LTE后续演进中基于频谱聚合的协同通信

摘要:大带宽无线传输有两个实现途径，一是设计频带更宽的单一系统，一是进行不同系统间的协同设计。前者是在同一种空口内采用基于多载波的频谱聚合，后者是在不同空口之间采用基于多载波并行传输的频谱聚合。通过多载波并行传输实现系统内和系统间频谱聚合，可以充分利用现有射频技术和器件，降低设备的研制和运营成本。而系统间的频谱聚合，特别是异构系统间的频谱聚合，除了可以扩展传输带宽的基本功能之外，还可以解决频分复用系统对非对称业务的支持以及时分双工保护带的利用问题，对运营商更具有商业上的现实意义。

关键字:协同通信；频谱聚合；非对称业务；保护频带

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.

英文关键字:cooperative communications; spectrum aggregation; unbalanced service; guard band

基金项目：国家科技重大专项课题(2009ZX03003)

大带宽无线传输的直接优势是数据速率高，可以支持多媒体业务，间接优势是通过缩短数据的传输时间来降低接收机的功耗。大带宽无线传输与多媒体终端的结合，还可以改变传统的业务模式，比如，传统的视频点播(VOD)和视频广播中除了实时现场直播内容之外，都可以利用大带宽的传输能力将内容瞬间下载到本地后再播放，这种方式既增加了收视时间、地点、内容方面的灵活性，又降低了终端的接收机和显示器的功耗，而且，这种业务方式可以放宽对大带宽无线网络无隙覆盖的要求，从而降低建网成本。由于大带宽传输具有上述诸多优势，大带宽无线传输已经成为移动通信系统的一个主要发展趋势，移动通信系统的传输带宽不断增加，从通用移动通信系统(UMTS)系统的5 MHz(初始设计带宽)到长期演进(LTE)系统的20 MHz，再到LTE后续演进系统LTE-A的100 MHz。

移动通信系统实现大带宽传输有两个基本实现途径：第1个途径是设计一个大带宽系统；第2个途径是通过不同系统间的协同来构造具有更大传输带宽的系统。这两个实现途径在移动通信的演进中是同时存在且相互影响的，第1个途径主要在新系统设计中采用，第2个途径主要在现网演进中采用。

第1个实现途径是3GPP LTE-A标准讨论中所采取的，该技术途径在LTE-A标准技术研究初期又可以进一步分为单载波和多载波两个方案，单载波方案是在一个单载波调制带宽为20 MHz～100 MHz的载波上承载数据，其优点是射频(RF)通道结构及控制信道结构简洁，其缺点是现有射频功放技术难以在20 MHz～100 MHz带宽范围内获得所需要的功率效率，并且，难以实现与LTE系统的兼容；多载波方案利用多个最大调制带宽小于20 MHz的载波聚合成20 MHz～100 MHz的传输带宽，其优点是可以基于现有射频功放技术，易于实现与LTE的完全兼容，其缺点是控制信道结构相对复杂。

第2个实现途径是运营商网络演进时所采取的经济有效的方案，本质上也是通过多载波聚合来获得大的传输带宽，只是参与组合的载波由不同的系统发射，并且载波所承载的空中接口也会不同，比如，一个20 MHz带宽的LTE单载波系统与一个10 MHz带宽的UMTS双载波系统构成一个传输带宽为30 MHz带宽的协同通信系统。相对于全部由一个全新的宽带LTE-A系统来提供所需的传输带宽，这种多系统协同来获得大带宽的方案的优点是：减少运营上对新系统的投资，充分利用运营商现有系统资源，兼容运营商现有用户终端，保证系统的平滑演进。

从协同通信的角度看，上述两种通过载波聚合获取更大传输带宽的方法，属于基于频谱聚合的协同通信。文献[1]对协同通信从生物学层面做了较多的分析，但是缺少生态学层面的协同分析，从频谱聚合的角度对协同通信的分析也比较欠缺，本文从协同通信的角度来分析频谱聚合，可以帮助理解宽带系统的设计以及运营商的现网演进，对解决现网演进中的实际问题带来启发。

不同系统间基于频谱聚合的协同通信是本文讨论的重点，特别是不同系统间通过异构频谱聚合的协同通信，可以解决现有多载波捆绑技术无法解决的问题。在本文的第1节，对频谱聚合的发展趋势进行总结，第2节讨论不同系统间通过异构频谱聚合实现对上下行非对称业务的有效支持，第3节讨论不同系统间通过异构频谱聚合实现对时分双工(TDD)与频分复用(FDD)系统间保护带的有效利用。第4节对本文所述的问题进行总结。

1 频谱聚合与协同通信

1.1 频谱聚合的现状

在第4代移动通信系统LTE-A标准研究启动之前，第2代和第3代移动通信系统中就已经在协议层面开始或者完成了对载波聚合的研究，如图1所示。其中有代表性的载波聚合技术规范是时分同步码分多址(TD-SCDMA)系统和高通推出的数据优化多载波多链路扩展(DMMX)和高速数据分组接入多载波多链路扩展(HMMX)平台，以支持EV-DO和高速数据分组接入(HSDPA)长期演进。在图1给出的第2代、第3代和第4代频谱聚合方案中，都是以载波聚合的方式实现的。在图1(b)给出的第2代移动通信系统采用的频谱聚合方式中，高通的DMMX和HMMX具有“多载波多链路”传输能力，可以在多个频段上同时使用多个无线传输协议，比如，700 MHz频段上基于正交频分复用(OFDM)、用于视频服务的MediaFLO前向链路，加上蜂窝频段上基于码分多址(CDMA)的进展数据优化(EV-DO)反向链路，是一个支持系统间(或者跨协议)频谱聚合的平台。

在第2代和第3代移动通信系统采用的频谱聚合，除了高通的DMMX和HMMX支持跨频段跨协议的载波聚合，其他系统，如全球移动通信系统(GSM)、TD-SCDMA以及UMTS的多载波HSPA，都是系统内的连续载波聚合，其追求的目标也很单一，就是扩展传输带宽，而LTE的载波聚合演进则纳入了第4代移动通信系统LTE-A阶段。对于LTE-A，虽然将载波聚合的范围从3G的连续载波间的聚合扩展到了非连续载波的聚合，但是目前仍然是限定在系统内的载波聚合，LTE-A目前没有考虑支持系统间载波聚合，图1(c)所示的第4代频谱聚合中的系统间频谱聚合，是表明在技术层面存在可行性。

1.2 频谱聚合的发展趋势

第4代移动通信系统LTE-A有如下基本问题与基于频谱聚合的协同通信相关：

(1)如何获得大带宽频谱

是在同一个LTE-A FDD系统或者LTE-A TDD系统内进行载波聚合来实现大的传输带宽，还是将LTE-A FDD系统与LTE-A TDD系统通过载波聚合协同起来获得大的传输带宽？