LTE后續(xù)演進(jìn)中基于頻譜聚合的協(xié)同通信

摘要:大帶寬無線傳輸有兩個實現(xiàn)途徑，一是設(shè)計頻帶更寬的單一系統(tǒng)，一是進(jìn)行不同系統(tǒng)間的協(xié)同設(shè)計。前者是在同一種空口內(nèi)采用基于多載波的頻譜聚合，后者是在不同空口之間采用基于多載波并行傳輸?shù)念l譜聚合。通過多載波并行傳輸實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間頻譜聚合，可以充分利用現(xiàn)有射頻技術(shù)和器件，降低設(shè)備的研制和運(yùn)營成本。而系統(tǒng)間的頻譜聚合，特別是異構(gòu)系統(tǒng)間的頻譜聚合，除了可以擴(kuò)展傳輸帶寬的基本功能之外，還可以解決頻分復(fù)用系統(tǒng)對非對稱業(yè)務(wù)的支持以及時分雙工保護(hù)帶的利用問題，對運(yùn)營商更具有商業(yè)上的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵字:協(xié)同通信；頻譜聚合；非對稱業(yè)務(wù)；保護(hù)頻帶

英文摘要:The wide band radio transmission may be implemented in two parallel ways: to design a new system with larger bandwidth; to construct a cooperative system based on existing systems. The former is a spectrum aggregation scheme based on multi-carrier transmission within one system, while the latter fulfills spectrum aggregation based on multi-carrier transmission among systems. On one hand, the advantage of the multi-carrier transmission scheme within system and among systems lies in that the existing Radio Frequency (RF) techniques and elements can be sufficiently utilized, so the system cost can be decreased. On the other hand, the spectrum aggregation among systems, especially among heterogeneous air-interfaces, can not only expand the basic bandwidth functions, but also fulfill efficient spectrum usage for Frequency Division Duplex (FDD) system under the unbalanced Uplink/Downlink (UL/DL) service scenario and efficient guard band usage between FDD and Time Division Duplex (TDD) system. Commercially, this solution is more significant for operators.

英文關(guān)鍵字:cooperative communications; spectrum aggregation; unbalanced service; guard band

基金項目：國家科技重大專項課題(2009ZX03003)

大帶寬無線傳輸?shù)闹苯觾?yōu)勢是數(shù)據(jù)速率高，可以支持多媒體業(yè)務(wù)，間接優(yōu)勢是通過縮短數(shù)據(jù)的傳輸時間來降低接收機(jī)的功耗。大帶寬無線傳輸與多媒體終端的結(jié)合，還可以改變傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)模式，比如，傳統(tǒng)的視頻點播(VOD)和視頻廣播中除了實時現(xiàn)場直播內(nèi)容之外，都可以利用大帶寬的傳輸能力將內(nèi)容瞬間下載到本地后再播放，這種方式既增加了收視時間、地點、內(nèi)容方面的靈活性，又降低了終端的接收機(jī)和顯示器的功耗，而且，這種業(yè)務(wù)方式可以放寬對大帶寬無線網(wǎng)絡(luò)無隙覆蓋的要求，從而降低建網(wǎng)成本。由于大帶寬傳輸具有上述諸多優(yōu)勢，大帶寬無線傳輸已經(jīng)成為移動通信系統(tǒng)的一個主要發(fā)展趨勢，移動通信系統(tǒng)的傳輸帶寬不斷增加，從通用移動通信系統(tǒng)(UMTS)系統(tǒng)的5 MHz(初始設(shè)計帶寬)到長期演進(jìn)(LTE)系統(tǒng)的20 MHz，再到LTE后續(xù)演進(jìn)系統(tǒng)LTE-A的100 MHz。

移動通信系統(tǒng)實現(xiàn)大帶寬傳輸有兩個基本實現(xiàn)途徑：第1個途徑是設(shè)計一個大帶寬系統(tǒng)；第2個途徑是通過不同系統(tǒng)間的協(xié)同來構(gòu)造具有更大傳輸帶寬的系統(tǒng)。這兩個實現(xiàn)途徑在移動通信的演進(jìn)中是同時存在且相互影響的，第1個途徑主要在新系統(tǒng)設(shè)計中采用，第2個途徑主要在現(xiàn)網(wǎng)演進(jìn)中采用。

第1個實現(xiàn)途徑是3GPP LTE-A標(biāo)準(zhǔn)討論中所采取的，該技術(shù)途徑在LTE-A標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究初期又可以進(jìn)一步分為單載波和多載波兩個方案，單載波方案是在一個單載波調(diào)制帶寬為20 MHz～100 MHz的載波上承載數(shù)據(jù)，其優(yōu)點是射頻(RF)通道結(jié)構(gòu)及控制信道結(jié)構(gòu)簡潔，其缺點是現(xiàn)有射頻功放技術(shù)難以在20 MHz～100 MHz帶寬范圍內(nèi)獲得所需要的功率效率，并且，難以實現(xiàn)與LTE系統(tǒng)的兼容；多載波方案利用多個最大調(diào)制帶寬小于20 MHz的載波聚合成20 MHz～100 MHz的傳輸帶寬，其優(yōu)點是可以基于現(xiàn)有射頻功放技術(shù)，易于實現(xiàn)與LTE的完全兼容，其缺點是控制信道結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。

第2個實現(xiàn)途徑是運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)時所采取的經(jīng)濟(jì)有效的方案，本質(zhì)上也是通過多載波聚合來獲得大的傳輸帶寬，只是參與組合的載波由不同的系統(tǒng)發(fā)射，并且載波所承載的空中接口也會不同，比如，一個20 MHz帶寬的LTE單載波系統(tǒng)與一個10 MHz帶寬的UMTS雙載波系統(tǒng)構(gòu)成一個傳輸帶寬為30 MHz帶寬的協(xié)同通信系統(tǒng)。相對于全部由一個全新的寬帶LTE-A系統(tǒng)來提供所需的傳輸帶寬，這種多系統(tǒng)協(xié)同來獲得大帶寬的方案的優(yōu)點是：減少運(yùn)營上對新系統(tǒng)的投資，充分利用運(yùn)營商現(xiàn)有系統(tǒng)資源，兼容運(yùn)營商現(xiàn)有用戶終端，保證系統(tǒng)的平滑演進(jìn)。

從協(xié)同通信的角度看，上述兩種通過載波聚合獲取更大傳輸帶寬的方法，屬于基于頻譜聚合的協(xié)同通信。文獻(xiàn)[1]對協(xié)同通信從生物學(xué)層面做了較多的分析，但是缺少生態(tài)學(xué)層面的協(xié)同分析，從頻譜聚合的角度對協(xié)同通信的分析也比較欠缺，本文從協(xié)同通信的角度來分析頻譜聚合，可以幫助理解寬帶系統(tǒng)的設(shè)計以及運(yùn)營商的現(xiàn)網(wǎng)演進(jìn)，對解決現(xiàn)網(wǎng)演進(jìn)中的實際問題帶來啟發(fā)。

不同系統(tǒng)間基于頻譜聚合的協(xié)同通信是本文討論的重點，特別是不同系統(tǒng)間通過異構(gòu)頻譜聚合的協(xié)同通信，可以解決現(xiàn)有多載波捆綁技術(shù)無法解決的問題。在本文的第1節(jié)，對頻譜聚合的發(fā)展趨勢進(jìn)行總結(jié)，第2節(jié)討論不同系統(tǒng)間通過異構(gòu)頻譜聚合實現(xiàn)對上下行非對稱業(yè)務(wù)的有效支持，第3節(jié)討論不同系統(tǒng)間通過異構(gòu)頻譜聚合實現(xiàn)對時分雙工(TDD)與頻分復(fù)用(FDD)系統(tǒng)間保護(hù)帶的有效利用。第4節(jié)對本文所述的問題進(jìn)行總結(jié)。

1 頻譜聚合與協(xié)同通信

1.1 頻譜聚合的現(xiàn)狀

在第4代移動通信系統(tǒng)LTE-A標(biāo)準(zhǔn)研究啟動之前，第2代和第3代移動通信系統(tǒng)中就已經(jīng)在協(xié)議層面開始或者完成了對載波聚合的研究，如圖1所示。其中有代表性的載波聚合技術(shù)規(guī)范是時分同步碼分多址(TD-SCDMA)系統(tǒng)和高通推出的數(shù)據(jù)優(yōu)化多載波多鏈路擴(kuò)展(DMMX)和高速數(shù)據(jù)分組接入多載波多鏈路擴(kuò)展(HMMX)平臺，以支持EV-DO和高速數(shù)據(jù)分組接入(HSDPA)長期演進(jìn)。在圖1給出的第2代、第3代和第4代頻譜聚合方案中，都是以載波聚合的方式實現(xiàn)的。在圖1(b)給出的第2代移動通信系統(tǒng)采用的頻譜聚合方式中，高通的DMMX和HMMX具有“多載波多鏈路”傳輸能力，可以在多個頻段上同時使用多個無線傳輸協(xié)議，比如，700 MHz頻段上基于正交頻分復(fù)用(OFDM)、用于視頻服務(wù)的MediaFLO前向鏈路，加上蜂窩頻段上基于碼分多址(CDMA)的進(jìn)展數(shù)據(jù)優(yōu)化(EV-DO)反向鏈路，是一個支持系統(tǒng)間(或者跨協(xié)議)頻譜聚合的平臺。

在第2代和第3代移動通信系統(tǒng)采用的頻譜聚合，除了高通的DMMX和HMMX支持跨頻段跨協(xié)議的載波聚合，其他系統(tǒng)，如全球移動通信系統(tǒng)(GSM)、TD-SCDMA以及UMTS的多載波HSPA，都是系統(tǒng)內(nèi)的連續(xù)載波聚合，其追求的目標(biāo)也很單一，就是擴(kuò)展傳輸帶寬，而LTE的載波聚合演進(jìn)則納入了第4代移動通信系統(tǒng)LTE-A階段。對于LTE-A，雖然將載波聚合的范圍從3G的連續(xù)載波間的聚合擴(kuò)展到了非連續(xù)載波的聚合，但是目前仍然是限定在系統(tǒng)內(nèi)的載波聚合，LTE-A目前沒有考慮支持系統(tǒng)間載波聚合，圖1(c)所示的第4代頻譜聚合中的系統(tǒng)間頻譜聚合，是表明在技術(shù)層面存在可行性。

1.2 頻譜聚合的發(fā)展趨勢

第4代移動通信系統(tǒng)LTE-A有如下基本問題與基于頻譜聚合的協(xié)同通信相關(guān)：

(1)如何獲得大帶寬頻譜

是在同一個LTE-A FDD系統(tǒng)或者LTE-A TDD系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行載波聚合來實現(xiàn)大的傳輸帶寬，還是將LTE-A FDD系統(tǒng)與LTE-A TDD系統(tǒng)通過載波聚合協(xié)同起來獲得大的傳輸帶寬？