LTE-A中新載波類型標準化研究

王鐘雷，常永宇，宋思達，楊大成

(北京郵電大學無線理論與技術研究室，北京 100876)

0 引言

近些年來大量智能手機和平板電腦的出現，推動著對移動寬帶網絡的需求。第3代移動通信系統(tǒng)已不能完全滿足用戶的需求，故第3代合作伙伴計劃(3GPP)制定了下一代寬帶無線通信系統(tǒng)(LTE)的具體需求，包括:提高用戶數據傳輸速率、減少時延、提高小區(qū)邊界的比特率、提高頻譜效率、實現對現有帶寬和新增帶寬中頻譜的更靈活使用、簡化網絡結構和實現移動終端的合理功耗［1］。3GPP于2008年完成了LTE的第1個版本LTE Release 8，但是并不能滿足國際電信聯盟IMT-Advanced的技術要求。因此3GPP于2009年正式對LTE-Advanced中相關工作項目(Work Item)進行立項。

LTE-A是LTE的演進版本，滿足或超過國際電信聯盟提出的IMT-Advanced的需求，同時還保持對LTE較好的后向兼容。LTE-A中引入了載波聚合(Carrier Aggregation)、多天線增強(Enhanced MIMO)、多點協(xié)作傳輸(Coordinated Multi-point)、中繼(Relay)和異構網小區(qū)間干擾協(xié)調增強(Enhanced Inter-cell Interference Coordination for Heterogene-ous Network)等關鍵技術，大大提高了系統(tǒng)的峰值數據速率。為了支持靈活的帶寬擴展、降低系統(tǒng)開銷和進一步提高頻譜效率，3GPP在標準化過程中提出了一種新載波類型(New Carrier Type，NCT)［2］。

1 新載波類型簡介

新載波類型是在LTE-A R11中提出的一類非后向兼容載波類型(Non-backwards Compatible Carrier)。非后向兼容載波是相對于后向兼容載波(Back-wards Compatible Carrier)而言，后向兼容載波是指所有LTE版本的用戶(UE)都能夠接入的載波，而新載波類型是R11版本后的用戶才可以接入的。在初期討論的新載波類型主要分為2種，載波片段(Car-rier Segments)和擴展載波(Extension Car-riers)。

由于之前規(guī)定的后向兼容載波之間存在一些零碎的資源塊(Resource Block)以及保護帶寬，載波片段可以利用這些零散的RB與相鄰的后向兼容載波組成更大帶寬的載波。載波片段和后向兼容載波相鄰，在形成更大的帶寬的同時，載波片段可以與原載波共用控制開銷，在載波片段上只傳輸數據信號，有助于提高頻譜利用率和能量效率。但是載波片段需要定義新的系統(tǒng)帶寬，帶來更多的規(guī)范制定和測試的工作量。故載波片段的討論暫時被擱置，要等到R12之后的版本才會引入，目前3GPP主要關注擴展載波。

擴展載波相比于原有的后向兼容載波而言，其上減少甚至消除后向兼容載波中控制信令和小區(qū)特定參考信號(Cell-specific Reference Signal)的傳輸。下面將主要介紹擴展載波的技術特點，如無特殊說明下文中新載波類型就是指擴展載波。目前新載波類型已經正式立項，此載波至少應用于下行，標準制定主要分為2個階段。第一個階段中，新載波類型不能單獨使用，它必須在載波聚合的場景中使用，新載波類型和后向兼容載波相關聯作為載波聚合中的一個輔分量載波(Secondary Component Carrier，SCC)，在此聚合的載波集中應至少有一個分量載波是后向兼容載波，且新載波類型不能作為主分量載波(Primary Component Carrier，PCC)。第二個階段中，開始研究獨立使用的新載波類型，此種類型的新載波類型要等到R12版本后才會加入。

2 新載波類型的優(yōu)勢

新載波類型降低開銷獲得更高的頻譜效率［3］。在新載波類型上不傳輸PBCH(物理廣播信道)，減少或者不傳輸CRS，并且當新載波類型與后向兼容載波同步時可以不傳輸主/輔同步信號(PSS/SSS)，這樣可以節(jié)省大量的資源粒子(Resource element)用于數據的傳輸。在載波帶寬較大時，節(jié)省的RE占載波總RE數的比例較小。但是在小載波帶寬情況下，節(jié)省的RE數是十分可觀的。

新載波類型可以降低異構網中RS帶來的干擾。異構網場景下的載波聚合，RS特別是CRS會產生相同級別節(jié)點之間和不同級別節(jié)點之間的干擾。在輔分量載波上減少這些必須傳輸的RS(如CRS)有助于減少干擾。例如，在宏小區(qū)(Macro)和微微小區(qū)(Pico)重疊且共享小區(qū)ID的場景中，其中宏小區(qū)是新載波類型，微微小區(qū)是后向兼容載波，由于CRS等必須傳輸的信號減少，極大地減少了宏小區(qū)對微微小區(qū)的干擾。

新載波類型可以提升能量利用效率。由于基站(eNB)在不發(fā)送任何數據的時候，也要傳輸CRS、PSS和SSS等信號，造成了大量不必要的能量消耗。新載波類型的設計考慮減少甚至不傳輸CRS、PSS和SSS等信號，減少eNB的能量消耗。

新載波類型支持靈活的帶寬配置。后向兼容載波支持6 種帶寬:1.4、3、5、10、15 和20 MHz。新載波類型可以規(guī)定新的帶寬配置，以此來使用戶能獲得整個連續(xù)可利用的頻譜資源。另外，在新載波類型上減少甚至不傳輸寬帶的RS更有利于靈活配置新的帶寬。

3 新載波類型標準化進展

在3GPP R11中討論的新載波類型主要分為2種情況，同步的新載波類型和非同步的新載波類型［4］。接下來分別介紹這2種載波的相關技術特點。

3.1 非同步的新載波類型

非同步的新載波類型主要涉及CRS、DM-RS(解調參考信號)、PSS/SSS和PBCH的設計。此種載波可以在載波聚合場景中與后向兼容載波聚合在一起使用，且此種載波只能作為SCC，如圖1所示。

圖1 非同步的新載波類型應用場景

3.1.1 CRS 設計

3GPP規(guī)定在非同步新載波類型上傳輸的CRS，占用一個參考信號端口，并且每隔5ms在一個子幀中傳輸。新的CRS端口為R8中CRS的Port 0，并繼續(xù)使用R8中CRS的序列［5］。與R8的 CRS相比，由于新的CRS在時間上周期增大為原來的5倍，相應占用RE的數量至少縮減為原來的五分之一。

新的CRS帶寬并沒有最后確定，主要有3種方案，如圖2所示:① 整個系統(tǒng)帶寬;② min(系統(tǒng)帶寬，X)，其中X∈{6，25}RB;③ 整個系統(tǒng)帶寬和min(系統(tǒng)帶寬，X)之間可配置的帶寬。CRS的減少會影響到RRM測量、時間和頻率跟蹤的性能。其中RRM測量包括參考信號接收功率(RSRP)測量和參考信號接收質量(RSRQ)測量。由于新的CRS已經在時域上大幅減少，測量時可采樣的CRS數量變少，造成測量誤差增大，所以帶寬的選擇對RRM測量是尤為重要的。經過大量的仿真驗證不同帶寬的RSRP 和 RSRQ 測量性能，得出［6］:

① Bandwidth≤25 RB時，5 ms周期的 CRS需使用整個系統(tǒng)帶寬可滿足RRM測量性能要求;

② Bandwidth＞25 RB時，5 ms周期的 CRS需使用25 RB的帶寬可滿足RRM測量最小性能要求。

圖2 3種帶寬選擇方案

另外，非同步的新載波類型沒有與一個聚合的后向兼容載波在時間和頻率上都同步，故UE需要檢測非同步新載波類型上用于同步的信號，持續(xù)跟蹤與此載波的時間和頻率同步。在非同步新載波類型上有幾種信號可用于時頻跟蹤［7］:PSS/SSS、CRS、CSI-RS(Channel-State Information RS)以及循環(huán)前綴(Cyclic Prefix)。通常，時頻跟蹤的方案是將上述幾種信號結合使用或單獨使用，如PSS/SSS與CRS組合使用、PSS/SSS與 CSI-RS組合使用、單獨檢測CP、單獨檢測CRS和單獨檢測CSI-RS。

后向兼容載波的方案是PSS/SSS與CRS一起用于時頻跟蹤，其中PSS/SSS用于粗時頻同步，CRS用于細時頻同步。由于時間同步需要在頻率方向進行估計，頻率同步需要在時間方向進行估計，所以需要用來檢測的信號在時間和頻率上都有一定的密度。而CSI-RS在時域和頻域上的密度都不及新的CRS大，所以如果采用含有CSI-RS的方案的話，會導致時間和頻率跟蹤精確度不足。要使用CSI-RS的話就必須增大它在時域和頻域上的密度，這樣就需要更多的工作來設計新的CSI-RS，增加了新載波類型標準化的工作難度。無論是從性能方面還是工作難度方面的考慮，采用之前PSS/SSS與CRS方案用做時頻跟蹤最為適合。CRS的帶寬對于時頻跟蹤尤其是時間跟蹤有很大的影響，經過各種方法仿真的驗證，3GPP得出了結論:

① Bandwidth＞25 RB時，5ms周期的 CRS需25 RB的帶寬可滿足時頻跟蹤最小性能要求，使用整個系統(tǒng)帶寬可提高時頻跟蹤性能;

② Bandwidth≤25 RB時，5 ms周期的 CRS需使用整個系統(tǒng)帶寬可滿足時頻跟蹤性能要求，帶寬6 RB時的跟蹤性能無法保證。

綜合以上RRM測量和時頻跟蹤兩個方面的考慮，CRS帶寬采用方案二 min(系統(tǒng)帶寬，X=25 RB)基本可滿足性能要求，系統(tǒng)帶寬為6 RB時還需進一步地討論來解決時頻跟蹤的問題。

3.1.2 DM-RS與 PSS/SSS 設計

DM-RS是在PDSCH(物理下行共享信道)上傳輸，用于支持用戶數據信號的解調。PSS/SSS是用于小區(qū)搜索的同步信號，在所有的下行無線幀中以5 ms為周期傳輸。所以，在一些RE上DM-RS與PSS/SSS就會發(fā)生沖突［8］，如圖3所示。

圖3 DM-RS與PSS/SSS沖突圖樣

后向兼容載波中為了避免這2種信號的沖突，規(guī)定了在傳輸PSS/SSS的子幀(每個無線幀的0和5號子幀)的中心6 RB上不傳輸PDSCH，即不能傳輸DM-RS［9］。此方案雖然可以解決沖突問題，但是一個子幀的6 RB帶寬無法傳輸PDSCH造成了大量時頻資源的浪費，可以計算得出一個子幀中有864個RE不能使用。

在非同步的新載波類型上，希望能夠盡量地提高頻譜效率，所以并沒有沿用后向兼容載波的這項規(guī)定，這樣就需要重新制定避免DM-RS與PSS/SSS沖突的規(guī)定。經過討論，3GPP已經提出了一些解決方案［10］:

(1)移動PSS/SSS至新的時間位置

①保持之前PSS和SSS的相對位置，例如PSS和SSS移動到第5和第4個OFDM符號;

②改變之前PSS和SSS的相對位置。

(2)保持原有的DM-RS模式和PSS/SSS位置，采用以下方法避免沖突

①將與PSS/SSS沖突的位置的DM-RS打孔，即沖突位置的RE不傳輸DM-RS;

②沖突子幀中心6 RB不傳輸PDSCH，即不傳輸DM-RS。此方法與后向兼容載波的解決方法一致。

(3)改變DM-RS的樣式

下面具體分析各個方案的優(yōu)劣:

①方案一

優(yōu)勢:影響的范圍較小，只涉及同步信道。

劣勢:需要更多的標準化工作，并且需要UE搜索2個PSS/SSS的位置，增大了UE的復雜度;如果改變PSS/SSS的相對位置，可能會降低同步的性能。

②方案二(主要是2種方法中的打孔):

優(yōu)勢:標準化工作需要極少，對于同步過程沒有影響;

劣勢:頻譜利用率較低，尤其在高速環(huán)境下，解調性能降低。

③方案三:

優(yōu)勢:受影響的將只是DM-RS，新的DM-RS樣式會提高解調性能。

劣勢:需要更多的工作來評估新DM-RS的性能，引入新DM-RS樣式增大了UE的復雜度。

目前，討論并沒有得出最終的結論。接下來的工作中，首先要研究新的DM-RS樣式帶來的好處，例如考慮對PDSCH、PBCH、CSI-RS和ePDCCH的影響。如果采用新的DM-RS樣式，則不再考慮其他的方案。

3.2 同步的新載波類型

同步的新載波類型是指一種新載波類型在時間和頻率上都與一個后向兼容載波同步，通常同步的新載波類型和與其同步的后向兼容載波是使用同一發(fā)射天線。由于時間和頻率的同步需要時頻誤差在一個很小的范圍內，能夠滿足這個條件的場景只有頻段內連續(xù)的CA，即標準中規(guī)定的CA場景1［11］如圖4所示。圖中小區(qū)1和小區(qū)2相互重疊并提供相同的覆蓋范圍，小區(qū)1的頻率F1和小區(qū)2的頻率F2是處于同一頻段內。

圖4 同步的新載波類型應用場景

由于同步的新載波類型在時間和頻率上都與一個后向兼容載波同步，所以UE并不需要額外的與同步的新載波類型同步的過程。進而，同步的新載波類型中并不需要傳輸用于同步的信號，如PSS/SSS和CRS。這樣就節(jié)省了一些系統(tǒng)開銷，提升了頻譜效率，如表1所示。

表1 PSS/SSS和CRS開銷節(jié)省

另外，由于同步新載波類型中不傳輸PSS/SSS和CRS等寬帶信號，有利于帶寬的靈活分配。更減少了異構網場景中，由上述3種信號產生的干擾。例如，如果Macro cell被配置為同步的新類型載波，那么此載波上的PSS/SSS和CRS就不會對同頻的Pico cell產生干擾。

可以看出，同步的新載波類型帶來了非常大的好處，但是PSS/SSS和CRS的缺失也帶來了一些問題。首先，UE無法通過檢測PSS/SSS來完成小區(qū)搜索的過程;其次，從后向兼容載波的接收鏈得到的時間頻率能否準確地轉移到同步的新載波類型的接收鏈需要證實;最后，不傳輸CRS如何進行可靠的RRM測量。

在LTE系統(tǒng)以及較早版本LTE-A系統(tǒng)中，UE通過檢測PSS/SSS發(fā)現小區(qū)并取得初始同步，但是同步的新載波類型上沒有PSS/SSS的傳輸，UE使用這種方法并無法發(fā)現同步的新載波類型?？梢酝ㄟ^高層信令來通知UE，讓UE能夠發(fā)現同步的新載波類型，并且通過這種方式可以區(qū)分同步的新載波類型與非同步的新載波類型［12］。另外，可以在高層信令中通知UE與其同步的后向兼容載波，以便UE能夠通過后向兼容獲取同步新載波類型的時間頻率，UE還可以通過后向兼容獲得RRM測量信息。

也有一些觀點認為引入同步的新載波類型是沒有必要的。首先，移除PSS/SSS和CRS帶來的開銷節(jié)省較少，因為CRS周期變?yōu)? ms已經節(jié)省了很多的開銷。其次，后向兼容載波上的RRM測量不能反應同步新載波類型的干擾水平。最后，從復雜度方面來看，引入同步新載波類型會增加UE和eNB的復雜度。

目前，是否引入同步的新載波類型并沒有達成一致的結論，還需后續(xù)的討論。

4 結束語

總結了新載波類型標準化過程的幾個研究熱點。在分析新載波類型優(yōu)勢的基礎上，詳細介紹了非同步的新載波類型和同步的新載波類型的標準化進程和信道設計。新載波類型可以節(jié)省系統(tǒng)開銷，提高能量利用效率，降低異構網中RS產生的相同級別節(jié)點之間和不同級別節(jié)點之間的干擾，有利于帶寬的靈活配置。因此，新載波類型的引入有重要的意義，并成為R11后3GPP關注的主要技術之一。另外，在R12中還會引入獨立使用的新載波類型，還需要繼續(xù)對此課題進行跟蹤關注。

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