载波聚合技术及系统影响研究

为了阐明载波聚合的概念并澄清相关的技术误区，首先总结了载波聚合相应的关键技术，随后在此基础上，概括性地从系统结构、工作机制和安全等多方面分析载波聚合对现有lte系统的影响。

通过分析，前瞻性地剖析了载波聚合可能的发展方向，为今后的lte-a建网提供参考。

载波聚合 harq 跨载波调度动态频谱 lte-u
ca harq ca schedule dynamic spectrum lte-u
1 载波聚合的概念及分类
载波聚合经常与多载波及联合扩展混为一谈，因此本文需要做出澄清。

在多载波中，每个终端只能接入一个载波，传输速率受该载波带宽的限制[3]，但在载波聚合中，终端可以同时接入两个及以上的载波，同时进行上下行链路的数据传输，可以自由地在聚合载波间实现负载均衡，而多载波系统的负载均衡则必须经过系统切换来实现。

联合扩展[4]则与载波聚合类似，属于lte系统带宽扩展的一种方式，不同的是，联合扩展是通过对ofdm（orthogonal frequency division multiplexing，正交频分复用）子载波的带宽进行压缩，从而增加相应频带内子载波的数量。

由于减小了子载波带宽，lte系统需要重新设计物理信道与调制编码方案，兼容性较差。

作为lte中的标志性技术，载波聚合同样需要遵循后向兼容及影响最小化的原则，即对每个载波资源的处理尽量与现有lte系统类似，以保证各类终端能顺利接入网络。

对系统协议的修改也要尽量小，尤其是物理层，以保证组网成本低、容易推广。

在这两个前提下，载波聚合的分类如下：
（1）从上下行链路的角度区分，载波聚合可分为对称载波与非对称载波[4]，两者的差异为后者上下行配置有不同数量或带宽的载波，但会带来切换及保持载波聚合连续性的困难。

（2）从载波连续分配的角度区分，载波聚合可分为同一频带内连续载波（intra-band contiguous）、同一频带内非连续载波（intra-band non-contiguous）和不同频带内非连续载波（inter-band non-contiguous）三种。

三种聚合方式尽管要求不同，但在信令面和用户面都采取相同的解决方案，以保持后向兼容。

（3）从数据流聚合的角度区分，载波聚合可分为mac层聚合和phy层聚合[5]。

前者的载波在物理层维持原有结构，如链路自适应、harq等，每个载波都有传输块，数据流被分配到不同载波，并由mac完成聚合，而phy层聚合则让所有子载波共享一个传输块，使用统一的调制编码，共用一个harq进程和相应的ack/nak反馈机制。

相对而言，mac层聚合相对现有lte系统改动小，适合平滑过渡。

2 载波聚合的关键技术
载波聚合的关键技术主要体现在对功率控制、上下行控制信道设计的修正，以及对现有物理层、harq（hybrid automatic repeat request，混合自动重传请求）、调度及切换的影响。

涉及到对现有lte系统的影响，将统一在下文叙述，这里着重介绍功率控制与信道设计[6]。

（1）上行控制信道
lte的上行控制信道主要包括pucch和pusch。

由于lte-a载波聚合使得一个上行载波与多个下行载波对应，因此pucch上需要传输的harq ack/nack信息量更大，现有设计的lte （主要指r8）系统pucch已经不能满足传输要求。

因此，lte-a重新增加了基于dft-s-ofdm （discrete fourier transform-spread-ofdm，离散傅立叶变换-时域扩展-正交频分复用）的pucch 3格式。

结合现有的pucch1、pucch1 a、pucch1 b、pucch2、pucch2 a、pucch2 b 等格式，上行具体使用哪种格式，是由终端所传输的ack/nack比特数及所配置的聚合载波数量来决定的。

（2）下行控制信道
3 载波聚合对lte系统的影响
载波聚合对lte系统的影响主要表现在l2/l3、harq及调度、系统切换和安全性等。

（1）l2/l3
载波聚合对l2/l3的影响包含mac和rrc等[7]。

正如前文所述，lte-a倾向于使用mac 聚合，mac必须知道所有激活的载波，并向其提供资源映射、数据调制、harq和信道编码，同时也增加了调度的复杂性。

对rrc的影响则涉及新类别的支持，如cat6/7/8、跨载波甚至是跨频段的调度支持以及scc的动态配置，包括添加与删除等。

（2）harq
传统harq的重传基于ack/nack，数据长度为1 bit。

但在载波聚合中，数据长度为3 bit 或更多。

前者基于固定的harq进程与pdsch/pusch映射，后者则为可变映射。

尤其是后者，当允许跨载波重传时，需要选择具有更高增益的载波进行调度，因此开销更大[5]。

（3）调度
lte的调度机制至关重要，可以有效减小传输时延，提升系统吞吐量。

对于载波聚合而言，除了同样需要考虑以rb（resource block，资源块）为单位的调度，还需要考虑基于载波的调度[8-9]。

基于载波的调度包括独立载波调度和联合载波调度，前者采用两级结构，用户被一级调度器分配到不同的载波上，然后每个载波上的二级调度器继续分配资源；而联合载波调度则共享一个调度器，结构上更简单。

（4）切换
在lte-a系统中，切换同样分为3个部分[10]：切换准备、执行与完成。

在准备阶段，由源基站与目标基站进行友好协商，前者报告多个聚合载波的信道质量和配置信息，以及可选的邻区列表，由后者在执行阶段通过rrc连接重配置消息进行scc的配置，经由随机接入前导透传给终端，由终端完成pcc的重配，并依照随机接入的原则进行rach接入。

（5）系统安全
总体来讲，载波聚合并不会影响lte的安全架构[11]，仍然采取as（access stratum，接入层）与nas（non access stratum，非接入层）分离的架构。

as负责终端与基站间的安全，nas负责移动管理实体的安全。

在as安全方面，由于安全机制与参数基本类似，只有当聚合的载波来自不同运营商时，才可能出现认证问题。

而在nas安全方面则要复杂的多，包括intra-band安全和inter-band安全。

在intra-band安全中，pcc的改变就会触发密钥的更新，带来rrc的重配；而在inter-band安全中，只有当目标基站选择的pcc与源基站提供的不一样时，才可能触发安全问题。

为此，源基站要为目标基站提供pcc及scc的双层安全密钥以进行通话。

4 载波聚合的技术发展
载波聚合技术不断地发展演进，一方面聚合带宽与峰值速率不断提升；另一方面不断扩展聚合范围，实现不同种类载波间的聚合，如fdd与tdd间的载波聚合、动态频谱接入的载波聚合以及授权频段与非授权频段的聚合等。

（1）fdd与tdd间的载波聚合
fdd-tdd载波聚合[1]属于前文介绍的inter-band non-contiguous类，在r12中引入。

fdd-tdd聚合存在tdd pcc（tdd作主载波）与fdd pcc（fdd作主载波）两种情形。

两种情形下，辅载波的上行子帧均不做聚合，因此tdd pcc的频率效率更低，毕竟此情形下作为辅载波的fdd会损失所有的上行子帧。

另外，在跨载波调度时，fdd pcc可以调度所有的tdd scc，而tdd pcc则只能调度部分fdd scc，也同样地牺牲了部分效率。

类似地，tdd pcc还会使fdd下行传输的最大rtt（round trip time，往返时间）变长，增加传输时延，反之，fdd pcc 却可以维持tdd的rtt不变。

（2）动态频谱接入的载波聚合
动态频谱接入的载波聚合[12]基于认知无线电技术，能够自动搜寻授权频段中的空闲频段，然后根据一定的智能算法，自适应地改变系统参数，以充分满足这些频段的使用要求。

动态频谱接入的载波聚合设有sps（spectrum policy server，频谱策略服务器），统一检测并调度空闲可用的频谱资源，而lte从sps中选取scc进行资源分配。

（3）授权频段与非授权频段的载波聚合
由于运营商业务模式的创新，用户对速率的要求不断攀升，使得载波聚合成为lte部署的新常态，但也对频谱管理和使用提出了新的要求，包括机构的监管、频谱的重耕及规划，新技术的引入等。

本文对载波聚合技术及其系统影响进行了研究，并提出只有合理使用载波聚合，才有可能更积极快速地推动lte技术与产业的发展，从而提升用户的体验。