載波聚合技術(shù)對(duì)LTE-Advanced空口協(xié)議帶來的挑戰(zhàn)

1、載波聚合技術(shù)對(duì)lte-advanced空口協(xié)議帶來的挑戰(zhàn)摘要載波聚合技術(shù)是lte-advanced標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要特性，也是實(shí)現(xiàn)lte-advanced系統(tǒng)百兆帶寬運(yùn)行的最關(guān)鍵技術(shù)，但其也對(duì)lte-advanced空口協(xié)議帶來了諸多挑戰(zhàn)。為了支持載波聚合技術(shù)，lte-advanced需要對(duì)此前的lte空口協(xié)議進(jìn)行多方面的增強(qiáng)。本文從成員載波分類、上行時(shí)鐘提前、系統(tǒng)信息處理、無線鏈路失敗處理等方面介紹了目前3gpp正在討論的針對(duì)載波聚合的空口協(xié)議增強(qiáng)方案，包括已經(jīng)形成的結(jié)論以及后續(xù)還需研究的問題。1  引言國際電信聯(lián)盟itu-r在2008年1月向全球發(fā)出了征集imt-advanced技術(shù)

2、的通函，正式啟動(dòng)了第4代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4g）的工作計(jì)劃。為了滿足imt-advanced的要求，在2008年3月舉行的第39次ran全會(huì)上，3gpp就通過了基于lte的lte-advanced的標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)，并在2008年5月底的第40次ran全會(huì)上，完成了lte-advanced需求文件tr 36.913的初稿。在2009年10月的itu-r wp5d第6次會(huì)議上，3gpp以及日本和中國都正式向itu提交了以lte-advanced技術(shù)為主體的imt-advanced候選技術(shù)提案。目前，各個(gè)評(píng)估組正在對(duì)imt-advanced候選技術(shù)提案（lte-advanced和802.16m）進(jìn)行互評(píng)估，此

3、階段將與2010年6月的wp5d第8次會(huì)議上完成，之后將在2010年10月的wp5d第9次會(huì)議上確定imt-advanced系統(tǒng)的技術(shù)框架和關(guān)鍵特性，最終將在2011年2月的wp5d第10次會(huì)議上形成imt-advanced技術(shù)建議，從而全部完成imt-advanced的標(biāo)準(zhǔn)制定工作。lte-advanced要求在100mhz的帶寬內(nèi)提供下行1gbit/s，上行500mbit/s的峰值速率。為了在如此寬的帶寬內(nèi)工作，lte-advanced引入了載波聚合技術(shù)。載波聚合可以通過整合若干個(gè)離散頻帶來共同為ue服務(wù)?？紤]到與lte的后向兼容性，lte-advanced引入了成員載波的概念，每個(gè)成員載

4、波的最大帶寬不超過20mhz，即110個(gè)rb。lte-advanced空口協(xié)議是基于lte空口協(xié)議的。不像在lte中，每個(gè)小區(qū)只有一個(gè)成員載波，每個(gè)ue也只有一個(gè)成員載波為其服務(wù)，在lte-advanced中，每個(gè)小區(qū)有多個(gè)成員載波，每個(gè)ue也可能有多個(gè)成員載波為其服務(wù)，因此lte-advanced需要在多方面對(duì)lte空口協(xié)議進(jìn)行增強(qiáng)。本文主要就3gpp目前針對(duì)載波聚合技術(shù)進(jìn)行的空口協(xié)議增強(qiáng)所取得的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，主要涉及成員載波分類、上行時(shí)鐘提前、系統(tǒng)信息處理、無線鏈路失敗處理等方面。值得說明的是，載波聚合技術(shù)不僅要對(duì)本文所提及的一些空口協(xié)議方向進(jìn)行增強(qiáng)，而且還包括隨機(jī)接入、測(cè)量

5、、切換、調(diào)度等方面。隨著3gpp討論的深入，還會(huì)出現(xiàn)更多的技術(shù)增強(qiáng)點(diǎn)。2  成員載波分類成員載波分類參見圖1。圖1  成員載波分類（1）配置/非配置成員載波 隨著載波聚合技術(shù)的引入，每個(gè)小區(qū)可能會(huì)被配置多個(gè)成員載波，ue也可能使用多個(gè)成員載波，但并不是所有ue都會(huì)使用所在小區(qū)的所有成員載波，那些被ue使用的成員載波稱之為配置成員載波，未被使用的成員載波稱之為非配置成員載波，配置/非配置是相對(duì)于每個(gè)ue來說的，即不同的ue可能具有不同的配置/非配置成員載波，通過rrc信令為ue增加額外的配置成員載波。（2）激活/去激活成員載波配置成員載波又進(jìn)一步被劃分為激活成員載波與去激活成

6、員載波，ue在激活成員載波上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而在去激活成員載波上不進(jìn)行任何數(shù)據(jù)傳輸，也不支持cqi類似難度較大的測(cè)量，但其又不像非配置成員載波那樣不進(jìn)行任何測(cè)量，具體支持哪些測(cè)量，目前還在3gpp討論中。下行配置成員載波的激活/去激活由mac層信令控制，但也支持下行配置成員載波的隱性去激活，如當(dāng)過了一定時(shí)間，ue在激活成員載波上沒有任何的數(shù)據(jù)傳送，其可以被隱性的去激活。不過，到底哪些情況可以隱性地去激活成員載波，還在3gpp的討論中，預(yù)計(jì)在ran2 #69bis會(huì)議會(huì)有相關(guān)結(jié)論。另外，新增加的配置成員載波總是處于去激活的默認(rèn)狀態(tài)。而對(duì)于上行成員載波來說，不需要顯性的激活命令，enb可以通過上行賦

7、予等隨時(shí)讓ue在任何上行成員載波上進(jìn)行傳輸。引入激活/非激活成員載波的好處是：可以將暫時(shí)不用的成員載波設(shè)置為非激活狀態(tài)，這樣可以更好地節(jié)省ue的電源。由于非激活成員載波可以通過mac信令快速的轉(zhuǎn)換為激活狀態(tài)，且又不像非配置成員載波那樣不進(jìn)行任何測(cè)量，enb可以利用非激活成員載波上的測(cè)量信息來進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，因此能更好地適應(yīng)突發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需要。（3）特殊小區(qū)在lte中，只有一個(gè)成員載波服務(wù)于每個(gè)ue，且每個(gè)小區(qū)只有一個(gè)成員載波，服務(wù)于ue的成員載波對(duì)應(yīng)的小區(qū)即為此ue的服務(wù)小區(qū)，系統(tǒng)通過服務(wù)小區(qū)為ue提供一系列功能，包括安全輸入，nas層移動(dòng)信息，無線鏈路檢測(cè)，尋呼等。在lte-advanc

8、ed中，每個(gè)小區(qū)有多個(gè)成員載波，且每個(gè)ue可能被分配多個(gè)成員載波，這就牽扯到一個(gè)問題，系統(tǒng)為ue提供的各種功能以及對(duì)應(yīng)的流程是在哪些成員載波上執(zhí)行，是在所有成員載波上還是在一個(gè)或者多個(gè)成員載波上？根據(jù)系統(tǒng)提供的功能不同，上述問題的答案可能也有所不同。3gpp首先處理的是安全輸入功能與nas層移動(dòng)信息功能，lte-advanced定義了一個(gè)特殊小區(qū)，每個(gè)ue只有一個(gè)特殊小區(qū)，不同ue的特殊小區(qū)可能是不同的。在此特殊小區(qū)上，系統(tǒng)為ue提供安全輸入功能與nas層信息。注：從系統(tǒng)的角度看，每個(gè)成員載波相當(dāng)于一個(gè)小區(qū)，都會(huì)被分配一個(gè)全球惟一的小區(qū)標(biāo)示ecgi；從ue的角度看，即使被分配了多個(gè)成員載波，其

9、也只能看到一個(gè)小區(qū)：特殊小區(qū)，其他的成員載波被當(dāng)作上、下行資源，每個(gè)ue與網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)rrc鏈接，每個(gè)ue也只被分配一個(gè)c-rnti。（4）主成員載波與輔成員載波隨著討論的深入，3gpp為lte-advanced進(jìn)一步引入了主成員載波的概念。每個(gè)ue會(huì)被配置一個(gè)上行主成員載波和一個(gè)下行主成員載波。層1的上行控制信息如下行數(shù)據(jù)的ack/nack，調(diào)度請(qǐng)求以及周期性的csi信息都是在上行主成員載波上傳輸?shù)?。下行主成員載波不能被去激活，在下行主成員載波上產(chǎn)生的無線鏈路失敗會(huì)觸發(fā)rrc連接重建，但在其他下行成員載波上產(chǎn)生的無線鏈路失敗不會(huì)觸發(fā)rrc重建。既然每個(gè)ue有一個(gè)主成員載波，也有一個(gè)特殊小區(qū)，

10、那么是否可將這兩者鏈接起來，即只有一個(gè)成員載波，此成員載波既是主成員載波，又是特殊小區(qū)呢? 由于此問題牽涉到是否可以在不進(jìn)行隨機(jī)接入以及安全key改變的情況下改變主成員載波，對(duì)此問題不同公司有不同的觀點(diǎn)，3gpp目前還沒有明確的結(jié)論。對(duì)于除主成員載波以外的其他配置成員載波，統(tǒng)稱為輔成員載波。3  上行時(shí)鐘提前在lte系統(tǒng)中，為了保證ue上行信號(hào)之間的正交性，必須保證各ue信號(hào)在接收端的接收時(shí)鐘是一致的，lte是通過控制ue采用不同的上行時(shí)鐘提前來實(shí)現(xiàn)的，即距離enb較遠(yuǎn)的ue較早發(fā)送，距離enb較遠(yuǎn)的ue較晚發(fā)送，由于lte中每個(gè)ue只有一個(gè)上行成員載波，因此每個(gè)ue也只需要一個(gè)上行

11、時(shí)鐘提前。在lte-advanced系統(tǒng)中，每個(gè)ue可能會(huì)有多個(gè)上行成員載波，而且這多個(gè)成員載波的傳輸特性可能具有很大的不同，因此有可能需要多個(gè)上行時(shí)鐘提前，但并不是每個(gè)場(chǎng)景都需要多個(gè)上行時(shí)鐘提前。圖2示出了ran 2定義的4種載波聚合場(chǎng)景。圖2  ran2載波聚合場(chǎng)景（1）場(chǎng)景1接收成員載波1的射頻單元和接收成員載波2的射頻單元處于相同的位置。成員載波1和成員載波2提供相近的覆蓋，成員載波1和成員載波2 都可以提供覆蓋和移動(dòng)性。（2）場(chǎng)景2接收成員載波1的射頻單元和接收成員載波2的射頻單元處于相同的位置。成員載波1提供充足的覆蓋，基于成員載波1提供移動(dòng)性；成員載波2的覆蓋較小，提供

12、吞吐量。（3）場(chǎng)景3接收成員載波1的射頻單元和接收成員載波2的射頻單元處于相同的位置，但成員載波2的天線指向成員載波1的邊界以提高小區(qū)邊緣的吞吐量。成員載波1提供充足的覆蓋，基于成員載波1提供移動(dòng)性；成員載波2可能具有覆蓋空洞。（4）場(chǎng)景4接收成員載波1的射頻單元和接收成員載波2的射頻單元處于不同的位置。成員載波1提供充足的覆蓋，基于成員載波1提供移動(dòng)性；成員載波2提供熱點(diǎn)地區(qū)的吞吐量。經(jīng)過ran 2的討論，決定優(yōu)先支持場(chǎng)景1/2/3，只有在完成場(chǎng)景1/2/3的情況下才繼續(xù)研究場(chǎng)景4。另外，根據(jù)聚合頻帶的不同，載波聚合可分為帶內(nèi)聚合、帶間聚合。根據(jù)ran 4的研究，對(duì)于場(chǎng)景1和場(chǎng)景2來說，在帶

13、內(nèi)聚合和頻帶間隔不大的帶間聚合情況下，不需要多個(gè)上行時(shí)鐘提前，但對(duì)于場(chǎng)景3，ran 4目前還沒有相關(guān)的結(jié)論。另外，當(dāng)帶間聚合的頻帶間隔較大時(shí)，場(chǎng)景1/2/3是否需要多個(gè)上行時(shí)鐘提前，目前也在ran 4的研究中。場(chǎng)景1/2/3中都是沒有任何直放站、射頻拉遠(yuǎn)的。圖3示出了ran 4定義的兩個(gè)含有直放站以及射頻拉遠(yuǎn)的場(chǎng)景。圖3  ran4場(chǎng)景（1）場(chǎng)景1頻率選擇性直放站，直放站1對(duì)應(yīng)成員載波1，直放站2對(duì)應(yīng)成員載波2。（2）場(chǎng)景2類似于圖2中的場(chǎng)景4，接收成員載波1的射頻單元和接收成員載波2的射頻單元處于不同的位置，可以看作是有射頻拉遠(yuǎn)的情形。對(duì)于圖3示出的這兩個(gè)場(chǎng)景，不管是帶內(nèi)聚合還是帶

14、間聚合，都是要支持多個(gè)上行時(shí)鐘提前的。在此前的討論中，有些公司認(rèn)為在lte-advanced（r10版本）中只需支持單個(gè)上行時(shí)鐘提前的場(chǎng)景，對(duì)于需要支持多個(gè)上行時(shí)鐘提前的場(chǎng)景，可以在后續(xù)版本中引入。但經(jīng)過ran 2的多次討論，決定只要ran 4對(duì)于圖2中的場(chǎng)景1/2/3做出結(jié)論這些場(chǎng)景需要多個(gè)上行時(shí)鐘提前不管是帶內(nèi)聚合、頻帶間隔較近的帶間聚合、還是頻帶間隔較遠(yuǎn)的帶間聚合），那就決定在lte-advanced（r10版本）中引入多個(gè)上行時(shí)鐘提前。一旦引入多個(gè)上行時(shí)鐘提前，將需要解決一系列的問題：是對(duì)每個(gè)上行成員載波都有一個(gè)獨(dú)立的上行時(shí)鐘提前還是允許一小組成員載波可以支持一個(gè)相同的上行時(shí)鐘提前？如

15、果是后者，該如何分組。在lte中，上行同步建立時(shí)網(wǎng)絡(luò)端發(fā)送的上行時(shí)鐘提前值是相對(duì)于下行接收時(shí)鐘的。在lte-advanced系統(tǒng)中，由于有多個(gè)成員載波，需要指定上行成員載波的上行時(shí)鐘提前是相對(duì)于哪個(gè)下行成員載波的。如果一個(gè)ue需要多個(gè)上行時(shí)鐘提前，為了在切換過程中盡可能快地獲取所有上行成員載波的同步，是否允許ue發(fā)起并行的隨機(jī)接入過程？或者是首先讓ue實(shí)施一個(gè)隨機(jī)接入過程，以在一個(gè)配置的上行成員載波 (或者上行成員載波組) 上獲得同步，然后再實(shí)施其它的接入過程以獲得其它上行成員載波 (或者上行成員載波組)上的同步。對(duì)于需要多個(gè)上行時(shí)鐘提前的ue，需要擴(kuò)展lte中的上行時(shí)鐘提前命令，以指明每次網(wǎng)

16、絡(luò)端發(fā)送的上行時(shí)鐘提前命令是針對(duì)哪個(gè)上行成員載波的。4  系統(tǒng)信息系統(tǒng)信息可分為兩類：一類信息與成員載波無關(guān)，即這些信息在不同的成員載波上是相同的，也就是成員載波的共有信息，如圖4中“s”所示的信息；另一類信息與成員載波相關(guān)，即這些信息在不同的成員載波上具有不同的值，也就是成員載波得專有信息，如圖4中“a/b/c”所示的信息。對(duì)于成員載波共有信息，由于ue可能在任一成員載波上駐留，其需要在所有成員載波上都發(fā)送；對(duì)于成員載波專有信息，那就有兩種設(shè)計(jì)方案：一種是在任一成員載波上都廣播所有成員載波的專有信息，如圖4（a）所示；另一種則是在每一個(gè)成員載波上都只廣播自己成員載波的專有信息，如圖

17、4（b）所示。方案（a）的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)要為ue增加一個(gè)成員載波時(shí)，其已經(jīng)獲得了所要增加成員載波的系統(tǒng)信息，不再需要額外的方法來獲得所要增加成員載波的系統(tǒng)信息；而當(dāng)系統(tǒng)信息改變時(shí)，其也可以重用lte中獲取系統(tǒng)信息改變的流程；但其缺點(diǎn)是在每個(gè)成員載波上都需要更多的資源來傳輸系統(tǒng)信息，而且成員載波聚合的越多，所需要的資源越多。方案（b）則正好相反。經(jīng)過討論，鑒于方案（a）會(huì)顯著增大傳輸系統(tǒng)信息所需要的資源，lte-advanced最終采用了方案（b）。圖4  系統(tǒng)信息設(shè)計(jì)基于上述結(jié)論，當(dāng)為ue配置新的成員載波時(shí)，ue獲得新成員載波系統(tǒng)消息的方法有兩種：一種是如圖5（a）所示像lte那樣到新

18、配置的成員載波上去監(jiān)聽系統(tǒng)消息，但此方法會(huì)導(dǎo)致較大的時(shí)間延遲；另一種是如圖5（b）所示那樣通過專門的rrc信令告知ue新配置成員載波的系統(tǒng)消息，此方法的時(shí)間延遲小，但會(huì)增大信令的開銷。經(jīng)過分析認(rèn)為，由于此時(shí)ue正處于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)，對(duì)延遲更加敏感；而方案（b）所導(dǎo)致的信令增加的開銷是有限的，因?yàn)閭鬏數(shù)闹皇浅蓡T載波專有的系統(tǒng)消息，因此lte-advanced最終采用了方案（b）。為了進(jìn)一步減小信令開銷，3gpp認(rèn)為在成員載波專有的系統(tǒng)消息中，只考慮傳送那些對(duì)于載波聚合傳輸來說最緊急的系統(tǒng)消息，其他系統(tǒng)信息的獲得仍然通過lte的流程來獲得。至于哪些系統(tǒng)信息被認(rèn)為是最緊急的，仍然在3gpp的討論中。

19、圖5  獲取新配置成員載波系統(tǒng)消息圖4方案（b）設(shè)計(jì)帶來的另一個(gè)問題是當(dāng)系統(tǒng)信息改變時(shí)，ue如何獲取新的系統(tǒng)信息。在lte中，ue要么周期性地檢查尋呼信息中的系統(tǒng)信息改變指示，要么周期性地檢查sib1，來發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)信息是否發(fā)生了改變。在lte-advanced 中，如果ue還像lte那樣去周期性地檢查每個(gè)成員載波上系統(tǒng)信息的改變，將會(huì)顯著增加ue的復(fù)雜度。因此，3gpp首先排除了在載波聚合場(chǎng)景下周期性檢查所有配置成員載波的尋呼信息或者周期性閱讀所有配置成員載波的sib1來發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)信息改變的方案。經(jīng)過討論，在lte-advanced中，對(duì)于主成員載波上系統(tǒng)信息的改變，ue仍然采用lte的

20、方法去發(fā)現(xiàn)，但對(duì)于輔成員載波，系統(tǒng)則通過專門的信令來告知ue系統(tǒng)信息的改變。不過值得注意的是，對(duì)于其他方法，3gpp并不排除，仍然可以繼續(xù)研究。5  無線鏈路失敗（rlf）在lte中，以下三起事件會(huì)觸發(fā)ue的rlf：（1）1> t310計(jì)時(shí)器滿期ue通過無線鏈路監(jiān)測(cè)并與相應(yīng)設(shè)定門限qout和qin的比較來確定無線鏈路的質(zhì)量，并向高層發(fā)送“in-sync”與“out-of-sync”指示。當(dāng)從低層接收到n310個(gè)連續(xù)的 “out-of-sync”指示，同時(shí)t300/301/304/311都沒有運(yùn)行，則ue將會(huì)啟動(dòng)t310計(jì)時(shí)器；當(dāng)從低層接收到n310個(gè)連續(xù)的“in-sync”指示，同時(shí)t310計(jì)時(shí)器在運(yùn)行，則ue將停止t310計(jì)時(shí)器。（2）2> mac層的隨機(jī)接入問題指示。（3）3> rlc層的最大重傳次數(shù)已達(dá)到指示。當(dāng)ue宣布rlf后，就可以發(fā)起rrc連接重建了。對(duì)于第三起事件，由于多個(gè)成員載波對(duì)于rlc層是不可見的，因此lte-advanced rlc層的觸發(fā)應(yīng)該與lte保持一致。對(duì)于第一起事件，首先要注意：對(duì)于lte來說，一個(gè)成員載波的鏈路失敗就意味著這個(gè)ue的無線鏈路失敗了，但在lte-advanced系統(tǒng)中，一個(gè)成員載波的鏈路失敗并不意味著一定要宣布整個(gè)ue的rlf。那是不是只有當(dāng)所