引言

在現(xiàn)有無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，頻譜效率不高，每個(gè)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(yǔ)音業(yè)務(wù)的日趨飽和，運(yùn)營(yíng)商需要考慮在未來無線寬帶移動(dòng)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(shí)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(jìn)。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(yùn)營(yíng)商所面臨的共同問題。

3GPP RAN1 #53bis次會(huì)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(shí)接收一個(gè)或者多個(gè)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(gè)頻帶，使LTE-Advanced的用戶能夠同時(shí)接收帶寬超過20 MHz的數(shù)據(jù)。現(xiàn)在一般認(rèn)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(gè)載波段定義近似等于LTE release 8的最大傳輸帶寬。

為同一個(gè)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(rèn)為不能超過兩倍），否則就失去了載波聚合的意義，并會(huì)增加大量的信令開銷。例如，10 MHz和20 MHz的兩個(gè)載波段可以聚合，但是1.4 MHz和20 MHz的兩個(gè)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(huì)對(duì)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(jì)劃（3GPP）會(huì)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(jìn)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(gè)用戶服務(wù)的多個(gè)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(shí)現(xiàn)頻帶聚合較為容易，信令開銷小，UE需要檢測(cè)的頻點(diǎn)也較少。相對(duì)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(gè)頻帶數(shù)據(jù)的連續(xù)接收，節(jié)省終端的成本。針對(duì)最新的3GPP會(huì)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(diǎn)為100 kHz的整數(shù)倍，其它載波段的中心頻點(diǎn)不在100 kHz的整數(shù)倍。每個(gè)載波段均是由100個(gè)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(gè)子載波（285 kHz），以保證每個(gè)載波段的中心頻點(diǎn)都是100 kHz的整數(shù)倍，在頻帶聚合兩端的保護(hù)帶寬會(huì)相應(yīng)減少。

方案3：如圖4[3]、圖5[3]所示，適當(dāng)減少每個(gè)載波段的帶寬，減少其中子載波數(shù)目，并保證每個(gè)載波段的中心頻點(diǎn)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(duì)現(xiàn)有協(xié)議進(jìn)行修改。

保護(hù)帶寬：方案1和方案3的保護(hù)帶寬與LTE release 8相比沒有減少，而方案2的保護(hù)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(jìn)一步研究，選擇其中一個(gè)作為頻帶聚合的基本標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 離散頻帶聚合

從運(yùn)營(yíng)商的角度考慮，離散頻帶聚合更適合在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中使用。在現(xiàn)實(shí)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(gè)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(yùn)營(yíng)商希望復(fù)用其中一些離散的未使用頻帶；二是為L(zhǎng)TE-Advanced分配的頻帶本身就離散在整個(gè)頻域，所以離散頻帶聚合技術(shù)顯得尤為重要[5]。

WRC07為L(zhǎng)TE-Advanced新分配的帶寬，不是很大且不連續(xù)，頻點(diǎn)相隔也較遠(yuǎn)。

現(xiàn)有的功控算法主要基于估計(jì)的鏈路預(yù)算，而這些公式中很少考慮頻率對(duì)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(gè)物理實(shí)體將數(shù)據(jù)進(jìn)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?jí)有所不同，且采用不同的多輸入多輸出（MIMO） 模式和調(diào)制編碼方式；數(shù)據(jù)分流在MAC層完成，不會(huì)改變每個(gè)載波段現(xiàn)有的物理層設(shè)計(jì)、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(gè)載波段的混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（HARQ）過程也是相互獨(dú)立的，確認(rèn)/非確認(rèn)（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(huì)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?jí)相同，并使用相同的調(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(jì)；協(xié)議和設(shè)備修改量大；多個(gè)載波段采用一個(gè)HARQ進(jìn)程，即所有載波段只有一個(gè)ACK/NACK；MAC層和RLC層會(huì)受到CA的影響，PDU會(huì)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(huì)存在多個(gè)載波段。廣播信道可以在每個(gè)載波段的中心頻點(diǎn)分別發(fā)射，也可以只在所有載波段的中心頻點(diǎn)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(huì)造成信令開銷大，資源浪費(fèi)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(diǎn)獲取廣播信息。

2.3 上下行非對(duì)稱CA

在現(xiàn)在的3GPP會(huì)議中，已達(dá)成共識(shí)：LTE-Advanced系統(tǒng)支持上下行非對(duì)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(gè)20 MHz的載波段；而上行傳輸則需要20 MHz帶寬，這時(shí)需考慮的是：采用一個(gè)20 MHz的載波段還是采用兩個(gè)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(duì)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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(biāo)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(gè)載波段的資源信息，綜合考慮導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度和頻帶占用情況，選擇合適的小區(qū)進(jìn)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(diǎn)不同，頻率衰落特性也會(huì)有所差別。

3.2 保護(hù)帶寬

在LTE-Advanced系統(tǒng)中，離散頻帶聚合的載波段頻點(diǎn)間隔較遠(yuǎn)，所以無需考慮相互間干擾的問題。但是在高速移動(dòng)的環(huán)境下，多普勒頻移會(huì)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(jì)保護(hù)間隔（FA），減少頻帶間干擾的影響。利用MATLAB軟件搭建鏈路級(jí)仿真平臺(tái)，評(píng)估了有無頻帶保護(hù)間隔及不同調(diào)制方式下，多普勒頻移對(duì)系統(tǒng)誤比特率的影響。仿真考慮了3個(gè)連續(xù)載波段，每個(gè)載波段帶寬為18 MHz。無保護(hù)間隔時(shí)，3個(gè)載波段連續(xù)相接；有保護(hù)間隔時(shí)，每個(gè)載波段兩邊各設(shè)立1 MHz的保護(hù)帶寬，最后統(tǒng)計(jì)誤比特率只計(jì)入中間載波的性能。仿真平臺(tái)包括信號(hào)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(cè)、解調(diào)、解交織、信道譯碼、信號(hào)判決模塊。具體仿真參數(shù)如表1所示。

由圖6看出，保護(hù)帶寬對(duì)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(shí)，沒有保護(hù)帶寬會(huì)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(hù)間隔對(duì)系統(tǒng)性能的影響不會(huì)很大。

4 結(jié)束語(yǔ)

頻帶聚合技術(shù)作為未來LTE-Advanced系統(tǒng)重要組成部分，重點(diǎn)解決了高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸問題，并對(duì)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(duì)連續(xù)頻帶聚合，離散頻帶聚合更適合運(yùn)營(yíng)商在實(shí)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>