基于頻帶聚合的LTE-Advanced系統設計

　在現有無線蜂窩網絡中，頻譜效率不高，每個用戶所占帶寬有限，因此無法滿足高速數據業務的傳輸要求。隨著語音業務的日趨飽和，運營商需要考慮在未來無線寬帶移動網絡中為用戶提供更為可靠的高速數據服務。類似于高速分組接入(HSPA) 系統與時分同步碼分多址接入(TD-SCDMA)系統的關系，LTE-Advanced系統是LTE系統的平滑演進。因此如何在小幅度修改LTE協議的前提下，既完全兼容LTE遺留的終端，又能增加LTE-Advanced終端占用的帶寬并提高其頻譜效率，成為設備商和運營商所面臨的共同問題。

　　3GPP RAN1 #53bis次會議在波蘭華沙通過了在LTE-Advanced系統中采用頻帶聚合(CA)技術的提案[1]。使用CA技術的用戶，可以根據自身能力同時接收一個或者多個頻率資源塊上的數據。其主要技術優勢包括：

　　基站可以在大約100 MHz的帶寬內為一個終端傳輸數據，LTE-Advanced系統的下行峰值傳輸速率可以達到1 Gbit/s[2] 。

　　終端可以只采用一套射頻(RF)和快速傅里葉變換(FFT)設備，CA技術不會明顯增加終端的設備復雜度和成本。

　　通過合理的設計控制信道和導頻信道，減小保護帶寬，可以減少信令開銷，提高系統的頻譜效率。

　　文章首先介紹了CA的基本原理和主流技術方案，然后給出了CA技術的研究現狀，最后對CA存在的問題進行了討論。

　　1 頻帶聚合技術原理及主流技術方案

　　頻帶聚合技術合理復用了多個頻帶，使LTE-Advanced的用戶能夠同時接收帶寬超過20 MHz的數據。現在一般認為[3-4]：

　　為了支持更高的數據峰值速率，頻帶聚合后的用戶帶寬應該超過20 MHz，每個載波段定義近似等于LTE release 8的最大傳輸帶寬。

　　為同一個用戶聚合在一起的不同載波段帶寬可以不同，但應有基本限制：不同載波段的帶寬相差不能太大（一般認為不能超過兩倍），否則就失去了載波聚合的意義，并會增加大量的信令開銷。例如，10 MHz和20 MHz的兩個載波段可以聚合，但是1.4 MHz和20 MHz的兩個載波段就不允許聚合。如將此類限制直接寫到RAN4的協議中，會對RAN1協議靈活性產生影響。

　　考慮到未來數據業務的傳輸特點，LTE release 8支持的非對稱上下行帶寬在CA中也應該得到支持；上下行的載波段大小可以不同，聚合的載波段數目也可以不同。

　　在WRC07中提出的通用移動通信系統(UMTS)中新增加的帶寬也應被考慮，例如：450~470，698~862，790~862，2 300~2 400，3 400~4 200和4 400~4 990 MHz頻帶。

　　由于不同用戶的能力等級不同，且有些用戶有射頻限制，并不支持離散載波聚合，所以連續頻帶聚合和離散頻帶聚合都應該在LTE-Advanced系統中被考慮。

　　在對小數據包的支持上，LTE-Advanced 使用頻帶聚合的用戶終端(UE)不應該比LTE release 8的UE低。因為在系統中會有很多很小的數據包，例如，傳輸控制協議(TCP)、ACKs和一些尋呼信令和隨機接入相應等信令。CA需要重新設計如何傳輸這樣的小數據包，減少不必要的控制信令開銷。

　　使用CA技術的LTE-Advanced系統，需要完全兼容LTE系統遺留的UE。這就需要保留LTE release 8 規定的一些準則，例如，子載波帶寬為15 kHz，上行和下行的載波段中心位于100 kHz的整數倍位置。

　　1.1 連續頻帶聚合

　　在現有的第三代合作伙伴計劃(3GPP)會議上，綜合考慮終端執行能力和系統復雜度后，主要就連續頻帶聚合的提案進行討論。如圖1所示，連續頻帶聚合是指聚合在一起為一個用戶服務的多個載波段在頻域上是連續的。

　　由于載波段頻譜連續，所以系統實現頻帶聚合較為容易，信令開銷小，UE需要檢測的頻點也較少。相對于離散頻帶聚合，UE更容易使用一套RF和FFT設備完成多個頻帶數據的連續接收，節省終端的成本。針對最新的3GPP會議的討論結果，連續頻帶聚合的主流方案包括：

　　方案1：如圖2所示[3]，只有中間載波段的中心頻點為100 kHz的整數倍，其它載波段的中心頻點不在100 kHz的整數倍。每個載波段均是由100個資源塊共同組成，帶寬為18.015 MHz。LTE遺留的UE只能接入中間的載波段。

　　方案2：如圖3所示[3]，在載波段之間插入19個子載波(285 kHz)，以保證每個載波段的中心頻點都是100 kHz的整數倍，在頻帶聚合兩端的保護帶寬會相應減少。

方案3：如圖4[3]、圖5[3]所示，適當減少每個載波段的帶寬，減少其中子載波數目，并保證每個載波段的中心頻點是100 kHz的整數倍。新的帶寬需要在協議中定義，UE的復雜度和兼容性都需要被重新考慮。

　　3種連續頻帶聚合方案比較：

　　兼容性方面：方案1中LTE遺留的UE只支持在中心載波段傳輸數據，而方案2和方案3支持在任意載波段傳輸數據。

　　LTE-Advanced UE的載波柵格：方案2和方案3可以直接使用LTE release 8的100 kHz載波柵格，而方案1需要對現有協議進行修改。

　　保護帶寬：方案1和方案3的保護帶寬與LTE release 8相比沒有減少，而方案2的保護帶寬減少了。

　　方案2需要考慮在載波段之間新加入的子載波如何使用，只是一些空載波還是傳一些數據或者是信令。方案3因為每個載波段的帶寬不是20 MHz，所以需要考慮對載波段帶寬重新定義。綜合考慮上述3種方案，方案2和方案3應該被進一步研究，選擇其中一個作為頻帶聚合的基本標準。

　　1.2 離散頻帶聚合

　　從運營商的角度考慮，離散頻帶聚合更適合在實際網絡中使用。在現實網絡中，尋找足夠大的連續頻帶十分困難，并且如果將大量連續帶寬分配給個別用戶，網絡的公平性和有效性將被破壞。基于現有2G、3G系統頻帶的使用情況，在未來的LTE-Advanced系統中： 一是運營商希望復用其中一些離散的未使用頻帶；二是為LTE-Advanced分配的頻帶本身就離散在整個頻域，所以離散頻帶聚合技術顯得尤為重要[5]。

　　WRC07為LTE-Advanced新分配的帶寬，不是很大且不連續，頻點相隔也較遠。因此，路徑損耗模型、多普勒頻移和功控算法需要重新檢驗。資源分配算法也需要根據頻譜衰落特性做出相應的調整。例如，因低頻段的傳播損耗較小，傳輸時能夠使用更高的調制編碼方式，所以較低的頻帶應聚合為優先級較高或者有大量數據待傳的室外用戶服務，而頻率較高的頻帶聚合主要用于室內覆蓋和室外一般性覆蓋。

　　現有的功控算法主要基于估計的鏈路預算，而這些公式中很少考慮頻率對發射功率設置的影響。對于離散頻帶聚合，新的功控算法需要聯合考慮多個載波段上的衰落特性，設置LTE-Advanced系統上下行合適的發射功率。

　　2 載波聚合的研究現狀

　　2.1 MAC層和物理層接口

　　LTE-Advanced系統使用CA后，某個物理實體將數據進行分流，并在不同的載波段上傳輸。

　　方案1：媒體訪問控制(MAC)層完成數據流的聚合并分配到相應的載波段上。

　　方案2：物理層完成數據流的聚合并分配到相應的載波段上。

　　方案1中，不同的載波段傳輸等級有所不同，且采用不同的多輸入多輸出(MIMO) 模式和調制編碼方式；數據分流在MAC層完成，不會改變每個載波段現有的物理層設計、傳輸塊大小和軟緩存大小，并使得LTE的軟件和硬件設備可以在 LTE-Advanced系統中繼續使用；每個載波段的混合自動重傳請求(HARQ)過程也是相互獨立的，確認/非確認(ACK/NACK)反饋流程和信道設置可以沿用LTE release 8的協議規定；MAC層和無線鏈路控制(RLC)層沒有受到影響，不會修改協議數據單元(PDU)的大小。

　　方案2中，所有載波段的傳輸等級相同，并使用相同的調制編碼方式；數據分流在物理層完成，并需要相應調整現有的物理層設計；協議和設備修改量大；多個載波段采用一個HARQ進程，即所有載波段只有一個ACK/NACK；MAC層和RLC層會受到CA的影響，PDU會明顯超過LTE release 8定義的大小。

　　從應用前景和標準化的角度考慮，方案1有明顯的優勢，因為載波段的頻點不同，衰落特性也不同；方案2采用一樣的調制編碼方式，勢必會造成一些傳輸特性比較好的頻帶資源浪費。在HARQ過程中，如果所有載波段采用一個HARQ進程，那么所有載波段的傳輸正確性只能用一個ACK或NACK指示。如果一個載波段傳輸錯誤并反饋給了NACK，則所有的數據都要重發，這樣操作就會造成物理資源的大量浪費。綜上所述，方案1適合在LTE-Advanced系統中使用。

　　2.2 廣播信道配置

　　使用CA技術后，會存在多個載波段。廣播信道可以在每個載波段的中心頻點分別發射，也可以只在所有載波段的中心頻點發射一次。前者的兼容性好，LTE遺留的UE可以在任意載波段接入，但可能會造成信令開銷大，資源浪費較多；后者兼容性差，LTE遺留的UE只能接入中心的載波段，或者在使用其它載波段前先跳頻到中心頻點獲取廣播信息。因為廣播信息在整個CA的帶寬內只傳輸了一次，所以信令開銷小，資源利用率高。

　2.3 上下行非對稱CA

　　在現在的3GPP會議中，已達成共識：LTE-Advanced系統支持上下行非對稱CA，即UE上下行聚合的載波段數目可以不同。例如：UE下行傳輸需要40 MHz的帶寬，并聚合兩個20 MHz的載波段；而上行傳輸則需要20 MHz帶寬，這時需考慮的是：采用一個20 MHz的載波段還是采用兩個10 MHz的載波段聚合。前者峰值速率高，峰均功率比(PAPR)低，控制信道開銷小，分集增益更明顯[6]，所以LTE-Advanced支持上下行非對稱 CA系統增益明顯。

　　2.4 L1/L2控制信令傳輸

　　方案1：控制信令在所有基本載波塊上傳輸。能得到很好的分集增益，但需要定義信道控制指示映射到多個傳輸塊和新的物理下行控制信道(PDCCH) bit定義。

　　方案2：控制信令只在一個基本載波塊上傳輸。沒有分集效果，信道控制指示與LTE release 8定義相同。PDCCH bit定義需要做出相應修改，能夠傳輸多個基本載波塊上的控制信息。

　　方案3：控制信令在所有基本載波塊上傳輸。與方案1相同，每個基本載波塊上傳輸的控制信令只是控制本載波的，所以沒有分集效果。但是它的兼容性好，不需要修改LTE現有協議。

　　3 頻帶聚合技術存在的問題

　　3.1切換控制

　　為了保持業務的連續性，LTE-Advanced UE在切換時要保持一致的數據速率。如果UE在本小區使用CA，那么切換到的目標小區仍然需要為此UE提供CA服務，這就涉及到大量信令交互，eNodeB需要足夠的頻譜資源調度UE切換。在選擇切換前，UE需要得到鄰小區多個載波段的資源信息，綜合考慮導頻信號強度和頻帶占用情況，選擇合適的小區進行切換。鄰小區列表和鄰小區分配的載波段都要通過廣播或者專用信道通知UE，LTE release 8的關于切換的信令定義也要做出修改。與原來的單載波切換不同，CA里不同的載波段頻點不同，頻率衰落特性也會有所差別，因此覆蓋范圍也不相同，UE切換時不同載波段的切換時間也有先后，這時就會造成UE數據的多基站傳輸。

　　3.2 保護帶寬

　　在LTE-Advanced系統中，離散頻帶聚合的載波段頻點間隔較遠，所以無需考慮相互間干擾的問題。但是在高速移動的環境下，多普勒頻移會影響臨近頻帶的正交性，造成系統內干擾。因此連續頻帶聚合需要考慮在載波段間設計保護間隔(FA)，減少頻帶間干擾的影響。根據現有協議，為了抑制LTE系統的帶外輻射，需要傳輸帶寬的10%作為保護間隔，防止載波間干擾。利用MATLAB軟件搭建鏈路級仿真平臺，評估了有無頻帶保護間隔及不同調制方式下，多普勒頻移對系統誤比特率的影響。仿真考慮了3個連續載波段，每個載波段帶寬為18 MHz。無保護間隔時，3個載波段連續相接；有保護間隔時，每個載波段兩邊各設立1 MHz的保護帶寬，最后統計誤比特率只計入中間載波的性能。仿真平臺包括信號產生、信道編碼、交織、調制、逆快速傅里葉變換(IFFT)、信道產生及加性噪聲、FFT、檢測、解調、解交織、信道譯碼、信號判決模塊。具體仿真參數如表1所示。

　　由圖6看出，保護帶寬對系統的信噪比(SNR)-誤比特率(BER)曲線影響不大。只有在高信噪比時，沒有保護帶寬會造成誤比特率的輕微上升。這與 DoCoMo公司在加性白噪聲(AWGN)信道下的評估結論一致[7]。如果取消連續載波段之間的保護間隔對系統性能的影響不會很大。

　　4 結束語

　　頻帶聚合技術作為未來LTE-Advanced系統重要組成部分，重點解決了高速數據業務的傳輸問題，并對LTE遺留的UE有較好的兼容性。連續頻帶聚合和離散頻帶聚合都應被支持，相對連續頻帶聚合，離散頻帶聚合更適合運營商在實際系統中使用，但面臨更多的技術挑戰。引入CA后，還需考慮切換控制和載波帶寬等問題，修改相應協議，以保證數據傳輸的有效性和可靠性。