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【技術專欄】3GPP LTE-A下行傳輸之多點協調技術介紹工研院資通所 / 何從廉

摘要高品質與高傳輸率已成為 4G 第四代行動通訊的基本訴求，也可說是 4G 的

一個最佳代名詞。在細胞式無線通訊系統中，位於細胞邊界的用戶通常會因為信號較弱，並遭受其他細胞的信號干擾因而信號品質較差。因此『基於各細胞的基站間相互協調與合作』的技術已成為第四代行動通訊主要應用技術之一。這種技術被稱為『多點協調(Coordination Multi-Point, CoMP)』。

目前多點協調技術可分為四種應用場景。其中，應用於第一種與第二種應用場景的多點協調技術已趨於完整且成熟。目前廣受注意的是第三種與第四種應用場景。而第四種應用場景的技術架構被認為是最有潛力開發的應用場景但也最晚被開發也較不成熟。因此是目前第四代行動通訊中受到最多討論的議題之一。

而到底有哪些核心技術被採用應用於多點協調系統，與為何被採用與如何使用？本文將針對目前 4G 3GPP LTE-A 的下行傳輸進行多點協調技術的介紹。

一、 簡介在細胞式(cellular)無線通訊系統中，由於位於細胞邊界的用戶通常會因為

距離基站較遠造成信號衰減，且因為相鄰其他數個細胞而遭受其他細胞的信號干擾因而整體傳輸信號品質較差。為了要能改善細胞邊界的傳輸性能以提升整體系統頻譜使用效益，各細胞基站間的協調與合作技術油然而生，稱為『多點協調(Coordination Multi-Point, CoMP)』。而多點協調因而成為第四代行動通訊系統中不可或缺的重要技術之一。

CoMP 核心技術的分類[]

CoMP 技術主要可分為『聯合處理模式(Joint Processing, JP)』與『協調排程/協調 波 束 形 成 (Coordinated Scheduling/Beamforming, CS/CB) 』 兩 大 模 式 （ 如 圖1）：

- 聯合處理模式：意即傳輸給用戶的資料分佈在整個 CoMP 協作集合

1

(Cooperating Set)中的每一傳輸節點。以進一步處理，進行傳輸。而聯合處理模式以傳輸的方式又可進一步分成：

聯合傳輸(Joint Transmission, JT)：傳輸給用戶的資料是由數個傳輸節點（可以是部分或整個 CoMP 協作集合）同時傳送給用戶端。意即資料都分佈在整個在 CoMP 協作集合中的每一傳輸節點，而在某一時刻內可有數個傳輸節點傳送資料予用戶端。

動態細胞選擇(Dynamic Cell Selection, DCS)：傳輸給用戶的資料是由整個 CoMP 協作集合的某一個傳輸節點傳送給用戶端。意即資料都分佈在整個在 CoMP 協作集合中的每一傳輸節點，而在某一時刻內只有單一個傳輸節點傳送資料予用戶端。

- 協調排程/協調波束形成：意即傳輸給用戶的資料只分佈在主服務區傳輸細胞(Serving Cell1)/基站。但用戶對於排程/波束形成的決策與回報則是基於整個 CoMP 協作集合所進行協調細胞之間的協定所決定。以進一步處理進行傳輸。

圖 1：CoMP 技術分類 CoMP 協作集合[]

CoMP協作集合(Cooperating Set)：定義為在幾何地理位置上能區分開的數個傳輸節點以直接或間接參與資料傳輸予用戶端的集合。而用戶端則不一定需要知道資料是由哪些傳輸節點發送過來。

CoMP傳輸節點(Transmission Point)：定義為資料傳輸節點中的某一點或1 主服務區傳輸細胞：用以傳輸控制信號給用戶端的細胞

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某一集合主動地傳輸資料予用戶端。其中 CoMP 傳輸節點是 CoMP 協作集合的子集合。而針對不同的 CoMP 技術，CoMP 傳輸節點則代表不同的意義：

- 針對 JT：CoMP 傳輸節點是 CoMP 協作集合的數個傳輸節點。- 針對 DCS：CoMP 傳輸節點則是 CoMP 協作集合的某一個傳輸節點。- 針對 CS/CB：CoMP 傳輸節點即是主服務區傳輸細胞。CoMP量測集合(Measurement Set)：定義為那些與用戶端連結所需用戶回

報通道狀態資訊的細胞集合。而 CoMP 量測集合可能與 CoMP 協作集合是相同的集合（意即 CoMP 量測集合 = CoMP 協作集合）。

因此 CoMP 協作集合、CoMP 量測集合與 CoMP 傳輸節點以幾何範圍大小來看，彼此之間的關係是：CoMP 傳輸節點 < CoMP 量測集合 < CoMP 協作集合，如圖 2。

圖 2：CoMP 協作集合、CoMP 量測集合與 CoMP 傳輸節點基於幾何範圍大小的關係

二、 3GPP LTE-A Rel-11下行CoMP的應用場景目前 3GPP LTE-A Rel-11 下行 CoMP 技術可分為以下四種應用場景[]： 應用場景 1 ：可以視為是一種具有基站內多點協調(Intra-site CoMP)的同

質(Homogeneous)網絡。如 3 個細胞同點座落之基站內多點協調(Intra-site CoMP)，如圖 3。

eNB

Coordination area

3

圖 3：CoMP 應用場景 1

應用場景 2 ：具高傳輸功率之遠端無線接點(Remote Radio Header, RRH)的同質網絡。如用於巨型細胞(Macrocell)的高傳輸功率之遠端無線接點，如圖 4。

High Txpower RRH

Assume high Tx power RRHas same as eNB

Optical fiber

圖 4：CoMP 應用場景 2

應用場景 3 ：在巨型細胞的服務涵蓋範圍內具有低傳輸功率之遠端無線接點的異質(Heterogeneous)網絡。而由遠端無線接點所形成的傳送/接收節點具有不同的細胞辨識碼(Cell ID)，如圖 5。

Low Tx power RRH(Omni-antenna)

eNB

Optical fiber

圖 5：CoMP 應用場景 3

應用場景 4 ：在巨型細胞的服務涵蓋範圍內具有低傳輸功率之遠端無線接點的異質(Heterogeneous)網絡。但由遠端無線接點所形成的傳送/接收節點具有相同的細胞辨識碼，如圖 5。

一般來說，CoMP 應用場景 1 與 2 可視為『同質網絡』，是目前發展最成熟最重要最有可能實現的場景之一。其中，應用場景 1 是一種基站內多點協調(Intra-site CoMP)，意即數個具有不同細胞辨識碼的細胞之間的協調將於同一

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個基站內進行；而場景 2 是一種基站間多點協調(Inter-site CoMP)，意即數個具有不同細胞辨識碼的細胞之間的協調將於數個基站間進行。而這些基站的聯繫是經由光纖連結。此外，CoMP 應用場景 3 與 4 可視為『異質網絡』。其中，場景 4是發展最晚並還未開發完成但卻是目前最有潛力的應用場景之一。不論是場景 3或是場景 4，傳輸節點之間的聯繫皆是由光纖連結。而由於場景 3 與 4 中具有低傳輸功率之遠端無線接點是在巨型細胞的服務涵蓋範圍內，適合用戶密集的都會區與熱點使用，而並非用以進行拓展巨型細胞的服務涵蓋範圍。而場景 3 與場景 4 的差別主要在於場景 3 的每一個進行協調的細胞皆有不同的細胞辨識碼，但場景 4 的每一個進行協調的細胞皆是相同細胞辨識碼，如圖 6。因此，場景 3可視為一種多重細胞辨識碼的方法；而場景 4 則可視為一種共享細胞辨識碼的方法，因此普遍被認為是一種分佈式天線系統(Distributed Antenna System, DAS)[]。

macro cellcell-id 1

pico cellcell-id 2

pico cellcell-id 3

picocell-id 4

macro cellcell-id 1

pico cellcell-id 2

pico cellcell-id 3

picocell-id 4

Handover

Handover

SCENARIO 3

cell-id 1

cell-id 1

cell-id 1

cell-id 1

macro point pico points

cell-id 1

cell-id 1

cell-id 1

cell-id 1

macro point pico points

SCENARIO 4

圖 6：CoMP 應用場景 3 與應用場景 4 的區別[]

三、 用於應用場景 4的CoMP技術一般來說，應用場景 3 是目前 3GPP LTE-A Rel-10增強型細胞間干擾消除

(Enhanced Inter-Cell Interference Cancellation, eICIC)方法的一種延伸環境。許多收發架構與討論議題皆傳承於增強型細胞間干擾消除，因此發展與建構也趨近完整。目前發展最晚但最有潛力與優勢的即屬應用場景 4，甚至可解決應用場景3 中的數個嚴重無法避免的議題，不過至今仍有非常多的議題急需克服與研究。主要討論的議題為：

- 干擾協調/排程- 控制通道- 參考信號

3-1.干擾協調/排程在 3GPP LTE-A Rel-10 的增強型細胞間干擾消除技術中考慮採用近乎空白

子時框(Almost Blank Subframe, ABS)與子時框移動(Subframe Shifting)的方法以

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降低部分巨型細胞(Macro-cell)對微小細胞(Pico-cell)所造成的干擾。但此方法應用於 CoMP 場景 3 下，巨型細胞仍然則會造成一些如細胞式特有的參考信號(Cell-specific Reference Signal, CRS)、同步通道(Synchronization Channel)與廣播通道(Physical Broadcast Channel, PBCH) 對微小細胞的干擾，如圖 7。

SF#0, #4, #5, #9 cannotbe configured asMBSFN subframe

MBSFN MBSFN MBSFN MBSFN

SubframeShifting

Macro is mutedMacro is not muted

MBSFN MBSFN

ABS/MBSFN

ABS/MBSFN

ABS ABS/MBSFN

ABS/MBSFN

MBSFN MBSFN MBSFN MBSFN MBSFN MBSFN

Assume FDD system

SCENARIO 3

圖 7：CoMP 應用場景 3 所衍生的干擾議題此外，在應用場景 3 的環境下進行 CoMP 時，亦會發生傳輸節點切換（或

稱換手(Handover)）。但若是在應用場景 4 的環境下進行 CoMP 時，因為在同一個細胞辨識碼下進行，此時則不會發生傳輸節點切換（或稱換手(Handover)）。自動避免了在應用場景 3 下需要進行換手的程序。

在排程方面，由於在應用場景 3 的環境下進行 CoMP 時，因為增強型細胞間干擾消除技術是一種分時多工(Time Division Multiplexing, TDM)的方法，其最小排程的資源單位是一整個子時框（包含頻域上所有的子載波資源）。但在應用場景 4 的環境下進行 CoMP 時，其最小排程的資源單位即等於資源區塊(Resource Block, RB)，其單位大小是由 12 個子載波與一個子時框所構成。因此，用於場景 4 的最小排程資源單位較用於場景 3 的最小排程資源單位小，使得對於資源安排上較具有彈性，且性能也較優異。3-2.控制通道

由於應用場景 4 中所有進行協調的傳輸節點都具有相同的細胞辨識碼，即同屬一個細胞。因此，相同的細胞式特有的信號，如同步信號（主同步信號(Primary Synchronization Signal, PSS) 與次同 步 信 號 (Secondary Synchronization

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Signal, SSS)）、細胞式特有的參考信號、廣播信號與基於細胞式特有之參考信號的控制信號會分佈在所有進行協調的傳輸節點上並進行發送。如此一來，可造成上述信號於接收時具有猶如在單頻網(Single Frequency Network, SFN)進行廣播下單頻網型態的軟式合併(Soft Combining)增益（如圖 8(a)），以增加平均接收信號強度，達到改善系統容量的優點。但是以目前 3GPP LTE Rel-8/9 的控制通道規格特性 ，仍無法獲得如 CoMP 應 用 場 景 3 下 所 能獲得的 區域 /細 胞分區(Splitting)增益（如圖 8(b)）。

(a) (b)

圖 8： CoMP 應用場景下的特性3-3.參考信號

在 3GPP LTE-A Rel-10 中制訂了一種用於通道量測的參考信號—通道狀態資訊參考信號(Channel State Information based Reference Signal, CSI-RS)。此一通道狀態資訊參考信號是類屬於細胞式特有的一種參考信號。意即不同的細胞將使用不同的通道狀態資訊參考信號，但在同一個細胞下則會使用相同一組的通道狀態資訊參考信號。在此情況下，在應用場景 4 中每一個傳輸節點都將使用相同一組的通道狀態資訊參考信號而無法直接利用通道狀態資訊參考信號來判斷用戶端位於整個細胞的位置。而用戶端也無法因為移動或通道變換後以此來選擇/切換哪些傳輸節點。

基於能有效利用通道狀態資訊參考信號而區分每個傳輸節點進而快速正確選擇/切換最佳的傳輸節點，在 Rel-11 中希望能將通道狀態資訊參考信號具有用戶特有的(UE-specific)一種參考信號特性。利用 Rel-10 的通道狀態資訊參考信號提供高重複使用因子以保持其本身的正交特性下，每一個傳輸節點可使用不同的通道狀態資訊參考信號，因而進一步可利用通道狀態資訊參考信號進行傳輸節點的選擇/切換機制。此外在 CoMP 協作集合中的所有傳輸節點，只要進行協調的每一個傳輸節點彼此在幾何地理位置上相互分開距離夠大，任意數個傳輸節點彼此都可重複使用同一組通道狀態資訊參考信號，以節省資源，如圖 9。

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CSI-RS resource reuse dueto sufficiently spatiallywell-isolated RRHs

CSI-RS maintains orthogonalitywithin cell due to high reusefactor and well-separated RRHs

圖 9：用於 CoMP 應用場景 4 中用戶特有的通道狀態資訊參考信號使用情況

四、 總結在第四代行動通訊系統中，為了要能改善細胞邊界的傳輸性能以提升整體

系統頻譜使用效益，『多點協調 CoMP』已成為不可或缺的重要技術之一。而CoMP 的四種應用場景中，CoMP 場景 4 被視為是一種分佈式天線系統，是發展最晚但卻是目前最有潛力與優勢的應用場景之一。CoMP 場景 4 在許多議題上具有非常好的特性，包含如干擾協調/排程、控制通道及參考信號等，不過至今仍有非常多的議題急需克服與研究。相信 CoMP 場景 4 與其相關技術會是 3GPP LTE-A Rel-11 中最熱門的討論議題之一。

參考資料[] 3GPP TR 36.814 V9.0.0 (2010-03).

[] 3GPP TR 36.819 V1.0.0 (2011-05).

[] R1-110649, Aspects on distributed RRUs with shared Cell-ID for heterogeneous

deployments, RAN1#64, Ericsson, ST-Ericsson.

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