外文翻譯--lte升級版移動通信系統(tǒng)的載波聚合技術(shù)（譯文）

1、<p><b>　　中文5500字</b></p><p>　　出處：Yuan G, Zhang X, Wang W, et al. Carrier aggregation for LTE-advanced mobile communication systems[J]. IEEE Communications Magazine, 2010, 48(2):88-93.</p&

2、gt;<p>　　LTE升級版移動通信系統(tǒng)的載波聚合技術(shù)</p><p>　　G Yuan，X Zhang，W Wang，Y Yang</p><p><b>　　摘要 </b></p><p>　　為了在未來的高級國際移動通信系統(tǒng)中獲得高達1Gb/s的最高數(shù)據(jù)傳輸速率，3GPP在其新的LTE升級版標準里引進了載波聚合技術(shù)，來支持

3、寬頻帶寬（比如，高達100MHz）高速數(shù)據(jù)速率傳輸。本文首先簡要回顧一下連續(xù)和非連續(xù)的身份認證技術(shù)，緊隨其后的是雙數(shù)據(jù)在物理和介質(zhì)訪問控制層的聚合方案。在LTE-Advanced系統(tǒng)實現(xiàn)身份認證技術(shù)(CA)與滿足向后的LTE系統(tǒng)的兼容性要求的一些技術(shù)挑戰(zhàn)，將會被著重討論。非對稱身份認證問題的可能技術(shù)解決方案、控制信號設(shè)計、交接控制以及保護帶設(shè)置也將被回顧。仿真結(jié)果表明當(dāng)組件載波同步時，多普勒頻移只對在高速移動環(huán)境下寬頻帶的數(shù)據(jù)傳輸有限制

4、作用。頻率混疊會產(chǎn)生更多的相鄰分量載波之間的干擾因此大大降低了行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率。</p><p><b>　　簡介</b></p><p>　　為了滿足快速增長的移動用戶對寬帶服務(wù)的強勁需求，國際電信聯(lián)盟（ITU)發(fā)起了在下一代移動通信系統(tǒng)中，題為IMT-Advanced或第四代（4G）移動通信系統(tǒng)的標準化進程[1]。根據(jù)其中中所定義的性能和技術(shù)要求，未來IMT-A

5、dvanced系統(tǒng)可以為移動用戶支持非常高的峰值數(shù)據(jù)速率，在靜態(tài)和行人的環(huán)境中可以高達1Gb/s，在高速移動環(huán)境可以高達100 Mb/s[2]。</p><p>　　兩個國際標準化組織，第三代合作伙伴計劃（3GPP）和IEEE802.16工作組（WG），正在為實現(xiàn)雄心勃勃的IMT-Advanced的移動通信系統(tǒng)性能標準的目標積極開發(fā)新的移動通信[3]。尤其是，3GPP已經(jīng)完成了它的長期演進（LTE）標準的家族推出

6、8(R8），它為超3G（B3G）移動通信系統(tǒng)作了定義并指定新的功能，特性和關(guān)鍵技術(shù)。LTE標準將進一步提高，成為高級LTE標準，該標準將提交給ICU作為IMT-Advanced的系統(tǒng)的候選技術(shù)標準。為滿足IMT-Advanced的技術(shù)和性能要求，IEEE 802.16工作組正在開發(fā)一種擴展其固定寬帶無線接入標準，稱為802.16米。</p><p>　　3GPP LTE-Advanced的標準應(yīng)該是向后與相應(yīng)的L

7、TE系統(tǒng)兼容，但更重要的是，他們應(yīng)該充分滿足甚至超過在ITU的IMT-Advanced系統(tǒng)峰值數(shù)據(jù)速率，傳輸帶寬，峰值/均值頻譜效率，在控制和用戶平面延遲性能，和流動性的綜合要求。</p><p>　　具體來說，表1比較了LTE，高級LTE，以及IMT-Advanced系統(tǒng)對峰值，平均值</p><p>　　和小區(qū)邊緣的頻譜效率的要求。多天線傳輸技術(shù)可以有效地改善下行鏈路和上行鏈路傳輸性能

8、。在LTE標準中在一個基站上（BS）最高可以部署四個天線。當(dāng)對</p><p>　　表1頻譜效率要求比較</p><p>　　于每一路徑（一個天線之間和用戶設(shè)備[UE]）的信號對干擾加噪聲比（SINR）足夠好時，最多四個并行的數(shù)據(jù)流可被多路復(fù)用同時發(fā)送，從而實現(xiàn)了更高的傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率。為了更好地支持多路傳輸和擴展覆蓋的高數(shù)據(jù)速率服務(wù)，協(xié)調(diào)多點傳輸和接收（COMP）技術(shù)可以用于改善用戶設(shè)備(

9、UE)處的信號對干擾加噪聲比(SINR)。COMP的基本原理是協(xié)調(diào)多個地理上分散的基站（天線）以更有效地服務(wù)于UE。取決于UE的單元的測量和在本身和多個之間的信道狀態(tài)信息BSS（天線）返回的能力，三種類型的協(xié)調(diào)方案已經(jīng)被提出用于高數(shù)據(jù)速率下行鏈路傳輸。</p><p>　　首先，從UE的上行鏈路信號可以通過基站在其附近被檢測并用作參考來估計從多個天到UE傳輸?shù)南滦墟溌沸诺罓顩r。中央基帶處理單元為達到用戶設(shè)備的預(yù)期

10、效果，再協(xié)調(diào)一組合適的天線一起工作。在這個方案中，UE只能被動地參與了天線選擇素化過程，而那些被選擇的天線透傳給它。第二步，用戶端會檢測和返回從所有可見基站傳來的下行信道狀態(tài)。基于該反饋信息和UE的上行鏈路參考信號，中央基帶處理單元選擇、協(xié)調(diào)并配置多個天線與合適傳輸參數(shù)，以盡量減少干擾并實現(xiàn)預(yù)期的下行性能。在這個方案中，UE被要求提供用于天線選擇的下行鏈路信道狀態(tài)信息，但它不知道確切的被選擇的天線或它們的傳輸配置。</p>

11、<p>　　第三步，基于第二方案中，UE被提供了關(guān)于下行鏈路協(xié)調(diào)多天線傳輸?shù)淖銐虻男畔?，所以可以進行有效地處理多個接收到信號。</p><p>　　在實際中，因為終端的尺寸的限制、復(fù)雜性和成本限制了安裝在一客戶端單元天線的數(shù)量，所以多天線技術(shù)不能不斷提高傳輸性能。為了達到IMT-Advanced系統(tǒng)的性能要求,最近載波聚合（CA）已經(jīng)被提出聚集兩個或更多個分量載波用來支持高數(shù)據(jù)速率傳輸在寬的帶寬（即，

12、最多100MHz的用于單個UE的單元），同時也會保留向后兼容舊系統(tǒng)。</p><p>　　這篇文章的目的是審查和分析在未來高級LTE的移動系統(tǒng)實現(xiàn)CA技術(shù)的主要挑戰(zhàn)。在下一部分,將會介紹兩種類型的CA和數(shù)據(jù)聚合方案。然后將對一些技術(shù)挑戰(zhàn)如不對稱CA、控制信令設(shè)計、切換控制、保護帶的設(shè)置以及多普勒轉(zhuǎn)移和干擾，進行了研究和討論。最后一節(jié)總結(jié)本文。</p><p><b>　　CA類型

13、</b></p><p>　　如圖1所示，應(yīng)用于LTE-Advanced的移動系的兩種類型的CA技術(shù)已經(jīng)被提出：</p><p>　　● CA連續(xù)可用于下列情況─多組分載波分量是彼此相鄰</p><p>　　● 非連續(xù)CA可用于下列情況─多個載波分量被分離沿頻帶</p><p>　　在這兩種情況下，多個LTE/分量載波被聚集從

14、而為LTE-Advanced系統(tǒng)中用戶設(shè)備（UE）的單個單元服務(wù)。由于用戶設(shè)備（UE）的復(fù)雜性，成本，能力和功耗，連續(xù)的身份認證技術(shù)（CA）更容易實現(xiàn)，而且很少改變LTE系統(tǒng)的物理層結(jié)構(gòu)。可以使用一個單一的快速傅立葉變換變換（FFT）模塊和一個單一的射頻（RF）部件，來實現(xiàn)連續(xù)CA進行高級LTE歐盟自，同時提供向后兼容于LTE系統(tǒng)。此外，相對于非連續(xù)CA，它更容易實現(xiàn)資源分配和管理算法。</p><p>　　根據(jù)

15、現(xiàn)有的頻譜分配管理和低頻帶（<4千兆赫）的頻譜資源稀少的事實，很難連續(xù)分配100 MHz帶寬用于移動網(wǎng)絡(luò)。因此，不連續(xù)的CA技術(shù)提供了一個實</p><p>　　圖1.載波聚合類型：a）連續(xù)的; b）非連續(xù)</p><p>　　用技巧的方法，讓移動網(wǎng)絡(luò)運營商充分利用他們現(xiàn)有的頻譜資源，包括未使用的已經(jīng)分配給一些遺留系統(tǒng)比如GSM和3G系統(tǒng)的零散頻段。事實上，在世界無線電會議2007（

16、WRC07）上，被提出應(yīng)用于IMT-Advanced系統(tǒng)的候選頻段都是非連續(xù)的，而且一些甚至都低于100兆赫。但是很明顯，對于非連續(xù)的CA技術(shù)，在LTE-Advanced用戶設(shè)備（UE）中，需要部署多個接收射頻單元和多個FFT，這是不可避免的。由于非連續(xù)CA支持在大的頻率范圍內(nèi)并且在多個分開的載體</p><p>　　間數(shù)據(jù)傳輸，無線電信道的特性和傳輸性能如傳播路徑損耗和多普勒頻移，在不</p>&

17、lt;p>　　同的頻段會有很大的差異，在聚集算法設(shè)計時應(yīng)充分評估和考慮這些。圖2出示</p><p>　　圖2 在不同的頻率和通信的傳播路徑損耗環(huán)境(無線信道模型：延伸奧村模型，通信距離：1公里，UE天線高度：1.5米)</p><p>　　圖3 在不同的頻率和移動速度下的最大多普勒頻移</p><p>　　了從500到3000MHz不同頻率下傳播路徑損

18、耗。為了支持非連續(xù)CA方式下的寬帶數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)制定多維資源分配和管理方案并實施自適應(yīng)調(diào)整發(fā)送功率，調(diào)制和編碼不同的分量載波方案。在非連續(xù)CA中應(yīng)實現(xiàn)聯(lián)合多個分量載波資源配置和自適應(yīng)調(diào)整。例如，在每個具有固定發(fā)射功率的分量載波的LTE-Advanced系統(tǒng)中增強基站信號時，實現(xiàn)每個分量載波有效覆蓋或可支持的調(diào)制和編碼的方案是不同的。一個小區(qū)的LTE-Advanced系統(tǒng)中可用的無線電資源揭示了一個分級結(jié)構(gòu)每個分量載波的特性。一般來說，較低

19、的頻率分量載波可以提供更大服務(wù)范圍，并更適合用于支撐高階調(diào)制和編碼方案。 </p><p>　　圖3出示了分量載波的多普勒頻移和不同的移動速度下的頻率的關(guān)系。所以在一個IMT-Advanced系統(tǒng)用戶設(shè)備單元中，應(yīng)估計和補償每個分量載波的多普勒頻移值以及其信道相干時間。</p><p><b>　　數(shù)據(jù)聚合方案</b></p><p>　　在I

20、MT-Advanced系統(tǒng)中來自于不同分量載波的傳輸塊（TB）可以被匯集或者媒體訪問控制（MAC）或物理層，如圖4所示。在MAC層數(shù)據(jù)聚合方案，在物理層每個分量載波有它自己的傳輸配置參數(shù)（例如，發(fā)送功率，調(diào)制和編碼方案，和多天線配置），以及在MAC層重復(fù)請求（HARQ）實體層一個獨立的混合式自動。而在物理層數(shù)據(jù)聚合方案一個HARQ實體被用于所有的聚合的分量載波，新的傳輸配置參數(shù)應(yīng)該被指定為整個聚合帶寬。</p><p

21、>　　圖4 在不同的層數(shù)據(jù)聚集方案：a）MAC層; b）物理層</p><p>　　相比于物理層方案中，對于根據(jù)每個分量載波，MAC層數(shù)據(jù)聚合方案所述傳輸參數(shù)配置獨立。所以后者可以支持在上行鏈路和下行鏈路中更靈活、高效的數(shù)據(jù)傳輸?shù)菭奚硕鄠€控制信道。通過這種方式，由于在未來的高級LTE系統(tǒng)中可以使用和LTE系統(tǒng)相同的物理層、MAC層配置參數(shù)和方案，所以向后兼容性得到了保證。</p>&l

22、t;p><b>　　技術(shù)挑戰(zhàn)</b></p><p><b>　　不對稱CA</b></p><p>　　由于在上行鏈路和下行鏈路的非對稱數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)渠道，不對稱的CA應(yīng)予支持</p><p>　　在兩種方向傳輸，也就是說，在兩個方向上聚集的分量載波的數(shù)目可以是不同的，從而提高了在高級LTE系統(tǒng)中的頻譜效率。然而，不對稱

23、CA會引起下行分量載波選擇的沖突，因為高級LTE基站在隨機訪問過程中很難知道分量載波在下行鏈路是傳輸?shù)侥膫€用戶設(shè)備。其結(jié)果就是，基站不能傳送所述隨機接入響應(yīng)至用戶設(shè)備，而不識別在下行鏈路中被用戶設(shè)備所選擇的確切分量載波。</p><p>　　到目前為止，提出了三種方案來解決這個問題[4]。第一個方案是在具有不同參數(shù)的每個分量載波配置物理隨機接入信道（PRACH）。當(dāng)用戶設(shè)備發(fā)送其隨機接入請求時，根據(jù)一個特定下行鏈

24、路分量載波的PRACH配置參數(shù)，基站能夠通過檢查經(jīng)由上行鏈路分量載波的用戶RACH前同步碼來確定此下行鏈路分量載波。第二個方案是配置所有的下行鏈路分量載波具有相同的PRACH參數(shù)。一個初始的隨機接入響應(yīng)與特定的傳輸配置參數(shù)和請求的信息，如小區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)臨時指示和上行鏈路授予的資源分配，將被廣播給每一個相關(guān)聯(lián)的下行鏈路分量載波，用于發(fā)送被用戶設(shè)備使用的上行鏈路載波的隨機接入請求。在接收到進一步來自用戶設(shè)備的響應(yīng)，相應(yīng)的基站能夠識別和用戶設(shè)備

25、連接的下行鏈路分量載波。第三種方案只使用了一個下行鏈路分量載波，來承受控制相關(guān)的隨機接入過程的通道（例如，物理廣播信道和同步頻道）。對于一個基站來說沒有必要去檢測和用戶設(shè)備連接的下行鏈路分量載波，因為每個上行鏈路分量載波鏈接到這個共同的下行鏈路載波。該方案雖然很簡單，但負載平衡或系統(tǒng)部署不夠靈活。對于工作在時分雙工（TDD）模式的高級LTE系統(tǒng)，除了上述的使用了不用數(shù)目的分量載波來支</p><p><b&

26、gt;　　控制信令設(shè)計</b></p><p>　　對于有效的數(shù)據(jù)傳輸控制和整個系統(tǒng)的性能來說，為多個分量載波控制指令通道的設(shè)計和部署是至關(guān)重要的。在一般情況下，有三種不同的方法用于控制信道部署[5]。第一種，在LTE系統(tǒng)中的控制結(jié)構(gòu)作一個小的修改，每個組件</p><p>　　載體可以有其自己的編碼的控制信道。第二種，不同的分量載波的控制信道被聯(lián)合編碼，并被部署在專用分量載波

27、中。用于多個分量載波的控制信息，</p><p>　　將在專用控制信道被集成信令內(nèi)容。從而有效地降低CA中的信令開銷，同時在LTE系統(tǒng)中保持與控制信道結(jié)構(gòu)向后兼容性。第三種，不同的分量載波的多路控制信道被聯(lián)合編碼，然后再在由CA方案形成的整個頻段傳輸。這種做法與LTE系統(tǒng)不兼容，但在控制信道具有低信令開銷，高解碼性能，不過是以用戶設(shè)備側(cè)的高功率消耗為代價的。</p><p><b&g

28、t;　　切換控制</b></p><p>　　當(dāng)CA技術(shù)被應(yīng)用于IMT-Advanced用戶設(shè)備時，支持在多個小區(qū)切換的整個過程中連續(xù)傳輸是非常重要的。由于兩個（或更多個）相鄰的小區(qū)（基站的）的信道條件可能與特定UE完全不同，所以對于下一個基站來說，為傳入的有特定CA配置和服務(wù)質(zhì)量的要求的用戶設(shè)備保證保留足夠的系統(tǒng)資源（即，分量載波具有良好的傳輸質(zhì)量），非常具有挑戰(zhàn)性。一個要求用戶設(shè)備測量每個相鄰小區(qū)

29、中的分量載波的簡單的解決方案被提出[6]，它提供了在LTE系統(tǒng)中類似的測量延遲，復(fù)雜性和能量消耗。一個分量載波的測定結(jié)果將被用于估算在相應(yīng)的小區(qū)其他分量載波的性能。切換判決和傳輸配置將基于該估計來確定。雖然這種方法在越區(qū)切換測量中的開銷和功率消耗得到有效保存，但服務(wù)質(zhì)量規(guī)定將由于基于非常有限的載體測量的估計的不準確被影響。用戶設(shè)備可作出不適當(dāng)?shù)那袚Q決定（即，當(dāng)切換到其中基站）或執(zhí)行不理想的目標基站的傳輸配置。在較</p>

30、<p>　　復(fù)雜、能耗較多、系統(tǒng)開銷較大和更長的延時條件下，在多個相鄰小區(qū)傳輸?shù)亩嗦贩至枯d波在切換過程中可以被用戶設(shè)備檢測到。這些性能之間的權(quán)衡指標和業(yè)務(wù)的連續(xù)性和質(zhì)量交接仍需要深入的調(diào)查。</p><p><b>　　保護帶設(shè)置</b></p><p>　　對于非連續(xù)的CA，分量載波通常是由足夠的帶寬分開的，所以它們之間的干擾可以忽略不計。但仍有其它系統(tǒng)的

31、頻帶與高級LTE系統(tǒng)的每個分量載波頻帶相鄰。在高速移動環(huán)境中，大的多普勒頻移會影響相鄰頻段之間的正交并造成它們之間的干擾。因此，對于連續(xù)和不連續(xù)的CA，為減小這種自我干擾或系統(tǒng)間的干擾，應(yīng)小心設(shè)置分量載波設(shè)置的保護帶，同時在數(shù)據(jù)傳輸上保持高頻段效率。根據(jù)LTE技術(shù)規(guī)范[7]，整個系統(tǒng)10%的帶寬應(yīng)分配來設(shè)置相鄰分量載波之間的保護帶。由于存在不同帶寬的分量載波，干擾評估的分量載波的帶寬被設(shè)定為2MHz。表2列出了其他關(guān)鍵仿真參數(shù)和它們的值

32、。如圖5所示，當(dāng)僅多普勒頻移被認為是在一個高速移動的環(huán)境中，在不同的調(diào)制方案中保護帶設(shè)置不會對誤碼率性能有著明顯的影響。這是因為，與分量載波的帶寬相比，在分量載波帶寬為2GHz和用戶設(shè)備速度為120km/h的場景下，多普勒頻移是如此小。</p><p>　　表2 關(guān)鍵的仿真參數(shù)</p><p>　　在實際的通信系統(tǒng)中，除了在多普勒頻移時，由于功率放大器和/或一晶體振蕩器的對稱特性的非線性頻

33、率響應(yīng)，相鄰分量載波之間將會發(fā)生頻率混疊的影響</p><p>　　（FA）。圖6展示了在與表2具有相同的仿真參數(shù)時，F(xiàn)A在不同調(diào)制方案中對誤</p><p>　　碼率性能的影響。對于在沒有保護帶的情況下，在一個預(yù)期的分量載波中的數(shù)據(jù)傳輸將接管不僅其兩側(cè)5％的帶寬（其被指定為保護頻帶[7]），而且也接管了它的兩個相鄰分量載波5％的帶寬。假定所有分量載波具有相同的帶寬，這樣預(yù)定的分量載波的兩

34、側(cè)的FA比率將達到其帶寬的10％?？梢钥闯?，F(xiàn)A大大降低了誤碼率性能，特別是使用高階調(diào)制方案時。例如，在誤碼率的值分別等于10-3時，相對于理想的情況下(無FA）,FA的誤碼率性能曲線是約2.4 dB和QPSK最差4.2dB和16-QAM的曲線。最后，為了提供與LTE系統(tǒng)的向后兼容性，LTE-Advanced系統(tǒng)中的分量載波的中心頻率與LTE系統(tǒng)的中心頻率差值應(yīng)設(shè)置為100KHz的倍數(shù)，這個頻率就是3GPP定義的信道光柵[9]。<

35、/p><p>　　圖5 有無多普勒頻移的誤碼率性能曲線</p><p>　　圖6 有無頻率混疊影響的誤碼率性能曲線</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　本文論述了在未來的IMT-Advanced的移動系統(tǒng)中支持非常高的數(shù)據(jù)速率通信的CA技術(shù)，以及回顧和比較連續(xù)和非連續(xù)的CA這兩個數(shù)據(jù)聚合方案。同時也

36、談?wù)摿瞬粚ΨQCA、控制信令設(shè)計、越區(qū)切換控制和保護帶設(shè)置的一些技術(shù)挑戰(zhàn)以及在實際的移動系統(tǒng)中可能用于實現(xiàn)CA技術(shù)的解決方案。還有談及了未來的研究課題包括干擾管理的高頻段（如3GHz以上）和在多個小區(qū)中多點協(xié)作CA資源分配。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] ITU-R Rec. M.1645,“Framework and Ove

37、rall Objectives of the Further Development of IMT-2000 and Systems Beyond IMT-2000,”2003.</p><p>　　[2] ITU-R Rec. M.2134,“Requirements Related to Technical Performance for IMT-Advanced Radio Interface(s),”20

38、08.</p><p>　　[3] 3GPP TR 36.814 v. 1.2.1,“Further Advancements for EUTRA:Physical Layer Aspects,” Tech. Spec. Group Radio Access Network, Rel. 9, June 2009.</p><p>　　[4] 3GPP R1-091837,“Further

39、Views on Initial Access with Asymmetric Carrier Aggregation,” Texas Instruments,San Francisco, CA, May 2009.</p><p>　　[5] 3GPP R1-084424,“Control Channel Design Issues for Carrier Aggregation in LTE-A,”Motor

40、ola, Prague, Czech Republic, Nov. 2008.</p><p>　　[6] 3GPP R2-093104,“Carrier Aggregation Active Mode,”Huawei, San Francisco, CA, May 2009.</p><p>　　[7] 3GPP TS 36.104 v. 9.1.0,“Base Station (BS)

41、 Radio Transmission and Reception,” Tech. Spec. Group Radio Access Network, Rel. 9, Sept. 2009.</p><p>　　[8] R. Love et al.,“Downlink Control Channel Design for 3GPP LTE,” Proc. IEEE WCNC ‘08, Apr. 2008, pp.