引言

在現(xiàn)有無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，頻譜效率不高，每個用戶所占帶寬有限，因此無法滿足高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸要求。隨著語音業(yè)務(wù)的日趨飽和，運營商需要考慮在未來無線寬帶移動網(wǎng)絡(luò)中為用戶提供更為可靠的高速數(shù)據(jù)服務(wù)。類似于高速分組接入（HSPA） 系統(tǒng)與時分同步碼分多址接入（TD-SCDMA）系統(tǒng)的關(guān)系，LTE-Advanced系統(tǒng)是LTE系統(tǒng)的平滑演進。因此如何在小幅度修改LTE協(xié)議的前提下，既完全兼容LTE遺留的終端，又能增加LTE-Advanced終端占用的帶寬并提高其頻譜效率，成為設(shè)備商和運營商所面臨的共同問題。

3GPP RAN1 #53bis次會議在波蘭華沙通過了在LTE-Advanced系統(tǒng)中采用頻帶聚合（CA）技術(shù)的提案。使用CA技術(shù)的用戶，可以根據(jù)自身能力同時接收一個或者多個頻率資源塊上的數(shù)據(jù)。

1 頻帶聚合技術(shù)原理及主流技術(shù)方案

頻帶聚合技術(shù)合理復(fù)用了多個頻帶，使LTE-Advanced的用戶能夠同時接收帶寬超過20 MHz的數(shù)據(jù)。現(xiàn)在一般認為：

為了支持更高的數(shù)據(jù)峰值速率，頻帶聚合后的用戶帶寬應(yīng)該超過20 MHz，每個載波段定義近似等于LTE release 8的最大傳輸帶寬。

為同一個用戶聚合在一起的不同載波段帶寬可以不同，但應(yīng)有基本限制：不同載波段的帶寬相差不能太大（一般認為不能超過兩倍），否則就失去了載波聚合的意義，并會增加大量的信令開銷。例如，10 MHz和20 MHz的兩個載波段可以聚合，但是1.4 MHz和20 MHz的兩個載波段就不允許聚合。如將此類限制直接寫到RAN4的協(xié)議中，會對RAN1協(xié)議靈活性產(chǎn)生影響。

1.1 連續(xù)頻帶聚合

在現(xiàn)有的第三代合作伙伴計劃（3GPP）會議上，綜合考慮終端執(zhí)行能力和系統(tǒng)復(fù)雜度后，主要就連續(xù)頻帶聚合的提案進行討論。如圖1所示，連續(xù)頻帶聚合是指聚合在一起為一個用戶服務(wù)的多個載波段在頻域上是連續(xù)的。

由于載波段頻譜連續(xù)，所以系統(tǒng)實現(xiàn)頻帶聚合較為容易，信令開銷小，UE需要檢測的頻點也較少。相對于離散頻帶聚合，UE更容易使用一套RF和FFT設(shè)備完成多個頻帶數(shù)據(jù)的連續(xù)接收，節(jié)省終端的成本。針對最新的3GPP會議的討論結(jié)果，連續(xù)頻帶聚合的主流方案包括：

方案1：如圖2所示[3]，只有中間載波段的中心頻點為100 kHz的整數(shù)倍，其它載波段的中心頻點不在100 kHz的整數(shù)倍。每個載波段均是由100個資源塊共同組成，帶寬為18.015 MHz。LTE遺留的UE只能接入中間的載波段。

方案2：如圖3所示[3]，在載波段之間插入19個子載波（285 kHz），以保證每個載波段的中心頻點都是100 kHz的整數(shù)倍，在頻帶聚合兩端的保護帶寬會相應(yīng)減少。

方案3：如圖4[3]、圖5[3]所示，適當減少每個載波段的帶寬，減少其中子載波數(shù)目，并保證每個載波段的中心頻點是100 kHz的整數(shù)倍。

3種連續(xù)頻帶聚合方案比較：

兼容性方面：方案1中LTE遺留的UE只支持在中心載波段傳輸數(shù)據(jù)，而方案2和方案3支持在任意載波段傳輸數(shù)據(jù)。

LTE-Advanced UE的載波柵格：方案2和方案3可以直接使用LTE release 8的100 kHz載波柵格，而方案1需要對現(xiàn)有協(xié)議進行修改。

保護帶寬：方案1和方案3的保護帶寬與LTE release 8相比沒有減少，而方案2的保護帶寬減少了。

綜合考慮上述3種方案，方案2和方案3應(yīng)該被進一步研究，選擇其中一個作為頻帶聚合的基本標準。

1.2 離散頻帶聚合

從運營商的角度考慮，離散頻帶聚合更適合在實際網(wǎng)絡(luò)中使用。在現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)中，尋找足夠大的連續(xù)頻帶十分困難，并且如果將大量連續(xù)帶寬分配給個別用戶，網(wǎng)絡(luò)的公平性和有效性將被破壞。基于現(xiàn)有2G、3G系統(tǒng)頻帶的使用情況，在未來的LTE-Advanced系統(tǒng)中：一是運營商希望復(fù)用其中一些離散的未使用頻帶；二是為LTE-Advanced分配的頻帶本身就離散在整個頻域，所以離散頻帶聚合技術(shù)顯得尤為重要[5]。

WRC07為LTE-Advanced新分配的帶寬，不是很大且不連續(xù)，頻點相隔也較遠。

現(xiàn)有的功控算法主要基于估計的鏈路預(yù)算，而這些公式中很少考慮頻率對發(fā)射功率設(shè)置的影響。

2 載波聚合的研究現(xiàn)狀

2.1 MAC層和物理層接口

LTE-Advanced系統(tǒng)使用CA后，某個物理實體將數(shù)據(jù)進行分流，并在不同的載波段上傳輸。

方案1：媒體訪問控制（MAC）層完成數(shù)據(jù)流的聚合并分配到相應(yīng)的載波段上。

方案2：物理層完成數(shù)據(jù)流的聚合并分配到相應(yīng)的載波段上。

方案1中，不同的載波段傳輸?shù)燃売兴煌也捎貌煌亩噍斎攵噍敵觯∕IMO） 模式和調(diào)制編碼方式；數(shù)據(jù)分流在MAC層完成，不會改變每個載波段現(xiàn)有的物理層設(shè)計、傳輸塊大小和軟緩存大小，并使得LTE的軟件和硬件設(shè)備可以在 LTE-Advanced系統(tǒng)中繼續(xù)使用；每個載波段的混合自動重傳請求（HARQ）過程也是相互獨立的，確認/非確認（ACK/NACK）反饋流程和信道設(shè)置可以沿用LTE release 8的協(xié)議規(guī)定；MAC層和無線鏈路控制（RLC）層沒有受到影響，不會修改協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）的大小。

方案2中，所有載波段的傳輸?shù)燃壪嗤⑹褂孟嗤恼{(diào)制編碼方式；數(shù)據(jù)分流在物理層完成，并需要相應(yīng)調(diào)整現(xiàn)有的物理層設(shè)計；協(xié)議和設(shè)備修改量大；多個載波段采用一個HARQ進程，即所有載波段只有一個ACK/NACK；MAC層和RLC層會受到CA的影響，PDU會明顯超過LTE release 8定義的大小。

綜上所述，方案1適合在LTE-Advanced系統(tǒng)中使用。

2.2 廣播信道配置

使用CA技術(shù)后，會存在多個載波段。廣播信道可以在每個載波段的中心頻點分別發(fā)射，也可以只在所有載波段的中心頻點發(fā)射一次。前者的兼容性好，LTE遺留的UE可以在任意載波段接入，但可能會造成信令開銷大，資源浪費較多；后者兼容性差，LTE遺留的UE只能接入中心的載波段，或者在使用其它載波段前先跳頻到中心頻點獲取廣播信息。

2.3 上下行非對稱CA

在現(xiàn)在的3GPP會議中，已達成共識：LTE-Advanced系統(tǒng)支持上下行非對稱CA，即UE上下行聚合的載波段數(shù)目可以不同。例如：UE下行傳輸需要40 MHz的帶寬，并聚合兩個20 MHz的載波段；而上行傳輸則需要20 MHz帶寬，這時需考慮的是：采用一個20 MHz的載波段還是采用兩個10 MHz的載波段聚合。前者峰值速率高，峰均功率比（PAPR）低，控制信道開銷小，分集增益更明顯[6]，所以LTE-Advanced支持上下行非對稱 CA系統(tǒng)增益明顯。

2.4 L1/L2控制信令傳輸

方案1：控制信令在所有基本載波塊上傳輸。能得到很好的分集增益，但需要定義信道控制指示映射到多個傳輸塊和新的物理下行控制信道（PDCCH） bit定義。

方案2：控制信令只在一個基本載波塊上傳輸。沒有分集效果，信道控制指示與LTE release 8定義相同。PDCCH bit定義需要做出相應(yīng)修改，能夠傳輸多個基本載波塊上的控制信息。

方案3：控制信令在所有基本載波塊上傳輸。與方案1相同，每個基本載波塊上傳輸?shù)目刂菩帕钪皇强刂票据d波的，所以沒有分集效果。但是它的兼容性好，不需要修改LTE現(xiàn)有協(xié)議。

3 頻帶聚合技術(shù)存在的問題

3.1 切換控制

為了保持業(yè)務(wù)的連續(xù)性，LTE-Advanced UE在切換時要保持一致的數(shù)據(jù)速率。如果UE在本小區(qū)使用CA，那么切換到的目標小區(qū)仍然需要為此UE提供CA服務(wù)，這就涉及到大量信令交互，eNodeB需要足夠的頻譜資源調(diào)度UE切換。在選擇切換前，UE需要得到鄰小區(qū)多個載波段的資源信息，綜合考慮導(dǎo)頻信號強度和頻帶占用情況，選擇合適的小區(qū)進行切換。鄰小區(qū)列表和鄰小區(qū)分配的載波段都要通過廣播或者專用信道通知UE，LTE release 8的關(guān)于切換的信令定義也要做出修改。與原來的單載波切換不同，CA里不同的載波段頻點不同，頻率衰落特性也會有所差別。

3.2 保護帶寬

在LTE-Advanced系統(tǒng)中，離散頻帶聚合的載波段頻點間隔較遠，所以無需考慮相互間干擾的問題。但是在高速移動的環(huán)境下，多普勒頻移會影響臨近頻帶的正交性，造成系統(tǒng)內(nèi)干擾。因此連續(xù)頻帶聚合需要考慮在載波段間設(shè)計保護間隔（FA），減少頻帶間干擾的影響。利用MATLAB軟件搭建鏈路級仿真平臺，評估了有無頻帶保護間隔及不同調(diào)制方式下，多普勒頻移對系統(tǒng)誤比特率的影響。仿真考慮了3個連續(xù)載波段，每個載波段帶寬為18 MHz。無保護間隔時，3個載波段連續(xù)相接；有保護間隔時，每個載波段兩邊各設(shè)立1 MHz的保護帶寬，最后統(tǒng)計誤比特率只計入中間載波的性能。仿真平臺包括信號產(chǎn)生、信道編碼、交織、調(diào)制、逆快速傅里葉變換（IFFT）、信道產(chǎn)生及加性噪聲、FFT、檢測、解調(diào)、解交織、信道譯碼、信號判決模塊。具體仿真參數(shù)如表1所示。

由圖6看出，保護帶寬對系統(tǒng)的信噪比（SNR）-誤比特率（BER）曲線影響不大。只有在高信噪比時，沒有保護帶寬會造成誤比特率的輕微上升。如果取消連續(xù)載波段之間的保護間隔對系統(tǒng)性能的影響不會很大。

4 結(jié)束語

頻帶聚合技術(shù)作為未來LTE-Advanced系統(tǒng)重要組成部分，重點解決了高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸問題，并對LTE遺留的UE有較好的兼容性。連續(xù)頻帶聚合和離散頻帶聚合都應(yīng)被支持，相對連續(xù)頻帶聚合，離散頻帶聚合更適合運營商在實際系統(tǒng)中使用，但面臨更多的技術(shù)挑戰(zhàn)。引入CA后，還需考慮切換控制和載波帶寬等問題，修改相應(yīng)協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴?/p>