频带聚合技术在LTE-Advanced系统中的应用

基金项目：国家重大专项课题(2011ZX03003-002-01)

    在现有无线蜂窝网络中，频谱效率不高，每个用户所占带宽有限，因此无法满足高速数据业务的传输要求。随着语音业务的日趋饱和，运营商需要考虑在未来无线宽带移动网络中为用户提供更为可靠的高速数据服务。类似于高速分组接入(HSPA)系统与时分同步码分多址接入(TD-SCDMA)系统的关系，LTE-Advanced系统是LTE系统的平滑演进。因此如何在小幅度修改LTE协议的前提下，既完全兼容LTE遗留的终端，又能增加LTE-Advanced终端占用的带宽并提高其频谱效率，成为设备商和运营商所面临的共同问题。

    3GPP RAN1 #53bis次会议在波兰华沙通过了在LTE-Advanced系统中采用频带聚合(CA)技术的提案[1]。使用CA技术的用户，可以根据自身能力同时接收一个或者多个频率资源块上的数据。其主要技术优势包括：

• 基站可以在大约100 MHz的带宽内为一个终端传输数据，LTE-Advanced系统的下行峰值传输速率可以达到1 Gbit/s[2] 。
• 终端可以只采用一套射频(RF)和快速傅里叶变换(FFT)设备，CA技术不会明显增加终端的设备复杂度和成本。
• 通过合理的设计控制信道和导频信道，减小保护带宽，可以减少信令开销，提高系统的频谱效率。

     文章首先介绍了CA的基本原理和主流技术方案，然后给出了CA技术的研究现状，最后对CA存在的问题进行了讨论。

1 频带聚合技术原理及主流技术方案
    频带聚合技术合理复用了多个频带，使LTE-Advanced的用户能够同时接收带宽超过20 MHz的数据。现在一般认为[3-4]：

• 为了支持更高的数据峰值速率，频带聚合后的用户带宽应该超过20 MHz，每个载波段定义近似等于LTE release 8的最大传输带宽。
• 为同一个用户聚合在一起的不同载波段带宽可以不同，但应有基本限制：不同载波段的带宽相差不能太大（一般认为不能超过两倍），否则就失去了载波聚合的意义，并会增加大量的信令开销。例如，10 MHz和20 MHz的两个载波段可以聚合，但是1.4 MHz和20 MHz的两个载波段就不允许聚合。如将此类限制直接写到RAN4的协议中，会对RAN1协议灵活性产生影响。
• 考虑到未来数据业务的传输特点，LTE release 8支持的非对称上下行带宽在CA中也应该得到支持；上下行的载波段大小可以不同，聚合的载波段数目也可以不同。
• 在WRC07中提出的通用移动通信系统(UMTS)中新增加的带宽也应被考虑，例如：450~470，698~862，790~862，2 300~2 400，3 400~4 200和4 400~4 990 MHz频带。
• 由于不同用户的能力等级不同，且有些用户有射频限制，并不支持离散载波聚合，所以连续频带聚合和离散频带聚合都应该在LTE-Advanced系统中被考虑。
• 在对小数据包的支持上，LTE-Advanced 使用频带聚合的用户终端(UE)不应该比LTE release 8的UE低。因为在系统中会有很多很小的数据包，例如，传输控制协议(TCP)、ACKs和一些寻呼信令和随机接入相应等信令。CA需要重新设计如何传输这样的小数据包，减少不必要的控制信令开销。
• 使用CA技术的LTE-Advanced系统，需要完全兼容LTE系统遗留的UE。这就需要保留LTE release 8 规定的一些准则，例如，子载波带宽为15 kHz，上行和下行的载波段中心位于100 kHz的整数倍位置。

1.1 连续频带聚合
    在现有的第三代合作伙伴计划(3GPP)会议上，综合考虑终端执行能力和系统复杂度后，主要就连续频带聚合的提案进行讨论。如图1所示，连续频带聚合是指聚合在一起为一个用户服务的多个载波段在频域上是连续的。

    由于载波段频谱连续，所以系统实现频带聚合较为容易，信令开销小，UE需要检测的频点也较少。相对于离散频带聚合，UE更容易使用一套RF和FFT设备完成多个频带数据的连续接收，节省终端的成本。针对最新的3GPP会议的讨论结果，连续频带聚合的主流方案包括：

• 方案1：如图2所示[3]，只有中间载波段的中心频点为100 kHz的整数倍，其它载波段的中心频点不在100 kHz的整数倍。每个载波段均是由100个资源块共同组成，带宽为18.015 MHz。LTE遗留的UE只能接入中间的载波段。

• 方案2：如图3所示[3]，在载波段之间插入19个子载波(285 kHz)，以保证每个载波段的中心频点都是100 kHz的整数倍，在频带聚合两端的保护带宽会相应减少。

• 方案3：如图4[3]、图5[3]所示，适当减少每个载波段的带宽，减少其中子载波数目，并保证每个载波段的中心频点是100 kHz的整数倍。新的带宽需要在协议中定义，UE的复杂度和兼容性都需要被重新考虑。

    3种连续频带聚合方案比较：
    兼容性方面：方案1中LTE遗留的UE只支持在中心载波段传输数据，而方案2和方案3支持在任意载波段传输数据。

    LTE-Advanced UE的载波栅格：方案2和方案3可以直接使用LTE release 8的100 kHz载波栅格，而方案1需要对现有协议进行修改。

    保护带宽：方案1和方案3的保护带宽与LTE release 8相比没有减少，而方案2的保护带宽减少了。
方案2需要考虑在载波段之间新加入的子载波如何使用，只是一些空载波还是传一些数据或者是信令。方案3因为每个载波段的带宽不是20 MHz，所以需要考虑对载波段带宽重新定义。综合考虑上述3种方案，方案2和方案3应该被进一步研究，选择其中一个作为频带聚合的基本标准。

1.2 离散频带聚合
    从运营商的角度考虑，离散频带聚合更适合在实际网络中使用。在现实网络中，寻找足够大的连续频带十分困难，并且如果将大量连续带宽分配给个别用户，网络的公平性和有效性将被破坏。基于现有2G、3G系统频带的使用情况，在未来的LTE-Advanced系统中： 一是运营商希望复用其中一些离散的未使用频带；二是为LTE-Advanced分配的频带本身就离散在整个频域，所以离散频带聚合技术显得尤为重要[5]。

    WRC07为LTE-Advanced新分配的带宽，不是很大且不连续，频点相隔也较远。因此，路径损耗模型、多普勒频移和功控算法需要重新检验。资源分配算法也需要根据频谱衰落特性做出相应的调整。例如，因低频段的传播损耗较小，传输时能够使用更高的调制编码方式，所以较低的频带应聚合为优先级较高或者有大量数据待传的室外用户服务，而频率较高的频带聚合主要用于室内覆盖和室外一般性覆盖。

    现有的功控算法主要基于估计的链路预算，而这些公式中很少考虑频率对发射功率设置的影响。对于离散频带聚合，新的功控算法需要联合考虑多个载波段上的衰落特性，设置LTE-Advanced系统上下行合适的发射功率。

2 载波聚合的研究现状

2.1 MAC层和物理层接口
    LTE-Advanced系统使用CA后，某个物理实体将数据进行分流，并在不同的载波段上传输。

    方案1：媒体访问控制(MAC)层完成数据流的聚合并分配到相应的载波段上。

    方案2：物理层完成数据流的聚合并分配到相应的载波段上。

    方案1中，不同的载波段传输等级有所不同，且采用不同的多输入多输出(MIMO)模式和调制编码方式；数据分流在MAC层完成，不会改变每个载波段现有的物理层设计、传输块大小和软缓存大小，并使得LTE的软件和硬件设备可以在LTE-Advanced系统中继续使用；每个载波段的混合自动重传请求(HARQ)过程也是相互独立的，确认/非确认(ACK/NACK)反馈流程和信道设置可以沿用LTE release 8的协议规定；MAC层和无线链路控制(RLC)层没有受到影响，不会修改协议数据单元(PDU)的大小。

    方案2中，所有载波段的传输等级相同，并使用相同的调制编码方式；数据分流在物理层完成，并需要相应调整现有的物理层设计；协议和设备修改量大；多个载波段采用一个HARQ进程，即所有载波段只有一个ACK/NACK；MAC层和RLC层会受到CA的影响，PDU会明显超过LTE release 8定义的大小。

    从应用前景和标准化的角度考虑，方案1有明显的优势，因为载波段的频点不同，衰落特性也不同；方案2采用一样的调制编码方式，势必会造成一些传输特性比较好的频带资源浪费。在HARQ过程中，如果所有载波段采用一个HARQ进程，那么所有载波段的传输正确性只能用一个ACK或NACK指示。如果一个载波段传输错误并反馈给了NACK，则所有的数据都要重发，这样操作就会造成物理资源的大量浪费。综上所述，方案1适合在LTE-Advanced系统中使用。

2.2 广播信道配置
    使用CA技术后，会存在多个载波段。广播信道可以在每个载波段的中心频点分别发射，也可以只在所有载波段的中心频点发射一次。前者的兼容性好，LTE遗留的UE可以在任意载波段接入，但可能会造成信令开销大，资源浪费较多；后者兼容性差，LTE遗留的UE只能接入中心的载波段，或者在使用其它载波段前先跳频到中心频点获取广播信息。因为广播信息在整个CA的带宽内只传输了一次，所以信令开销小，资源利用率高。

2.3 上下行非对称CA
    在现在的3GPP会议中，已达成共识：LTE-Advanced系统支持上下行非对称CA，即UE上下行聚合的载波段数目可以不同。例如：UE下行传输需要40 MHz的带宽，并聚合两个20 MHz的载波段；而上行传输则需要20 MHz带宽，这时需考虑的是：采用一个20 MHz的载波段还是采用两个10 MHz的载波段聚合。前者峰值速率高，峰均功率比(PAPR)低，控制信道开销小，分集增益更明显[6]，所以LTE-Advanced支持上下行非对称CA系统增益明显。

2.4 L1/L2控制信令传输
    方案1：控制信令在所有基本载波块上传输。能得到很好的分集增益，但需要定义信道控制指示映射到多个传输块和新的物理下行控制信道(PDCCH) bit定义。

    方案2：控制信令只在一个基本载波块上传输。没有分集效果，信道控制指示与LTE release 8定义相同。PDCCH bit定义需要做出相应修改，能够传输多个基本载波块上的控制信息。

    方案3：控制信令在所有基本载波块上传输。与方案1相同，每个基本载波块上传输的控制信令只是控制本载波的，所以没有分集效果。但是它的兼容性好，不需要修改LTE现有协议。

3 频带聚合技术存在的问题

3.1切换控制
    为了保持业务的连续性，LTE-Advanced UE在切换时要保持一致的数据速率。如果UE在本小区使用CA，那么切换到的目标小区仍然需要为此UE提供CA服务，这就涉及到大量信令交互，eNodeB需要足够的频谱资源调度UE切换。在选择切换前，UE需要得到邻小区多个载波段的资源信息，综合考虑导频信号强度和频带占用情况，选择合适的小区进行切换。邻小区列表和邻小区分配的载波段都要通过广播或者专用信道通知UE，LTE release 8的关于切换的信令定义也要做出修改。与原来的单载波切换不同，CA里不同的载波段频点不同，频率衰落特性也会有所差别，因此覆盖范围也不相同，UE切换时不同载波段的切换时间也有先后，这时就会造成UE数据的多基站传输。

3.2 保护带宽
    在LTE-Advanced系统中，离散频带聚合的载波段频点间隔较远，所以无需考虑相互间干扰的问题。但是在高速移动的环境下，多普勒频移会影响临近频带的正交性，造成系统内干扰。因此连续频带聚合需要考虑在载波段间设计保护间隔(FA)，减少频带间干扰的影响。根据现有协议，为了抑制LTE系统的带外辐射，需要传输带宽的10%作为保护间隔，防止载波间干扰。利用MATLAB软件搭建链路级仿真平台，评估了有无频带保护间隔及不同调制方式下，多普勒频移对系统误比特率的影响。仿真考虑了3个连续载波段，每个载波段带宽为18 MHz。无保护间隔时，3个载波段连续相接；有保护间隔时，每个载波段两边各设立1 MHz的保护带宽，最后统计误比特率只计入中间载波的性能。仿真平台包括信号产生、信道编码、交织、调制、逆快速傅里叶变换(IFFT)、信道产生及加性噪声、FFT、检测、解调、解交织、信道译码、信号判决模块。具体仿真参数如表1所示。

    由图6看出，保护带宽对系统的信噪比(SNR)-误比特率(BER)曲线影响不大。只有在高信噪比时，没有保护带宽会造成误比特率的轻微上升。这与DoCoMo公司在加性白噪声(AWGN)信道下的评估结论一致[7]。如果取消连续载波段之间的保护间隔对系统性能的影响不会很大。

4 结束语
    频带聚合技术作为未来LTE-Advanced系统重要组成部分，重点解决了高速数据业务的传输问题，并对LTE遗留的UE有较好的兼容性。连续频带聚合和离散频带聚合都应被支持，相对连续频带聚合，离散频带聚合更适合运营商在实际系统中使用，但面临更多的技术挑战。引入CA后，还需考虑切换控制和载波带宽等问题，修改相应协议，以保证数据传输的有效性和可靠性。

5 参考文献
[1] Ericsson.Carrier Aggregation in LTE-Advanced[C]//3GPP TSG RAN WG1 Meeting #53bis,?Jun 30-Jul 4, 2008, Warsaw, Poland.2008:R1-082468.
[2] NTT DoCoMo. Update Views on Support of Wider Bandwidth in LTE-Advanced[C]// 3GPP TSG RAN WG1 Meeting #54, Aug 18-22, 2008.Jeju, Korea.2008: R1-083678.
[3] Qualcomm Europe. Carrier Aggregation Operation in LTE-A [C]// 3GPP TSG RAN WG1 Meeting #54, Aug 18-22, 2008,Jeju, Korea.2008: R1-083193.
[4] LG Electronics.?Carrier Aggregation Operation and Control Signaling for LTE-A[C]// 3GPP TSG RAN WG1 Meeting #54, Aug 18-22, 2008,Jeju, Korea.2008:R1-082946.
[5] CHTTL KDDI.?Considerations on Spectrum Aggregation in LTE-Advanced[C]// 3GPP TSG RAN WG1 Meeting #54, Aug 18-22, 2008,Jeju, Korea.2008: R1-083105.
[6] Panasonic. Support of UL/DL Asymmetric Carrier Aggregation[C]// 3GPP TSG RAN WG1 Meeting #54, Aug 18-22, 2008,Jeju, Korea.2008: R1-082999.
[7] NTT DoCoMo. Update Views on Support of Wider Bandwidth in LTE-Advanced[C]// 3GPP TSG RAN WG1 Meeting #54bis, Sep 29-Oct 3, 2008, Prague,Czech.2008: R1-083677.

收稿日期：2010-10-14

[摘要] 为了满足无线网络日益增长的数据业务的需求，LTE-Advanced系统引入了频带聚合技术增加单个用户的传输带宽。在保持对现有协议修改不大和对LTE终端良好兼容性的前提下，频带聚合技术能够大幅度提高LTE-Advanced终端的峰值速率。文章介绍了频带聚合的原理和主要技术方案，讨论了使用频带聚合对系统控制信道设计、切换和频谱效率的影响。

[关键词] 频带聚合；控制信道设计；频谱分配

[Abstract] To meet requirements associated with growth in network data, carrier aggregation(CA)is proposed in LTE-A systems to increase bandwidth for specific users. CA improves the peak rate of LTE-A terminals, requires little modification of existing specifications, and is backwards compatible. This paper discusses the techniques and major proposals for CA as well as its impact on system control channel design, handover, and spectrum efficiency.

[Keywords] carrier aggregation; control channel design; spectrum allocation