LTE_A中载波聚合技术研究进展

速率为1Gbit/s，上行峰值速率为500Mbit/s，下行频谱 470MHz、698MHz～862MHz、790MHz～862MHz、2.3GHz
效 率 提 高 到 30bit/s/Hz， 上 行 频 谱 效 率 提 高 到 ～2.4GHz、3.4GHz～3.6GHz。因此，频谱聚合要求可以
15bit/s/Hz。在系统容量方面，LTE- A要求每5M带宽内 在多个频点上跨频带进行聚合。可以看出ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱLTE- A系
设计可分为PDCCH、PUCCH、PHICH等方面。
LTE- A系统性能的先进技术，上述“强兼容”要求也
LG、Huawei、Motorola等公司对PDCCH的结构进 有可能放松。
行了详细分析与设计。RAN1在56#会议上，就关于载
载波聚合对于LTE的兼容目前主要有全部后向
波聚合中PDCCH设计原则方面作了讨论，决定使用 兼容和非后向兼容两种。全部兼容是LTE的用户应该
支持后向兼容、支 持非后向兼容
标准未确定支持 后向兼容或非后 向兼容
配合频谱效率和 控制信道设计综 合考虑
频谱效率
减少载波间的保 只研究了对称载 非对称载波聚合
护带宽
波间的保护带宽 频谱效率
载波聚合中的切 换
跨频段聚合
研究处于初级阶 段
切换机制、由于覆 盖的模糊性所带 来的切换
2.1 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
层载波聚合应用、载波聚合对于LTE的兼容考虑、在
种聚合方式。
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。
图3 数据流分别在MAC和物理层聚合
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。
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”。
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，文献[3]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。
及控制信道的设计等方面与单载波系统有所区别。 的LTE系统资源，大大降低LTE- A系统的设计难度，
在LTE- A系统中，每个子载波对应一个独立的数据 以最小代价完成零散带宽的聚合。
流，子载波之间数据流的聚合方式可以分为在MAC
就标准方面可以从以下6点来考虑LTE- A中的
层聚合和在物理层聚合两种。图3所示为数据流的两 载波聚合技术，即应用场景、非对称载波聚合、物理
40MHz。为了应对ITU对第4代移动通信技术的需求
载波聚合技术将多个LTE载波扩展成LTE- A系
和其他标准化组织的挑战，3GPP组织在2008年3月正 统的传输载波。并且LTE系统的用户终端和LTE- A系
式 启 动 了 后 续 演 进 项 目 LTE- Advance（LTE- A）。 统的用户终端均可以使用“LTE载波单元”进行通信。
个 PHICH分别对应一 个UL组成载波 的映射方 式 。 波与LTE Rel- 8兼容是可能的。不排除LTE- A组成载波
PUCCH的设计着重于控制信息和数据复用传输方 中考虑非后向兼容。由此可见，LTE- A中支持非后向兼
式。其中，LG Electronics就提出：在同一个时间里，UE 容组成载波是可能的。文献[4,5]对对称的载波聚合方
PRACH参数- 时间、频率、编码资源；RAR在所有下行 LTE- A系统的频带利用率。目前可用的保护带宽有
组成载波对应一个上行载波上传输；初始接入时使 子载波间的保护带宽、频带的保护带宽。由于频带间
用仅仅一个DL载波，即对仅仅一个DL载波限制向后 的保护带宽有较大的利用空间，在不引进额外干扰
兼容，例如不通过其他载波传输PBCH/SCH。
TDD模式的时延小于10ms。此外，与LTE系统相比， 1.1 载波聚合方式
LTE- A系统在关键技术方面有了很大的增强，引入
按照频谱的连续性，载波聚合可以分为连续载
了一些新的候选技术，如载波聚合技术、增强型多 波聚合与非连续载波聚合。按照系统支持业务的对
天线技术、无线网络编码技术和无线网络MIMO技 称关系，分为对称载波聚合与非对称载波聚合。图1
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
一个组成载波来传输PDCCH，FFS对于PDCCH信息 和每一个载波聚合都能接入，同时还有一个选择与
的映射／编码问题与各个CC上的PDSCH相关。LG公 LTE- A结合，这样能接入一部分的被聚合的载波。目
司就HARQ映射的后向兼容和灵活性等问题在56#会 前3GPP的协议有可能让所有的都进行重新配置，按照
高的CM/PAPR不能忽视。而对于不同小区标识的分 载波配置情况。只有在相邻小区有足够频率资源的
配，上行链路参考信号的正交性会很差。解决方法是 前提下，用户终端才能进行切换。因此，采用多载波
在不同的组成载波中不广播不同的物理小区标识。 聚合技术，LTE- A系统需要解决切换机制，以及由于
下行的灵敏度和RACH msg 传输过程。Samsung公司 时间同步，并且子载波之间满足正交性。在聚合连续
在NTT DoCoMo 公司研究的基础上，就初始接入问题 LTE载波的情况下，如果考虑减少载波间的保护带
提出3点建议，即分别在每个DL组成载波上广播 宽，增加带宽内传输数据的载波数量，可以提高
30
2010.2 数据通信
新技术 New Technology
2.2 非对称载波聚合
统的全部功能，并支持与LTE的前后向兼容性，即R8
非对称载波聚合中的关键技术是控制信道和信 LTE的终端可以接入未来的LTE- A系统，LTE- A终端
令的设计以及接入过程等。其中控制信道和信令的 也可以接入R8 LTE系统。但如果发现可以显著提高
支持200～300个并行的VoIP用户。LTE- A对时延的 统部署大量频段集中在3.4GHz以上的较高频段，有
控制更加严格，控制层从空闲状态转换到连接状态 可能是1个多频段层叠无线接入系统。空中接口技术
的时延低于50ms，从休眠状态转换到连接状态的时 的框架就是由宽带宽、非连续频谱分布和灵活频谱
延低于10ms；用户层在FDD模式的时延小于5ms，在 的使用决定的。
2010.2 数据通信
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LTE- A 中载波聚合技术研究进展
龚 凌 曹华孝 （华为技术有限公司成都研究所 成都 610041； 重庆邮电大学移动通信重点实验室 重庆 400065）
摘 要：介绍了LTE- Advanced系统中载波聚合的关键技术，重点分析了载波聚合技术的应用现状及 LTE- A中与载波聚合结合的热门技术，并探讨了载波聚合技术进一步发展的工作。
的前提下，3GPP讨论了多种利用频带间的保护带宽
2.3 物理层应用
来传输数据的技术方案。
虽然在LTE- A系统中，子载波之间数据流的聚 2.6 载波聚合中的切换
合方式为在MAC层聚合，而不在PHY中聚合，但载波
为了支持服务的连续性，在载波聚合的切换过
聚合在物理层中如何应用的问题仍然需要重点关 程中，基站必须提供相对稳定的服务速率。如果小区
术等。
示意了连续载波聚合方式与非连续载波聚合方式。5个
从LTE到LTE- Advanced系统的演进过程中，更 连续的20MHz频带聚合成一个100MHz带宽，两个不连
宽频谱的需求将成为影响演进的最重要因素之一。
当前LTE- A系统有6个候选频点，如果考虑到现有的
频谱分配方式和规划，很难找到足够的承载LTE- A
系统100MHz带宽的整段频带。因此，3GPP[2]提出了使
用载波聚合（Carrier Aggregation）技术来解决LTE- A
图1 连续载波聚合与非连续载波聚合示意图
收稿日期：2010-01-29 29
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数据通信 2010.2
续的20MHz频带聚合成一个40MHz的带宽。 LTE系统和LTE- A系统支持不对称业务 （UL与
注。目前在这方面的研究主要集中于物理小区标识 内的用户终端采用了载波聚合技术，基站在切换过
PC（I physical cell ID）的分配上。CATT公司指出：对于 程中也要支持载波聚合技术。相邻小区要通过广播
相同小区标识的分配，下行信令的关键问题是有更 或特定信号通知用户终端本小区的剩余频率资源和
独立传输PUCCH和PUSCH；当要在同一个UL子载波 式进行了具体分析，并设计3种PDCCH的选择方式。
上进行传输时，PUCCH要给PUSCH捎带回答信息。还 2.5 频谱效率
分析了功率受限和非对称载波聚合中的特殊考虑。
载波聚合技术在一定程度上提高了频谱利用
在初始接入方面，重点在于解决接入时上行／ 率。同时，由于LTE- A系统下行链路载波要求严格的
关键词：载波聚合技术；LTE- Advanced系统
LTE目前支持最大20MHz的系统带宽，下行峰值 系统对频带资源的需求。
速率可以达到约300Mbit/s。而ITU- Advanced以1Gbit/s
为 设 计 目 标 ， 同 时 要 求 系 统 的 最 大 带 宽 不 小 于 1 载波聚合技术概述
2 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
图2 非对称DL/ UL载波聚合参考模型
术 一 方 面 可 以 通 过 直 接 聚 合 多 个 LTE 载 波 ， 满 足
1.2 载波聚合实现方案
LTE- A需要的大带宽需求，不需要重新设计物理信
基于载波聚合的LTE- A系统在传输块的映射以 道和调制编码方案；另一方面也可以通过复用已有
表1 载波聚合技术应用
载波聚合技术
研究现状
存在问题
进一步可研究方向
应用场景
室内场景和游牧 场景
未深入讨论
应用场景的优化
非对称载波聚合
控制信道和信令 设计、初始接入过 程
具体信道格式未 确定
配合频谱效率综 合考虑
物理层应用
频 点 分 配 、PCI 分 配
研究不全面
载波间的时间同 步
兼容性（主要研究 非对称情况）
LTE- A在频点、带宽、峰值速率及兼容性等方面都有 目前已有很多公司对载波聚合技术的可行性方案进行 新的需求[1]。其中，LTE- A系统支持的系统带宽最小 了广泛的讨论分析，如DoCoMo、Ericsson、Huawei等。
为20MHz，最大带宽达到100MHz。它支持的下行峰值
LTE- A 系 统 的 潜 在 应 用 频 段 包 括 450MHz ～
深，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。
议和57#会议上分别作了详细讨论。Samsung和CATT Rel- 8终端，全兼容，并且LTE- A的支持也给予考虑。
公司在57#会议上分别就PHICH问题作了讨论，提出
目前支持载波聚合对于LTE的非后向兼容较多。
当上行链路组成载波比下行链路组成载波大时，每 TR 36.814指出：在对称的载波聚合中配置的组成载