【WORD格式论文原稿】LTE-ADVANCED 系统的多载波聚合技术研究

1、免费查阅标准与论文：/week114lte-advanced 系统的多载波聚合技术研究雒秦川（北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876） 摘要：为了在未来的 imt-advanced 移动系统中获得达到 1gb/s 的峰值数据传输速度，3gpp 在新的 lte-advanced 标准中引入了基于宽带的多载波聚合技术(carrier aggregation)来支 持这种高速数据传输。本文首先简要介绍了 lte-advanced 系统的几项关键技术，然后介绍 了 ca 技 术， 阐明了 物理层 和媒体 访问控 制层 (mac)的 数据聚 合方案 。同

2、时 考虑 到 lte-advanced 系统与 lte 系统的兼容性要求所带来的挑战，对不对称 ca、控制信号设计、 切换控制和保护带宽等问题进行了讨论。关键词：lte；lte-advanced；多载波聚合；不对称 ca中图分类号：tn929.5study of carrier aggregation technology in lte-advancedluo qinchuan(school of information and communication engineering,beijing university of posts andtelecommunications, beijin

3、g 100876)abstract: to get a peak data transmission speed of 1gb/s in the future imt-advanced mobile system, carrier aggregation(ca) technology is used by 3gpp to support such a high transmission speed in the new standard,lte-advanced. this paper first introduces briefly some key technologies of lte-

4、 advanced system, then focus on ca and present some methods of aggregation.at the challenge ofcompatibility between lte-advanced and lte, asymmetical ca，control signal design, handovercontrol and guard band are also discussed at the end of the paper.keywords:lte; lte-advanced; carrier aggregation; a

5、symmetical ca0引言为了满足快速增长的移动用户群体对于无线宽带服务的强烈需求，国际电联(itu)已经 发起了下一代移动通信系统也即被称为 imt-advanced 或者 4g 的标准化进程。根据其定义 的性能和技术要求，imt-advanced 系统可以支持非常高的峰值数据传输速率，包括在静态 和步行环境下的近 1gb/s 速度和在高速移动环境下的近 100mb/s 速度。目前，两大国际标准 化组织正在积极地发展新的移动通信标准以期在 imt-advanced 系统中达到高性能指标。包 括 3gpp 已经制定完成了的 lte 标准系列 release 8(r8) 1，其中对 b3g

6、 移动系统的新功能、 特性和关键技术都进行了定义和明确。lte 在进行改进之后变为的 lte-advanced 标准，其 兼容与之相类似的 lte 系统，更为重要的是，这些标准要完全符合甚至超过 itu 对于 imt-advanced 系统在峰值速率、传输带宽、峰值/平均频谱效率、在控制和用户层面上的延 迟表现以及移动性等的要求。1lte-advanced 系统关键技术简介lte-advanced 是 lte 的演进，是 3gpp 为了满足 imt-advanced 的要求而推出的标准。 由于 lte 技术本身已经具有明显的 4g 技术特征，在满足 imt-advanced 需求的条件下2，

7、lte-advanced 主要针对 lte 系统进行增强以达到下行 1 gbit/s，上行 500 mbit/s 的峰值速 率，其应用到的关键技术主要有增强型上下行 mimo、协作多点传输/接受（comp）、中继作者简介：雒秦川，（1984-），男，北京邮电大学信息与通信工程学院研究生，主要研究方向：无线通信 网络. e-mail: - 4 -技术（relay）和多载波聚合技术（ca）等。本章将简要介绍这些关键技术，因后续章节将着重研究多载波聚合技术，故本章不再着重介绍多载波聚合技术。1.1增强型上下行 mimomimo 技术是把收发端的天线信号进行合并，利用多

8、根发射天线和多根接收天线接收 的无线传输技术。一般认为多径传播会对无线传输带来负面影响，而 mimo 技术的特征则 是把多径传播转变成有利的因素。mimo 技术中的传输分集主要原理是利用空间信道的弱 相关性，结合时间和频率上的选择性，为信号的传递提供更多副本以提高信号传输的可靠性， 从而改善接收信号的信噪比。lte-advanced 系统中上下行的 mimo 相对于 lte 均有所增强，主要包括 8 发射天线 的分集技术和空间复用技术3，是 lte-advanced 系统研究的重点。相比较于 lte 系统的 mimo 技术，let-advanced 系统中的 mimo 有如下特点：(1)上行

9、mimo：在 lte 中，上行仅支持单天线的发送，也就是说不支持 su-mimo。 为了提高上行传输速率，同时也为了满足 imt-advanced 对上行峰值频谱效率的要求， lte-advanced 在 lte 的基础上引人上行 su-mimo3，支持最多 4 个发送天线。(2)下行 mimo：lte 下行可以支持最多 4 个发送天线，而 lte-advanced 系统在此基础 上进一步增强，以提高下行吞吐量。目前确定将扩展到支持最多 8 个发送天线。1.2协作多点传输/接收（comp）1.2.1comp 简介为满足 lte-advanced 系统对小区边缘频率效率的要求，3gpp 提出了协

10、作多点传输/ 接收（cooperative multi-point，comp）的概念，并将其作为一种提高小区平均吞吐量和小 区边缘吞吐量的关键技术之一。多点传输/接收（comp）是 lte-advanced 系统提供高速数据覆盖，增加小区边缘吞吐 量和系统吞吐量的一种技术。其中多点是指发射或接收来自天线之间距离比较大的天线（大 于几个波长，这样所有天线有不同的长期衰落），所以 comp 传输系统又称为分布式天线 系统。以下几种应用场景都可以视为 comp 操作：小区内部扇区之间协作为扇区边缘的用 户服务；小区之间协作为小区边缘的用户服务；多个 rf 集中信号处理，相当于分布式天线； 基站和中继

11、协作；enb 和 home-enb 协作。所以 comp 既可以是小区间的基站之间的协作， 也可以是小区内部多个传输点之间的协作。因其固有的联合调度/处理，comp 是一种有效 地解决小区间干扰协调的方法，它扩展传统的单小区-多用户系统架构到多小区-多用户系 统，这样小区边缘的用户将不再是边缘用户，而是协作区域的中心用户，因此，这些用户将 会得到更好的服务，这样可以提高小区边缘用户吞吐量。1.2.2comp 技术分类comp 技术可以分为上行多点接收和下行多点传输。上行多点接收是一个相对比较广 的概念，是指上行接收时不同种类的协调，包括协调调度，bf 功能等；下行多点传输是指 下行不同种类的协

12、调传输，包括协调调度，bf 功能，联合传输等。下行 comp 分两类：1) 协作调度/ 波束成型（coordinate schedule/coordinate schedule beamforming,cs/ cb4）：传给特定 ue 的数据只是来自该 ue 所在服务小区的基站，但是调度决策是协作 的，以便控制协作区域内产生的干扰。特定用户的数据不共享，但是信道信息却在协作集合内不同的小区间共享。2) 联合处理（joint processing, jp4）：传给特定 ue 的数据同时来自协作集合的多个 基站，提高接收信号的质量或/和取消其他 ue 的干扰。一个特定用户的数据和信道信息在 协作集

13、合内不同的小区间是共享的，在这些小区间联合处理。按照实际传输点的数目不同， 可以分成两种：联合传输（joint transmission，jt）：一次从多个传输点（部分或整个 comp 协作集合） 进行 pdsch（物理下行共享信道）传输。动态小区选择：每次从 comp 集合里选择一个传输点进行 pdsch 传输。1.2.3comp 研究现状目前，comp 技术研究的热点主要集中在以下几个方面：rrc 层：信令的设计，逻辑信道的设计，定时技术的研究及 enb 间信息交互过程等， 以满足 comp 交互及信令控制的需要；mac 层：涉及的方面很多，主要有协作用户的确定，协作区域的生成，协作频率资

14、源 的划分，功率的分配，harq 技术及反馈机制等；phy 层：参考信号的设计，csi 及 pmi 的设计，传输技术的研究，包括 jp 下的预编 码方法及 cs/cb 下的波束成型技术，以及其他 mimo 技术。1.3中继技术（relay）1.3.1中继技术简介 在传统的蜂窝网络中，基站与移动台之间的无线连接是直接的无线连接，也就是通常所说的单跳的概念。随着移动通信技术的发展，产生了一种新的无线网络技术，即在基站与移动台之间增加了一个或多个中继节点，负责将无线信号做一次或者多次的转发，即无线信号 要经过多跳才能到达移动台。这就是中继技术(relay)。举个简单的例子，其实就像是将一条 基站与移

15、动台的链路分割为基站与中继站、中继站与移动台两条链路，从而有机会将一条质 量较差的链路替换为两条质量较好的链路，以获得更高的链路容量和更好的传输效率。作为一种增强技术，relay 主要被用于以下目的：(1)提高小区边缘的吞吐量； (2)提供群移动服务； (3)临时网络部署； (4)扩大网络覆盖。中继和传统直放站的区别是它更像是一个使用无线回程的微基站，它只放大信号而避免 放大噪声和干扰，从而能既能增加覆盖也能增加容量。1.3.2lte-advanced 系统 relay 的类型relay 存在多种分类方法5, 从中继链路资源与接入链路资源的频带关系来看，可以分 为 inband relay 和

16、 outband relay：从用户(ue)是否知道 relay 的存在来看，relay 可以分为 透明 relay 和非透明 relay：按照 relay 中所实现的协议栈来分，relay 可以分为三种：层 1relay、层 2 relay 和层 3 relay。从 relay 的移动性角度来看，可以分为固定，游牧和移动relay。目前，lte-advanced 系统中主要研究两种 relay：type 1 relay 和 type 2 relay。根据上面关于 relay 的分类，type 1 relay 可以划归为：带内 relay，不透明 relay；从具体定义来看，type 1 re

17、lay 可以看成层 3 relay。type 2 relay 可以划归为：层 2 relay。1.4频带聚合技术（ca）无线网络的数据业务需求日益增长，lte-advanced 系统引入了频带聚合技术(carrier aggregation)合理复用多个频带，以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。本文将在下一章着重介绍频带聚合技术的原理、主要技术方案等研究现状。作为 lte 技术的演进，lteadvanced 针对 lte 系统具有一定的兼容性，同时还对 lte 系统各方

18、面的性能进行了增强，以上简要介绍了 lte-advanced 系统中应用的各项关键 技术，并简单介绍了与 lte 系统相比都有哪些增强，下一章将重点展开对频带聚合技术的 研究。2ca 技术研究现有的无线蜂窝网络频谱效率不高，每个用户所占的带宽有限，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

19、留的终端，又增加 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6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。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：（1）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 gbps。（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。

20、（3）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。本章首先介绍了 ca 的技术原理，然后重点阐述了三种聚合方案并进行了比较，随后对ca 技术面临的挑战和现状进行了讨论。2.1ca 技术原理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 20mhz 的数据。现在一般认为7：（1）为支持更高的数据峰值速率，频带聚合后的用户带宽应超过 20 mhz，每个载波段 定义近似等于 lte release 8 的最大传输带宽。（2）为同一个用户聚合在一起的不同的载波段的带宽可以不相同，但应该有基本的限 制：不同的载波段的带

21、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，而且还会增加大量的信令开销。（3）考虑到未来的数据业务的传输特点，lte release 8 支持的非对称的上下行带宽在ca 中也应得到支持；上下行的载波段的大小可以不同，聚合的载波段的数目也可以不同。免费查阅标准与论文：/week114（4）在 wrc07 中提出的通用移动通信系统(umts)新增加的带宽也应被考虑，例如：450-470，698-862，790-862，2 300-2 400，3 400-4200 和 4 400-4 990 mhz 频带。（5）由于不同用户的能力等级不

22、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。（6）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。（7）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

23、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。图2-1 两种ca图 2-1 所示为基于 lte-advanced 系统的两种类型的 ca 技术： (a)当多重有效载波段彼此相邻时为连续 ca (b)当多重有效载波段在频域上不连续时为离散 ca 在两种情况下，多载波段都是聚合在一起送给 lte-advanced 终端部件。对于终端复杂度、成本、性能和功耗而言，可以实现在原有 lte 系统物理层结构不做过多改动的条件下 轻松移植。从而保证在与 lte 系统兼容的条件下利用傅里叶变换模块和射频器件就可以在 lte-advanced 系统终端上实

24、现 ca。相比于离散 ca 技术，连续 ca 更容易实施资源分配和 管理算法。2.2聚合方案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。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- 9 -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8，连续频带聚合的主流方案有如下三种：方案 1：如图 2-2 所示，只有

25、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。每个载波段由 100 个资源块组成，带宽 18.015 mhz。 lte 遗留的 ue 只能接入中间的载波段。图 2-2 连续频带聚合方案 1方案 2：如图 2-3 所示，在载波段之间插入 19 个子载波(285 khz)，保证每个载波段的 中心频点都是 100 khz 的整数倍，在频带聚合的两端的保护带宽会相应减少。图 2-3 连续频带聚合方案 2方案 3：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

26、 的复杂度和兼容性都需要被重 新考虑。图2-4 连续频带聚合方案3针对 3 种连续频带聚合方案的比较如下：兼容性方面：方案 1 中的 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 支持在任意的载波段传输数据。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 需要对现有的协议进行修改。保护带宽：方案 1 与方案 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

27、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 20mhz，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。当考虑到已经存在的频率分配政策和目前低频段频率资源(4ghz)稀缺的事实时，再为 一个移动系统分配连续的 100mhz 是非常困难的。所以，离散 ca 技术提供了一种更为实际 的途径来使移动运营商们充分利用他们现有的频带资源，包括还没有利用的频率段和已经分 配原有如 gsm、3g 系统的频率段。事实上，在 2007 年的国际无线电会议(wrc 07)上，所 推出的 imt-adva

28、nced 可利用频率段是离散的，其中有很多都不足 100mhz。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。但是很明显 的，对于离散 c

29、a 来说，在 lte-advanced 终端里不可避免地要配置多射频接收设备和多重 傅里叶变换器件。由于离散 ca 支持在频率跨度很大的不连续载波上传输数据，所以信道环 境和传输特性如传输路径损耗和多普勒频移等在不同的频段上将会差别很大，在设计聚合算 法时也应该进行综合评估和考虑。2.3ca 技术面临的挑战与现状2.3.1不对称 ca在现在的 3gpp 会议中，已达成共识8：lte-advanced 系统支持上下行非对称的 ca， 即 ue 上下行聚合的载波段的数目可以不同。例如：ue 下行传输需要 40 mhz 的带宽，聚 合了两个 20 mhz 的载波段；上行传输需要 20 mhz 的带宽

30、，这时候需要考虑的是采用一个20 mhz 的载波段还是两个 10 mhz 的载波段的聚合。前者的峰值速率高，峰均功率比 parr 低，控制信道的开销小，分集增益更明显。所以 lte-advanced 支持上下行非对称的 ca 系 统增益明显。但是，不对称 ca 技术将会导致下行的载波段选择上的不确定性，因为对于 lte-advanced 系统相邻的节点来说，很难知道在随机接入的过程中载波段进入了哪个下行 中的终端转折点。因此，enb 不能在未对下行终端选择的载波段进行定义的条件下与终端 传输随机接入相应。目前，有三种方案可以解决上面的问题。第一种就是在每一个载波段上都形成一个具有 不同参数的物

31、理随机接入的通道（prach）。当终端根据具体下行的载波段的 prach 参 数发送随机接入的请求时，enb 可以通过上行载波段检查终端的 rach 序文来定义上行的 载波段。第二种方案就是用相同的 prach 参数来产生所有的载波段。一个具有具体的传输 配置参数和请求信息的初始随机接入响应，比如小型无线电网络的临时指示和上行大资源的 分配，都会被广播至所有发送请求用户所使用的上行载波的下行载波段。根据收到的终端的 进一步的响应，相应的 enb 就是确定终端连接上了哪一个下行载波段。第三个方案仅使用 一种下行载波段来承受与随机接入过程相关的控制信道。由于每一个上行的载波段都连接至 这一个通用的

32、下行载波，所有 enb 也就没有必要监测终端连接的具体是哪一个下行载波段。 这个方案比较简单，但是在负载平衡或者系统架构时不够灵活。对于工作在时分双工模式（tdd）的lte-advanced 系统来说，除了上面的利用不 同数目的载波段来支持在上下行通道中的传输负载不对称的方案外，不对称 ca 还可以通过 调整上下行传输时的分配时间比来实现。这样就简化了上下行信道的资源分配关系，并且， 也使得 tdd 系统能够利用通道互译特性来加强波束成形和预编码技术的使用。2.3.2控制信号设计 多载波段的控制发送信号信道的设计与部署对于高效信号传输控制和整体系统性能是至关重要的。一般而言，有三种控制信道配置

33、的方法。第一中，通过在 lte 系统中控制结构的较小修正，每一个载波段都有其自己的编码控制信道。第二种，不同载波段的控制信道 可以一起在一个专用载波段里被编码和配置。多载波段的控制信息将会被整合以作为在专用 控制信道里的发送信号内容，这样也就可以在保证与 lte 系统控制信道兼容的条件下有效 降低 ca 中的发送信号费用。第三种，不同载波段的多控制信道一起被编码并在 ca 方案的 规定的整个带宽内传输。这种方法与 lte 系统是不兼容的，但是却可以在用户终端高功耗 的条件下降低发送信号的费用、提高控制信道内的解码特性。2.3.3切换控制为了保持业务的连续性，lte-advanced ue 在切

34、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8。与原来的单载波切换不同，ca 里不同的载波段频 点不同，频率衰落特性有差别，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，这时就造成 ue 数据的多基站传输。对于具体的终端来说，由于相邻的两个（或 者更多个）单元的信道环境可能是完全不同的，所以保证即将拥有 ca 配置和 qos 标准质 量的终端设备预留有足够的系统资源（有良好传输特性的载波段）是非常具有挑战性的。一个简单的解决方法就是令终端在每一个相邻单元仅测定一种载波段的特性，这样与 lte系统有相似的测量延迟、复杂度和功耗。一种载波段的测定结果将用来评定在对应单 元里另一种载波段的特性。切换控制和传输配置将会基于以上评定来进行。尽管在切换测定 中的费用和能量消耗有效地降低了，qos 规