载波聚合技术对LTE-Advanced空口协议带来的挑战

载波聚合技术对 LTE-Advanced 空口协议带来的挑战 摘要 载波聚合技术是 LTE-Advanced 标准的一个重要特性，也是实现 LTE-Advanced 系统百兆带宽运行的最关键技术，但其也对 LTE-Advanced空口协议带来了诸多挑战。为了支持载波聚合技术， LTE-Advanced需要对此前的 LTE 空口协议进行多方面的增强。本文从成员载波分类、上行时钟提前、系统信息处理、无线链路失败处理等方面介绍了目前 3GPP正在讨论的针对载波聚合的空口协议增强方案，包括已经形成的结论以及后续还需研究的问题。 1 引 言 国际电信联盟 ITU-R 在 2008 年 1 月向全球发出了征集 IMT-Advanced技术的通函，正式启动了第 4 代移动通信系统（ 4G）的工作计划。为了满足 IMT-Advanced 的要求，在 2008 年 3 月举行的第 39 次 RAN 全会上， 3GPP就通过了基于 LTE 的 LTE-Advanced 的标准立项，并在 2008 年 5 月底的第 40 次 RAN 全会上，完成了 LTE-Advanced 需求文件TR 36.913 的初稿。在 2009 年 10 月的 ITU-R WP5D 第 6 次会议上， 3GPP 以及日本和中国都正式向 ITU 提交了以 LTE-Advanced 技术为主体的 IMT-Advanced 候选技术提案。目前，各个评估组正在对 IMT-Advanced候选技术提案（ LTE-Advanced 和 802.16m）进行互评估，此阶段将与 2010 年 6 月的 WP5D 第 8 次会议上完成，之后将在 2010 年10 月的 WP5D 第 9 次会议上确定 IMT-Advanced 系统的技术框架和关键特性，最终将在 2011 年 2 月的 WP5D 第 10 次会议上形成 IMT-Advanced 技术建议，从而全部完成 IMT-Advanced 的标准制定工作。 LTE-Advanced 要求在 100MHz 的带宽内 提供下行 1Gbit/s，上行 500Mbit/s 的峰值速率。为了在如此宽的带宽内工作， LTE-Advanced 引入了载波聚合技术。载波聚合可以通过整合若干个离散频带来共同为 UE 服务。考虑到与 LTE 的后向兼容性， LTE-Advanced 引入了成员载波的概念，每个成员载波的最大带宽不超过 20MHz，即 110 个 RB。 LTE-Advanced 空口协议是基于 LTE 空口协议的。不像在 LTE 中，每个小区只有一个成员载波，每个 UE 也只有一个成员载波为其服务，在 LTE-Advanced 中，每个小区有多个成员载波，每个 UE 也可能 有多个成员载波为其服务，因此 LTE-Advanced 需要在多方面对 LTE 空口协议进行增强。本文主要就 3GPP 目前针对载波聚合技术进行的空口协议增强所取得的标准化进展进行了简要的介绍，主要涉及成员载波分类、上行时钟提前、系统信息处理、无线链路失败处理等方面。值得说明的是，载波聚合技术不仅要对本文所提及的一些空口协议方向进行增强，而且还包括随机接入、测量、切换、调度等方面。随着 3GPP 讨论的深入，还会出现更多的技术增强点。 2 成员载波分类 成员载波分类参见图 1。 图 1 成员载波分类 （ 1）配置 /非配置成员载波 随着载波聚合技术的引入，每个小区可能会被配置多个成员载波， UE 也可能使用多个成员载波，但并不是所有 UE 都会使用所在小区的所有成员载波，那些被 UE使用的成员载波称之为配置成员载波，未被使用的成员载波称之为非配置成员载波，配置 /非配置是相对于每个 UE 来说的，即不同的 UE 可能具有不同的配置 /非配置成员载波，通过 RRC 信令为 UE增加额外的配置成员载波。 （ 2）激活 /去激活成员载波 配置成员载波又进一步被划分为激活成员载波与去激活成员载 波， UE 在激活成员载波上进行数据传输，而在去激活成员载波上不进行任何数据传输，也不支持 CQI 类似难度较大的测量，但其又不像非配置成员载波那样不进行任何测量，具体支持哪些测量，目前还在 3GPP讨论中。下行配置成员载波的激活 /去激活由 MAC 层信令控制，但也支持下行配置成员载波的隐性去激活，如当过了一定时间， UE 在激活成员载波上没有任何的数据传送，其可以被隐性的去激活。不过，到底哪些情况可以隐性地去激活成员载波，还在 3GPP 的讨论中，预计在 RAN2 #69bis 会议会有相关结论。另外，新增加的配置成员载波总是处于 去激活的默认状态。而对于上行成员载波来说，不需要显性的激活命令， eNB可以通过上行赋予等随时让 UE 在任何上行成员载波上进行传输。 引入激活 /非激活成员载波的好处是： 可以将暂时不用的成员载波设置为非激活状态，这样可以更好地节省 UE 的电源。 由于非激活成员载波可以通过 MAC 信令快速的转换为激活状态，且又不像非配置成员载波那样不进行任何测量， eNB 可以利用非激活成员载波上的测量信息来进行相关的参数设置，因此能更好地适应突发数据业务的需要。 （ 3）特殊小区 在 LTE 中，只有一个成员载波服务于每个 UE，且每个小 区只有一个成员载波，服务于 UE 的成员载波对应的小区即为此 UE 的服务小区，系统通过服务小区为 UE 提供一系列功能，包括安全输入， NAS 层移动信息，无线链路检测，寻呼等。在 LTE-Advanced 中，每个小区有多个成员载波，且每个 UE可能被分配多个成员载波，这就牵扯到一个问题，系统为 UE提供的各种功能以及对应的流程是在哪些成员载波上执行，是在所有成员载波上还是在一个或者多个成员载波上？根据系统提供的功能不同，上述问题的答案可能也有所不同。 3GPP 首先处理的是安全输入功能与 NAS 层移动信息功能， LTE-Advanced定义了一个特殊小区，每个 UE 只有一个特殊小区，不同 UE 的特殊小区可能是不同的。在此特殊小区上，系统为 UE 提供安全输入功能与 NAS 层信息。注：从系统的角度看，每个成员载波相当于一个小区，都会被分配一个全球惟一的小区标示 ECGI；从 UE 的角度看，即使被分配了多个成员载波，其也只能看到一个小区：特殊小区，其他的成员载波被当作上、下行资源，每个 UE 与网络只有一个 RRC 链接，每个UE 也只被分配一个 C-RNTI。 （ 4）主成员载波与辅成员载波 随着讨论的深入， 3GPP 为 LTE-Advanced 进一步引入了主成员载波 的概念。每个 UE 会被配置一个上行主成员载波和一个下行主成员载波。层 1 的上行控制信息如下行数据的 ACK/NACK，调度请求以及周期性的 CSI 信息都是在上行主成员载波上传输的。下行主成员载波不能被去激活，在下行主成员载波上产生的无线链路失败会触发 RRC 连接重建，但在其他下行成员载波上产生的无线链路失败不会触发 RRC 重建。既然每个 UE有一个主成员载波，也有一个特殊小区，那么是否可将这两者链接起来，即只有一个成员载波，此成员载波既是主成员载波，又是特殊小区呢 ? 由于此问题牵涉到是否可以在不进行随机接入以及安全 Key 改变的情况下改变主成员载波，对此问题不同公司有不同的观点， 3GPP 目前还没有明确的结论。对于除主成员载波以外的其他配置成员载波，统称为辅成员载波。 3 上行时钟提前 在 LTE 系统中，为了保证 UE 上行信号之间的正交性，必须保证各 UE信号在接收端的接收时钟是一致的， LTE 是通过控制 UE 采用不同的上行时钟提前来实现的，即距离 eNB 较远的 UE 较早发送，距离 eNB较远的 UE 较晚发送，由于 LTE 中每个 UE 只有一个上行成员载波，因此每个 UE 也只需要一个上行时钟提前。在 LTE-Advanced 系统中，每个 UE 可能会有多个 上行成员载波，而且这多个成员载波的传输特性可能具有很大的不同，因此有可能需要多个上行时钟提前，但并不是每个场景都需要多个上行时钟提前。图 2 示出了 RAN 2 定义的 4 种载波聚合场景。 图 2 RAN2 载波聚合场景 （ 1）场景 1 接收成员载波 1的射频单元和接收成员载波 2的射频单元处于相同的位置。 成员载波 1 和成员载波 2 提供相近的覆盖，成员载波 1 和成员载波 2 都可以提供覆盖和移动性。 （ 2）场景 2 接收成员载波 1的射频单元和接收成员载波 2的射 频单元处于相同的位置。 成员载波 1 提供充足的覆盖，基于成员载波 1 提供移动性；成员载波2 的覆盖较小，提供吞吐量。 （ 3）场景 3 接收成员载波 1的射频单元和接收成员载波 2的射频单元处于相同的位置，但成员载波 2 的天线指向成员载波 1 的边界以提高小区边缘的吞吐量。 成员载波 1 提供充足的覆盖，基于成员载波 1 提供移动性；成员载波2 可能具有覆盖空洞。 （ 4）场景 4 接收成员载波 1的射频单元和接收成员载波 2的射频单元处于不同的位置。 成员载波 1 提供充足的覆盖，基于成员载波 1 提供移动性；成员载波2 提供热点地区的吞吐量。 经过 RAN 2 的讨论，决定优先支持场景 1/2/3，只有在完成场景 1/2/3 的情况下才继续研究场景 4。另外，根据聚合频带的不同，载波聚合可分为带内聚合、带间聚合。根据 RAN 4 的研究，对于场景 1 和场景 2 来说，在带内聚合和频带间隔不大的带间聚合情况下，不需要多个上行时钟提前，但对于场景 3， RAN 4 目前还没有相关的结论。另外，当带间聚合的频带间隔较大时，场景 1/2/3 是否需要多个上行时钟提前，目前也在 RAN 4 的研究中。 场景 1/2/3 中都是没有任何直放站、射频拉远的。图 3 示出了 RAN 4定义的两个含有直放站以及射频 拉远的场景。 图 3 RAN4 场景 （ 1）场景 1 频率选择性直放站，直放站 1 对应成员载波 1，直放站 2 对应成员载波 2。 （ 2）场景 2 类似于图 2 中的场景 4，接收成员载波 1 的射频单元和接收成员载波2 的射频单元处于不同的位置，可以看作是有射频拉远的情形。 对于图 3 示出的这两个场景，不管是带内聚合还是带间聚合，都是要支持多个上行时钟提前的。 在此前的讨论中，有些公司认为在 LTE-Advanced（ R10 版本）中只需支持单个上行时钟提前的场景， 对于需要支持多个上行时钟提前的场景，可以在后续版本中引入。但经过 RAN 2 的多次讨论，决定只要 RAN 4 对于图 2 中的场景 1/2/3 做出结论这些场景需要多个上行时钟提前不管是带内聚合、频带间隔较近的带间聚合、还是频带间隔较远的带间聚合），那就决定在 LTE-Advanced（ R10 版本）中引入多个上行时钟提前。 一旦引入多个上行时钟提前，将需要解决一系列的问题： 是对每个上行成员载波都有一个独立的上行时钟提前还是允许一小组成员载波可以支持一个相同的上行时钟提前？如果是后者，该如何分组。 在 LTE 中，上行同步 建立时网络端发送的上行时钟提前值是相对于下行接收时钟的。在 LTE-Advanced 系统中，由于有多个成员载波，需要指定上行成员载波的上行时钟提前是相对于哪个下行成员载波的。 如果一个 UE需要多个上行时钟提前，为了在切换过程中尽可能快地获取所有上行成员载波的同步，是否允许 UE 发起并行的随机接入过程？或者是首先让 UE 实施一个随机接入过程，以在一个配置的上行成员载波 (或者上行成员载波组 ) 上获得同步，然后再实施其它的接入过程以获得其它上行成员载波 (或者上行成员载波组 )上的同步。 对于需要多个上行时钟提前的 UE，需要扩展 LTE 中的上行时钟提前命令，以指明每次网络端发送的上行时钟提前命令是针对哪个上行成员载波的。 4 系统信息 系统信息可分为两类：一类信息与成员载波无关，即这些信息在不同的成员载波上是相同的，也就是成员载波的共有信息，如图 4 中 “S”所示的信息；另一类信息与成员载波相关，即这些信息在不同的成员载波上具有不同的值，也就是成员载波得专有信息，如图 4 中 “A/B/C” 所示的信息。对于成员载波共有信息，由于 UE 可能在任一成员载波上驻留，其需要在所有成员载波上都发送；对于成员载波专有信息，那就有两种设计方案 ：一种是在任一成员载波上都广播所有成员载波的专有信息，如图 4（ a）所示；另一种则是在每一个成员载波上都只广播自己成员载波的专有信息，如图 4（ b）所示。方案（ a）的优点是当系统要为 UE 增加一个成员载波时，其已经获得了所要增加成员载波的系统信息，不再需要额外的方法来获得所要增加成员载波的系统信息；而当系统信息改变时，其也可以重用 LTE 中获取系统信息改变的流程；但其缺点是在每个成员载波上都需要更多的资源来传输系统信息，而且成员载波聚合的越多，所需要的资源越多。方案（ b）则正好相反。经过讨论，鉴于方案（ a）会显著增 大传输系统信息所需要的资源， LTE-Advanced 最终采用了方案（ b）。 图 4 系统信息设计 基于上述结论，当为 UE 配置新的成员载波时， UE 获得新成员载波系统消息的方法有两种：一种是如图 5（ a）所示像 LTE 那样到新配置的成员载波上去监听系统消息，但此方法会导致较大的时间延迟；另一种是如图 5（ b）所示那样通过专门的 RRC 信令告知 UE 新配置成员载波的系统消息，此方法的时间延迟小，但会增大信令的开销。经过分析认为，由于此时 UE 正处于数据 传输的状态，对延迟更加敏感；而方案（ b）所导致的信令增加的开销是有限的，因为传输的只是成员载波专有的系统消息，因此 LTE-Advanced 最终采用了方案（ b）。为了进一步减小信令开销， 3GPP 认为在成员载波专有的系统消息中，只考虑传送那些对于载波聚合传输来说最紧急的系统消息，其他系统信息的获得仍然通过 LTE 的流程来获得。至于哪些系统信息被认为是最紧急的，仍然在 3GPP 的讨论中。 图 5 获取新配置成员载波系统消息 图 4 方案（ b）设计带 来的另一个问题是当系统信息改变时， UE 如何获取新的系统信息。在 LTE 中， UE要么周期性地检查寻呼信息中的系统信息改变指示，要么周期性地检查 SIB1，来发现系统信息是否发生了改变。在 LTE-Advanced 中，如果 UE 还像 LTE 那样去周期性地检查每个成员载波上系统信息的改变，将会显著增加 UE 的复杂度。因此， 3GPP首先排除了在载波聚合场景下周期性检查所有配置成员载波的寻呼信息或者周期性阅读所有配置成员载波的 SIB1 来发现系统信息改变的方案。经过讨论，在 LTE-Advanced 中，对于主成员载波上系统信息的改 变， UE 仍然采用 LTE 的方法去发现，但对于辅成员载波，系统则通过专门的信令来告知 UE 系统信息的改变。不过值得注意的是，对于其他方法， 3GPP 并不排除，仍然可以继续研究。 5 无线链路失败（ RLF） 在 LTE 中，以下三起事件会触发 UE 的 RLF： （ 1） 1 T310 计时器满期 UE通过无线链路监测并与相应设定门限 Qout 和 Qin 的比较来确定无线链路的质量，并向高层发送 “in -sync” 与 “out -of-sync” 指示。当从低层接收到 N310 个连续的 “out -of-sync” 指示，同时 T300/301/304/311 都没有运行，则 UE将会启动 T310 计时器；当从低层接收到 N310个连续的 “in -sync” 指示，同时 T310 计时器在运行，则UE 将停止 T310 计时器。 （ 2） 2 MAC 层的随机接入问题指示。 （ 3） 3 RLC 层的最大重传次数已达到指示。 当 UE 宣布 RLF 后，就可以发起 RRC 连接重建了。 对于第三起事件，由于多个成员载波对于 RLC 层是不可见的，因此 LTE-Advanced RLC 层的触发应该与 LTE 保持一致。 对于第一起事件，首先要注意：对于 LTE 来说，一个成员载波的链路失败就意味着这个 UE的无 线链路失败了，但在 LTE-Advanced系统中，一个成员载波的链路失败并不意味着一定要宣布整个 UE的 RLF。