LTE-Advanced中的载波聚合技术研究

1 LTE-Advanced中载波聚合技术的设计原则
    在LTE-Advanced(LTE Release-10)系统关于载波聚合的设计过程中，主要遵循了如下原则：

    (1)聚合的每个分量载波(也称为服务小区，为表述一致方便，这里统一用分量载波)所采用的帧结构参数与LTE(LTE Release-8)中的相同。

    (2)具有载波聚合能力的LTE-Advanced终端最多可以同时发送/接收5个分量载波(每个分量载波最多支持100个资源块)。

    (3)允许把所有载波配置成与LTE标准兼容的载波，即使若干载波被某些具有载波聚合能力的LTE-Advanced终端聚合使用，LTE终端仍可以在其中一个载波上发送/接收数据。

    (4)连续和离散载波聚合这两种聚合形式都支持，从物理层标准的角度来看，这两种载波聚合方式将采用相同的解决方案。

    (5)具有载波聚合能力的LTE-Advanced 终端可以支持非对称载波聚合，即下行链路和上行链路聚合的分量载波数目可以不同。

    采用上述设计原则，不仅能满足LTE-Advanced系统在聚合带宽上的需求，而且可以很好地保持对LTE系统的后向兼容性，便于支持各种带宽能力的终端，非常有利于LTE系统到LTE-Advanced系统的平滑过渡。
目前，LTE终端带宽能力通常是20 MHz，LTE-A通过聚合多个对LTE后向兼容的载波可以支持到最大100 MHz带宽。

2 LTE-Advanced中载波聚合关键技术

2.1 主从分量载波机制
    在终端聚合的多个分量载波中，高层会配置其中一对上行/下行分量载波为主上行/下行分量载波，其他分量载波称为辅分量载波。与主分量载波必须同时配置上下行分量载波不同，辅分量载波可以只有一个下行分量载波。图1给出了主/辅分量载波的示意图。

    主分量载波除了要求同时配置有上行/下行分量载波外，还具有一些辅分量载波所不具有的一些性质，比如：

• 一些非接入层的移动性信息、安全参数等等只会在主分量载波上发送。
• 终端只会在主分量载波上发起随机接入过程。
• 主分量载波始终处于激活状态，而辅分量载波则可以通过信令来激活或去激活。

2.2 下行控制信道设计
    LTE-Advanced下行控制信道设计的一个重要目的是支持跨载波调度。在进行载波聚合时，系统支持半静态地配置是否进行跨载波调度。当未配置跨载波调度时，每个分量载波上拥有独立的下行控制信道，各信道工作方式与LTE系统中类似。当配置跨载波调度时，在下行控制信息(DCI)中新增载波指示位(CIF)来指示物理下行控制信道(PDCCH)与分量载波之间的对应关系。CIF长度固定，其位置在不同格式的DCI中也是固定的。需要说明的是：在LTE中，终端通过盲检测来确定增强基站(eNB)发给自己的PDCCH。如果允许任意的跨载波调度，这虽然增强了eNB调度的灵活性，但是盲检测搜索空间的个数将随跨载波调度的分量载波数量的增加而增加，将导致终端检测PDCCH的复杂度呈指数增加。为了解决这个问题，LTE-Advanced标准规定：在确定某个分量载波上是否有自己的物理下行共享信道(PDSCH)/物理上行共享信道(PUSCH)时，终端只会在一个分量载波上检测与此相关的PDCCH。为便于理解，图2给出了LTE-Advanced的跨载波调度示意图。LTE-Advanced不支持图2(a)所示的跨载波调度，但是支持图2(b)所示的跨载波调度。在LTE中，终端需要在小区公有搜索空间和终端专有搜索空间两个搜索空间检测是否有自己的PDCCH。在引入载波聚合后，为了进一步降低PDCCH盲检测复杂度，终端仅在主分量载波上检测小区公有搜索空间。

    在异构网络中，不同分量载波的干扰情况是不同的。在这样的情况下，如何有效地进行干扰规避或干扰管理非常重要。而上述的跨载波调度则提供了一个高效的控制信道干扰规避机制。跨载波调度在异构网络中的应用如图3所示[3]。图3中UE1、UE2、UE3都是具有载波聚合能力的终端，UE1附属于宏基站Macro，UE2、UE3则分别附属于家庭基站HeNB1和HeNB2，Macro通过分量载波1(CC1)的PDCCH来调度CC1和CC2；而HeNB1和HeNB2则通过CC2的PDCCH来调度CC1和CC2。由于频率差异，Macro小区和HeNB的控制信道干扰通过跨载波调度的方式得到了有效规避。

    如前所述，跨载波调度可以有效地避免相邻小区下行控制信道之间的相互干扰。但与此同时，支持跨载波调度将对现有LTE系统的自动重传指示信道(PHICH)、物理控制格式指示信道(PCFICH)也造成一定影响。下面对它们分别予以阐述：

    (1)在LTE系统中，为了节省信令开销，终端的PHICH资源是通过eNB分配的PUSCH资源隐含指示的，引入跨载波调度后会造成PHICH资源模糊和冲突问题。为了解决这个问题，LTE-Advanced提出了根据分配的PUSCH资源和上行授权联合指示PHICH资源的方案，eNB进而可以通过调度的方式解决该问题。

    (2)在LTE中，终端如果PCFICH检测错误，那么就会导致后续的PDCCH检测失败，二者具有一致性。但是在引入跨载波调度后，就有可能出现分量载波1上调度分量载波2的PDCCH检测正确，分量载波2的PCFICH检测错误的情况，这进而会导致PDSCH检测错误，即使多次重传也不能正确解码，造成混合自动重传请求(HARQ)缓冲器损坏的严重问题。LTE-Advanced 通过设计新的高层信令，明确指示被跨载波调度的分量载波的PDSCH位置，从而避免上述问题的发生。

2.3 上行控制信道设计
    在引入载波聚合后，上行控制信道设计面临的一个首要问题是：是否支持多个物理上行控制信道(PUCCH)同时传输？考虑到上行峰均比(PAPR)和功率控制限制，LTE-Advanced规定终端只会在主分量载波上发送PUCCH，并且在该分量载波上，终端同时只会发送一个PUCCH。在此基础上，上行控制信道还面临如下3个关键问题：

    (1)当终端聚合了多个下行分量载波时，终端如何反馈更多HARQ-ACK比特？以FDD为例，LTE终端一次最多需要反馈2个HARQ-ACK比特，而LTE-Advanced终端一次则最多需要反馈10个HARQ-ACK比特。

    (2)当PUSCH和PUCCH同时发送时，上行控制信息该如何发送？之所以出现这个问题是因为在LTE中，为了保证终端发送信号的低PAPR特性，终端不会同时发送PUSCH和PUCCH。当然，这种规定也一定程度上牺牲了上行频谱效率。

    (3)当终端聚合了多个下行分量载波时，终端如何反馈这些分量载波的信道状态信息(CSI)？
对于问题1，LTE-Advanced提出如下两个解决方案[4]：

    方案1基于PUCCH格式1b的信道选择，借鉴LTE中TDD系统HARQ-ACK比特反馈的思想，对资源分配、信息映射进行优化。该方案最多可以反馈4个HARQ-ACK比特。

    方案2提出一种新的PUCCH格式(PUCCH格式3)。PUCCH格式3采用基于离散傅立叶变换-时域扩展-正交频分复用(DFT-s-OFDM)的信道结构。该信道结构最多可以支持5个终端复用在相同的时频位置上，具体结构如图4所示。当信道编码采用单里德-穆勒(RM)编码时，该方案最多可以反馈11比特(10比特HARQ-ACK信号和1比特调度请求信息)，足以满足FDD系统最多支持5个载波聚合的场景。

    为了提高PUCCH格式3的资源利用效率，LTE-Advanced采用了一种高层半静态配置和物理层信令动态指示的资源分配方式。分配方式具体为：eNB通过高层预先配置多个PUCCH格式3资源，这些PUCCH格式3资源可以为多个用户共享。当某终端需要PUCCH格式3资源时，eNB可以利用DCI中的PUCCH资源指示信息指示终端应该使用前述高层配置的那些PUCCH格式3资源中哪些PUCCH资源。另外，对于基于PUCCH 格式1b的信道选择的方法，LTE-Advanced也引入了类似机制来提高PUCCH资源利用效率。

    对于问题2，LTE-Advanced给出如下两个解决方案：
    方案1，当上行控制信息只有HARQ-ACK或者周期CSI时，HARQ-ACK或者周期CSI在PUCCH上发送，PUSCH只传送用户数据；当上行控制信息既有HARQ-ACK也有周期CSI时，HARQ-ACK在PUCCH上发送，周期CSI在PUSCH上发送。

    方案2，当有多个PUSCH可以发送上行控制信息时，若多个PUSCH所在的上行分量载波包含主上行分量载波时，选择在主上行分量载波上的PUSCH发送上行控制信息，否则选择上行分量载波索引最小的PUSCH发送上行控制信息。

    对于问题3，LTE-Advanced将需要反馈的信息区分为周期CSI和非周期CSI。对于周期CSI，每个下行分量载波的反馈周期独立配置，当有多个下行分量载波的周期CSI需要同时反馈时，UE只反馈某一个分量载波上具有最高优先级的周期CSI(对于具有相同优先级的多个下行分量载波的周期CSI，反馈下行分量载波索引最小的分量载波的周期CSI)。而对于非周期CSI，LTE-Advanced对LTE中利用DCI触发非周期CSI的思路进行了扩展，将DCI中用于触发非周期CSI的“CSI请求”控制域由原来的1比特增加到2比特，同时，高层配置了两个分量载波集合，eNB可以根据调度需要，利用这两个比特可以触发终端发送某个分量载波集合甚至某个特定分量载波的非周期CSI。

2.4 功率控制 
    在LTE中，由于分量载波只有一个，所以eNB根据终端上报的功率上升空间报告(PHR)来确定终端剩余可用的功率。而在LTE-Advanced中，eNB的上行调度是以分量载波为单位的，不同分量载波之间传输的带宽以及MCS等参数都很有可能是不一样的。因此，其功控也是基于分量载波的，终端为每个分量载波都上报一个PHR。

    为了支持PUSCH和PUCCH同时发送，LTE-Advanced还在LTE PHR基础上，针对PUSCH和PUCCH同时发送重新定义了一种新的PHR。另外，在LTE中，由于分量载波只有一个，当eNB分配资源所使用的功率超过终端最大发射功率时，终端功率消减为终端最大发射功率就可以了，而当LTE-Advanced聚合多个上行分量载波后，如果多个分量载波的发射功率之和超过终端最大发射功率时，需要规定终端如何对多个分量载波的发射功率进行消减，以使得多个分量载波的发射功率之和不超过终端最大发射功率。因此，LTE-Advanced采用了根据信道类型以及所传输信息进行分级功率削减的方案。方案具体如下：

• 当多个PUSCH同时发送且发射功率超过终端配置的最大发射功率时，通过对多个PUSCH的发射功率乘以同样的功率削减因子的方法来等比例的降低多个PUSCH的发射功率，确保上行发射功率不会超过终端配置的最大发射功率。
• 当同时发送的多个PUSCH中有某一个携带有上行控制信息时，先确保携带有上行控制信息的PUSCH的发射功率，然后通过对多个没有携带上行控制信息的PUSCH的发射功率乘以同样的功率削减因子的方法来等比例的降低多个没有携带上行控制信息的PUSCH的发射功率，确保上行发射功率不会超过终端配置的最大发射功率。
• 当多个PUSCH与PUCCH同时发送且发射功率超过终端配置的最大发射功率时，先确保PUCCH的发射功率，然后通过对多个PUSCH的发射功率乘以同样的功率削减因子的方法来等比例的降低多个PUSCH的发射功率，确保上行发射功率不会超过终端配置的最大发射功率。
• LTE-A系统支持多个测量导频信号(SRS)同时传输。当多个SRS同时发送且发射功率超过终端配置的最大发射功率时，通过对多个SRS的发射功率乘以同样的功率削减因子的方法来等比例的降低多个SRS的发射功率，确保上行发射功率不会超过UE配置的最大发射功率。

2.5 TD-LTE系统的特殊考虑
    与FDD系统相比，引入载波聚合后，TD-LTE系统的终端一次需要反馈的HARQ-ACK比特更多。假设一个无线帧中上下行子帧比例为1:4，一个上行子帧上要反馈4个下行子帧的HARQ-ACK比特，如果聚合5个分量载波，每个分量载波的下行传输模式又支持两码字流传输，则UE需要反馈40个HARQ-ACK比特，而前述基于单RM码的PUCCH格式3结构，其支持的最大反馈比特数目不超过11。为支持超过11比特的HARQ-ACK反馈，LTE-Advanced对前述的PUCCH格式3结构进行了增强，采用了基于双RM码结构的PUCCH格式3结构[5]，具体结构如图5所示。在该结构复用容量保持不变(最多可达5个用户)的前提下，终端利用PUCCH格式双RM码结构一次可以反馈20个HARQ-ACK比特。

    当终端配置为采用PUCCH格式3来反馈其HARQ-ACK比特时，遵循如下规定：

• 终端根据配置的分量载波数目、配置的上下行比例关系以及配置的下行分量载波的传输模式确定需要反馈的HARQ-ACK比特总数目。
• 当终端反馈的HARQ-ACK比特数超过20比特时，终端对所有配置的分量载波下的所有下行子帧进行空间逻辑与操作，从而保证最终发送的HARQ-ACK比特数目不超过20这一数目。
• 当终端反馈的HARQ-ACK比特数(包含经过了空间逻辑与操作后的HARQ-ACK比特数)不超过11比特时，终端采用基于单RM码结构的PUCCH格式3结构，否则，采用基于双RM码结构的PUCCH格式3结构。
• 为了最大优化反馈性能，提高下行吞吐量，对于TD-LTE系统，即使只配置一个分量载波，终端可以使用PUCCH格式3结构反馈HARQ-ACK比特。
• 对于上下行子帧比例为1:9场景，为了减少反馈的HARQ-ACK比特数量，限制此场景仅能聚合两个分量载波。

3 下一步研究与发展方向
    载波聚合技术作为LTE-Advanced系统的关键技术之一，通过将多个连续或离散的窄带频谱聚合使用，支持高速率的业务需求，具有广大的应用前景。结合其技术特征与3GPP相关标准化进展，在下一步的研究中，人们还需重点考虑以下问题：

    (1)在上行载波聚合多个定时提前(MTA)支持
    目前LTE-Advanced中所支持的载波聚合方案中，终端发送各个分量载波所用的定时提前都必须是相同的。这个要求限制了载波聚合技术在一些典型场景的应用，比如对于宏基站提供覆盖、RRH提供热点容量增强的场景，终端要想上行聚合多个分量载波，同时向宏基站和RRH发送数据，其上行发送到宏基站和RRH所采用的分量载波采用不同的定时提前是非常必要的。其他场景如部署有频率选择性中继以扩展宏基站覆盖的网络，终端在发送多个分量载波时也需要针对不同分量采用不同的定时提前。考虑到上述场景应用非常广泛，上行载波聚合多定时提前技术将是未来载波聚合技术研究的一个热点[6]。

    (2)新增载波类型
    目前LTE-Advanced中所支持的载波类型都是兼容LTE的载波。在LTE-Advanced载波聚合技术标准化过程中，曾对非后向兼容LTE的载波类型，如扩展载波、分片载波等载波类型进行了一些初步研究。后来由于时间关系，这些载波类型没有得到充分讨论。但是，考虑到非后向兼容载波在频谱效率提高、异构网络下的干扰抑制、能量节省等方面的独特优势，关于非后向兼容载波的新应用场景及详细设计方案将在LTE-Advanced Release-11阶段得到进一步研究。

    (3)TDD系统载波聚合技术增强
    对于支持载波聚合的LTE-TDD系统，目前要求每个分量载波的上下行子帧配置是完全相同的。这种限制虽然简化了系统设计，但是却非常不利TDD系统发挥其特殊优势，例如在宏基站提供基本覆盖、RRH提供热点容量增强的场景。对于宏基站，其上下行业务比较比较均衡，相应地，分量载波的上下行子帧配置为1:1比较合适；而对于RRH，其下行业务通常远大于上行业务，分量载波的上下行子帧配置为3:1可能要远比1:1效率高。可以预见，不同上下行子帧配置的载波聚合，特别是跨频段的不同上下行子帧配置的载波聚合将会是未来LTE-TDD系统载波聚合技术研究的一个重要方向。

4 参考文献
[1] 3GPP TR36.913. Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (EUTRAN) [S]. 2011.
[2] 3GPP TR36.814. Further advancements for E-UTRA physical layer aspects [S]. 2011.
[3] Motorola. PCFICH in carrier aggregation [C]//3GPP TDocs (written contributions) at Meeting: R1-60, Feb 22-26, 2010, San Francisco, CA,USA. 2010:R1-101111.
[4] 3GPP TS 36.213. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer procedures [S]. 2011.
[5] CMCC, CATT, CATR, et al. WF on supporting ACK/NAK payload larger than 11 bits in Rel-10 TDD [C]//3GPP TDocs (written contributions) at Meeting: R1-62b, Oct 11-15, 2010, Xi’an, China. 2010: R1-105776.
[6] Nokia, Siemens. LTE carrier aggregation enhancements [C]//3GPP TSG RAN WG4 #59 Meeting, Jun 26-Jul 1,2011, Barcelona, Spain. 2011:RP-110451.

    在LTE-Advanced载波聚合技术中，这种主从分量载波机制得到了充分应用，在下面章节的讨论中，主/辅分量载波的应用还会多次出现。