摘要
LTE-Advanced作为4G的候选技术方案，是在LTE基础上的进一步增强。本文介绍了3GPP中LTE-Advanced的各个关键技术点及其标准化情况，包括载波聚合、多点协作传输、上下行MIMO传输以及中继等。
1 引言
2008年3月ITU-R发出通函，向各成员征集4G候选技术提案，正式启动了4G标准化工作，3GPP也展开了面向4G的研究工作，并于2008年6月完成了LTE-Advanced（以下简称LTE-A）技术的需求报告，2009年6月3GPP向ITU提交了技术描述文件，10月提交了自评估报告，完成了IMT-Advanced候选技术提交工作。LTE-A是LTE的平滑演进，与LTE R8保持后向兼容；支持多种覆盖场景，提供从宏蜂窝到室内场景的无缝覆盖；重点解决低速移动环境中的高速数据传输，包括进一步降低技术成本和能耗等；性能指标是系统带宽大于20 MHz，支持的下行峰值速率为1Gbit/s，频谱效率提高到30bit/s/Hz，上行峰值速率为500Mbit/s，频谱效率提高到15 bit/s/Hz。LTE-A系统将下行天线扩展到8×8，上行天线扩展到4×4，并且引入了载波聚合技术、中继技术和多点协作传输技术，以下总结了这些技术的标准化进展情况。
2 关键技术及标准化进展
（1）载波聚合技术
ITU IMT-Advanced要求系统的最大带宽不小于40MHz，考虑到现有的频谱分配方式和规划，很难找到足以承载IMT-Advanced系统带宽的整段频带，因此3GPP确定采用载波聚合的方式，聚合两个或更多的成员载波，从而解决LTE-A系统对频带资源的需求。载波聚合可以分为连续载波聚合和非连续载波聚合两种，连续频谱聚合可以简化基站和终端的配置，可以应用于如3.4~3.8GHz频段的频率分配，非连续频谱聚合有更强的频谱聚合灵活性，需要定义频谱聚合所支持的终端能力，以便将终端大小、成本和功率损耗降到最低。
3GPP自RAN1 #53次会议开始讨论载波聚合的相关内容，在RAN1 #54bis会议得出如下几点基本的结论：考虑到与LTE的兼容性，各个成员载波将采用LTE的设计，并最大占110个RB（20MHz）；所有的成元载波都是与R8 LTE兼容的，但不排除对非后向兼容的成元载波的考虑；关于聚合带宽和上下行非对称，UE可能被配置为在上下行分别聚合不同数量、不同带宽的成元载波，而对于TDD，典型情况下，上下行的成员元载波数是相同的。
在这些基本结论的基础上，将MAC层聚合作为基准假设，即从UE角度每个调度的成员载波均有一个传输块和HARQ。对载波聚合中的下行控制信令PDCCH的设计，确定了一个PDCCH只在一个载波内传输，采用各载波分别编码的PDCCH设计方式，支持通过载波指示比特进行跨载波调度的方式。采用UE Specific的机制确定是否使用载波指示域（CIF），长度固定为3bit，位置在不同DCI格式下均是固定的，当DCI格式的大小相同时，使用显式的CIF支持跨载波的调度，当DCI格式的大小不同时，是否包含CIF需要进一步的讨论。
对于PCFICH的设计方式，每个成员载波有独立的控制区域大小，在有控制区域的载波上，重用Rel-8PCFICH的设计（调制、编码、映射）。关于跨载波调度情况下的控制区域指示问题，需要进一步的讨论。
对于PHICH的设计方式，重用R8中的PHICH物理传输，包括正交码的设计，调制，扰码序列，映射到REs的方法，PHICH只在发送UL grant的下行成员载波上传输，PHICH 资源映射原则：在没有载波指示域（CIF）的1:1 或者 Many:1 的DL和UL映射，重用 R8 映射。需要进一步讨论的问题有：不同载波是采用统一的PHICH资源还是分别采用不同的PHICH资源，在下行载波对上行载波是1对多的情况下，或者带有载波指示域的情况下，如何进行PHICH资源映射。
LTE-A支持最多5个下行成员载波的设计（未来考虑扩展到更多数目），对于PUCCH的设计方式，在没有PUSCH数据发送的时候，一个UE的所有Ack/Nack在PUCCH上发送，目前支持PUCCH映射到UE专用的一个上行成员载波上。每个UE在PUCCH上发送一个调度请求。支持至多是5个下行载波的周期CSI上报，CQI/PMI/RI的编码和映射延用R8的原则。需要进一步研究的问题有：是否支持多个上行载波同时发送Ack/Nack，以及Ack/Nack资源分配的确切方法。
载波聚合情况的上行功率控制，LTE-A中的上行功率控制范围与R8类似：在降低由邻区产生干扰的同时，主要对慢变信道进行补偿；PUSCH采用部分功率控制或者全信道损失补偿，PUCCH采用全信道损失补偿。LTE-A支持连续和非连续载波聚合下，载波专用的上行功率控制。
关于载波的类型，目前定义了“后向兼容载波”，“非后向兼容载波”，“扩展载波”，“UE下行载波集合”，“UE上行载波集合”等概念，后向兼容载波是LTE R8的终端可以接入的载波；非后向兼容载波是LTE R8不能接入的载波，由双工间隔的原因引起的非后向兼容载波可以作为独立的载波使用；扩展载波是不能作为独立载波使用的非后向兼容载波；在此基础上，高通提出载波Segment的概念，其与扩展载波的区别在于工作带宽和PDCCH传输的不同等，目前正在等待RAN4联络函的回复。考虑到终端PDCCH盲检测的负担，以及PHICH资源预留的数量和灵活性，多家公司建议定义PDCCH Monitoring Set的概念，即终端进行PDCCH检测的下行成员载波集合，但是需要考虑集合的具体定义，如何更新（频度）等都需要进一步的讨论。
（2）下行传输技术
LTE支持4×4天线的配置，LTE-A将SU-MIMO扩展到8×8配置的场景下，到目前为止，3GPP RAN1达成了一些关于LTE-A中SU-MIMO的8天线空间复用和发送分集有一些一致性的结论。
空间复用传输块的最大数目为2，每个传输块内有1个MCS域，每个传输块中有1bit的ACK/NACK用来作为评估的基准，码字到层的映射，4层以下（包括4层）重用LTE的映射方法，4层以上将LTE码字到层映射的方法作为基准。采用基于码本的预编码反馈作为基本的工作假设，是否采用Layer Shifting以及控制信令的细节等还需要进一步讨论。对于8天线的发送分集方式，R10 UE在非MBSFN子帧中的PDCCH和PDSCH，重用R8中的2或4天线的分集方式，对于R10 UE在MBSFN子帧中的PDSCH分集方式需要进一步讨论。
LTE R8中的多用户MIMO，通过传输模式5半静态的配置用户处于多用户MIMO状态，并且每个用户只有一个layer，下行控制信令Format 1D和MU-MIMO的传输模式相关。总体来说，LTE R8中的多用户MIMO具有以下特点：
仅限于基于码本的预编码方式，采用的是SU-MIMO优化的码本，4发射天线配置的粒度是4比特。解调基于公共参考信号，编码信息是通过基站的下行分配信令指示的。由于没有与其共同调度终端相关的下行信令，限制了基于终端的干扰抑制/消除的有效性和灵活性。
反馈上报支持的模式有非周期Mode 3-1上报和周期Mode1-1和Mode 2-1上报，只支持宽带PMI预编码上报，这种反馈机制在相关性强的天线配置情况，也就是频率选择性弱的场景下更有用。并且只支持Rank1上报。
尽管R8标准中没有明确的限制在一个资源块上调度多于两个用户，实际中因为单个的功率偏置比特，最多只能同时调度两个用户。另外，每个用户限制接收一个Layer。
LTE-A将多用户MIMO进行了扩展，讨论的内容集中在：单用户和多用户的切换，是进行透明还是非透明的多用户MIMO（也就是用户是否知道自己配对的用户信息），反馈的增强方法（考虑基于CQI/RI/PMI的增强，或者可能的显式反馈方法），码本的增强方法，每个参与配对的MU-MIMO 的UE layer数，共同调度的MU-MIMO 终端数量等。目前，确定支持SU-MIMO和MU-MIMO之间的动态切换，即不需要RRC Reconfiguration的切换，其他问题还没有得出相应的具体结论。
（3）多点协作传输技术（CoMP）
多点协作传输是对传统单基站MIMO的技术的补充和扩展，通过基站协同传输提高小区吞吐量尤其是小区边缘吞吐量，达到改善小区边缘覆盖、提高传输速率的效果。研究的内容包括：联合处理（JP）与协调调度/beamforming(CS/CB)机制，CS/CB根据干扰等信息在多个接入点间实现联合的调度，JP即多个接入点联合向一个终端发送数据或者接收数据。上行联合接收是指多个小区同时接收一个UE发出的数据，各小区接收到的数据进行联合处理以提高UE数据的解调质量。
3GPP RAN1定义了服务小区，协作小区集合和测量小区集合。服务小区与Rel-8中的服务小区的定义相同，是用来传输PDCCH的单个小区， CoMP协作小区集合是一组直接或者间接给UE发送PDSCH的小区集合，这个集合可以对UE透明，也可以对UE不透明，CoMP测量集合是一组上报与UE连接的信道状态信息的小区集合。
对于CoMP的反馈，定义了三种反馈类型，显式的反馈，隐式的反馈和基于SRS的反馈。显式反馈的内容包括信道部分和噪声干扰部分，其中信道是反馈接收端看到的信道状态，在一个子帧中需要上报测量集合中每个小区的一个或者多个信道特性，包括瞬时的信道矩阵Hi，统计的发送信道相关矩阵Ri和瞬时信道的主特征值部分，噪声和干扰部分的反馈可以是UE上报小区以外或者CoMP发送小区以外的干扰，也可以是接收的总功率，或者是噪声和干扰的相关矩阵等。隐式反馈针对不同的假设定义不同的反馈模式，如单用户还是多用户MIMO、单小区还是协作传输、单点（CB/CS）传输还是多点（JP）传输等。JP反馈上报单小区PMI或多小区PMI，CB/CS可以反馈上报单小区或者多个单小区PMIs，也可以反馈PMI以外的其他类型的信息（如特征值等）。隐式反馈可能需要UE通知网络所使用的假设（向eNB发送具体的信令），并且半静态的配置该假设（向UE发送具体的信令），预编码的参考符号可以帮助终端对CQI/RI反馈进行处理。还有一种反馈方式是利用信道的对称性，终端发送SRS可以用来作为eNB进行信道状态信息估计，这种方法在TDD系统中尤为适用。
目前3GPP的讨论仍集中在如何采用统一的框架对单小区单用户MIMO，多用户MIMO以及CoMP进行反馈，并且随着Study Item的结束，将评估CoMP带来的性能增益，以便决定是否在2010年3月进行CoMP方面Work Item的立项研究。
（4）下行链路参考信号
LTE-A考虑两种下行参考信号，解调用导频（DM RS）和估计信道状态的导频（CSI RS）。
DM RS用于PDSCH解调，是UE专用的导频，在Rank1 传输的情况下每个RB有12个RE作为导频（与R8的开销相同），Rank2传输每个RB有12个REs，Rank3-8传输，每个RB最多24个REs（总和）。目前确定了Rank2 普通CP的导频Pattern，采用CDM的复用方式，Rank3~4采用CDM+FDM的复用方式，Rank5~8的导频Pattern还在进一步讨论中。
CSI RS用来进行CSI估计（CQI/PMI/RI），是小区专用的导频，并且R8的CRS和R10的CSI RS不混合使用。目前对设计CSI RS的一些基本原则达成了一致，还没有确定最后CSI RS的设计。
（5）上行传输技术
在LTE R8中．上行仅支持单天线的发送，也就是说不支持SU-MIMO。为了提高上行吞吐量，同时也为了满足ITU IMT-Advanced对上行峰值频谱效率的要求，LTE-A目前确定将支持最多4个发送天线。
目前标准化的进展情况，SU-MIMO空间复用的层映射采用和LTE R8相同的方法，最大有2个码字，MCS域的个数为2。支持基于码本的预编码方法，目前确定了上行2天线的SU-MIMO预编码码本，4天线预编码设计的整体原则是要求不同秩之间的码本设计相互独立，确定了Rank1，Rank2和Rank4的码本，Rank3的码本设计还在继续讨论中。
SU-MIMO参考符号DM RS和PUSCH采用同样的编码方法，2天线的Rank 1和2均采用编码后的参考符号；4天线Rank 1，2和4采用编码后的参考符号，Rank 3还需要进一步讨论。DM RS主要采用循环移位的复用方法，SRS使用非编码的SRS（天线专用）， SRS重用R8的复用方法（循环移位，IFDM），对于DM RS和SRS的增强（如MU-MIMO，CoMP场景以及非连续资源分配和载波聚合场景下的设计方法）需要进一步研究。
上行PUCCH支持发射分集的发送方法，PUSCH是否采用发射分集没能达成一致的意见。
（6）Relay
LTE-A引入Relay来增加覆盖，提高小区边缘吞吐量。Relay主要分为3类：L1 Relay，L2 Relay和L3 Relay。L1 Relay是一个增强的直放站，实现物理层的放大转发功能；L2 Relay实现解码转发功能，转发PDCP PDU，RLC，PDU，MAC PDU和传输块，比无线回传的基站简单、价格低廉，但是比直放站复杂，从协议功能上讲，层2中继节点有一定的资源分配功能，但没有完整的层三资源管理功能； L3 Relay是一个无线回传的基站，包含了完整的3层协议，转发IP包。目前，在3GPP定义了Type1 Relay（层三Relay）和Type2 relay（层2 Relay）。Type 1 Relay具有以下特性：作为控制小区，每个Type 1Relay有独立的小区ID；Type1 Relay的小区ID与所属基站的小区ID不同；Type1 Relay具有资源调度和HARQ功能；对于R8终端，Type 1 Relay的表现如同一个基站；对于LTE-A终端，Type 1 Relay可能具有比R8基站更先进的性能增强。
Type II Relay是带内Relay节点，有以下特点：没有独立的物理Cell ID，不能产生新的小区；对R8的UE是透明的，即R8的UE不知道Type II Relay的存在；发送PDSCH；不发送CRS和PDCCH。
目前，3GPP的讨论集中在Type I Relay的回传链路设计，以及对两种类型relay的评估假设和评估结论的讨论上。其中回传链路的设计讨论的主要内容有：R-PDCCH的复用方式，是否需要设计R-PHICH，是否需要R-PCFICH，回传链路上行HARQ定时，上行回传子帧的配置（隐式或者显式）以及R-PDCCH的DM RS设计等。
3 结束语
LTE-A是3GPP为了满足IMT-Advanced的需求在LTE的基础上的技术演进，其中载波聚合技术是在频域上进行扩展，以满足带宽的需求，上、下行MIMO是在空域上进行扩展，以提高小区平均吞吐量， CoMP是光纤拉远基站，目的是提高小区边缘吞吐量，Relay是无线的接力，拉近跟用户之间的距离，以便扩大容量，提高覆盖。到目前为止，LTE-A的Study Item阶段即将结束，2009年12月的RAN全会上将进行一些LTE-A相关Work Item的立项工作，各技术点成立独立的研究项目，包括下行MIMO，上行MIMO和载波聚合，而Relay和CoMP的内容将在2010年3月讨论。预计2010年12月将批准LTE-A Stage3的标准，并对标准功能冻结；在2011年3月或者6月冻结ASN.1。
