LTE后續演進中基于頻譜聚合的協同通信

[摘要] 大帶寬無線傳輸有兩個實現途徑，一是設計頻帶更寬的單一系統，一是進行不同系統間的協同設計。前者是在同一種空口內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的頻譜聚合。通過多載波并行傳輸實現系統內和系統間頻譜聚合，可以充分利用現有射頻技術和器件，降低設備的研制和運營成本。而系統間的頻譜聚合，特別是異構系統間的頻譜聚合，除了可以擴展傳輸帶寬的基本功能之外，還可以解決頻分復用系統對非對稱業務的支持以及時分雙工保護帶的利用問題，對運營商更具有商業上的現實意義。

[關鍵詞]協同通信;頻譜聚合;非對稱業務;保護頻帶

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.

cooperative communications; spectrum aggregation; unbalanced service; guard band

大帶寬無線傳輸的直接優勢是數據速率高，可以支持多媒體業務，間接優勢是通過縮短數據的傳輸時間來降低接收機的功耗。大帶寬無線傳輸與多媒體終端的結合，還可以改變傳統的業務模式，比如，傳統的視頻點播(VOD)和視頻廣播中除了實時現場直播內容之外，都可以利用大帶寬的傳輸能力將內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、內容方面的靈活性，又降低了終端的接收機和顯示器的功耗，而且，這種業務方式可以放寬對大帶寬無線網絡無隙覆蓋的要求，從而降低建網成本。由于大帶寬傳輸具有上述諸多優勢，大帶寬無線傳輸已經成為移動通信系統的一個主要發展趨勢，移動通信系統的傳輸帶寬不斷增加，從通用移動通信系統(UMTS)系統的5 MHz(初始設計帶寬)到長期演進(LTE)系統的20 MHz，再到LTE后續演進系統LTE-A的100 MHz。

移動通信系統實現大帶寬傳輸有兩個基本實現途徑:第1個途徑是設計一個大帶寬系統;第2個途徑是通過不同系統間的協同來構造具有更大傳輸帶寬的系統。這兩個實現途徑在移動通信的演進中是同時存在且相互影響的，第1個途徑主要在新系統設計中采用，第2個途徑主要在現網演進中采用。

第1個實現途徑是3GPP LTE-A標準討論中所采取的，該技術途徑在LTE-A標準技術研究初期又可以進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制帶寬為20 MHz～100 MHz的載波上承載數據，其優點是射頻(RF)通道結構及控制信道結構簡潔，其缺點是現有射頻功放技術難以在20 MHz～100 MHz帶寬范圍內獲得所需要的功率效率，并且，難以實現與LTE系統的兼容;多載波方案利用多個最大調制帶寬小于20 MHz的載波聚合成20 MHz～100 MHz的傳輸帶寬，其優點是可以基于現有射頻功放技術，易于實現與LTE的完全兼容，其缺點是控制信道結構相對復雜。

第2個實現途徑是運營商網絡演進時所采取的經濟有效的方案，本質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發射，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單載波系統與一個10 MHz帶寬的UMTS雙載波系統構成一個傳輸帶寬為30 MHz帶寬的協同通信系統。相對于全部由一個全新的寬帶LTE-A系統來提供所需的傳輸帶寬，這種多系統協同來獲得大帶寬的方案的優點是:減少運營上對新系統的投資，充分利用運營商現有系統資源，兼容運營商現有用戶終端，保證系統的平滑演進。

從協同通信的角度看，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同通信。文獻[1]對協同通信從生物學層面做了較多的分析，但是缺少生態學層面的協同分析，從頻譜聚合的角度對協同通信的分析也比較欠缺，本文從協同通信的角度來分析頻譜聚合，可以幫助理解寬帶系統的設計以及運營商的現網演進，對解決現網演進中的實際問題帶來啟發。

不同系統間基于頻譜聚合的協同通信是本文討論的重點，特別是不同系統間通過異構頻譜聚合的協同通信，可以解決現有多載波捆綁技術無法解決的問題。在本文的第1節，對頻譜聚合的發展趨勢進行總結，第2節討論不同系統間通過異構頻譜聚合實現對上下行非對稱業務的有效支持，第3節討論不同系統間通過異構頻譜聚合實現對時分雙工(TDD)與頻分復用(FDD)系統間保護帶的有效利用。第4節對本文所述的問題進行總結。

1 頻譜聚合與協同通信

1.1 頻譜聚合的現狀

在第4代移動通信系統LTE-A標準研究啟動之前，第2代和第3代移動通信系統中就已經在協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規范是時分同步碼分多址(TD-SCDMA)系統和高通推出的數據優化多載波多鏈路擴展(DMMX)和高速數據分組接入多載波多鏈路擴展(HMMX)平臺，以支持EV-DO和高速數據分組接入(HSDPA)長期演進。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的。在圖1(b)給出的第2代移動通信系統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議，比如，700 MHz頻段上基于正交頻分復用(OFDM)、用于視頻服務的MediaFLO前向鏈路，加上蜂窩頻段上基于碼分多址(CDMA)的進展數據優化(EV-DO)反向鏈路，是一個支持系統間(或者跨協議)頻譜聚合的平臺。

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

1.2 頻譜聚合的發展趨勢

第4代移動通信系統LTE-A有如下基本問題與基于頻譜聚合的協同通信相關:

(1)如何獲得大帶寬頻譜

是在同一個LTE-A FDD系統或者LTE-A TDD系統內進行載波聚合來實現大的傳輸帶寬，還是將LTE-A FDD系統與LTE-A TDD系統通過載波聚合協同起來獲得大的傳輸帶寬?

(2)如何有效使用頻譜

大帶寬的主要業務是數據業務，數據業務具有顯著的上下行非對稱特性，并且這種非對稱特性隨時間地點不斷變化，單獨的LTE-A FDD內的多載波聚合如何適應這種非對成性?這也涉及是否采用系統間的載波聚合，是否將LTE-A FDD系統與LTE-A TDD系統的頻譜聚合起來共同支持非對成業務的問題。

上述IMT-A面臨的問題，僅僅采用以往的在同一種連續頻譜上進行多載波捆綁的頻譜聚合方式是無法解決的。僅僅通過FDD頻譜的聚集難以解決非對稱業務情況下的頻譜使用效率問題，僅僅通過連續的TDD頻譜上的載波聚集也難以解決TDD的反饋時延、調度時延較大的問題(受無線幀結構限制)，這都是制約頻譜效率進一步提升的環節。此外，由于低端頻譜稀缺，很難在低端頻譜上向多個運營商分別提供寬達100 MHz的頻譜供運營商單獨使用(即便有足夠的帶寬，也得不到充分使用)，這就需要讓高端頻譜動態補充用于宏覆蓋的低端頻譜，擴展高端頻譜的實用場景。這需要借助更加靈活的基于頻譜聚合的協同通信方案來解決，僅僅靠簡單的載波捆綁難以解決問題。

不同頻譜聚合方式可以解決不同的問題，靈活的頻譜聚合可以擴展傳輸帶寬，可以催生新型業務，可以提高空口的頻譜使用效率，可以擴展高端頻譜的適用場景。在各種頻譜聚合方式中，不同系統間的頻譜聚合，非連續頻譜間的聚合以及高低端頻譜聚合往往能夠解決傳統頻譜聚合場景下難以解決的問題。

1.3 基于頻譜聚合的協同通信

所謂協同通信就是通過一組通信功能實體間的配合來獲得單個通信功能實體不具備的通信能力。在基于頻譜聚合的協同通信中，通信功能實體就是具備在單個載波上發射或/和接收無線電信號的功能或物理實體。如果參與協同的功能實體來自不同的系統，就是系統間的協同通信。

在現有無線接入網演進中，為了簡化網絡種類，降低建網成本，不同無線接入網的基站和傳輸部分之間逐步融合。但是，由于采用不同空中接口的現有終端難以融合，導致現有無線接入網在空中接口上的多樣性的長期存在，基于頻譜聚合的協同通信可以在空口多樣性的情況下，實現系統間優勢互補，共享資源。

進一步地，在基于頻譜聚合的協同通信的實施方式上，可以分為集中管理/控制的協同通信，分布式管理/控制的協同通信和自組織管理/控制的通信。無論是那種管理/控制方式下的協同通信，都需要基于無線環境信息，因此，與基于頻譜聚合的協同通信密切相關的是無線電環境認知技術，系統間基于頻譜聚合的協同越密切，自組織程度越高，對無線環境信息的要求也越豐富。

2 基于頻譜聚合的協同通信與非對稱業務支持

2.1 非對稱業務的特點

文獻[1]從業務的非對稱性、傳輸流的非對稱性及頻譜的非對稱3個方面對3G業務的非對稱性做了分析，并且，從用戶、小區、系統3個層面，對非對稱業務的動態特性進行了分析。分析表明，鏈路級業務的非對稱性具有高度動態特性，隨時間/空間變化劇烈;小區級業務的非對稱性具有中度動態特性，隨時間/空間變化程度中等;而系統級業務的非對稱性具有較低的動態特性，隨時間/空間變化程度較慢。

文獻[2]給出的各種業務的非對稱性表明，一個移動通信系統的業務是這些對稱和非對稱業務的綜合體現，既有對稱、平穩的業務流分量(相當于直流分量)，也有非對稱、突發、峰均比高的分量(相當于交流分量)。

由于移動通信業務是一小區或者幾個相鄰小區為單位進行資源配置的，小區內業務非對稱性變化是頻譜使用的最重要的依據，也就是說，在移動通信系統在考慮小區的上下行頻譜資源配置時，要遵照如下原則:以小區為單位配置上下行資源，并且要能夠跟上上下行業務非對稱性的中度變化。

2.2 TDD與FDD在非對成業務下的

性能差異

根據文獻[3]的分析，在商業區、居民區、商務區這3種場景下，其業務的上下行非對稱性和峰均比特性均有差異，由于TDD系統可以動態地適應業務的非對稱性和突發特性，從實際可以達到的系統容量(TDD系統的帶寬和FDD系統的上下行帶寬之和相同的條件下)來看，由于業務非對稱性的差別，TDD系統的系統容量可以比FDD系統的系統容量高出69%。只有在上行業務的比例分別在33.30%、42.5%的情況下，FDD系統才可以和TDD系統具有相同的容量，在其他業務情況下下，FDD系統的系統容量均低于TDD系統。

不考慮TDD和FDD在其他方面的差異，僅僅從其適合的業務類型上看，FDD更適合上下行對稱且峰均比低的業務，而TDD適合上下行非對稱業務的時變特性。由于文獻[1]已經指出了業務模式的不可預見性和空間時間上的變化特性，通過頻譜分配階段為FDD系統劃分一個固定的非對稱頻譜也是不可行的。LTE-A對FDD的頻譜規劃也應該和傳統的FDD劃分方式一樣，采用上下行對稱方式，對不對稱業務的適應通過與TDD的組合或者通過與其他系統的頻譜動態共享實現。

2.3 改進FDD系統對非對稱業務的

支持能力

FDD系統對非對稱業務的支持，目前已經在NGMN P-BAG以及3GPP LTE-A中有討論，歸納起來有如下3個方案:

●非對稱頻譜規劃。比如為了提高FDD系統對下行業務的支持能力，在頻譜規劃階段就打破傳統的上下行對稱頻帶的規劃方式，給FDD系統的下行頻帶規劃出比上行更大帶寬的頻帶。

●TDD頻譜用于FDD系統下行傳輸。為了提高FDD系統的下行業務能力，將TDD的頻譜用于部署FDD系統的下行信道，從而增加FDD的下行傳輸帶寬。

●FDD與TDD系統進行基于頻譜聚合的協同通信。該方案的特點是，TDD頻譜上部署TDD系統空口，FDD系統上部署FDD空口，在此基礎上，將TDD空口與FDD空口之間進行載波聚合。

非對稱頻譜規劃需要解決的問題是:FDD系統的下行帶寬比上行帶寬大多少才能符合業務的非對稱需要?由于非對稱業務是以小區為單位隨時間地點變化的，預先規劃好的上下行非對稱頻譜如何適應這種變化?歐盟IST的研究報告也指出，目前沒有預測未來業務的不對稱性的方法，因此，目前在理論上就無法讓FDD系統去適應非對稱業務的方法，因此，這種貌似合理的頻譜規劃方案不具備實際可操作性。

TDD頻譜用于FDD系統下行傳輸面臨與非對稱頻譜規劃相同的問題，在無法預計特定地區特定時間的業務非對稱的情況下，將多少TDD頻譜用于發射FDD信道才是合理的?在TDD頻譜上布設FDD設備的方式實質上就是給FDD系統額外增加一段頻譜，這個方案在文獻[1]中對額外增加FDD系統給予了討論，討論結果是不可行。

FDD與TDD系統進行基于頻譜聚合的協同通信的實現方式如圖2所示，在TDD頻譜上，部署的是TDD空中接口;在FDD頻譜上，部署的是FDD系統的空中接口。再此基礎上，根據特定小區特定時刻的上下行業務的非對稱比例，靈活調節TDD系統無線幀中上下行時隙的比例，并以TDD空口與FDD空口并行傳輸的方式，實現與特定終端的通信。

圖2給出的FDD系統頻譜與TDD系統的協同通信，從頻譜聚合的角度看，具有如下特點:

●在TDD頻譜上布設FDD設備

●在FDD頻譜上布設TDD設備

這種方案不涉及頻譜規劃問題，也無須TDD頻譜與FDD頻譜的重新規劃(REFARMING)，可以同時達到如下效果:

●以靈活的方式實現對突發業務、非對稱業務的支持

●可以靈活地適應非對稱性隨時間空間的變化

●高的頻譜使用效率或高的系統容量

這種基于頻譜聚合的FDD/TDD系統間的協同通信，利用TDD靈活的上下行業務能力，提高了FDD非對稱業務支持能力，回避了對非對稱業務預測這個難題，是一種具有很強適應性的魯棒解決方案。該方案既充分發揮TDD與FDD系統各自的優勢，把兩者在支持不同業務上的優點組合起來，兩種系統密切協同，相得益彰。此外，從產業發展的角度，也可以促進TDD與FDD的共存和TDD產業鏈的成長。

3 基于頻譜聚合的協同通信與保護頻帶利用

3.1 TDD與FDD間保護頻帶分析

為了節約建網成本，運營商需要共享網絡資源，包括不同系統間共享站址，共享頻譜，甚至共享天線。在這種大趨勢下，運營商需要TDD與現有的FDD基站共享站址的解決方案。這就需要分析解決TDD與FDD系統在共站/共天線模式下的系統間干擾問題。傳統的TDD系統是上下行使用相同的頻帶，為了保證TDD系統的基站和終端的發射和接收與其相鄰頻段上的系統的基站和終端之間不存在干擾或者其干擾處于可接收的范圍之內，要求在TDD系統和FDD系統之間預留一個保護頻帶。在TDD與FDD異站址建網的情況下，這個保護頻帶大約為3 MHz，而在共站或者共天線建網的情況下，保護頻帶要在10 MHz以上，因此，需要分析對這個大的保護帶利用。

從邏輯上看，無論TDD處于那個頻段上，也無論該TDD頻段上部署的是那種標準的系統，TDD頻帶與其相鄰或者相關的頻帶之間的排列格局可以概括為圖3所示的7種形態。

對應每一種TDD/FDD頻譜排列格局，TDD系統在頻譜使用上可以采用的干擾抑制措施如圖3右側所示。圖3所示的7種TDD/FDD頻譜排列格局涵蓋了所有可能的TDD與FDD頻譜(包括非移動通信頻譜)間可能出現的情況，根據這7種情況，人們可以對每種TDD雙工方式的適用性做全面的評估。

3.2 利用TDD與FDD系統間的保護頻帶

圖4給出了一種TDD與FDD的排列格局示意圖，圖中第1頻帶是FDD系統上行頻帶，第2頻帶是TDD系統的雙向使用的頻帶，第3頻帶是TDD系統與FDD系統下行頻帶之間的保護頻帶，第4頻帶是FDD上行頻帶，第5頻帶是TDD與FDD上行頻帶之間的保護頻帶[4]。文獻[5]給出利用保護帶的方法是:將第3頻帶與第5頻帶配對構成一對HD-FDD鏈路，具體地，工作在第3頻帶內的HD-FDD系統提供第1 HD-FDD信道，第1 HD-FDD信道的發射與TDD的上行發射或者下行發射同步，在第4頻帶上配置一個第2 FDD信道。 除了文獻[5]給出的以半雙工FDD方式利用保護頻帶，還可以從基于頻譜聚合的協同通信的角度更靈活地利用保護頻帶，具體實現有如下方式:

(1)系統內協同實現頻帶的擴展

圖4中的第3頻帶與第2頻帶之間進行頻譜聚合，實現對TDD下行傳輸帶寬的擴展;或者將第5頻帶與第2頻帶之間進行頻譜聚合，實現對TDD系統上行傳輸帶寬的擴展。

(2)協同間協同實現頻帶的擴展

圖4中的TDD系統的第3頻帶與第2頻帶和FDD系統的第1頻帶之間進行頻譜聚合，實現對下行傳輸帶寬的擴展，這種方式即可以對TDD保護頻帶進行利用，又提高了FDD系統支持非對稱業務的能力;或者將TDD系統的第5頻帶與第2頻帶與FDD系統的第4頻帶之間進行頻譜聚合，這種方式即可以對TDD保護頻帶進行利用，又提高了FDD系統支持非對稱業務的能力。

4 結束語

基于頻譜聚合的系統間的協同通信除了擴展空口的傳輸帶寬，還可以解決單一系統難以解決的問題，本文重點討論了通過基于頻譜聚合的系統間的協同通信來解決FDD系統的非對稱業務支持問題和共站建網引出的保護帶利用問題。

在網絡演進中，LTE及其后續演進系統將于UMTS以及GSM長期共存。為了重用網絡資源和降低建網成本，需要不同系統之間在空口上進行協同通信，而實現這種協同的最直接最有效的方法是系統間的基于載波聚合的協同通信，通過載波聚合實現多模式多頻段并行傳輸[6-11]。

在目前3GPP LTE-A標準討論中，其頻譜聚合仍然以構建一個100 MHz傳輸帶寬的單一系統為目標，其討論的頻譜聚合是單一系統內部的頻譜聚合。目前將系統間協同通信作為研究重點的標準組織是歐洲電信標準組織(ETSI)的RRS，其目標是將現有的或者未來的無線通信系統有機地協同起來，實現生態學意義上的協同通信。隨著運營商現網演進中對資源共享需求的進一步突出，系統間的基于頻譜聚合的協同通信將在相關的標準組織的討論中得到更多的體現。

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收稿日期:2009-11-06

刁心璽，中興通訊股份有限公司無線通信工程師、博士，從事WCDMA系統算法和TD-SCDMA系統演進技術研究，主要研究領域為頻譜聚合、4G無線接入網架構特征及協同機制。

許玲，中興通訊股份有限公司標準部無線分部部長、碩士，CCSA-TC5-WG3副組長，從事TDD系統和基于OFDM的無線通信系統技術和標準化研究，主要研究領域為無線接入網架構演進、網絡自組織技術、CDMA1X/Wimax/LTE及其后續演進技術及其標準化。

馬志鋒，中興通訊股份有限公司無線通信標準總監、博士，從事TD-SCDMA、TD-LTE系統演進技術及標準化研究，主要研究領域為頻譜聚合、系統融合技術。