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

載波聚合技術(shù)對 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 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)的通函，正式啟動了第 4 代移動通信系統(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，各個評估組正在對 IMT-Advanced候選技術(shù)提案（ LTE-Advanced 和 802.16m）進(jìn)行互評估，此階段將與 2010 年 6 月的 WP5D 第 8 次會議上完成，之后將在 2010 年10 月的 WP5D 第 9 次會議上確定 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離散頻帶來共同為 UE 服務(wù)。考慮到與 LTE 的后向兼容性， LTE-Advanced 引入了成員載波的概念，每個成員載波的最大帶寬不超過 20MHz，即 110 個 RB。 LTE-Advanced 空口協(xié)議是基于 LTE 空口協(xié)議的。不像在 LTE 中，每個小區(qū)只有一個成員載波，每個 UE 也只有一個成員載波為其服務(wù)，在 LTE-Advanced 中，每個小區(qū)有多個成員載波，每個 UE 也可能 有多個成員載波為其服務(wù)，因此 LTE-Advanced 需要在多方面對 LTE 空口協(xié)議進(jìn)行增強(qiáng)。本文主要就 3GPP 目前針對載波聚合技術(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、測量、切換、調(diào)度等方面。隨著 3GPP 討論的深入，還會出現(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，每個小區(qū)可能會被配置多個成員載波， UE 也可能使用多個成員載波，但并不是所有 UE 都會使用所在小區(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 /非配置是相對于每個 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 類似難度較大的測量，但其又不像非配置成員載波那樣不進(jìn)行任何測量，具體支持哪些測量，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 會議會有相關(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)行任何測量， eNB 可以利用非激活成員載波上的測量信息來進(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，只有一個成員載波服務(wù)于每個 UE，且每個小 區(qū)只有一個成員載波，服務(wù)于 UE 的成員載波對應(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 層移動信息，無線鏈路檢測，尋呼等。在 LTE-Advanced 中，每個小區(qū)有多個成員載波，且每個 UE可能被分配多個成員載波，這就牽扯到一個問題，系統(tǒng)為 UE提供的各種功能以及對應(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或者多個成員載波上？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 層移動信息功能， LTE-Advanced定義了一個特殊小區(qū)，每個 UE 只有一個特殊小區(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，每個成員載波相當(dāng)于一個小區(qū)，都會被分配一個全球惟一的小區(qū)標(biāo)示 ECGI；從 UE 的角度看，即使被分配了多個成員載波，其也只能看到一個小區(qū)：特殊小區(qū)，其他的成員載波被當(dāng)作上、下行資源，每個 UE 與網(wǎng)絡(luò)只有一個 RRC 鏈接，每個UE 也只被分配一個 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 UE 會被配置一個上行主成員載波和一個下行主成員載波。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觸發(fā) RRC 重建。既然每個 UE有一個主成員載波，也有一個特殊小區(qū)，那么是否可將這兩者鏈接起來，即只有一個成員載波，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 上行信號之間的正交性，必須保證各 UE信號在接收端的接收時(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 UE 只有一個上行成員載波，因此每個 UE 也只需要一個上行時(shí)鐘提前。在 LTE-Advanced 系統(tǒng)中，每個 UE 可能會有多個 上行成員載波，而且這多個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上行時(shí)鐘提前，但并不是每個場景都需要多個上行時(shí)鐘提前。圖 2 示出了 RAN 2 定義的 4 種載波聚合場景。 圖 2 RAN2 載波聚合場景 （ 1）場景 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性。 （ 2）場景 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 提供移動性；成員載波2 的覆蓋較小，提供吞吐量。 （ 3）場景 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 提供移動性；成員載波2 可能具有覆蓋空洞。 （ 4）場景 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)先支持場景 1/2/3，只有在完成場景 1/2/3 的情況下才繼續(xù)研究場景 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，對于場景 1 和場景 2 來說，在帶內(nèi)聚合和頻帶間隔不大的帶間聚合情況下，不需要多個上行時(shí)鐘提前，但對于場景 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)，場景 1/2/3 是否需要多個上行時(shí)鐘提前，目前也在 RAN 4 的研究中。 場景 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定義的兩個含有直放站以及射頻 拉遠(yuǎn)的場景。 圖 3 RAN4 場景 （ 1）場景 1 頻率選擇性直放站，直放站 1 對應(yīng)成員載波 1，直放站 2 對應(yīng)成員載波 2。 （ 2）場景 2 類似于圖 2 中的場景 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。 對于圖 3 示出的這兩個場景，不管是帶內(nèi)聚合還是帶間聚合，都是要支持多個上行時(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）中只需支持單個上行時(shí)鐘提前的場景， 對于需要支持多個上行時(shí)鐘提前的場景，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 對于圖 2 中的場景 1/2/3 做出結(jié)論這些場景需要多個上行時(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）中引入多個上行時(shí)鐘提前。 一旦引入多個上行時(shí)鐘提前，將需要解決一系列的問題： 是對每個上行成員載波都有一個獨(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相同的上行時(shí)鐘提前？如果是后者，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)鐘提前值是相對于下行接收時(shí)鐘的。在 LTE-Advanced 系統(tǒng)中，由于有多個成員載波，需要指定上行成員載波的上行時(shí)鐘提前是相對于哪個下行成員載波的。 如果一個 UE需要多個上行時(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)施一個隨機(jī)接入過程，以在一個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。 對于需要多個上行時(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)絡(luò)端發(fā)送的上行時(shí)鐘提前命令是針對哪個上行成員載波的。 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成員載波上都只廣播自己成員載波的專有信息，如圖 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 那樣到新配置的成員載波上去監(jiān)聽系統(tǒng)消息，但此方法會導(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。 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成員載波上系統(tǒng)信息的改變，將會顯著增加 UE 的復(fù)雜度。因此， 3GPP首先排除了在載波聚合場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，對于主成員載波上系統(tǒng)信息的改 變， UE 仍然采用 LTE 的方法去發(fā)現(xiàn)，但對于輔成員載波，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?。?RLF） 在 LTE 中，以下三起事件會觸發(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將會啟動 T310 計(jì)時(shí)器；當(dāng)從低層接收到 N310個連續(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。 對于第三起事件，由于多個成員載波對于 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。 對于第一起事件，首先要注意：對于 LTE 來說，一個成員載波的鏈路失敗就意味著這個 UE的無 線鏈路失敗了，但在 LTE-Advanced系統(tǒng)中，一個成員載波的鏈路失敗并不意味著一定要宣布整個 UE的 RLF。