基于頻帶聚合的LTE-Advanced系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　在現(xiàn)有無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，頻譜效率不高，每個(gè)用戶所占帶寬有限，因此無法滿足高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸要求。隨著語音業(yè)務(wù)的日趨飽和，運(yùn)營商需要考慮在未來無線寬帶移動網(wǎng)絡(luò)中為用戶提供更為可靠的高速數(shù)據(jù)服務(wù)。類似于高速分組接入(HSPA) 系統(tǒng)與時(shí)分同步碼分多址接入(TD-SCDMA)系統(tǒng)的關(guān)系，LTE-Advanced系統(tǒng)是LTE系統(tǒng)的平滑演進(jìn)。因此如何在小幅度修改LTE協(xié)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(shè)備商和運(yùn)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(tǒng)中采用頻帶聚合(CA)技術(shù)的提案[1]。使用CA技術(shù)的用戶，可以根據(jù)自身能力同時(shí)接收一個(gè)或者多個(gè)頻率資源塊上的數(shù)據(jù)。其主要技術(shù)優(yōu)勢包括：

　　基站可以在大約100 MHz的帶寬內(nèi)為一個(gè)終端傳輸數(shù)據(jù)，LTE-Advanced系統(tǒng)的下行峰值傳輸速率可以達(dá)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(shè)備，CA技術(shù)不會明顯增加終端的設(shè)備復(fù)雜度和成本。

　　通過合理的設(shè)計(jì)控制信道和導(dǎo)頻信道，減小保護(hù)帶寬，可以減少信令開銷，提高系統(tǒng)的頻譜效率。

　　文章首先介紹了CA的基本原理和主流技術(shù)方案，然后給出了CA技術(shù)的研究現(xiàn)狀，最后對CA存在的問題進(jìn)行了討論。

　　1 頻帶聚合技術(shù)原理及主流技術(shù)方案

　　頻帶聚合技術(shù)合理復(fù)用了多個(gè)頻帶，使LTE-Advanced的用戶能夠同時(shí)接收帶寬超過20 MHz的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在一般認(rèn)為[3-4]：

　　為了支持更高的數(shù)據(jù)峰值速率，頻帶聚合后的用戶帶寬應(yīng)該超過20 MHz，每個(gè)載波段定義近似等于LTE release 8的最大傳輸帶寬。

　　為同一個(gè)用戶聚合在一起的不同載波段帶寬可以不同，但應(yīng)有基本限制：不同載波段的帶寬相差不能太大（一般認(rèn)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(gè)載波段可以聚合，但是1.4 MHz和20 MHz的兩個(gè)載波段就不允許聚合。如將此類限制直接寫到RAN4的協(xié)議中，會對RAN1協(xié)議靈活性產(chǎn)生影響。

　　考慮到未來數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸特點(diǎn)，LTE release 8支持的非對稱上下行帶寬在CA中也應(yīng)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(shù)目也可以不同。

　　在WRC07中提出的通用移動通信系統(tǒng)(UMTS)中新增加的帶寬也應(yīng)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(xù)頻帶聚合和離散頻帶聚合都應(yīng)該在LTE-Advanced系統(tǒng)中被考慮。

　　在對小數(shù)據(jù)包的支持上，LTE-Advanced 使用頻帶聚合的用戶終端(UE)不應(yīng)該比LTE release 8的UE低。因?yàn)樵谙到y(tǒng)中會有很多很小的數(shù)據(jù)包，例如，傳輸控制協(xié)議(TCP)、ACKs和一些尋呼信令和隨機(jī)接入相應(yīng)等信令。CA需要重新設(shè)計(jì)如何傳輸這樣的小數(shù)據(jù)包，減少不必要的控制信令開銷。

　　使用CA技術(shù)的LTE-Advanced系統(tǒng)，需要完全兼容LTE系統(tǒng)遺留的UE。這就需要保留LTE release 8 規(guī)定的一些準(zhǔn)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(shù)倍位置。

　　1.1 連續(xù)頻帶聚合

　　在現(xiàn)有的第三代合作伙伴計(jì)劃(3GPP)會議上，綜合考慮終端執(zhí)行能力和系統(tǒng)復(fù)雜度后，主要就連續(xù)頻帶聚合的提案進(jìn)行討論。如圖1所示，連續(xù)頻帶聚合是指聚合在一起為一個(gè)用戶服務(wù)的多個(gè)載波段在頻域上是連續(xù)的。

　　由于載波段頻譜連續(xù)，所以系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)頻帶聚合較為容易，信令開銷小，UE需要檢測的頻點(diǎn)也較少。相對于離散頻帶聚合，UE更容易使用一套RF和FFT設(shè)備完成多個(gè)頻帶數(shù)據(jù)的連續(xù)接收，節(jié)省終端的成本。針對最新的3GPP會議的討論結(jié)果，連續(xù)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(diǎn)為100 kHz的整數(shù)倍，其它載波段的中心頻點(diǎn)不在100 kHz的整數(shù)倍。每個(gè)載波段均是由100個(gè)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(gè)子載波(285 kHz)，以保證每個(gè)載波段的中心頻點(diǎn)都是100 kHz的整數(shù)倍，在頻帶聚合兩端的保護(hù)帶寬會相應(yīng)減少。

方案3：如圖4[3]、圖5[3]所示，適當(dāng)減少每個(gè)載波段的帶寬，減少其中子載波數(shù)目，并保證每個(gè)載波段的中心頻點(diǎn)是100 kHz的整數(shù)倍。新的帶寬需要在協(xié)議中定義，UE的復(fù)雜度和兼容性都需要被重新考慮。

　　3種連續(xù)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(shù)據(jù)，而方案2和方案3支持在任意載波段傳輸數(shù)據(jù)。

　　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(xiàn)有協(xié)議進(jìn)行修改。

　　保護(hù)帶寬：方案1和方案3的保護(hù)帶寬與LTE release 8相比沒有減少，而方案2的保護(hù)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(shù)據(jù)或者是信令。方案3因?yàn)槊總€(gè)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(yīng)該被進(jìn)一步研究，選擇其中一個(gè)作為頻帶聚合的基本標(biāo)準(zhǔn)。

　　1.2 離散頻帶聚合

　　從運(yùn)營商的角度考慮，離散頻帶聚合更適合在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中使用。在現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)中，尋找足夠大的連續(xù)頻帶十分困難，并且如果將大量連續(xù)帶寬分配給個(gè)別用戶，網(wǎng)絡(luò)的公平性和有效性將被破壞?；诂F(xiàn)有2G、3G系統(tǒng)頻帶的使用情況，在未來的LTE-Advanced系統(tǒng)中： 一是運(yùn)營商希望復(fù)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(gè)頻域，所以離散頻帶聚合技術(shù)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(xù)，頻點(diǎn)相隔也較遠(yuǎn)。因此，路徑損耗模型、多普勒頻移和功控算法需要重新檢驗(yàn)。資源分配算法也需要根據(jù)頻譜衰落特性做出相應(yīng)的調(diào)整。例如，因低頻段的傳播損耗較小，傳輸時(shí)能夠使用更高的調(diào)制編碼方式，所以較低的頻帶應(yīng)聚合為優(yōu)先級較高或者有大量數(shù)據(jù)待傳的室外用戶服務(wù)，而頻率較高的頻帶聚合主要用于室內(nèi)覆蓋和室外一般性覆蓋。

　　現(xiàn)有的功控算法主要基于估計(jì)的鏈路預(yù)算，而這些公式中很少考慮頻率對發(fā)射功率設(shè)置的影響。對于離散頻帶聚合，新的功控算法需要聯(lián)合考慮多個(gè)載波段上的衰落特性，設(shè)置LTE-Advanced系統(tǒng)上下行合適的發(fā)射功率。

　　2 載波聚合的研究現(xiàn)狀

　　2.1 MAC層和物理層接口

　　LTE-Advanced系統(tǒng)使用CA后，某個(gè)物理實(shí)體將數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)流的聚合并分配到相應(yīng)的載波段上。

　　方案2：物理層完成數(shù)據(jù)流的聚合并分配到相應(yīng)的載波段上。

　　方案1中，不同的載波段傳輸?shù)燃売兴煌?，且采用不同的多輸入多輸?MIMO) 模式和調(diào)制編碼方式；數(shù)據(jù)分流在MAC層完成，不會改變每個(gè)載波段現(xiàn)有的物理層設(shè)計(jì)、傳輸塊大小和軟緩存大小，并使得LTE的軟件和硬件設(shè)備可以在 LTE-Advanced系統(tǒng)中繼續(xù)使用；每個(gè)載波段的混合自動重傳請求(HARQ)過程也是相互獨(dú)立的，確認(rèn)/非確認(rèn)(ACK/NACK)反饋流程和信道設(shè)置可以沿用LTE release 8的協(xié)議規(guī)定；MAC層和無線鏈路控制(RLC)層沒有受到影響，不會修改協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)的大小。

　　方案2中，所有載波段的傳輸?shù)燃壪嗤?，并使用相同的調(diào)制編碼方式；數(shù)據(jù)分流在物理層完成，并需要相應(yīng)調(diào)整現(xiàn)有的物理層設(shè)計(jì)；協(xié)議和設(shè)備修改量大；多個(gè)載波段采用一個(gè)HARQ進(jìn)程，即所有載波段只有一個(gè)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(yīng)用前景和標(biāo)準(zhǔn)化的角度考慮，方案1有明顯的優(yōu)勢，因?yàn)檩d波段的頻點(diǎn)不同，衰落特性也不同；方案2采用一樣的調(diào)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(fèi)。在HARQ過程中，如果所有載波段采用一個(gè)HARQ進(jìn)程，那么所有載波段的傳輸正確性只能用一個(gè)ACK或NACK指示。如果一個(gè)載波段傳輸錯(cuò)誤并反饋給了NACK，則所有的數(shù)據(jù)都要重發(fā)，這樣操作就會造成物理資源的大量浪費(fèi)。綜上所述，方案1適合在LTE-Advanced系統(tǒng)中使用。

　　2.2 廣播信道配置

　　使用CA技術(shù)后，會存在多個(gè)載波段。廣播信道可以在每個(gè)載波段的中心頻點(diǎn)分別發(fā)射，也可以只在所有載波段的中心頻點(diǎn)發(fā)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(fèi)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(diǎn)獲取廣播信息。因?yàn)閺V播信息在整個(gè)CA的帶寬內(nèi)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(xiàn)在的3GPP會議中，已達(dá)成共識：LTE-Advanced系統(tǒng)支持上下行非對稱CA，即UE上下行聚合的載波段數(shù)目可以不同。例如：UE下行傳輸需要40 MHz的帶寬，并聚合兩個(gè)20 MHz的載波段；而上行傳輸則需要20 MHz帶寬，這時(shí)需考慮的是：采用一個(gè)20 MHz的載波段還是采用兩個(gè)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(tǒng)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(gè)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(gè)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(yīng)修改，能夠傳輸多個(gè)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(gè)基本載波塊上傳輸?shù)目刂菩帕钪皇强刂票据d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(xiàn)有協(xié)議。

　　3 頻帶聚合技術(shù)存在的問題

　　3.1切換控制

　　為了保持業(yè)務(wù)的連續(xù)性，LTE-Advanced UE在切換時(shí)要保持一致的數(shù)據(jù)速率。如果UE在本小區(qū)使用CA，那么切換到的目標(biāo)小區(qū)仍然需要為此UE提供CA服務(wù)，這就涉及到大量信令交互，eNodeB需要足夠的頻譜資源調(diào)度UE切換。在選擇切換前，UE需要得到鄰小區(qū)多個(gè)載波段的資源信息，綜合考慮導(dǎo)頻信號強(qiáng)度和頻帶占用情況，選擇合適的小區(qū)進(jìn)行切換。鄰小區(qū)列表和鄰小區(qū)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(guān)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(diǎn)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(shí)不同載波段的切換時(shí)間也有先后，這時(shí)就會造成UE數(shù)據(jù)的多基站傳輸。

　　3.2 保護(hù)帶寬

　　在LTE-Advanced系統(tǒng)中，離散頻帶聚合的載波段頻點(diǎn)間隔較遠(yuǎn)，所以無需考慮相互間干擾的問題。但是在高速移動的環(huán)境下，多普勒頻移會影響臨近頻帶的正交性，造成系統(tǒng)內(nèi)干擾。因此連續(xù)頻帶聚合需要考慮在載波段間設(shè)計(jì)保護(hù)間隔(FA)，減少頻帶間干擾的影響。根據(jù)現(xiàn)有協(xié)議，為了抑制LTE系統(tǒng)的帶外輻射，需要傳輸帶寬的10%作為保護(hù)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(hù)間隔及不同調(diào)制方式下，多普勒頻移對系統(tǒng)誤比特率的影響。仿真考慮了3個(gè)連續(xù)載波段，每個(gè)載波段帶寬為18 MHz。無保護(hù)間隔時(shí)，3個(gè)載波段連續(xù)相接；有保護(hù)間隔時(shí)，每個(gè)載波段兩邊各設(shè)立1 MHz的保護(hù)帶寬，最后統(tǒng)計(jì)誤比特率只計(jì)入中間載波的性能。仿真平臺包括信號產(chǎn)生、信道編碼、交織、調(diào)制、逆快速傅里葉變換(IFFT)、信道產(chǎn)生及加性噪聲、FFT、檢測、解調(diào)、解交織、信道譯碼、信號判決模塊。具體仿真參數(shù)如表1所示。

　　由圖6看出，保護(hù)帶寬對系統(tǒng)的信噪比(SNR)-誤比特率(BER)曲線影響不大。只有在高信噪比時(shí)，沒有保護(hù)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(jié)論一致[7]。如果取消連續(xù)載波段之間的保護(hù)間隔對系統(tǒng)性能的影響不會很大。

　　4 結(jié)束語

　　頻帶聚合技術(shù)作為未來LTE-Advanced系統(tǒng)重要組成部分，重點(diǎn)解決了高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸問題，并對LTE遺留的UE有較好的兼容性。連續(xù)頻帶聚合和離散頻帶聚合都應(yīng)被支持，相對連續(xù)頻帶聚合，離散頻帶聚合更適合運(yùn)營商在實(shí)際系統(tǒng)中使用，但面臨更多的技術(shù)挑戰(zhàn)。引入CA后，還需考慮切換控制和載波帶寬等問題，修改相應(yīng)協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴?/p>