（通信与信息系统专业论文）lteadvanced系统中载波聚合技术的研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着移动通信技术的发展，用户业务量和数据吞吐量不断增加，第三代移动 通信系统已不能完全满足用户的需求。l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 作为3 g 系统 的演进，它的标准工作已接近完成。2 0 0 8 年3 月，l t e a d v a n c e d ( 以下简称l t e a ) 项目在3 g p p 拉开了序幕，它是l t e 的进一步演进，不仅支持l t e 的全部功能， 还支持与l t e 的前后向兼容性。在系统带宽方面，l t e a 提出最大支持1 0 0 m h z 带宽。如果考虑到现有的频谱分配技术和规划，很难找到足够承载l t e a 系统 1 0 0 m h z 带宽的整段频带。因此，3 g p p 提出使用载波聚合技术来解决l t e a 系统 对频带资源的需求，这项技术可以将多个连续或离散的l t e 载波联合在一起使用。 本文针对t d l t e a 系统中的载波聚合技术进行了研究。 本文首先介绍了载波聚合的基本概念，下行物理信道的基本结构，帧结构等。 下行物理信道基本结构和帧结构参照l t e 的设计。 其次研究了下行控制信道的设计。通过分析，物理控制格式指示信道和物理 h a r q 指示信道的格式可以沿用l t e 的设计。根据3 g p p 的提案物理下行控制信 道格式有四种可选方案，分别是独立物理下行控制信道，增加载波指示域的独立 物理下行控制信道，公共物理下行控制信道和主辅物理下行控制信道，文中详细 比较了这四种方案在系统调度灵活性、系统开销等各方面的性能，确定前两种方 案优于后两种方案。 然后重点研究了这两种方案的系统性能。研究表明在聚合载波信噪比相差小 时，独立物理下行控制信道误块率较低；相差大时，增加载波指示域的独立物理 下行控制信道误块率较低。文中给出了一种终端上报载波聚合指示给基站的方案， 基站根据上报调整下发的物理下行控制信道的格式，并通过大量仿真找到两个载 波聚合时终端上报的门限。仿真结果证明聚合载波信噪比相差越大，系统性能提 升越好。该方案为l t e - a 系统中载波聚合技术的后续研究奠定了基础。 关键词：载波聚合，物理下行控制信道，载波聚合指示 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr a d i oc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h en u m b e ro fu s e r t r a f f i ca n dd a t at h r o u g h p u th a si n c r e a s e dc o n t i n u o u s l y , s ot h em i r dg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a nn o tm e e tt h en e e d so fu s e r s l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) s y s t e m i st h ed e v e l o p m e n to ft h e3 gs y s t e m , a n di t ss t a n d a r dp r o j e c th a sb e e n a c c o m p l i s h e d t h ep r o j e c to fl t e a d v a n c e d ( l t e af o rs h o r t ) h a sb e e ns t a r t e db y 3 g p pi nm a r c h , 2 0 0 8 ，a n di ti 8t h ef u r t h e re v o l v e m e n to fl t es y s t e m i tn o to n l y s u p p o r t st h ew h o l ef u n c t i o no fl t es y s t e m ，b u ta l s om a i n t a i n sf o r w a r d sa n db a c k w a r d s c o m p a t i b i l i t yf o rl t es y s t e m l t e as y s t e ms u p p o r t ss y s t e m b a n d w i d t hu pt o10 0 m h z c o n s i d e r e dc u r r e n t s p e c t r u ma s s i g n m e n ta n dp l a n n i n g ，t h ec o n t i g u o u ss p e c t r u m b a n d w i d t hu pt o10 0 m h zi sd i f f i c u l t l yt ob ef o u n d s oc a r r i e ra g g r e g a t i o nt e c h n o l o g yi s e v a l u a t e db y3 g p pf o rl t e as y s t e mt os o l v et h er e q u i r e m e n to fb a n d w i d t h t h e t e c h n o l o g yc a na g g r e g a t es e v e r a lc o n t i g u o u so rn o n c o n t i g u o u sl t ec a r r i e r s c a r r i e r a g g r e g a t i o nt e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e rb a s e do nt d - l t e - as y s t e m f i r s t l y , t h eb a s i cc o n c e p to fc a r t i e ra g g r e g a t i o nt e c h n o l o g y , t h eb a s i cs t r u c t u r eo f p h y s i c a ld o w n l i n kc h a n n e la n df r a m es t r u c t u r ea r ei n t r o d u c e d t h e yc a nr e u s el t e d e s i g n s t h e n , p h y s i c a lc o n t r o lf o r m a t i n d i c a t o rc h a n n e l ( p c f i c h ) ，p h y s i c a lh a r q i n d i c a t o rc h a n n e l ( p h i c h ) a n dp h y s i c a ld o w n l i n kc o n t r o lc h a n n e l ( p d c c h ) f o r m a t d e s i g n sa l ea n a l y z e d t h ec o n c l u s i o nt h a tp c f i c ha n dp h i c h c a l lr e u s el t ed e s i g n s i sd r a w n f o u rp d c c hf o r m a td e s i g n sp r o s o s e db y3 g p pa r ea n a l y z e d , i n c l u d i n g s e p a r a t ep d c c h ，a d dc a r d e ri n d i c a t o rf i e l d ( c i f ) s e p a r a t ep d c c h ，c o m m o np d c c h ， p r i m a r ya n ds e c o n d a r yp d c c h f e a t u r e so f t h ef o u rf o r m a td e s i g n sa r ec o m p a r e d ，s u c h a ss c h e d u l i n gf l e x i b i l i t y , s y s t e mo v e r h e a d ，s ot h ec o n c l u s i o nc a nb ee a s i l yd r a w nt h a t f i r s tt w of o r m a td e s i g n sa r eb e t t e r a n dt h e n , t h es y s t e mp e r f o r m a n c eo ft h et w od e s i g n si ss t u d i e d t h eb l e ro f s e p a r a t ep d c c hi sl o w e r , w h e nt h ed i f f e r e n c ea m o n gs i g n a lt on o i s er a t i o so fe v e r y a g g r e g a t e dc a r r i e ri ss m a l l ；t h eb l e ro fc i fs e p a r a t ep d c c h i sl o w e rw h e nt h e d i f f e r e n c ei sb i g i ti sp r e s e n t e di nt h i sp a p e rt h a tu es e n d sm e s s a g eo fg a l t i e r a g g r e g a t i o ni n d i c a t o rt ob a s es t a t i o n t oc o n t r o lp d c c hf o r m a t i ti s p r o v i d e dt h e t h r e s h o l do ft w oa g g r e g a t e dc a r r i e r sb ys i m u l a t i o n i ft h ed i f f e r e n c ea m o n gs i g n a lt o i i n o i s er a t i o so fe v e r ya g g r e g a t e dc a r r i e ri sb i g g e r , t h es c h e m ec a ni m p r o v es y s t e m p e r f o r m a n c eb e t t e r t h es c h e m el a y st h ef o u n d a t i o nf o rf u t u r er e s e a r c ho fc a r d e r a g g r e g a t i o nt e c h n o l o g yi nl t e as y s t e m k e yw o r d s ：c a r r i e ra g g r e g a t i o n ( c a ) ，p h y s i c a ld o w n l i n kc o n t r o lc h a n n e i ( p d c c h ) ， c a r r i e ra g g r e g a t i o ni n d i c a t o r ( c a d i i i 重庆邮电大学硕士论文图目录 图目录 第一章 图1 1 载波聚合的兼容性3 图1 2 同一频带内连续载波聚合。4 图1 3 同一频带内非连续载波聚合4 图1 4 不同频带内非连续载波聚合5 图1 。5f d l t e a 系统中对称载波聚合6 图1 6f d 。l t e a 系统中非对称载波聚合6 图1 7t d l t e a 系统中对称载波聚合6 图1 8 数据流在m a c 层聚合7 图1 9 数据流在p h y 层聚合8 第二章 图2 1 帧结构1 0 图2 2 下行时隙资源结构图1 1 图2 3 下行基带信号产生流程1 4 第三章 图3 1d c i 处理流程l8 图3 2p d c c h 搜索空间2 0 图3 3p d c c h 设计方案2 l 图3 4 主辅p d c c h 结构2 3 图3 5 四种方案的d c i 格式l a 开销比较2 5 图3 6c f i 处理流程2 8 图3 7h i 处理流程3 0 第四章 图4 1 链路结构框图3 2 图4 2p d c c h 发送端处理流程3 4 图4 3t a i lb i t i n g 卷积码编码器3 5 图4 4 针对p d c c h 传输的速率匹配3 5 图4 5p d c c h 复用3 8 图4 6p d c c h 接收端处理流程3 8 图4 7p d c c h 盲检流程3 9 v i 重庆邮电大学硕士论文图目录 图4 8 普通c p 添加。4 0 图4 9d c i 格式1 a 在e p a 5 环境下b l e r 性能仿真4 2 图4 1 0d c i 格式l a 在e v a 5 环境下b l e r 性能仿真4 2 图4 1 1d c i 格式1 a 在e v a 7 0 环境下b l e r 性能仿真4 2 图4 1 2d c i 格式l a 在e t u 7 0 环境下b l e r 性能仿真4 3 图4 1 3d c i 格式l a 在e t u 3 0 0 环境下b l e r 性能仿真4 3 第五章 图5 1s n r 相差l d bd c i 格式1 a 在e p a 5 环境下b l e r 性能仿真4 7 图5 2s n r 相差2 d bd c i 格式1 a 在e p a 5 环境下b l e r 性能仿真。4 7 图5 3s n r 相差3 d bd c i 格式1 a 在e p a 5 环境下b l e r 性能仿真4 7 图5 4s n r 相差l d bd c i 格式1 a 在e v a 5 环境下b l e r 性能仿真。4 8 图5 5s n r 相差2 d bd c i 格式l a 在e v a 5 环境下b l e r 性能仿真。4 8 图5 6s n r 相差3 d bd c i 格式l a 在e v a 5 环境下b l e r 性能仿真4 8 图5 7s n r 相差l d bd c i 格式l a 在e v a 7 0 环境下b l e r 性能仿真4 9 图5 8s n r 相差2 d bd c i 格式1 a 在e v a 7 0 环境下b l e r 性能仿真4 9 图5 9s n r 相差3 d bd c i 格式1 a 在e v a 7 0 环境下b l e r 性能仿真4 9 图5 1 0s n r 相差l d bd c i 格式1 a 在e t u 7 0 环境下b l e r 性能仿真5 0 图5 1 1s n r 相差2 d bd c i 格式1 a 在e t u 7 0 环境下b l e r 性能仿真。5 0 图5 1 2s n r 相差3 d bd c i 格式1 a 在e t u 7 0 环境下b l e r 性能仿真5 0 图5 1 3s n r 相差l d bd c i 格式l a 在e t u 3 0 0 环境下b l e r 性能仿真5 l 图5 1 4s n r 相差2 d bd c i 格式1 a 在e t u 3 0 0 环境下b l e r 性能仿真5 l 图5 1 5s n r 相差3 d bd c i 格式1 a 在e t u 3 0 0 环境下b l e r 性能仿真5 l v 重庆邮电大学硕士论文 表目录 表目录 第二章 表2 1 单个载波传输带宽与矗的对应关系1 2 表2 2 物理资源块参数( 一个时隙) 1 2 表2 3 物理信道对应调制方式及层映射和预编码方式1 4 表2 4 多径信道模型参数。1 7 表2 5 信道模型多普勒频率参数。1 7 第三章 表3 1d c i 格式的功能简述1 9 表3 2 支持的p d c c h 格式19 表3 3u e 监控p d c c h 候选集合2 0 表3 4c o m m o np d c c h 的d c i 格式1a 2 2 表3 5 主p d c c h 的d c i 格式2 3 表3 6 辅p d c c h 的d c i 格式1 a 2 4 表3 7s e p a r a t ep d c c h 的d c i 格式1a 2 4 表3 8c i fs e p a r a t ep d c c h 的d c i 格式1 a 。2 5 表3 9 用于传输p d c c h 的o f d m 的符号数2 8 表3 10c f i 码字2 9 表3 11m b s f n 子帧和非m b s f n 子帧中的p h i c h 持续时间2 9 表3 1 2t d d 帧结构中巩的取值3 0 表3 13h i 码字3 0 第四章 表4 1u e 传输天线选择掩码3 5 表4 2 子块交织器列变换样式3 6 表4 3 循环前缀长度4 0 表4 4 四种p d c c h 方案性能比较结果4 3 第五章 表5 1 载波聚合指示码字含义4 6 1 1 本文的研究背景 第一章绪论 2 0 0 8 年3 月，在l t e 标准化工作终于接近完成之时，一个在l t e 基础上继续 演进的项目先进的l t e ( m a d v a n c e d ) 项目又在3 g p p 拉开了序幕，它的正 式名称为f u r t h e ra d v a n c e m e n t sf o re u t r a ，并于同年5 月确定了需求。l t e a 是3 g p p 为了满足u r 的i m t - a d v a n e e d ( 4 g ) 的要求而推出的标准。3 g p p 认为， l t e 本身可以作为满足i m t - a d v a n t e d 需求的技术基础和核心，只是纯粹从指标上 来讲，l t e 较i m t - a d v a n c e d 的要求还有一定差距。因此当l t e 升级到4 g 时，我 们并不需要改变l t e 标准的核心，而只需在l t e 基础上进行扩充、增强、完善， 就可以满足i m t - a d v a n t e d 的要求，l t e a 正是基于此原因而被提出。如果说l t e 可以被看作“准4 g ”技术，l t e a 就是名正言顺的“4 g 技术。 l t e a 系统发展趋势主要体现在以下四个方面【l 】： “平滑演进 与“强兼容”要求 基于这样一种定位，l t e a 系统应自然地支持原l t e 系统的全部功能，并支 持与l t e 的前后向兼容性，即l t e 的终端可以接入l t e a 系统，l t e o a 终端也可 以接入l t e 系统。如果这一需求得到严格的执行，势必要求l t e a 和l t e 在现有 的部署场景下共用一个技术平台，只是在某些l t e 没有充分考虑的新场景中采用 一些更优化的技术。但是，技术的革新总是不应该被拒绝的，如果确实发现了可 以显著提高l t e a 系统性能的先进技术，上述“强兼容 要求也是有可能放松的。 针对室内和热点游牧场景进行优化 经过一系列评估和实验验证，证明l t e 在传统的宏蜂窝连续覆盖下是可以获 得令人满意的性能的，这种架构主要通过室外架高基站提供覆盖( 包括对室内用 户的覆盖) ，虽然对低速移动优化，但仍对高速移动和多小区切换提供很强的支持。 但是，随着业界对移动因特网发展趋势的理解逐步加深，人们也在反思宽带 移动通信的主要应用场景到底是什么。用户的使用习惯似乎表明，对宽带多媒体 业务的需求主要来自于室内，有统计表明，未来8 0 - - 9 0 的系统吞吐量将发生在 室内和热点游牧场景，室内、低速、热点可能将成为移动因特网时代更重要的应 用场景。因此传统蜂窝技术“重室外、轻室内 、“重蜂窝组网、轻孤立热点 、“重 移动切换，轻固定游牧 的观念可能有修改的必要。因此，l t e a 的工作重点之 一应该放在对室内场景进行优化方面。当然，作为这项工作的基础，首先要制定 合理的室内仿真评估假设和信道模型。 有效支持新频段和大宽带应用 在2 0 0 7 年世界无线大会会议上，为i m t - a d v a n c e d 分配了一些新的频谱。虽 然这些频谱的数量不如预期那样多，但毕竟是未来若干年内无线通信发展所依赖 的宝贵资源。如何利用好这些频谱，是l t e a 研究必须考虑的问题。 在系统带宽方面，l t e a 提出了和i m t - a d v a n c e d 相同的要求( 虽然 i m t - a d v a n c e d 后来将带宽需求又降为了4 0 m h z ) ，即支持最大1 0 0 m h z 的带宽。 由于如此宽的连续频谱很难找到，因此l t e a 提出了对多频谱整合( s p e c t r u m a g g r e g a t i o n ) 的需求，这项技术可以将多个离散的频谱联合在一起使用。 峰值速率大幅提升和频谱效率有效改进 由于考虑了远远超过l t e 系统的系统带宽，即使系统的频谱效率不变，也可 以获得高得多的峰值速率。目前l t e a 考虑的峰值速率为下行1 g b p s ，上行 5 0 0 m b p s ，这个目的要在下行4 * 4 天线，上行2 * 4 天线配置下实现。应该说，这个 指标从理论上是完全可以达到的。以下行为例，l t e 的下行峰值频谱效率已经超 过了1 6 b p s h z ，因此即便依靠l t e 的现有技术，在1 0 0 m h z 带宽达到1 6 g b p s 峰 值速率也是没有问题的。但过高的峰值速率对于终端有限的芯片处理能力和缓存 容量而言，实际上是无法实现的。因此l t e a 仅把下行峰值速率定为1 g b p s 。 和峰值速率、峰值频谱效率相比，更有实际意义的指标是小区平均频谱效率 及小区边缘频谱效率。在这方面，l t e a 提出的目标如下：在l t e 原有应用场景 下，平均频谱效率要求提高约5 0 ，即达到下行2 4 b p s h z ( 2 幸2 天线) 3 7 b p s h z ( 4 木4 天线) 和上行1 2 b p s h z ( 1 2 天线) 一2 b p s h z ( 2 宰4 天线) 。此时，下行最 高天线配置为4 * 4 天线，上行可从1 4 天线扩展到2 * 4 天线。在小区边缘频谱效 率( 即5 c d f 频谱效率) 方面，由于缺乏更好的抑制小区间干扰的技术，只能期 待有大约2 5 的性能提升。 为了提供更高的数据速率，支持更多的用户业务和新服务，l t e a 系统在频 点、带宽、峰值速率、频谱效率及兼容性等方面都有新的需求。它的主要技术指 标如下：带宽满足i o o m h z ；下行峰值速率满足1 g b p s ，上行峰值速率满足5 0 0 m b p s ； 下行峰值频谱效率达到3 0 b p s h z ，上行峰值频谱效率达到15 b p s h z ；针对室内环 境进行优化；有效支持新频段和大带宽应用；峰值速率大幅提高，频谱效率有限 改进。与l t e 系统相比，l t e a 系统在性能指标方面有了较大的增强，因此它引 入了载波聚合技术、中继技术、协同多点传输技术、网络编码技术和网络m i m o 技术等1 1 。 随着无线通信的发展，移动用户数量增长强劲，截止至u 2 0 0 7 年，我们的移动 2 用户数量达到了3 3 亿，i n f o n e t i c sr e s e a r c h 报告【2 】称2 0 1 1 年世界移动用户数量将达到 5 2 亿。其次，蜂窝移动宽带用户迅猛增长，2 0 0 7 年的有线d s l 用户相对于2 0 0 6 年下 降了5 ，但是预测蜂窝移动宽带用户数量从2 0 0 7 年至u 2 0 1 1 年将以1 0 4 的复合增长 率增长，2 0 1 0 年将超过1 0 亿。上述分析表明用户的业务及应用有三个方面发展趋 势，首先是业务容量是呈指数增长，所以需要高移动性下的高速业务来满足持续 增加的用户需求。第二就是多媒体业务相对于语音业务增长更为迅速，并且逐步 成为主要的业务需求。第三个就是增强性的业务与应用需要更高的峰值速率，根 据最终用户需求的研究，l t e a 的用户在低移动性下峰值速率达到l g b p s ，高移动 性下峰值速率达到1 0 0 m b p s 。为了支持这样的峰值速率，系统肯定需要更大的带宽； 为了提高每个小区的平均吞吐量，也需要更大的带宽。于是，l t e a 提出支持最大 1 0 0 m h z 的带宽。如果不能找到如此大的连续带宽，我们需要至少将两个载波进行 聚合或者更多的载波进行聚合来满足带宽的要求。 l t e a 的潜在部署频段1 3 】包括4 5 0 ，一- - 4 7 0 m h z ，6 9 8 - - 一8 6 2 m h z ，7 9 0 - - 8 6 2 m h z ， 2 3 2 4 g h z ，3 4 - 4 2 g h z ，4 4 - - - 4 9 9 g h z 等。可以看到，除了2 3 - - - 2 4 g h z 位于 传统蜂窝系统常用的频段外，新的频段呈现高、低分化的趋势。尤其有大量的潜 在频段集中在3 4 g h z 以上的较高频谱。如果考虑到现有的频谱分配技术和规划， 很难找到足够承载l t e a 系统1 0 0 m h z 带宽的整段频带。 在3 g p p 的5 3 次会议上，提案【4 】 f 8 】中就明确提出了频谱扩展的需求。目前广泛 讨论的l t e a 系统频谱扩展技术有载波聚合( c a r r i e ra g g r e g a t i o n ) 技术，即通过聚 合方式将多个l t e 载波扩展成l t e a 系统的载波。使用这种扩展方式，l t e 系统的 用户终端能够使用l t e a 系统聚合的“l t e 载波单元”，同时l t e - a 系统的用户终端 也可以使用多个“l t e 载波单元”进行通信，如图1 1 所示。这就要求被聚合的载 波都应该包含同步信道及广播信道，并且要优先考虑l t e 的终端能够接入任何一个 被聚合的载波，因为如果被聚合的载波仅仅只支持l t e a 的终端这样就会降低频谱 利用率。 图1 1 载波聚合的兼容性 载波聚合技术可以将多个频段整合使用，能够灵活地聚合连续或非连续频谱 将带宽扩展到u e a 要求的i o o m h z 。l t e 终端和l t e a 终端都可以使用“l t e 载波 单元”，这样不仅能满足l t e 和l t e a 系统的频谱兼容性需求，而且还能减少比特 3 重迭邮电叁堂亟迨塞箍二童绪论 开销，完全符合l t e 系统向l t e a 系统演进的需求。 考虑到l t e a 系统的实际部署，载波聚合技术有明显的优势。因为载波聚合技 术是直接聚合多个l t e 载波单元，不需要重新设计物理信道和调制编码方案，并且 通过复用已有的l t e 系统资源来减少对l t e 系统物理信道和调制编码方案的影响， 这样就大大降低了l t e - a 系统对于载波聚合技术的设计难度，便于实现l t e 系统向 l t e a 系统的平滑过渡，满足了系统后向兼容性的要求，还有可能大大缩短l t e a 系统的商用时间。 1 2 载波聚合技术研究现状 1 2 1 载波聚合应用场景 载波聚合就是聚合两个或更多的l t e 载波单元，满足l t e a 系统更大的带宽需 求。载波聚合一般分为三种场景【7 】，它既可以聚合同一频带上的连续或非连续的载 波也可以聚合不同频带上的非连续载波： 同一频带内连续载波聚合，如图1 2 所示。 纠? i 慝_ i _ 了 i | 1 眦萱z l it f 诅波2 f o 誓载波3 冀 k 。t i 图1 2 同一频带内连续载波聚合 同一频带内非连续载波聚合，如图1 3 所示。 埘4 图1 3 同一频带内非连续载波聚合 不同频带内非连续载波聚合，如图1 4 所示。 4 重鏖邮电厶堂亟途塞 簋二童绪论 三因e 翌 图1 4 不同频带内非连续载波聚合 载波聚合时，同一频带内的连续载波聚合应该被优先考虑，因为它可以简单 地实现系统后向兼容，且标准修改较小，它将会是未来宽带移动通信系统研究的 重点。为有效地利用分散的频谱，同一频带和不同频带内的非连续载波聚合也需 要被考虑，因为它具有更多的聚合灵活性，但是载波分布的位置和大小会给聚合 带来一定的复杂度。 对同一频带内连续载波聚合而言，l t e a 的u e 可以采用单个宽带射频( r a d i o f r e q u e n c y ，r f ) 链( 即射频链的宽度 2 0 m h z ) 和单个的f f t 或者多个l t e 的基 本射频链( 即每个基本射频链的宽度 = 2 0 m h z ) 和多个f f t ，是采用单个f f t 还 是多个f f t 这还需要基站的配合；对同一频带和不同频带内的非连续载波聚合而 言，u e 可能会采用多个l t e 的基本射频链和多个f f t t 9 1 ，因为如果采用单个宽带 射频链和单个f f t ，由于频率跨度大，滤波器很难实现。l t e a 系统选择单个还 是多个射频链需权衡硬件实现复杂度、u e 大小，功率消耗、成本等因素。 为降低规范和实现的复杂度，载波聚合的数目应该被严格限制。虽然l t e a 系统的最小带宽是2 0 m h z ，但采用载波聚合时不能只考虑聚合2 0 m h z 的载波，应 考虑聚合l t e 其他带宽的载波。不同带宽的载波可以有多种组合来满足载波聚合 带宽的要求，为了减少聚合载波的带宽组合类型所带来的收发信机的设计复杂度， 我们可以采用限制带宽因子来规范聚合载波的组合方式。如设定带宽因子为2 的 情况下，如果需要3 0 m h z 的带宽，只能有一个2 0 m h z 载波和一个1 0 m h z 载波的 组合方式，就不会出现一个2 0m h z 载波和两个5 m h z 载波的组合。在满足聚合带 宽需求的基础上，限制带宽因子可以限制聚合载波的数量，大大降低收发信机的 设计复杂度。 1 2 2 对称与非对称载波聚合 载波聚合不仅需要支持与l t e 系统的前后向兼容性，还需要考虑满足l t e 。a 系 统的高峰值速率要求。对称载波聚合指下行与上行有相同的载波数量。非对称载 波聚合指下行与上行有不同的载波数量。由于系统下行和上行有不同的峰值速率 要求，非对称载波聚合应该被支持。由于下行传输的数据信息与上行传输的数据 5 信息相比要多。这里首先讨论f d l t e a 系统中下行带宽比上行带宽大的情况，图 1 5 和图1 6 分别以下行4 0 m h z ，上行2 0 m h z 为例说明对称载波聚合和非对称载波聚 合【1 0 1 的情况。 f d l t e a 系统中对称载波聚合，如图1 5 所示。 u l 晓波 组台的蛾波 i 1 2 0 7 图1 5f d l t e - a 系统中对称载波聚合 f d l t e a 系统中非对称载波聚合，如图1 6 所示。 组合的载波 l。 1 12 0 7 图1 6f d l t e - a 系统中非对称载波聚合 比较上面两种聚合方式，使用非对称载波聚合方式可以获得更高的峰值速率， 更低的峰均比，更少控制信道及满足用户的多样性等优势。因此，在f d l t e a 系 统中采用非对称载波聚合是很有前景的。 对于典型的t d l t e a 系统而言，上行和下行的聚合载波数和聚合载波的带 宽都应该相同，不存在非对称带宽和非对称上下行聚合载波数的载波聚合。图1 7 以下行4 0 m h z ，上行4 0 m h z 为例说明对称载波聚合。后续讨论均基于此种聚合模 型。 d l 载波 组合的截渡 2 0 m h z 。1 2 0 m i - l z 图1 7t d l t e - a 系统中对称载波聚合 6 1 2 3 载波聚合m a c p h y 接口研究 在l t e a 系统中，每个聚合的载波对应一个独立的数据流，聚合载波之间数据 流的聚合方案从m a c 层的观点来看可以分成两种【l l j ： 方案a ，聚合载波的数据流在媒体接入控制( m e d i a a c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 层 聚合，如图1 8 所示。每个聚合的载波对应一个传输块，如果是空间复用对应两个 传输块，每个载波可以根据各自不同的m i m o 配置选择不同的传送等级，并且各载 波都能使用各自独立的链路自适应技术，可以根据实际链路状况使用不同的调制 编码方案，码率等。每个聚合的载波可以沿用l t e 系统的物理层设计，比如传输块、 软缓冲器大小，数学模型等，并且可以重用部分l t e 的软件和硬件。每个聚合的载 波都有独立的h a r q 进程，即相应的肯定确认( a c k ) 否定确认( n a c k ) 反馈。 并且对m a c 层和无线链路控制( r a d i ol i n kc o n t r o l ，r j ) 层几乎没有影响或者 影响很有限，每个r l c 实体可以使用l t e 系统中定义的协议数据单元( p a c k e td a t a i j r d t ，p d i j ) 。 由由由一 调 度 器 申申申一 弋a a 图1 8 数据流在m a c 层聚合 方案b ，聚合载波的数据流在物理层( p h y s i c a ll a y e r , p h y ) 聚合，如图1 9 所 示。所有载波对应一个传输块，如果是空间复用对应两个传输块。所有聚合的载 波，使用相同的传送等级，相同的调制方式，相同的码率等。需要重新对物理层 进行设计，比如设计l t e a 系统的标准。如果重用l t e 格式还需要考虑可能会造成 的影响。所有聚合的载波共用一个h a r q 进程，基本准则与l t e 相同，即所有载波 使用相同的a c k n a c k 反馈。这样就会与l t e 系统中原有的m a c 层和r l c 层结构 冲突，需要重新设计r l c 层中p d u 的大小，p d u 应该比l t e 中的p d u 稍大。 7 由 一 谢 审荤审二 度 量 弋沧 图1 9 数据流在p h y 层聚合 通过比较两种方案可知：方案a 可以在很大程度上复用l t e 系统的结构和设 计，并且每个载波都有独立的链路自适应过程。在频域上，特别是在聚合跨频带 载波的情况下，每个载波使用链路自适应技术的效果明显。由于方案a 的物理层、 m a c 层和r l c 层与l t e 系统几乎完全相同，具有良好的前后向兼容性，可以支持 l t e 系统的软硬件设备。方案b 中，由于所有聚合载波共用一个传输块传输，传输 块包含的数据较多。当传输块包含的数据过多，h a r q 的使用效率变得低下。同时， 方案b 不兼容l t e 系统，需要重新设计物理层、m a c 层和r l c 层。通过比较，可以 看出方案a 更容易实现l t e 向l t e a 系统的平滑过渡。在3 g p p # 5 5 次会议的提案【1 2 】 中已同意采用方案a 。 1 3 本文研究的主要内容与意义 载波聚合技术作为l t e a 系统的关键技术，能有效解决l t e a 系统对频带的 需求。它在整合频带资源，提高带宽利用率方面有其他技术不可比拟的优势。它 可以直接聚合l t e 系统的载波，因此l t e a 系统可以直接复用l t e 相关的物理层 技术，从而加快了l t e a 系统物理层的标准化进程。在物理层设计中，l t e a 系 统还需要解决载波间的时间同步，频点分配和保护带宽设计等问题。在m a c 层和 r l c 层设计中，要解决不同载波间的协调机制，比如联合队列、单数据队列、多 数据队列的调度等问题。与物理层、m a c 层和r l c 层的飞速进展相比，l t e a 系统在载波聚合控制信道的研究工作进展较慢，合理设计聚合载波的控制信道和 信令，同时降低开销是控制信道设计中需要解决的重要问题。 本文对t d l t e a 系统的下行控制信道进行了研究，其中物理控制格式指示 信道和物理h a r q 指示信道可以沿用l t e 的设计，物理下行控制信道目前有四种 设计方案，就这四种方案在系统调度灵活性、系统性能等方面进行了深入分析， 并在两个聚合载波s n r 相同情况下对物理下行控制信道的误块率进行了仿真比 8 较，证明了独立物理下行控制信道( s e p a r a t ep d c c h ) 和增加载波指示域的独立 物理下行控制信道( c i fs e p a r a t ep d c c h ) 在系统调度灵活性等方面优于公共物理 下行控制信道( c o m m o np d c c h ) 和主辅物理下行控制信道( p r i m a r ya n ds e c o n d a r y p d c c h ) 。再分别对前两种方案进行了研究，发现在聚合载波信噪比相差小时， s e p a r a t ep d c c h 误块率较低；相差大时，c i fs e p a r a t ep d c c h 误块率较低。给出 了一种u e 上报载波聚合指示信息给基站的方案，合理实现两种物理下行控制信道 设计格式的切换，以此提高系统性能。 1 4 本文的结构安排 本论文的主要工作是研究载波聚合技术涉及到的物理下行控制信道和信令， 并将此理论运用在t d l t e a 通信系统中。 本文全文共分六章，每章的内容安排如下： 第一章概要介绍载波聚合技术的研究背景和研究现状，分析已取得的进展和所 面临的问题，阐明了研究的理论价值。 第二章主要介绍帧结构等基本概念，包括下行物理信道，下行时隙物理资源结 构和信道模型等。 第三章主要介绍载波聚合技术中下行控制信道的设计，分析了物理下行控制信 道四种方案在系统调度灵活性方案等方面的优劣，s e p a r a t ep d c c h 和c i fs e p a r a t e p d c c h 在大部分方面优于c o m m o np d c c h 和p r i m a r ya n ds e c o n d a r yp d c c h 。简 要介绍物理控制格式指示信道和物理h a r q 指示信道的设计，指出其可以沿用 l t e 的设计。 第四章主要介绍仿真链路的实现，包括发送端，信道模型和接收端。对物理下 行控制信道四种方案的误块率分别进行了仿真分析。在两个载波聚合s n r 相同的 情况下，s e p a r a t ep d c c h 和c i fs e p a r a