LTE-A的载波聚合技术-文档资料

1、1LTE-A的载波聚合技术的载波聚合技术 2LTE-A的背景介绍的背景介绍 LTE-A是LTE-Advanced的简称,是LTE技术的后续演进。 LTE俗称3.9G，这说明LTE的技术指标已经与4G非常接近了。LTE与4G相比较，除最大带宽、上行峰值速率两个指标略低于4G要求外，其他技术指标都已经达到了4G标准的要求。而将LTE正式带入4G的LTE-A的技术整体设计则远超过了4G的最小需求。在2008年6月，3GPP完成了LTE-A的技术需求报告，提出了LTE-A的最小需求：下行峰值速率1Gbps，上行峰值速率500Mbps，上下行峰值频谱利用率分别达到15Mbps/Hz和30Mbps/Hz。

2、这些参数已经远高于ITU的最小技术需求指标，具有明显的优势。3LTE-A的背景介绍的背景介绍 LTE-A的演进的演进 LTE-Advanced与4G进程相互协同。2008年3月ITU-R发出通函，向各成员征集4G候选技术提案，正式启动了4G标准化工作。在去年7月初结束的ITU-RWP5D的迪拜会议上，ITU确定了4G最小需求，包括小区频谱效率、峰值频谱效率、频谱带宽等8个技术指标，这将成为衡量一个候选技术是否能成为4G技术的关键指标。而3GPP将以独立成员的身份向ITU提交面向4G技术的LTE-Advanced(LTE-A)。从2008年3月开始，3GPP就展开了面向4G的研究工作，并制定了详

3、尽的时间表，与ITU的时间流程紧密契合。在ITU-RWP5D的时间表中有两个关键的时间点：在2009年10月WP5D第6次会议结束4G候选技术方案的征集，2010年10月WP5D第9次会议确定4G技术框架和主要技术特性，确定4G技术方案。围绕这两个时间点，3GPP对其工作进行了部署，已经于2008年9月向ITU-RWP5D提交了LTE-A的最初版本，并计划分别于2009年5月和2009年9月提交完整版和最终版。10月14日至21日，国际电信联盟在德国德累斯顿举行ITU-R WP5D工作组第6次会议，LTE-Advanced入围，包含TDD和FDD两种制式。国际电信联盟(ITU)预计于2010年

4、10月在中国举行的会议上确定4G(IMT-Advanced)国际标准。4LTE-A的背景介绍的背景介绍 3GPP Long Term Evolution is 3GPPs answer to WIMAX on the evolution path to 4GWiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access),即全球微波互联接入。WiMAX也叫80216无线城域网或802.16。WiMAX是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达50km。5LTE-A的背景介绍的背景介绍 LTE-A is 3GPPs

5、candidate for IMT-A LTE-A expands LTE to fulfill ITU requirements for IMT-A6LTE-A的背景介绍的背景介绍 技术参数： 带宽：100MHz 峰值速率：下行1Gbps，上行500Mbps 峰值频谱效率：下行30Mbps/Hz，上行15Mbps/Hz 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7LTE-A的背景介绍的背景介绍 LTE-A主要技术特征为了满足IMT-Advanced(4G)的各种需求指标，3GPP针对LTE-Advanced(LTE-A)提出了几个关键技术，包括载波聚

6、合、协作多点发送和接收、接力传输、多天线增强等。多点协作多点协作多点协作分为多点协调调度和多点联合处理两大类，分别适用于不同的应用场景，互相之间不能完全取代。多点协调调度的研究主要是集中在和多天线波束赋形相结合的解决方案上。在3GPP最近针对ITU的初步评估中，多点协作技术是唯一能在基站四天线配置条件下满足所有场景的需求指标的技术，并同时明显改进上行和下行的系统性能，因此多点协调的标准化进度成为3GPP提交的4G候选方案和面向ITU评估的重中之重。8LTE-A的背景介绍的背景介绍接力传输接力传输未来移动通信系统在传统的蜂窝网的基础上需要对城市热点地区容量优化，并且在需要扩展盲区、地铁及农村的覆

7、盖。目前在3GPP的标准化工作集中在低功率可以部署在电线杆或者外墙上的带内回程的接力传输上，其体积小重量轻，易于选址。一般来说，带内回程的接力传输相比传统的微波回程的接力传输性能要低，但带内回程不需要LTE频谱之外的回程频段而进一步节省费用，因此二者各自有其市场需求和应用场景。9LTE-A的背景介绍的背景介绍多天线增强多天线增强鉴于日益珍贵的频率资源，多天线技术由于通过扩展空间的传输维度而成倍地提高信道容量而被多种标准广泛采纳。受限于发射天线高度对信道的影响，LTE-A系统上行和下行多天线增强的重点有所区别。在LTE系统的多种下行多天线模式基础上，LTE-A要求支持的下行最高多天线配置规格为8

8、x8，同时多用户空分复用的增强被认为是标准化的重点。LTE-A相对于LTE系统的上行增强主要集中在如何利用终端的多个功率放大器，利用上行发射分集来增强覆盖，上行空间复用来提高上行峰值速率等。10载波聚合技术概述载波聚合技术概述载波聚合技术将多个LTE载波扩展成LTE- A系统的传输载波。并且LTE系统的用户终端和LTE- A系统的用户终端均可以使用“LTE载波单元”进行通信。LTE- A系统的潜在应用频段包括450MHz470MHz、698MHz862MHz、790MHz862MHz、2.3GHz2.4GHz、3.4GHz3.6GHz。因此，频谱聚合要求可以在多个频点上跨频带进行聚合。可以看出

9、，LTE- A系统部署大量频段集中在3.4GHz以上的较高频段，有可能是1个多频段层叠无线接入系统。空中接口技术的框架就是由宽带宽、非连续频谱分布和灵活频谱的使用决定的。11载波聚合技术概述载波聚合技术概述载波聚合方式载波聚合方式按照频谱的连续性，载波聚合可以分为连续载波聚合与非连续载波聚合。按照系统支持业务的对称关系，分为对称载波聚合与非对称载波聚合。图1示意了连续载波聚合方式与非连续载波聚合方式。5个连续的20MHz频带聚合成一个100MHz带宽，两个不连续的20MHz频带聚合成一个40MHz的带宽。 图1 连续载波聚合与非连续载波聚合示意图12载波聚合技术概述载波聚合技术概述LTE系统和

10、LTE- A系统支持不对称业务（UL与DL数量不同）时的载波聚合为非对称载波聚合。图2示意了LTE- A系统的上行链路和下行链路要聚合不同带宽“LTE载波单元”。例如：UE下行传输需要40 MHz的带宽，系统聚合两个20 MHz的载波；而上行传输只需要20 MHz带宽，这时可以采用一个20 MHz的载波，因为峰值速率高，峰均功率比(PAPR)低，控制信道开销小，分集增益更明显。 图2 非对称DL/UL载波聚合参考模型13载波聚合技术概述载波聚合技术概述CA（Carrier Aggregation）的技术原理）的技术原理LTE-A(Rel10版本及其以后版本)支持连续载波聚合和频带内的非连续载波

11、聚合，以及频带间的非连续载波聚合，可以支持最大100MHz带宽的载波聚合。为了在LTE-A商用初期能够有效地利用系统和终端，同时为了保证LTE后向兼容的必备技术，LTE-A通过聚合多个LTE后向兼容的载波，最大可以支持到100MHz的带宽。LTE系统的终端，可以正常的接入其中的一个载波，而支持LTE-A系统的终端，既可以接收多个载波的服务，也可以正常地接入LTE系统。CA基站可以将多个数量的载波成分(CC；最多5个；每个最多20MHz；频率可以连续，也可以不连续) 聚集起来，为终端提供服务。与终端维持RRC连接的载波，称之为主载波(PCC)，或者称之为主小区(Pcell)；除主载波之外的载波，

12、称之为辅载波(SCC)或者辅小区(Scell)。14载波聚合技术概述载波聚合技术概述CA研究的情况可分为：同频带：连续载波聚合(Intra-Band，Contiguous)，非连续载波聚合(Intra-Band，Non-contiguous)；异频带：非连续载波聚合(Inter-Band，Non-Contiguous)目前，载波聚合的研究重点包括连续载波的频谱利用率，上下行非对称的载波聚合的控制信道的设计等等15载波聚合技术概述载波聚合技术概述CA关键技术关键技术 CA的典型应用的典型应用表1是CA的典型应用。无论是inter-band或intra-band，Rel-10的信令需要支持最大下行

13、5个载波，上行5个载波的配置。FDD下行，Rel10需要支持inter-band和intra-band的载波CA；Rel10需要支持应用(表1)4和5，即不同频带的载波接收时可以不同。FDD上行，支持intra-band的CA，上行应用4和5载波聚合在Rel11中支持。TDD，支持intra-band的CA，上行应用4和5载波聚合在Rel11中支持。16载波聚合技术概述载波聚合技术概述CA关键技术关键技术L2/3协议架构协议架构CA不影响控制面L3协议的架构，用户面L2协议架构，如图1所示。载波聚合对RLC/PDCP透明，每个分量载波对应一条传输信道，每个分量载波对应一个专用和独立的HARQ实

14、体， HARQ应该保持Rel8兼容。HARQ（Hybrid Automatic Repeat Request ） 混合自动重传请求RLC(Radio Link Control)是GPRS/WCDMA/TD-SCDMA/LTE 等无线通信系统中的无线链路控制层协议。在WCDMA系统中，RLC层位于MAC层之上，属于L2的一部分，为用户和控制数据提供分段和重传业务PDCP(Packet Data Convergence Protocol)分组数据汇聚协议17载波聚合技术概述载波聚合技术概述CA关键技术关键技术multiple Tas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发

15、出的上行信号在基站侧接收端的接收时钟是一致的，LTE是通过控制不同的UE采用不同的上行时间调整来实现，即距离eNB较远的UE较早发送，距离eNB较近的UE较晚发送。LTE-A中，上行可以聚合多CC(Component carrier，成分载波)。考虑到UE同时维护多个TA的复杂情况，以及R10中的主要应用(如图2所示)，目前所有CC上只有一个TA。也就是不同CC接收主CC上发的TA调整命令，所有CC上的调整值相同。Rel11版本可以采用多套TA。18载波聚合技术概述载波聚合技术概述CA关键技术关键技术eNB间切换间切换源基站选择一个目标主载波，并通过X2/S1切换消息发送给目标站。源基站同时提

16、供当前辅载波的所有配置给目标基站，还提供当前有效测量报告中的每个频率的最优小区给目标基站，按照RSRP降序排列，并且可以包含小区的测量结果。目标基站可以改变主载波。X2切换时，目标主载波只能在提供的K*eNB的小区中选择。目标基站决定目标辅载波，可以根据源基站提供的最优小区决定目标辅载波，也可以选择源基站提供的最优小区之外的小区作为辅载波。19载波聚合技术概述载波聚合技术概述CA关键技术关键技术跨载波调度跨载波调度DL CC上的PDCCH(物理下行控制信道）引入3比特的载波标识域(CIF)可以调度其他DL CC上的PDSCH（物理下行共享信道）或非对应UL CC上的PUSCH（物理上行共享信道

17、） ，如图3所示。此时，需要在Rel8版本的DCI格式中引入3比特的 CIF，eNB采用UE级半静态配置的方式来确定是否在DCI信息中使用CIF。Rel8版本的PDCCH结构包括编码和基于CCE（通信控制设备）的资源映射可以重用。20载波聚合技术概述载波聚合技术概述载波聚合实现方案载波聚合实现方案基于载波聚合的LTE- A系统在传输块的映射以及控制信道的设计等方面与单载波系统有所区别。在LTE- A系统中，每个子载波对应一个独立的数据流，子载波之间数据流的聚合方式可以分为在MAC层聚合和在物理层聚合两种。图3所示为数据流的两种聚合方式。 图3 数据流分别在MAC和物理层聚合21载波聚合技术概述

18、载波聚合技术概述图3中方案A为每个子载波分配一个独立的传输块，单一的数据流在某一些点上被分到不同的载波上，载波上数据流的聚合在MAC层完成。其中，每个载波为独立设计，维持其原来的物理结构，包括特殊载波的位置、链路自适应和HARQ等。方案B为所有的载波共用一个传输块，单一的数据流在某些点上被分到不同的载波上，载波上数据流的聚合在物理层上进行。因此每个载波的物理层结构需要重新设计，这样可能会影响数据流到MAC的时间。22载波聚合技术概述载波聚合技术概述两种方案都实现LTE- A系统中传输块到聚合后载波上的映射。方案A可以复用LTE系统的结构设计，其链路自适应技术使用效果明显，且在HARQ方面体现出

19、了很好的性能，与LTE系统有较好的后向兼容性，可以支持LTE系统的软硬件设备。缺点是频谱效率和调度增益没有得到很好的实现，且系统总开销较大，与聚合前基本一样多。方案B由于所有子载波共用一个传输块，传输块包含的数据较多，减少了传输块个数和HARQ过程，对MAC层来说，大大减小了系统开销。但传输块包含的数据过多，HARQ的使用效率变得低下，甚至完全不适合使用HARQ技术。同时，方案B不兼容LTE系统。通过比较，得出方案A更适合开展后续的研究的结论，即方案A更容易实现LTE向LTE- A的平滑过渡。23载波聚合技术应用现状载波聚合技术应用现状通过对连续与非连续载波的扩展，载波聚合技术一方面可以通过直

20、接聚合多个LTE载波，满足LTE- A需要的大带宽需求，不需要重新设计物理信道和调制编码方案；另一方面也可以通过复用已有的LTE系统资源，大大降低LTE- A系统的设计难度，以最小代价完成零散带宽的聚合。24载波聚合技术应用现状载波聚合技术应用现状就标准方面可以从以下6点来考虑LTE- A中的载波聚合技术，即应用场景、非对称载波聚合、物理层载波聚合应用、载波聚合对于LTE的兼容考虑、在载波聚合方面频谱效率的提高问题、载波聚合对于切换的一些转化。目前研究现状可参见表1所示。25载波聚合技术应用现状载波聚合技术应用现状载波聚合的应用场景载波聚合的应用场景随着业界对移动互联网发展趋势的理解逐步加深，

21、人们也在反思宽带移动通信的主要应用场景是什么。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80%90%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互联网时代更重要的应用场景。目前还没有针对室内场景或游牧场景的应用做出专门的讨论或研究，对这类场景中应用时所需要的特殊要求以及相关优化工作均没有得到很好的解决。因此，LTE- A下一步的工作重点应该放在对室内场景进行优化。26载波聚合技术应用现状载波聚合技术应用现状非对称载波聚合非对称载波聚合非对称载波聚合中的关键技术是控制信道和信令的设计以及接入过程等。其中控制信道和信令的设计可分为PDC

22、CH、PUCCH、PHICH等方面。LG、Huawei、Motorola等公司对PDCCH的结构进行了详细分析与设计。RAN1在56#会议上，就关于载波聚合中PDCCH设计原则方面作了讨论，决定使用一个组成载波来传输PDCCH，FFS对于PDCCH信息的映射编码问题与各个CC上的PDSCH相关。LG公司就HARQ映射的后向兼容和灵活性等问题在56#会议和57#会议上分别作了详细讨论。Samsung和CATT公司在57#会议上分别就PHICH问题作了讨论，提出当上行链路组成载波比下行链路组成载波大时，每个PHICH分别对应一个UL组成载波的映射方式。PUCCH的设计着重于控制信息和数据复用传输方

23、式。其中，LG Electronics就提出：在同一个时间里，UE独立传输PUCCH和PUSCH；当要在同一个UL子载波上进行传输时，PUCCH要给PUSCH捎带回答信息。还分析了功率受限和非对称载波聚合中的特殊考虑。27载波聚合技术应用现状载波聚合技术应用现状在初始接入方面，重点在于解决接入时上行下行的灵敏度和RACH msg 传输过程。Samsung公司在NTT DoCoMo 公司研究的基础上，就初始接入问题提出3点建议，即分别在每个DL组成载波上广播PRACH参数- 时间、频率、编码资源；RAR在所有下行组成载波对应一个上行载波上传输；初始接入时使用仅仅一个DL载波，即对仅仅一个DL载波

24、限制向后兼容，例如不通过其他载波传输PBCH/SCH。28载波聚合技术应用现状载波聚合技术应用现状物理层应用物理层应用虽然在LTE- A系统中，子载波之间数据流的聚合方式为在MAC层聚合，而不在PHY中聚合，但载波聚合在物理层中如何应用的问题仍然需要重点关注。目前在这方面的研究主要集中于物理小区标识PCI（physical cell ID）的分配上。CATT公司指出：对于相同小区标识的分配，下行信令的关键问题是有更高的CM/PAPR不能忽视。而对于不同小区标识的分配，上行链路参考信号的正交性会很差。解决方法是在不同的组成载波中不广播不同的物理小区标识。在物理层设计中，LTE- A系统还需要解决

25、载波间的时间同步、频点分配和保护带宽设计等问题。29载波聚合技术应用现状载波聚合技术应用现状载波聚合与载波聚合与LTE系统兼容系统兼容LTE- A是对LTE技术的平滑演进，支持原LTE系统的全部功能，并支持与LTE的前后向兼容性，即R8LTE的终端可以接入未来的LTE- A系统，LTE- A终端也可以接入R8 LTE系统。但如果发现可以显著提高LTE- A系统性能的先进技术，上述“强兼容”要求也有可能放松。载波聚合对于LTE的兼容目前主要有全部后向兼容和非后向兼容两种。全部兼容是LTE的用户应该和每一个载波聚合都能接入，同时还有一个选择与LTE- A结合，这样能接入一部分的被聚合的载波。目前3

26、GPP的协议有可能让所有的都进行重新配置，按照Rel- 8终端，全兼容，并且LTE- A的支持也给予考虑。目前支持载波聚合对于LTE的非后向兼容较多。TR 36.814指出：在对称的载波聚合中配置的组成载波与LTE Rel- 8兼容是可能的。不排除LTE- A组成载波中考虑非后向兼容。由此可见，LTE- A中支持非后向兼容组成载波是可能的。30载波聚合技术应用现状载波聚合技术应用现状频谱效率频谱效率载波聚合技术在一定程度上提高了频谱利用率。同时，由于LTE- A系统下行链路载波要求严格的时间同步，并且子载波之间满足正交性。在聚合连续LTE载波的情况下，如果考虑减少载波间的保护带宽，增加带宽内传

27、输数据的载波数量，可以提高LTE- A系统的频带利用率。目前可用的保护带宽有子载波间的保护带宽、频带的保护带宽。由于频带间的保护带宽有较大的利用空间，在不引进额外干扰的前提下，3GPP讨论了多种利用频带间的保护带宽来传输数据的技术方案。31载波聚合技术应用现状载波聚合技术应用现状载波聚合中的切换载波聚合中的切换为了支持服务的连续性，在载波聚合的切换过程中，基站必须提供相对稳定的服务速率。如果小区内的用户终端采用了载波聚合技术，基站在切换过程中也要支持载波聚合技术。相邻小区要通过广播或特定信号通知用户终端本小区的剩余频率资源和载波配置情况。只有在相邻小区有足够频率资源的前提下，用户终端才能进行切换。因此，采用多载波聚合技术，LTE- A系统需要解决切换机制，以及由于覆盖的模糊性所带来的切换问题。目前只有跨频段聚合方式的研究，还没有真正考虑到切换这个问题。32载波聚合技术应用现状载波聚合技术应用现状LTE-A系统中与载波聚合结合的热门技术研究系统中与载波聚合结合的热门技术研究在LTE- A系统中使用载波聚合技术，可以有效支持新频段和大带宽的应用，提高系统容量、满足系统后向兼容性的要求，大大缩短了LTE- A系统的商用