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17,载波聚合技术在LTE


设计与实现

载波聚合技术在 LTE-Advanced系统中的应用
程顺川 张 欣 郑瑞明 杨大成 北京邮电大学无线理论与技术研究室

【摘要】文章介绍了LTE-Advanced系统的优势,重点分析了载波聚合技术在LTE-Advanced系统中应用的技术方案,并 指出了其商业化实施将要面临的挑战。 【关键词】载波聚合 LTE-Ad

vanced 多载波调度

1 LTE-Advanced背景介绍
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。 因此,3GPP致力于将3GPP LTE(Long Term Evolution) 作为3G系统的演进。为了获得更高的数据速率、更低的时 延、改进的系统容量和覆盖范围,以及较低的成本,LTE不 仅简化了结构,还采用了一些关键技术来实现其优异性能, 如MIMO技术、AMC技术、HARQ技术等。LTE-Advanced 是LTE的进一步演进,支持与LTE的前后向兼容性发展, 支持多频谱聚合。在去年召开的WRC-07会议上,LTEAdvanced已经成为一个共享的概念。为了提供更高的数据 速率,支持更多的用户业务和新的服务,LTE-Advanced在 频点、带宽、峰值速率及兼容性等方面都有新的需求[1],并 且引入了一些新的候选技术,如载波聚合技术、增强型多天

线技术、无线网络编码技术等。 从LTE到LTE-Advanced系统的演进过程中,更宽频谱 的需求将会成为影响演进的最重要因素之一。为此3GPP在 文献[2]中提出了载波聚合技术,它可以很好地将多个载波 聚合成一个更宽的频谱,同时也可以把一些不连续的频谱碎 片聚合到一起。目前已有很多公司对载波聚合技术的可行性 方案进行了广泛的讨论分析[3~8],如DoCoMo、Ericsson、 Huawei等。此外,载波聚合技术还能很好地满足LTE和 LTE-Advanced对系统频谱兼容性的要求,可以重复使用 LTE Rel-8的解决方案,这样不仅能加速标准化进程,而且 能够最大限度地利用现有的LTE装置。

2 载波聚合技术
LTE标准中最多只能支持20MHz的带宽进行无线通 信,而LTE-Advanced的目标是支持更宽带宽的应用,如

收稿日期:2008年12月6日

100MHz,其空中接口技术的框架就是由宽带宽、非连续频

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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,每个载波都是独立设计的,维持其原来的物理 层结构,包括特殊载波的位置、链路自适应和HARQ等。具 体MAC层-物理层接口如图1所示:

谱分布和灵活频谱的使用决定的。然而在无线资源日益稀 缺的今天,从LTE目前的频谱中很难找到一段超宽带的频谱 供LTE-Advanced使用。3GPP提出的频谱聚合技术可以将 多个不同的频段整合使用,能够灵活地从连续或非连续频谱 将带宽扩展到LTE-Advanced要求的100MHz。在聚合后的 载波上,LTE终端可以接入其中的一个载波单元,而LTEAdvanced终端可以同时接入多个载波单元,这样不仅满足 了LTE和LTE-Advanced的频谱兼容性需求,并且能减小比 特开销,完成超过1Gbps的峰值速率的要求——这恰好迎合 了LTE向LTE-Advanced演进的需求。比之其他的方法,载 波聚合不需要对LTE物理层进行大的改动,提高了对现有系 统的再利用,大大缩短了LTE-Advanced系统的商用时间。 为了更好地利用离散分布的频谱碎片,载波聚合可以在 非连续频谱上实现,但是频谱碎片的分布位置和大小会给聚 合带来一定的复杂度;而连续载波聚合可以简单地实现系统 的后向兼容,且标准修改较小,将会是未来宽带移动通信系 统研究的重点。文献[7]还指出,随着带宽的增加,可以通过 合理利用载波间的保护间隔来提高频谱的利用率。但是仍存 在一些问题,例如载波聚合技术最多能使频谱利用率提高多 少,如何设计聚合载波间的保护间隔才能更好地提高频谱利 用率且带来更小的干扰等等,这些将是以后研究载波聚合技 术在LTE-Advanced系统中的应用的重要课题。

图1

载波聚合方案1(数据流在MAC层聚合)

(2)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。具体的MAC层-物理层接 口如图2所示:

3 载波聚合的技术方案
基于多载波聚合的LTE-Advanced系统在传输块的映射 以及控制信道的设计等方面跟单载波系统有一些区别。考虑 到系统的前后向兼容、复杂度等因素,下面主要对传输块映 射和控制信道设计两方面的可行性技术方案进行分析。

图2

载波聚合方案2(数据流在物理层聚合)

两种方案都实现LTE-Advanced系统中传输块到聚合 后载波上的映射,各有优缺点:(1)方案1在链路自适应 和HARQ方面体现出了很好的性能,并且考虑了与LTE系统 的后向兼容性,但是频谱效率和调度增益都没有得到很好的 实现。该模型可以看作是相同链路的聚合并且每个载波的 开销相同,总的开销是一个载波开销的N倍(N是载波的个 数),总开销在聚合前后并没有发生什么变化。(2)方案 2中额外频率的分集增益被边缘化了,编码增益只在很少的 一些场景中才能体现其重要性;但HARQ重传是在所有的载

3.1 传输块到载波的映射
为了支持载波的聚合,传输块在聚合后载波上的映射将 是载波聚合技术实现的关键。单一的数据流需要在一些节点 上被分到不同的载波上。从MAC层的角度来看,传输块在载 波上的映射有两种可供选择的方案: (1)每个载波上都有一个传输块,单一的数据流在某

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波上进行的,减少了传输块个数和HARQ过程,对MAC层来 说,这大大减小了系统的开销。

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首选方案。至于如何做到设计模式的最优,则还需要进一步 的研究。

3.2 控制信道的设计
控制信道的设计是LTE-Advanced系统的一个重要部 分,设计时需要考虑系统实现的复杂度以及与系统的前后向 兼容等因素。其设计模式优劣会直接影响到载波聚合技术在 LTE-Advanced系统中的应用。在文献[4]、[8]中,爱立信 和摩托罗拉给出了几种可选的控制信道设计模式: (1)独立控制信道设计模式,每个控制信道跟对应的 数据信道在同一个载波上,如图3(a)所示。图中不同的颜 色代表不同载波的控制信道,信道中控制信息只能控制对应 载波上的数据流的传输。 (2)控制信道横跨聚合后的全部带宽,用户的控制信 息分布在所有的载波上,如图3(b)所示。

4 载波聚合应用于LTE-Advanced面临的挑战
载波聚合技术的提出使LTE-Advanced系统对更宽的 带宽以及后向兼容性的需求成为了现实,加速了LTE系统向 LTE-Advanced系统的演进的步伐。但是就目前技术和硬件 的更新来说,载波聚合技术在LTE-Advanced系统中的应用 将会面临诸多挑战。

4.1 小区覆盖和切换
L T E-Adva n c e d的潜在应用频段包括4 5 0 MHz~ 470MHz、698MHz~862MHz、790MHz~862MHz、 2.3GHz~2.4GHz、3.4GHz~3.6GHz。频谱聚合要求可以在 多个频点上跨频带进行聚合。众所周知,不同频率的电磁波 在空气介质中的损耗不同,因此不同频带的信号覆盖范围肯 定不尽相同,这就给小区的规划带来了问题。同时由于覆盖 的模糊性所带来的切换问题也是亟待解决的。

4.2 移动设备耗电
由于同时使用多个频带,移动台端可能需要在更多的频 段上对信息进行监视或发送。由此带来的耗电量要远远高于 图3 控制信道设计模式 单个频点工作的设备,这对于能量受限的移动设备来说是一 个很大的挑战。 图3(a)中,控制信道跟对应的数据传输分配在相同的 载波上,每个控制信道中含有相同载波上数据传输的控制信 息。控制开销跟被调度到的带宽成比例,可以节省一些不必 要的开销,并且可以很好利用现有的系统结构和LTE现有的 控制格式,不需要对原有的格式进行大的改动,对系统的后 向兼容有重要的意义。在图3(b)所示的控制信道设计模式 中,控制信道横跨聚合后的所有载波,用户需要监控整个带 宽上的控制信道,由此带来更大的开销和功耗;并且这种方 式需要修改现有的控制格式,给系统的设计带来了一定的复 杂性,影响了系统的后向兼容性。 因此,独立控制信道设计模式将会是载波聚合技术中的

4.3 多载波调度
载波聚合技术可以将多个载波联合起来使用,同时也能 对用户在多个载波上进行调度。好的调度算法不仅仅要有相 对低的复杂度和相对少的开销,还要能有效提高系统容量以 及节约移动用户的耗电量。多载波调度问题既是一个挑战, 也是提高系统性能的关键。

5 结语
LTE-Advanced系统在通信系统的演进过程中,不论 是在数据速率,还是在频谱的利用上,都体现出了很大的优 势。随着用户对高速数据速率要求的增加和载波聚合技术本

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【作者简介】
程顺川:北京邮电大学无线通信中 心硕士研究生,专业为通信与信息 系统,主要研究方向为移动通信理 论与应用。

身的成熟,载波聚合技术在LTE-Advanced系统中一定会得 到快速的发展和应用。

参考文献
[1]TR 36.913 v8.0.0. Requirements for Further Advancements for E-UTRA(LTE-Advanced). [2]3GPP REV-080030. Technology components. ERICSSON, Apr 2008. [3]R1-082448. Carrier aggregation in LTE-A. Huawei, Warsaw, Poland, Jun 2008. [4]R1-082468. Carrier aggregation in LTE-A. Ericsson, Warsaw, Poland, Jun 2008. [5]R1-082533. Discussion of Technologies for LTEAdvanced. Philips, NXP. [6]R1-082569. Consideration on technologies for LTE-Advanced. CATT. [7]R1-083020. Downlink spectrum utilization in LTEAdvanced. Huawei, Aug 2008. [8]R1-083232. LTE-A carrier aggregation_final. Motorola, Aug 2008. ★ 郑瑞明:北京邮电大学无线通信中 心博士研究生,专业为通信与信息 系统,主要研究方向为移动通信理 论与应用。 张 欣:北京邮电大学副教授。 2000年于北京邮电大学获信号与信 息处理专业硕士学位,2003年于北 京邮电大学获通信与信息系统专业 获博士学位。目前主要研究方向 是:移动通信系统的理论和技术。

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