LTE后续演进中基于频谱聚合的协同通信

基金项目：国家科技重大专项课题(2009ZX03003)

    大带宽无线传输的直接优势是数据速率高，可以支持多媒体业务，间接优势是通过缩短数据的传输时间来降低接收机的功耗。大带宽无线传输与多媒体终端的结合，还可以改变传统的业务模式，比如，传统的视频点播(VOD)和视频广播中除了实时现场直播内容之外，都可以利用大带宽的传输能力将内容瞬间下载到本地后再播放，这种方式既增加了收视时间、地点、内容方面的灵活性，又降低了终端的接收机和显示器的功耗，而且，这种业务方式可以放宽对大带宽无线网络无隙覆盖的要求，从而降低建网成本。由于大带宽传输具有上述诸多优势，大带宽无线传输已经成为移动通信系统的一个主要发展趋势，移动通信系统的传输带宽不断增加，从通用移动通信系统(UMTS)系统的5 MHz(初始设计带宽)到长期演进(LTE)系统的20 MHz，再到LTE后续演进系统LTE-A的100 MHz。

    移动通信系统实现大带宽传输有两个基本实现途径：第1个途径是设计一个大带宽系统；第2个途径是通过不同系统间的协同来构造具有更大传输带宽的系统。这两个实现途径在移动通信的演进中是同时存在且相互影响的，第1个途径主要在新系统设计中采用，第2个途径主要在现网演进中采用。

    第1个实现途径是3GPP LTE-A标准讨论中所采取的，该技术途径在LTE-A标准技术研究初期又可以进一步分为单载波和多载波两个方案，单载波方案是在一个单载波调制带宽为20 MHz～100 MHz的载波上承载数据，其优点是射频(RF)通道结构及控制信道结构简洁，其缺点是现有射频功放技术难以在20 MHz～100 MHz带宽范围内获得所需要的功率效率，并且，难以实现与LTE系统的兼容；多载波方案利用多个最大调制带宽小于20 MHz的载波聚合成20 MHz～100 MHz的传输带宽，其优点是可以基于现有射频功放技术，易于实现与LTE的完全兼容，其缺点是控制信道结构相对复杂。

    第2个实现途径是运营商网络演进时所采取的经济有效的方案，本质上也是通过多载波聚合来获得大的传输带宽，只是参与组合的载波由不同的系统发射，并且载波所承载的空中接口也会不同，比如，一个20 MHz带宽的LTE单载波系统与一个10 MHz带宽的UMTS双载波系统构成一个传输带宽为30 MHz带宽的协同通信系统。相对于全部由一个全新的宽带LTE-A系统来提供所需的传输带宽，这种多系统协同来获得大带宽的方案的优点是：减少运营上对新系统的投资，充分利用运营商现有系统资源，兼容运营商现有用户终端，保证系统的平滑演进。

    从协同通信的角度看，上述两种通过载波聚合获取更大传输带宽的方法，属于基于频谱聚合的协同通信。文献[1]对协同通信从生物学层面做了较多的分析，但是缺少生态学层面的协同分析，从频谱聚合的角度对协同通信的分析也比较欠缺，本文从协同通信的角度来分析频谱聚合，可以帮助理解宽带系统的设计以及运营商的现网演进，对解决现网演进中的实际问题带来启发。

    不同系统间基于频谱聚合的协同通信是本文讨论的重点，特别是不同系统间通过异构频谱聚合的协同通信，可以解决现有多载波捆绑技术无法解决的问题。在本文的第1节，对频谱聚合的发展趋势进行总结，第2节讨论不同系统间通过异构频谱聚合实现对上下行非对称业务的有效支持，第3节讨论不同系统间通过异构频谱聚合实现对时分双工(TDD)与频分复用(FDD)系统间保护带的有效利用。第4节对本文所述的问题进行总结。

1 频谱聚合与协同通信

1.1 频谱聚合的现状
    在第4代移动通信系统LTE-A标准研究启动之前，第2代和第3代移动通信系统中就已经在协议层面开始或者完成了对载波聚合的研究，如图1所示。其中有代表性的载波聚合技术规范是时分同步码分多址(TD-SCDMA)系统和高通推出的数据优化多载波多链路扩展(DMMX)和高速数据分组接入多载波多链路扩展(HMMX)平台，以支持EV-DO和高速数据分组接入(HSDPA)长期演进。在图1给出的第2代、第3代和第4代频谱聚合方案中，都是以载波聚合的方式实现的。在图1(b)给出的第2代移动通信系统采用的频谱聚合方式中，高通的DMMX和HMMX具有“多载波多链路”传输能力，可以在多个频段上同时使用多个无线传输协议，比如，700 MHz频段上基于正交频分复用(OFDM)、用于视频服务的MediaFLO前向链路，加上蜂窝频段上基于码分多址(CDMA)的进展数据优化(EV-DO)反向链路，是一个支持系统间(或者跨协议)频谱聚合的平台。

    在第2代和第3代移动通信系统采用的频谱聚合，除了高通的DMMX和HMMX支持跨频段跨协议的载波聚合，其他系统，如全球移动通信系统(GSM)、TD-SCDMA以及UMTS的多载波HSPA，都是系统内的连续载波聚合，其追求的目标也很单一，就是扩展传输带宽，而LTE的载波聚合演进则纳入了第4代移动通信系统LTE-A阶段。对于LTE-A，虽然将载波聚合的范围从3G的连续载波间的聚合扩展到了非连续载波的聚合，但是目前仍然是限定在系统内的载波聚合，LTE-A目前没有考虑支持系统间载波聚合，图1(c)所示的第4代频谱聚合中的系统间频谱聚合，是表明在技术层面存在可行性。

1.2 频谱聚合的发展趋势
    第4代移动通信系统LTE-A有如下基本问题与基于频谱聚合的协同通信相关：
    (1)如何获得大带宽频谱
    是在同一个LTE-A FDD系统或者LTE-A TDD系统内进行载波聚合来实现大的传输带宽，还是将LTE-A FDD系统与LTE-A TDD系统通过载波聚合协同起来获得大的传输带宽？

    (2)如何有效使用频谱
    大带宽的主要业务是数据业务，数据业务具有显著的上下行非对称特性，并且这种非对称特性随时间地点不断变化，单独的LTE-A FDD内的多载波聚合如何适应这种非对成性？这也涉及是否采用系统间的载波聚合，是否将LTE-A FDD系统与LTE-A TDD系统的频谱聚合起来共同支持非对成业务的问题。

    上述IMT-A面临的问题，仅仅采用以往的在同一种连续频谱上进行多载波捆绑的频谱聚合方式是无法解决的。仅仅通过FDD频谱的聚集难以解决非对称业务情况下的频谱使用效率问题，仅仅通过连续的TDD频谱上的载波聚集也难以解决TDD的反馈时延、调度时延较大的问题(受无线帧结构限制)，这都是制约频谱效率进一步提升的环节。此外，由于低端频谱稀缺，很难在低端频谱上向多个运营商分别提供宽达100 MHz的频谱供运营商单独使用(即便有足够的带宽，也得不到充分使用)，这就需要让高端频谱动态补充用于宏覆盖的低端频谱，扩展高端频谱的实用场景。这需要借助更加灵活的基于频谱聚合的协同通信方案来解决，仅仅靠简单的载波捆绑难以解决问题。

    不同频谱聚合方式可以解决不同的问题，灵活的频谱聚合可以扩展传输带宽，可以催生新型业务，可以提高空口的频谱使用效率，可以扩展高端频谱的适用场景。在各种频谱聚合方式中，不同系统间的频谱聚合，非连续频谱间的聚合以及高低端频谱聚合往往能够解决传统频谱聚合场景下难以解决的问题。

1.3 基于频谱聚合的协同通信
    所谓协同通信就是通过一组通信功能实体间的配合来获得单个通信功能实体不具备的通信能力。在基于频谱聚合的协同通信中，通信功能实体就是具备在单个载波上发射或/和接收无线电信号的功能或物理实体。如果参与协同的功能实体来自不同的系统，就是系统间的协同通信。

    在现有无线接入网演进中，为了简化网络种类，降低建网成本，不同无线接入网的基站和传输部分之间逐步融合。但是，由于采用不同空中接口的现有终端难以融合，导致现有无线接入网在空中接口上的多样性的长期存在，基于频谱聚合的协同通信可以在空口多样性的情况下，实现系统间优势互补，共享资源。

    进一步地，在基于频谱聚合的协同通信的实施方式上，可以分为集中管理/控制的协同通信，分布式管理/控制的协同通信和自组织管理/控制的通信。无论是那种管理/控制方式下的协同通信，都需要基于无线环境信息，因此，与基于频谱聚合的协同通信密切相关的是无线电环境认知技术，系统间基于频谱聚合的协同越密切，自组织程度越高，对无线环境信息的要求也越丰富。

2 基于频谱聚合的协同通信与非对称业务支持

2.1 非对称业务的特点
    文献[1]从业务的非对称性、传输流的非对称性及频谱的非对称3个方面对3G业务的非对称性做了分析，并且，从用户、小区、系统3个层面，对非对称业务的动态特性进行了分析。分析表明，链路级业务的非对称性具有高度动态特性，随时间/空间变化剧烈；小区级业务的非对称性具有中度动态特性，随时间/空间变化程度中等；而系统级业务的非对称性具有较低的动态特性，随时间/空间变化程度较慢。

    文献[2]给出的各种业务的非对称性表明，一个移动通信系统的业务是这些对称和非对称业务的综合体现，既有对称、平稳的业务流分量(相当于直流分量)，也有非对称、突发、峰均比高的分量(相当于交流分量)。

    由于移动通信业务是一小区或者几个相邻小区为单位进行资源配置的，小区内业务非对称性变化是频谱使用的最重要的依据，也就是说，在移动通信系统在考虑小区的上下行频谱资源配置时，要遵照如下原则：以小区为单位配置上下行资源，并且要能够跟上上下行业务非对称性的中度变化。

2.2 TDD与FDD在非对成业务下的性能差异
    根据文献[3]的分析，在商业区、居民区、商务区这3种场景下，其业务的上下行非对称性和峰均比特性均有差异，由于TDD系统可以动态地适应业务的非对称性和突发特性，从实际可以达到的系统容量(TDD系统的带宽和FDD系统的上下行带宽之和相同的条件下)来看，由于业务非对称性的差别，TDD系统的系统容量可以比FDD系统的系统容量高出69%。只有在上行业务的比例分别在33.30%、42.5%的情况下，FDD系统才可以和TDD系统具有相同的容量，在其他业务情况下下，FDD系统的系统容量均低于TDD系统。

    不考虑TDD和FDD在其他方面的差异，仅仅从其适合的业务类型上看，FDD更适合上下行对称且峰均比低的业务，而TDD适合上下行非对称业务的时变特性。由于文献[1]已经指出了业务模式的不可预见性和空间时间上的变化特性，通过频谱分配阶段为FDD系统划分一个固定的非对称频谱也是不可行的。LTE-A对FDD的频谱规划也应该和传统的FDD划分方式一样，采用上下行对称方式，对不对称业务的适应通过与TDD的组合或者通过与其他系统的频谱动态共享实现。

2.3 改进FDD系统对非对称业务的支持能力
    FDD系统对非对称业务的支持，目前已经在NGMN P-BAG以及3GPP LTE-A中有讨论，归纳起来有如下3个方案：

• 非对称频谱规划。比如为了提高FDD系统对下行业务的支持能力，在频谱规划阶段就打破传统的上下行对称频带的规划方式，给FDD系统的下行频带规划出比上行更大带宽的频带。
• TDD频谱用于FDD系统下行传输。为了提高FDD系统的下行业务能力，将TDD的频谱用于部署FDD系统的下行信道，从而增加FDD的下行传输带宽。
• FDD与TDD系统进行基于频谱聚合的协同通信。该方案的特点是，TDD频谱上部署TDD系统空口，FDD系统上部署FDD空口，在此基础上，将TDD空口与FDD空口之间进行载波聚合。

    非对称频谱规划需要解决的问题是：FDD系统的下行带宽比上行带宽大多少才能符合业务的非对称需要？由于非对称业务是以小区为单位随时间地点变化的，预先规划好的上下行非对称频谱如何适应这种变化？欧盟IST的研究报告也指出，目前没有预测未来业务的不对称性的方法，因此，目前在理论上就无法让FDD系统去适应非对称业务的方法，因此，这种貌似合理的频谱规划方案不具备实际可操作性。

    TDD频谱用于FDD系统下行传输面临与非对称频谱规划相同的问题，在无法预计特定地区特定时间的业务非对称的情况下，将多少TDD频谱用于发射FDD信道才是合理的？在TDD频谱上布设FDD设备的方式实质上就是给FDD系统额外增加一段频谱，这个方案在文献[1]中对额外增加FDD系统给予了讨论，讨论结果是不可行。
FDD与TDD系统进行基于频谱聚合的协同通信的实现方式如图2所示，在TDD频谱上，部署的是TDD空中接口；在FDD频谱上，部署的是FDD系统的空中接口。再此基础上，根据特定小区特定时刻的上下行业务的非对称比例，灵活调节TDD系统无线帧中上下行时隙的比例，并以TDD空口与FDD空口并行传输的方式，实现与特定终端的通信。

    图2给出的FDD系统频谱与TDD系统的协同通信，从频谱聚合的角度看，具有如下特点：

• 在TDD频谱上布设FDD设备
• 在FDD频谱上布设TDD设备

    这种方案不涉及频谱规划问题，也无须TDD频谱与FDD频谱的重新规划(REFARMING)，可以同时达到如下效果：

• 以灵活的方式实现对突发业务、非对称业务的支持
• 可以灵活地适应非对称性随时间空间的变化
• 高的频谱使用效率或高的系统容量

    这种基于频谱聚合的FDD/TDD系统间的协同通信，利用TDD灵活的上下行业务能力，提高了FDD非对称业务支持能力，回避了对非对称业务预测这个难题，是一种具有很强适应性的鲁棒解决方案。该方案既充分发挥TDD与FDD系统各自的优势，把两者在支持不同业务上的优点组合起来，两种系统密切协同，相得益彰。此外，从产业发展的角度，也可以促进TDD与FDD的共存和TDD产业链的成长。

3 基于频谱聚合的协同通信与保护频带利用

3.1 TDD与FDD间保护频带分析
    为了节约建网成本，运营商需要共享网络资源，包括不同系统间共享站址，共享频谱，甚至共享天线。在这种大趋势下，运营商需要TDD与现有的FDD基站共享站址的解决方案。这就需要分析解决TDD与FDD系统在共站/共天线模式下的系统间干扰问题。传统的TDD系统是上下行使用相同的频带，为了保证TDD系统的基站和终端的发射和接收与其相邻频段上的系统的基站和终端之间不存在干扰或者其干扰处于可接收的范围之内，要求在TDD系统和FDD系统之间预留一个保护频带。在TDD与FDD异站址建网的情况下，这个保护频带大约为3 MHz，而在共站或者共天线建网的情况下，保护频带要在10 MHz以上，因此，需要分析对这个大的保护带利用。

    从逻辑上看，无论TDD处于那个频段上，也无论该TDD频段上部署的是那种标准的系统，TDD频带与其相邻或者相关的频带之间的排列格局可以概括为图3所示的7种形态。

    对应每一种TDD／FDD频谱排列格局，TDD系统在频谱使用上可以采用的干扰抑制措施如图3右侧所示。图3所示的7种TDD/FDD频谱排列格局涵盖了所有可能的TDD与FDD频谱(包括非移动通信频谱)间可能出现的情况，根据这7种情况，人们可以对每种TDD双工方式的适用性做全面的评估。

3.2 利用TDD与FDD系统间的保护频带
    图4给出了一种TDD与FDD的排列格局示意图，图中第1频带是FDD系统上行频带，第2频带是TDD系统的双向使用的频带，第3频带是TDD系统与FDD系统下行频带之间的保护频带，第4频带是FDD上行频带，第5频带是TDD与FDD上行频带之间的保护频带[4]。文献[5]给出利用保护带的方法是：将第3频带与第5频带配对构成一对HD-FDD链路，具体地，工作在第3频带内的HD-FDD系统提供第1 HD-FDD信道，第1 HD-FDD信道的发射与TDD的上行发射或者下行发射同步，在第4频带上配置一个第2 FDD信道。

    除了文献[5]给出的以半双工FDD方式利用保护频带，还可以从基于频谱聚合的协同通信的角度更灵活地利用保护频带，具体实现有如下方式：

    (1)系统内协同实现频带的扩展
    图4中的第3频带与第2频带之间进行频谱聚合，实现对TDD下行传输带宽的扩展；或者将第5频带与第2频带之间进行频谱聚合，实现对TDD系统上行传输带宽的扩展。

    (2)协同间协同实现频带的扩展
    图4中的TDD系统的第3频带与第2频带和FDD系统的第1频带之间进行频谱聚合，实现对下行传输带宽的扩展，这种方式即可以对TDD保护频带进行利用，又提高了FDD系统支持非对称业务的能力；或者将TDD系统的第5频带与第2频带与FDD系统的第4频带之间进行频谱聚合，这种方式即可以对TDD保护频带进行利用，又提高了FDD系统支持非对称业务的能力。

4 结束语
    基于频谱聚合的系统间的协同通信除了扩展空口的传输带宽，还可以解决单一系统难以解决的问题，本文重点讨论了通过基于频谱聚合的系统间的协同通信来解决FDD系统的非对称业务支持问题和共站建网引出的保护带利用问题。

    在网络演进中，LTE及其后续演进系统将于UMTS以及GSM长期共存。为了重用网络资源和降低建网成本，需要不同系统之间在空口上进行协同通信，而实现这种协同的最直接最有效的方法是系统间的基于载波聚合的协同通信，通过载波聚合实现多模式多频段并行传输[6-11]。

    在目前3GPP LTE-A标准讨论中，其频谱聚合仍然以构建一个100 MHz传输带宽的单一系统为目标，其讨论的频谱聚合是单一系统内部的频谱聚合。目前将系统间协同通信作为研究重点的标准组织是欧洲电信标准组织(ETSI)的RRS，其目标是将现有的或者未来的无线通信系统有机地协同起来，实现生态学意义上的协同通信。随着运营商现网演进中对资源共享需求的进一步突出，系统间的基于频谱聚合的协同通信将在相关的标准组织的讨论中得到更多的体现。

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收稿日期：2009-11-06

[摘要] 大带宽无线传输有两个实现途径，一是设计频带更宽的单一系统，一是进行不同系统间的协同设计。前者是在同一种空口内采用基于多载波的频谱聚合，后者是在不同空口之间采用基于多载波并行传输的频谱聚合。通过多载波并行传输实现系统内和系统间频谱聚合，可以充分利用现有射频技术和器件，降低设备的研制和运营成本。而系统间的频谱聚合，特别是异构系统间的频谱聚合，除了可以扩展传输带宽的基本功能之外，还可以解决频分复用系统对非对称业务的支持以及时分双工保护带的利用问题，对运营商更具有商业上的现实意义。

[关键词] 协同通信；频谱聚合；非对称业务；保护频带

[Abstract] The wide band radio transmission may be implemented in two parallel ways: to design a new system with larger bandwidth; to construct a cooperative system based on existing systems. The former is a spectrum aggregation scheme based on multi-carrier transmission within one system, while the latter fulfills spectrum aggregation based on multi-carrier transmission among systems. On one hand, the advantage of the multi-carrier transmission scheme within system and among systems lies in that the existing Radio Frequency (RF) techniques and elements can be sufficiently utilized, so the system cost can be decreased. On the other hand, the spectrum aggregation among systems, especially among heterogeneous air-interfaces, can not only expand the basic bandwidth functions, but also fulfill efficient spectrum usage for Frequency Division Duplex (FDD) system under the unbalanced Uplink/Downlink (UL/DL) service scenario and efficient guard band usage between FDD and Time Division Duplex (TDD) system. Commercially, this solution is more significant for operators.

[Keywords] cooperative communications; spectrum aggregation; unbalanced service; guard band