LTE后续演进中基于频谱聚合的协同通信

http://www.c114.net ( 2010/6/13 11:19 )

(2)如何有效使用频谱

大带宽的主要业务是数据业务，数据业务具有显著的上下行非对称特性，并且这种非对称特性随时间地点不断变化，单独的LTE-A FDD内的多载波聚合如何适应这种非对成性？这也涉及是否采用系统间的载波聚合，是否将LTE-A FDD系统与LTE-A TDD系统的频谱聚合起来共同支持非对成业务的问题。

上述IMT-A面临的问题，仅仅采用以往的在同一种连续频谱上进行多载波捆绑的频谱聚合方式是无法解决的。仅仅通过FDD频谱的聚集难以解决非对称业务情况下的频谱使用效率问题，仅仅通过连续的TDD频谱上的载波聚集也难以解决TDD的反馈时延、调度时延较大的问题(受无线帧结构限制)，这都是制约频谱效率进一步提升的环节。此外，由于低端频谱稀缺，很难在低端频谱上向多个运营商分别提供宽达100 MHz的频谱供运营商单独使用(即便有足够的带宽，也得不到充分使用)，这就需要让高端频谱动态补充用于宏覆盖的低端频谱，扩展高端频谱的实用场景。这需要借助更加灵活的基于频谱聚合的协同通信方案来解决，仅仅靠简单的载波捆绑难以解决问题。

不同频谱聚合方式可以解决不同的问题，灵活的频谱聚合可以扩展传输带宽，可以催生新型业务，可以提高空口的频谱使用效率，可以扩展高端频谱的适用场景。在各种频谱聚合方式中，不同系统间的频谱聚合，非连续频谱间的聚合以及高低端频谱聚合往往能够解决传统频谱聚合场景下难以解决的问题。

1.3 基于频谱聚合的协同通信

所谓协同通信就是通过一组通信功能实体间的配合来获得单个通信功能实体不具备的通信能力。在基于频谱聚合的协同通信中，通信功能实体就是具备在单个载波上发射或/和接收无线电信号的功能或物理实体。如果参与协同的功能实体来自不同的系统，就是系统间的协同通信。

在现有无线接入网演进中，为了简化网络种类，降低建网成本，不同无线接入网的基站和传输部分之间逐步融合。但是，由于采用不同空中接口的现有终端难以融合，导致现有无线接入网在空中接口上的多样性的长期存在，基于频谱聚合的协同通信可以在空口多样性的情况下，实现系统间优势互补，共享资源。

进一步地，在基于频谱聚合的协同通信的实施方式上，可以分为集中管理/控制的协同通信，分布式管理/控制的协同通信和自组织管理/控制的通信。无论是那种管理/控制方式下的协同通信，都需要基于无线环境信息，因此，与基于频谱聚合的协同通信密切相关的是无线电环境认知技术，系统间基于频谱聚合的协同越密切，自组织程度越高，对无线环境信息的要求也越丰富。

2 基于频谱聚合的协同通信与非对称业务支持

2.1 非对称业务的特点

文献[1]从业务的非对称性、传输流的非对称性及频谱的非对称3个方面对3G业务的非对称性做了分析，并且，从用户、小区、系统3个层面，对非对称业务的动态特性进行了分析。分析表明，链路级业务的非对称性具有高度动态特性，随时间/空间变化剧烈；小区级业务的非对称性具有中度动态特性，随时间/空间变化程度中等；而系统级业务的非对称性具有较低的动态特性，随时间/空间变化程度较慢。

文献[2]给出的各种业务的非对称性表明，一个移动通信系统的业务是这些对称和非对称业务的综合体现，既有对称、平稳的业务流分量(相当于直流分量)，也有非对称、突发、峰均比高的分量(相当于交流分量)。

由于移动通信业务是一小区或者几个相邻小区为单位进行资源配置的，小区内业务非对称性变化是频谱使用的最重要的依据，也就是说，在移动通信系统在考虑小区的上下行频谱资源配置时，要遵照如下原则：以小区为单位配置上下行资源，并且要能够跟上上下行业务非对称性的中度变化。

2.2 TDD与FDD在非对成业务下的性能差异

根据文献[3]的分析，在商业区、居民区、商务区这3种场景下，其业务的上下行非对称性和峰均比特性均有差异，由于TDD系统可以动态地适应业务的非对称性和突发特性，从实际可以达到的系统容量(TDD系统的带宽和FDD系统的上下行带宽之和相同的条件下)来看，由于业务非对称性的差别，TDD系统的系统容量可以比FDD系统的系统容量高出69%。只有在上行业务的比例分别在33.30%、42.5%的情况下，FDD系统才可以和TDD系统具有相同的容量，在其他业务情况下下，FDD系统的系统容量均低于TDD系统。

不考虑TDD和FDD在其他方面的差异，仅仅从其适合的业务类型上看，FDD更适合上下行对称且峰均比低的业务，而TDD适合上下行非对称业务的时变特性。由于文献[1]已经指出了业务模式的不可预见性和空间时间上的变化特性，通过频谱分配阶段为FDD系统划分一个固定的非对称频谱也是不可行的。LTE-A对FDD的频谱规划也应该和传统的FDD划分方式一样，采用上下行对称方式，对不对称业务的适应通过与TDD的组合或者通过与其他系统的频谱动态共享实现。

2.3 改进FDD系统对非对称业务的支持能力

FDD系统对非对称业务的支持，目前已经在NGMN P-BAG以及3GPP LTE-A中有讨论，归纳起来有如下3个方案：

非对称频谱规划。比如为了提高FDD系统对下行业务的支持能力，在频谱规划阶段就打破传统的上下行对称频带的规划方式，给FDD系统的下行频带规划出比上行更大带宽的频带。
TDD频谱用于FDD系统下行传输。为了提高FDD系统的下行业务能力，将TDD的频谱用于部署FDD系统的下行信道，从而增加FDD的下行传输带宽。

FDD与TDD系统进行基于频谱聚合的协同通信。该方案的特点是，TDD频谱上部署TDD系统空口，FDD系统上部署FDD空口，在此基础上，将TDD空口与FDD空口之间进行载波聚合。

非对称频谱规划需要解决的问题是：FDD系统的下行带宽比上行带宽大多少才能符合业务的非对称需要？由于非对称业务是以小区为单位随时间地点变化的，预先规划好的上下行非对称频谱如何适应这种变化？欧盟IST的研究报告也指出，目前没有预测未来业务的不对称性的方法，因此，目前在理论上就无法让FDD系统去适应非对称业务的方法，因此，这种貌似合理的频谱规划方案不具备实际可操作性。

TDD频谱用于FDD系统下行传输面临与非对称频谱规划相同的问题，在无法预计特定地区特定时间的业务非对称的情况下，将多少TDD频谱用于发射FDD信道才是合理的？在TDD频谱上布设FDD设备的方式实质上就是给FDD系统额外增加一段频谱，这个方案在文献[1]中对额外增加FDD系统给予了讨论，讨论结果是不可行。
FDD与TDD系统进行基于频谱聚合的协同通信的实现方式如图2所示，在TDD频谱上，部署的是TDD空中接口；在FDD频谱上，部署的是FDD系统的空中接口。再此基础上，根据特定小区特定时刻的上下行业务的非对称比例，灵活调节TDD系统无线帧中上下行时隙的比例，并以TDD空口与FDD空口并行传输的方式，实现与特定终端的通信。

图2给出的FDD系统频谱与TDD系统的协同通信，从频谱聚合的角度看，具有如下特点：

在TDD频谱上布设FDD设备

在FDD频谱上布设TDD设备

这种方案不涉及频谱规划问题，也无须TDD频谱与FDD频谱的重新规划(REFARMING)，可以同时达到如下效果：

以灵活的方式实现对突发业务、非对称业务的支持

可以灵活地适应非对称性随时间空间的变化

高的频谱使用效率或高的系统容量

这种基于频谱聚合的FDD/TDD系统间的协同通信，利用TDD灵活的上下行业务能力，提高了FDD非对称业务支持能力，回避了对非对称业务预测这个难题，是一种具有很强适应性的鲁棒解决方案。该方案既充分发挥TDD与FDD系统各自的优势，把两者在支持不同业务上的优点组合起来，两种系统密切协同，相得益彰。此外，从产业发展的角度，也可以促进TDD与FDD的共存和TDD产业链的成长。

3 基于频谱聚合的协同通信与保护频带利用

3.1 TDD与FDD间保护频带分析

为了节约建网成本，运营商需要共享网络资源，包括不同系统间共享站址，共享频谱，甚至共享天线。在这种大趋势下，运营商需要TDD与现有的FDD基站共享站址的解决方案。这就需要分析解决TDD与FDD系统在共站/共天线模式下的系统间干扰问题。传统的TDD系统是上下行使用相同的频带，为了保证TDD系统的基站和终端的发射和接收与其相邻频段上的系统的基站和终端之间不存在干扰或者其干扰处于可接收的范围之内，要求在TDD系统和FDD系统之间预留一个保护频带。在TDD与FDD异站址建网的情况下，这个保护频带大约为3 MHz，而在共站或者共天线建网的情况下，保护频带要在10 MHz以上，因此，需要分析对这个大的保护带利用。

从逻辑上看，无论TDD处于那个频段上，也无论该TDD频段上部署的是那种标准的系统，TDD频带与其相邻或者相关的频带之间的排列格局可以概括为图3所示的7种形态。