CoMP技术对边缘用户的速率提升有一定帮助，但是对于LTE-A要求的下行边缘用户的吞吐量目标来说，还有一定的差距。显然如果需要更好的用户体验，仅仅靠CoMP技术还不够，需要和其他技术比如CA载波聚合、eICIC一起使用。

参考文献：

[1] 3GPP TR 36.913. Requirements for Further Advancements for E-UTRA[S]. 2008.

[2] 3GPP TSG R1-090213. CoMP Configurations and UE/eNB Behaviors in LTE-advanced[S]. 2009.

[3] 陈斌，胡宏林，张小东. 未来移动通信系统中的小区间干扰协调技术[J]. 电信科学， 2006（6）： 38-42.

[4] 吴梅，黄帆，桑林，等. 协作式多点传输在LTE-Advanced系统中的应用[J]. 移动通信， 2010（10）： 43-47.

[5] 侯世博. 基于干扰协调的高能效理论和方法研究[D]. 北京： 北京邮电大学， 2012.

[6] 吴哲. LTE及LTE-A小区间干扰协调的介绍[J]. 广东通信技术， 2013（9）： 62-66.

[7] 李慧芹. 协作多点传输中关键技术的研究[D]. 北京： 北京邮电大学， 2013.

[8] 3GPP TSG R1-093036. Practical Analysis of CoMP Coordinated Beamforming[S]. 2009.

[9] 3GPP TSG R1-092311. Consideration of Backhaul Technology Evolution in Support of CoMP[S]. 2009.

[10] 万仁辉，李轶群，李福昌. LTE-Advanced CoMP技术的研究[J]. 邮电设计技术， 2012（2）： 17-20.