協(xié)同多點傳輸技術(shù)在5G 中應(yīng)用探討

［頡斌］

1 技術(shù)背景

當(dāng)前公眾移動通信網(wǎng)絡(luò)主要采用4G、5G 兩種制式，為了提高頻譜利用率，均采用了同頻組網(wǎng)的方式。對于處于小區(qū)邊緣、多小區(qū)覆蓋交疊區(qū)的用戶，可以接收到來自相鄰小區(qū)的多個無線信號，而且信號強(qiáng)度接近，導(dǎo)致該區(qū)域同頻干擾嚴(yán)重，使得處于該區(qū)域用戶享受到的傳輸速率與處于小區(qū)中心用戶具有較大的差異，極大影響了用戶感知。雖然4G、5G 都采用了OFDM 技術(shù)，通過把高速率的數(shù)據(jù)流分成若干低速率的數(shù)據(jù)流，調(diào)制到一組正交的子載波集上進(jìn)行傳輸，但該技術(shù)只能消除小區(qū)內(nèi)的干擾，無法有效地消除小區(qū)間干擾，嚴(yán)重限制了邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量和吞吐量。

為了降低小區(qū)間干擾、提升小區(qū)邊緣吞吐量進(jìn)而提高系統(tǒng)吞吐量，提出了協(xié)同多點傳輸技術(shù)，解決問題的基本思路是協(xié)調(diào)交疊區(qū)各小區(qū)，將干擾信號變?yōu)橛杏眯畔?。該技術(shù)在4G 時代已經(jīng)提出，5G 網(wǎng)絡(luò)由于采用了窄波束技術(shù)，并且站點密度要大于4G，更需要解決小區(qū)交疊區(qū)干擾問題。而且5G 基站和終端天線數(shù)更多，通過CoMP 技術(shù)相比4G，可獲得更大的鏈路增益。

2021 年，安徽電信聯(lián)合華為在5G 用戶熱點片區(qū)，基于NR 3.5 GHz 頻段，完成5G CoMP 特性驗證。從測試數(shù)據(jù)來看，邊緣用戶上/下行平均速率分別顯著提升了約24%、20%。

2 協(xié)同多點傳輸技術(shù)介紹

協(xié)同多點傳輸技術(shù)（Coordinated Multiple Points）簡稱CoMP，屬于LTE-A 關(guān)鍵技術(shù)之一，其理論基礎(chǔ)可以歸屬為MIMO 范疇。CoMP 技術(shù)核心思路為：通過協(xié)調(diào)交疊區(qū)多個小區(qū)，使得處于多小區(qū)交疊區(qū)的終端，下行能同時接收來自多小區(qū)的信號，上行方向自身發(fā)射信號能被多個小區(qū)接收，最終通過對上、下行信號的合并處理，起到空間復(fù)用或空間分集效果，提升小區(qū)容量、小區(qū)覆蓋并解決了小區(qū)間干擾問題。

2.1 CoMP 技術(shù)分類及選擇

CoMP 技術(shù)可以從多個維度進(jìn)行分類，下面分別進(jìn)行介紹并對比。

（1）從重疊區(qū)進(jìn)行協(xié)作的小區(qū)之間關(guān)系，可以分為兩類。

①Intra-site CoMP：協(xié)作小區(qū)歸屬于同一個基站，也可以簡單理解為多個RRU/AAU 歸屬于同一個BBU。

②Inter-site CoMP：協(xié)作小區(qū)歸屬于不同基站。

由于在協(xié)作小區(qū)之間需要傳輸調(diào)度信息、動態(tài)的信道信息以及用戶數(shù)據(jù)，并且小區(qū)間信息共享需要引入開銷信息，這樣對小區(qū)間接口承載能力、時延都提出高的要求。如小區(qū)歸屬于不同基站，上述信息需要通過X2 接口進(jìn)行傳輸，站點間協(xié)作受到了X2 接口承載能力及時延的限制。由于X2 接口時延較大，不能反映共享信息的實時狀態(tài)。站內(nèi)協(xié)作沒有額外開銷而且只需考慮基站內(nèi)部的處理時延，時延短得多。相比站點間協(xié)作，站內(nèi)協(xié)作能獲得較大的聯(lián)合傳輸增益和網(wǎng)絡(luò)吞吐量，并且頻譜利用率也得到提高。

基于實現(xiàn)的難度及效果，目前實際應(yīng)用基本采用站內(nèi)協(xié)作方式。

（2）根據(jù)協(xié)助小區(qū)之間是否共享用戶數(shù)據(jù)，CoMP技術(shù)同樣可分為兩類。

①共享用戶數(shù)據(jù)稱為：聯(lián)合傳輸（JP：Joint Processing），又稱“干擾利用”，需要在多個小區(qū)間共享用戶數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)各小區(qū)為單一或多個用戶服務(wù)，聯(lián)合起來發(fā)射或接收數(shù)據(jù)，形成多用戶MIMO 的效果。

聯(lián)合傳輸對應(yīng)上行稱為聯(lián)合接收：JR；下行稱為聯(lián)合發(fā)射：JT。

a 聯(lián)合發(fā)射JT，使用服務(wù)小區(qū)和同頻鄰區(qū)的天線對某一個用戶的PDSCH（物理下行共享信道）數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合發(fā)射，并且可以自適應(yīng)的發(fā)送相同或不同數(shù)據(jù)；發(fā)送相同的數(shù)據(jù)時，可以獲得空間分集增益；發(fā)送不同的數(shù)據(jù)時，可以獲得空分復(fù)用增益。下行聯(lián)合發(fā)射多小區(qū)協(xié)作如圖1所示。

圖1 DL CoMP 下行聯(lián)合發(fā)射示意圖

b 聯(lián)合接收J(rèn)R，協(xié)作小區(qū)接收用戶的上行數(shù)據(jù)，并在解調(diào)后將軟比特信息發(fā)送到服務(wù)小區(qū)，服務(wù)小區(qū)對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并譯碼。兩個小區(qū)的接收數(shù)據(jù)進(jìn)行合并譯碼相比單小區(qū)接收，可以提升接收的正確率和吞吐率。上行聯(lián)合接收多小區(qū)協(xié)作如圖2 所示。

圖2 UL CoMP 上行聯(lián)合接收示意圖

根據(jù)用戶數(shù)據(jù)在同一時點是由單一小區(qū)傳輸還是多個小區(qū)傳輸，又可將 JP 技術(shù)進(jìn)一步細(xì)分為兩類。

聯(lián)合傳輸技術(shù)：用戶一次接收從多個小區(qū)發(fā)送的PDSCH（物理下行共享信道）信息，并對這些信息進(jìn)行相干或非相干合并，從而提高接收信號的質(zhì)量并抑制干擾。

動態(tài)小區(qū)選擇技術(shù)：同一時點，在所有協(xié)作小區(qū)中，基于信道質(zhì)量的好壞，用戶只能選擇一個小區(qū)發(fā)送PDSCH 信息，服務(wù)小區(qū)是動態(tài)變化的。

②不共享用戶數(shù)據(jù)稱為：協(xié)作調(diào)度/波束成型（Coordinated Scheduling/Beamforming），又稱“干擾規(guī)避”，進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)小區(qū)只有一個并固定，通過協(xié)調(diào)機(jī)制對系統(tǒng)資源進(jìn)行有效分配，減少交疊區(qū)域其它小區(qū)使用的資源在時間、頻率、空間上與服務(wù)小區(qū)的沖突。

為了既規(guī)避干擾又能獲得MIMO 技術(shù)帶來的增益，目前實際應(yīng)用基本采用聯(lián)合傳輸方式，協(xié)調(diào)多小區(qū)發(fā)射獲得分集或復(fù)用增益。

2.2 CoMP 技術(shù)部署場景

根據(jù)CoMP 技術(shù)所能解決的問題可分析得出，該技術(shù)的典型應(yīng)用場景為多小區(qū)覆蓋交疊場景，包括城區(qū)高密集基站布局導(dǎo)致的重疊場景、農(nóng)村廣覆蓋區(qū)域低密度基站布局導(dǎo)致的弱覆蓋場景。

這兩種場景下CoMP 技術(shù)均是通過小區(qū)間天線聯(lián)合發(fā)送技術(shù)提升交疊區(qū)域性能。CoMP 技術(shù)服務(wù)小區(qū)和協(xié)作小區(qū)不僅可以傳輸相同數(shù)據(jù)，也可以傳輸不同數(shù)據(jù)。對于城區(qū)高密度重疊場景，無線環(huán)境較好，服務(wù)小區(qū)和協(xié)作小區(qū)傳輸不同數(shù)據(jù)，提升小區(qū)容量；對于廣覆蓋低密度重疊場景，無線環(huán)境差，服務(wù)小區(qū)和協(xié)作小區(qū)傳輸相同數(shù)據(jù)，提高鏈路健壯性、抵抗干擾。

CoMP 協(xié)同可以在多種基站形態(tài)下組合進(jìn)行，包括Massive MIMO 64T/32T 之間、Massive MIMO 與nTnR（8T/4T/2T）之間、nTnR（8T/4T/2T）之間。

CoMP 技術(shù)在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上通過軟件升級即可快速開通?；鹃g協(xié)作，BBU 之間要光纖直連并共機(jī)房；基站內(nèi)協(xié)作，協(xié)作小區(qū)要BBU 共框。

2.3 CoMP 技術(shù)優(yōu)缺點分析

從上面分析可以了解到，通過CoMP 技術(shù)應(yīng)用，重點是改善了多小區(qū)覆蓋交疊區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)性能，降低小區(qū)間干擾、提升小區(qū)邊緣吞吐量、提高系統(tǒng)吞吐量，最終達(dá)到提升邊緣用戶感知的目的。在此基礎(chǔ)上，由于多小區(qū)協(xié)作，還可以改善小區(qū)間切換關(guān)系，降低掉話率；提升接收功率。這些是該技術(shù)優(yōu)點，但也存在以下缺點或應(yīng)用局限性。

（1）該技術(shù)對各協(xié)作小區(qū)間的時頻同步要求非常嚴(yán)格，時間同步精度要達(dá)到0.3 us；為了實現(xiàn)嚴(yán)格的時頻同步，對時延要求也非常高，要求是微秒級；苛刻的時頻同步要求需要將BBU 集中放置并使用GPS 同步。

（2）為實現(xiàn)小區(qū)協(xié)作，服務(wù)小區(qū)需要獲得區(qū)域內(nèi)所有小區(qū)的信道信息，反饋全部信息將占用大量的上行資源，給上行信道帶來巨大的壓力，同時也會引起信道損耗和系統(tǒng)性能的降低。

（3）如果是基站間協(xié)作，對X2 接口容量、時延要求非常高。

3 應(yīng)用案例

為了驗證CoMP 技術(shù)在5G 下應(yīng)用效果，選擇某市兩片區(qū)域試驗，分別對應(yīng)3.5G（城區(qū)場景）、2.1G（廣覆蓋場景），對使用效果進(jìn)行測試驗證。

3.5G CoMP 技術(shù)測試選取城區(qū)某小區(qū)周邊，涉及3.5G NR 站點2 個、小區(qū)6 個，好、中、差點CQT 測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 CoMP 技術(shù)NR3.5G 測試數(shù)據(jù)

從測試數(shù)據(jù)可看出，開通后效果基本達(dá)到預(yù)期。對應(yīng)覆蓋好、中、差點，信號強(qiáng)度逐步減弱、小區(qū)之間交疊區(qū)域逐步加大，而開通CoMP 技術(shù)后獲得的增益也逐步加大，測試數(shù)據(jù)變化情況驗證了該技術(shù)的適用場景：交疊區(qū)域大、信號弱區(qū)。

（1）好點：開通后平均RSRP 無明顯波動，上下行平均速率有輕微增益。

（2）中點：開通后平均RSRP 無明顯波動，上行平均速率平均增益16.3%，下行平均速率平均增益在16.2%。

（3）差點：開通后平均RSRP 無明顯波動，上行平均速率平均增益28.59%，下行平均速率平均增益28%。

在試點范圍進(jìn)行DT 拉網(wǎng)對比測試，開通后整體上行平均速率由125.99 Mbit/s 提升至132.76 Mbit/s，增益5.37%，下行平均速率442.92 Mbit/s提升至466.7 Mbit/s，增益5.36%。整體RSRP 無明顯變化。

2.1G CoMP 技術(shù)測試選取鄉(xiāng)鎮(zhèn)廣覆蓋區(qū)域，涉及2.1G NR 站點6 個，覆蓋小區(qū)16 個，好、中、差點CQT 測試數(shù)據(jù)如表2 所示。

從表2 可看出，2.1G CoMP 技術(shù)測試結(jié)論與3.5G 基本一致，分區(qū)域平均速率提升略低于3.5G，主要原因為廣覆蓋區(qū)域交疊區(qū)相對較小、協(xié)作小區(qū)數(shù)量較少導(dǎo)致。

表2 CoMP 技術(shù) NR2.1G 測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

通過測試驗證，CoMP 技術(shù)通過協(xié)調(diào)多個小區(qū)進(jìn)行聯(lián)合傳輸，化干擾信號為有用信號，降低相鄰小區(qū)間的同頻干擾，提高用戶感知。5G 時代，由于采用大規(guī)模天線技術(shù)、終端天線數(shù)量也多于其它系統(tǒng)，在5G 中應(yīng)用CoMP技術(shù)會獲得高于其它系統(tǒng)的增益。目前該技術(shù)處于小范圍試點應(yīng)用階段，隨著5G 密集部署、干擾問題進(jìn)一步突出，CoMP 技術(shù)在5G 中會發(fā)揮更大的作用。