1 LTE-Advanced中載波聚合技術(shù)的設計原則
    在LTE-Advanced(LTE Release-10)系統(tǒng)關(guān)于載波聚合的設計過程中，主要遵循了如下原則：

    (1)聚合的每個分量載波(也稱為服務小區(qū)，為表述一致方便，這里統(tǒng)一用分量載波)所采用的幀結(jié)構(gòu)參數(shù)與LTE(LTE Release-8)中的相同。

    (2)具有載波聚合能力的LTE-Advanced終端最多可以同時發(fā)送/接收5個分量載波(每個分量載波最多支持100個資源塊)。

    (3)允許把所有載波配置成與LTE標準兼容的載波，即使若干載波被某些具有載波聚合能力的LTE-Advanced終端聚合使用，LTE終端仍可以在其中一個載波上發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。

    (4)連續(xù)和離散載波聚合這兩種聚合形式都支持，從物理層標準的角度來看，這兩種載波聚合方式將采用相同的解決方案。

    (5)具有載波聚合能力的LTE-Advanced 終端可以支持非對稱載波聚合，即下行鏈路和上行鏈路聚合的分量載波數(shù)目可以不同。

    采用上述設計原則，不僅能滿足LTE-Advanced系統(tǒng)在聚合帶寬上的需求，而且可以很好地保持對LTE系統(tǒng)的后向兼容性，便于支持各種帶寬能力的終端，非常有利于LTE系統(tǒng)到LTE-Advanced系統(tǒng)的平滑過渡。
目前，LTE終端帶寬能力通常是20 MHz，LTE-A通過聚合多個對LTE后向兼容的載波可以支持到最大100 MHz帶寬。

2 LTE-Advanced中載波聚合關(guān)鍵技術(shù)

2.1 主從分量載波機制
    在終端聚合的多個分量載波中，高層會配置其中一對上行/下行分量載波為主上行/下行分量載波，其他分量載波稱為輔分量載波。與主分量載波必須同時配置上下行分量載波不同，輔分量載波可以只有一個下行分量載波。圖1給出了主/輔分量載波的示意圖。

    主分量載波除了要求同時配置有上行/下行分量載波外，還具有一些輔分量載波所不具有的一些性質(zhì)，比如：

• 一些非接入層的移動性信息、安全參數(shù)等等只會在主分量載波上發(fā)送。
• 終端只會在主分量載波上發(fā)起隨機接入過程。
• 主分量載波始終處于激活狀態(tài)，而輔分量載波則可以通過信令來激活或去激活。

2.2 下行控制信道設計
    LTE-Advanced下行控制信道設計的一個重要目的是支持跨載波調(diào)度。在進行載波聚合時，系統(tǒng)支持半靜態(tài)地配置是否進行跨載波調(diào)度。當未配置跨載波調(diào)度時，每個分量載波上擁有獨立的下行控制信道，各信道工作方式與LTE系統(tǒng)中類似。當配置跨載波調(diào)度時，在下行控制信息(DCI)中新增載波指示位(CIF)來指示物理下行控制信道(PDCCH)與分量載波之間的對應關(guān)系。CIF長度固定，其位置在不同格式的DCI中也是固定的。需要說明的是：在LTE中，終端通過盲檢測來確定增強基站(eNB)發(fā)給自己的PDCCH。如果允許任意的跨載波調(diào)度，這雖然增強了eNB調(diào)度的靈活性，但是盲檢測搜索空間的個數(shù)將隨跨載波調(diào)度的分量載波數(shù)量的增加而增加，將導致終端檢測PDCCH的復雜度呈指數(shù)增加。為了解決這個問題，LTE-Advanced標準規(guī)定：在確定某個分量載波上是否有自己的物理下行共享信道(PDSCH)/物理上行共享信道(PUSCH)時，終端只會在一個分量載波上檢測與此相關(guān)的PDCCH。為便于理解，圖2給出了LTE-Advanced的跨載波調(diào)度示意圖。LTE-Advanced不支持圖2(a)所示的跨載波調(diào)度，但是支持圖2(b)所示的跨載波調(diào)度。在LTE中，終端需要在小區(qū)公有搜索空間和終端專有搜索空間兩個搜索空間檢測是否有自己的PDCCH。在引入載波聚合后，為了進一步降低PDCCH盲檢測復雜度，終端僅在主分量載波上檢測小區(qū)公有搜索空間。

    在異構(gòu)網(wǎng)絡中，不同分量載波的干擾情況是不同的。在這樣的情況下，如何有效地進行干擾規(guī)避或干擾管理非常重要。而上述的跨載波調(diào)度則提供了一個高效的控制信道干擾規(guī)避機制。跨載波調(diào)度在異構(gòu)網(wǎng)絡中的應用如圖3所示[3]。圖3中UE1、UE2、UE3都是具有載波聚合能力的終端，UE1附屬于宏基站Macro，UE2、UE3則分別附屬于家庭基站HeNB1和HeNB2，Macro通過分量載波1(CC1)的PDCCH來調(diào)度CC1和CC2；而HeNB1和HeNB2則通過CC2的PDCCH來調(diào)度CC1和CC2。由于頻率差異，Macro小區(qū)和HeNB的控制信道干擾通過跨載波調(diào)度的方式得到了有效規(guī)避。

    如前所述，跨載波調(diào)度可以有效地避免相鄰小區(qū)下行控制信道之間的相互干擾。但與此同時，支持跨載波調(diào)度將對現(xiàn)有LTE系統(tǒng)的自動重傳指示信道(PHICH)、物理控制格式指示信道(PCFICH)也造成一定影響。下面對它們分別予以闡述：

    (1)在LTE系統(tǒng)中，為了節(jié)省信令開銷，終端的PHICH資源是通過eNB分配的PUSCH資源隱含指示的，引入跨載波調(diào)度后會造成PHICH資源模糊和沖突問題。為了解決這個問題，LTE-Advanced提出了根據(jù)分配的PUSCH資源和上行授權(quán)聯(lián)合指示PHICH資源的方案，eNB進而可以通過調(diào)度的方式解決該問題。

    (2)在LTE中，終端如果PCFICH檢測錯誤，那么就會導致后續(xù)的PDCCH檢測失敗，二者具有一致性。但是在引入跨載波調(diào)度后，就有可能出現(xiàn)分量載波1上調(diào)度分量載波2的PDCCH檢測正確，分量載波2的PCFICH檢測錯誤的情況，這進而會導致PDSCH檢測錯誤，即使多次重傳也不能正確解碼，造成混合自動重傳請求(HARQ)緩沖器損壞的嚴重問題。LTE-Advanced 通過設計新的高層信令，明確指示被跨載波調(diào)度的分量載波的PDSCH位置，從而避免上述問題的發(fā)生。

2.3 上行控制信道設計
    在引入載波聚合后，上行控制信道設計面臨的一個首要問題是：是否支持多個物理上行控制信道(PUCCH)同時傳輸？考慮到上行峰均比(PAPR)和功率控制限制，LTE-Advanced規(guī)定終端只會在主分量載波上發(fā)送PUCCH，并且在該分量載波上，終端同時只會發(fā)送一個PUCCH。在此基礎(chǔ)上，上行控制信道還面臨如下3個關(guān)鍵問題：

    (1)當終端聚合了多個下行分量載波時，終端如何反饋更多HARQ-ACK比特？以FDD為例，LTE終端一次最多需要反饋2個HARQ-ACK比特，而LTE-Advanced終端一次則最多需要反饋10個HARQ-ACK比特。

    (2)當PUSCH和PUCCH同時發(fā)送時，上行控制信息該如何發(fā)送？之所以出現(xiàn)這個問題是因為在LTE中，為了保證終端發(fā)送信號的低PAPR特性，終端不會同時發(fā)送PUSCH和PUCCH。當然，這種規(guī)定也一定程度上犧牲了上行頻譜效率。

    (3)當終端聚合了多個下行分量載波時，終端如何反饋這些分量載波的信道狀態(tài)信息(CSI)？
對于問題1，LTE-Advanced提出如下兩個解決方案[4]：

    方案1基于PUCCH格式1b的信道選擇，借鑒LTE中TDD系統(tǒng)HARQ-ACK比特反饋的思想，對資源分配、信息映射進行優(yōu)化。該方案最多可以反饋4個HARQ-ACK比特。

    方案2提出一種新的PUCCH格式(PUCCH格式3)。PUCCH格式3采用基于離散傅立葉變換-時域擴展-正交頻分復用(DFT-s-OFDM)的信道結(jié)構(gòu)。該信道結(jié)構(gòu)最多可以支持5個終端復用在相同的時頻位置上，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。當信道編碼采用單里德-穆勒(RM)編碼時，該方案最多可以反饋11比特(10比特HARQ-ACK信號和1比特調(diào)度請求信息)，足以滿足FDD系統(tǒng)最多支持5個載波聚合的場景。

    為了提高PUCCH格式3的資源利用效率，LTE-Advanced采用了一種高層半靜態(tài)配置和物理層信令動態(tài)指示的資源分配方式。分配方式具體為：eNB通過高層預先配置多個PUCCH格式3資源，這些PUCCH格式3資源可以為多個用戶共享。當某終端需要PUCCH格式3資源時，eNB可以利用DCI中的PUCCH資源指示信息指示終端應該使用前述高層配置的那些PUCCH格式3資源中哪些PUCCH資源。另外，對于基于PUCCH 格式1b的信道選擇的方法，LTE-Advanced也引入了類似機制來提高PUCCH資源利用效率。

    對于問題2，LTE-Advanced給出如下兩個解決方案：
    方案1，當上行控制信息只有HARQ-ACK或者周期CSI時，HARQ-ACK或者周期CSI在PUCCH上發(fā)送，PUSCH只傳送用戶數(shù)據(jù)；當上行控制信息既有HARQ-ACK也有周期CSI時，HARQ-ACK在PUCCH上發(fā)送，周期CSI在PUSCH上發(fā)送。

    方案2，當有多個PUSCH可以發(fā)送上行控制信息時，若多個PUSCH所在的上行分量載波包含主上行分量載波時，選擇在主上行分量載波上的PUSCH發(fā)送上行控制信息，否則選擇上行分量載波索引最小的PUSCH發(fā)送上行控制信息。

    對于問題3，LTE-Advanced將需要反饋的信息區(qū)分為周期CSI和非周期CSI。對于周期CSI，每個下行分量載波的反饋周期獨立配置，當有多個下行分量載波的周期CSI需要同時反饋時，UE只反饋某一個分量載波上具有最高優(yōu)先級的周期CSI(對于具有相同優(yōu)先級的多個下行分量載波的周期CSI，反饋下行分量載波索引最小的分量載波的周期CSI)。而對于非周期CSI，LTE-Advanced對LTE中利用DCI觸發(fā)非周期CSI的思路進行了擴展，將DCI中用于觸發(fā)非周期CSI的“CSI請求”控制域由原來的1比特增加到2比特，同時，高層配置了兩個分量載波集合，eNB可以根據(jù)調(diào)度需要，利用這兩個比特可以觸發(fā)終端發(fā)送某個分量載波集合甚至某個特定分量載波的非周期CSI。

2.4 功率控制 
    在LTE中，由于分量載波只有一個，所以eNB根據(jù)終端上報的功率上升空間報告(PHR)來確定終端剩余可用的功率。而在LTE-Advanced中，eNB的上行調(diào)度是以分量載波為單位的，不同分量載波之間傳輸?shù)膸捯约癕CS等參數(shù)都很有可能是不一樣的。因此，其功控也是基于分量載波的，終端為每個分量載波都上報一個PHR。

    為了支持PUSCH和PUCCH同時發(fā)送，LTE-Advanced還在LTE PHR基礎(chǔ)上，針對PUSCH和PUCCH同時發(fā)送重新定義了一種新的PHR。另外，在LTE中，由于分量載波只有一個，當eNB分配資源所使用的功率超過終端最大發(fā)射功率時，終端功率消減為終端最大發(fā)射功率就可以了，而當LTE-Advanced聚合多個上行分量載波后，如果多個分量載波的發(fā)射功率之和超過終端最大發(fā)射功率時，需要規(guī)定終端如何對多個分量載波的發(fā)射功率進行消減，以使得多個分量載波的發(fā)射功率之和不超過終端最大發(fā)射功率。因此，LTE-Advanced采用了根據(jù)信道類型以及所傳輸信息進行分級功率削減的方案。方案具體如下：

• 當多個PUSCH同時發(fā)送且發(fā)射功率超過終端配置的最大發(fā)射功率時，通過對多個PUSCH的發(fā)射功率乘以同樣的功率削減因子的方法來等比例的降低多個PUSCH的發(fā)射功率，確保上行發(fā)射功率不會超過終端配置的最大發(fā)射功率。
• 當同時發(fā)送的多個PUSCH中有某一個攜帶有上行控制信息時，先確保攜帶有上行控制信息的PUSCH的發(fā)射功率，然后通過對多個沒有攜帶上行控制信息的PUSCH的發(fā)射功率乘以同樣的功率削減因子的方法來等比例的降低多個沒有攜帶上行控制信息的PUSCH的發(fā)射功率，確保上行發(fā)射功率不會超過終端配置的最大發(fā)射功率。
• 當多個PUSCH與PUCCH同時發(fā)送且發(fā)射功率超過終端配置的最大發(fā)射功率時，先確保PUCCH的發(fā)射功率，然后通過對多個PUSCH的發(fā)射功率乘以同樣的功率削減因子的方法來等比例的降低多個PUSCH的發(fā)射功率，確保上行發(fā)射功率不會超過終端配置的最大發(fā)射功率。
• LTE-A系統(tǒng)支持多個測量導頻信號(SRS)同時傳輸。當多個SRS同時發(fā)送且發(fā)射功率超過終端配置的最大發(fā)射功率時，通過對多個SRS的發(fā)射功率乘以同樣的功率削減因子的方法來等比例的降低多個SRS的發(fā)射功率，確保上行發(fā)射功率不會超過UE配置的最大發(fā)射功率。

2.5 TD-LTE系統(tǒng)的特殊考慮
    與FDD系統(tǒng)相比，引入載波聚合后，TD-LTE系統(tǒng)的終端一次需要反饋的HARQ-ACK比特更多。假設一個無線幀中上下行子幀比例為1:4，一個上行子幀上要反饋4個下行子幀的HARQ-ACK比特，如果聚合5個分量載波，每個分量載波的下行傳輸模式又支持兩碼字流傳輸，則UE需要反饋40個HARQ-ACK比特，而前述基于單RM碼的PUCCH格式3結(jié)構(gòu)，其支持的最大反饋比特數(shù)目不超過11。為支持超過11比特的HARQ-ACK反饋，LTE-Advanced對前述的PUCCH格式3結(jié)構(gòu)進行了增強，采用了基于雙RM碼結(jié)構(gòu)的PUCCH格式3結(jié)構(gòu)[5]，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。在該結(jié)構(gòu)復用容量保持不變(最多可達5個用戶)的前提下，終端利用PUCCH格式雙RM碼結(jié)構(gòu)一次可以反饋20個HARQ-ACK比特。

    當終端配置為采用PUCCH格式3來反饋其HARQ-ACK比特時，遵循如下規(guī)定：

• 終端根據(jù)配置的分量載波數(shù)目、配置的上下行比例關(guān)系以及配置的下行分量載波的傳輸模式確定需要反饋的HARQ-ACK比特總數(shù)目。
• 當終端反饋的HARQ-ACK比特數(shù)超過20比特時，終端對所有配置的分量載波下的所有下行子幀進行空間邏輯與操作，從而保證最終發(fā)送的HARQ-ACK比特數(shù)目不超過20這一數(shù)目。
• 當終端反饋的HARQ-ACK比特數(shù)(包含經(jīng)過了空間邏輯與操作后的HARQ-ACK比特數(shù))不超過11比特時，終端采用基于單RM碼結(jié)構(gòu)的PUCCH格式3結(jié)構(gòu)，否則，采用基于雙RM碼結(jié)構(gòu)的PUCCH格式3結(jié)構(gòu)。
• 為了最大優(yōu)化反饋性能，提高下行吞吐量，對于TD-LTE系統(tǒng)，即使只配置一個分量載波，終端可以使用PUCCH格式3結(jié)構(gòu)反饋HARQ-ACK比特。
• 對于上下行子幀比例為1:9場景，為了減少反饋的HARQ-ACK比特數(shù)量，限制此場景僅能聚合兩個分量載波。

3 下一步研究與發(fā)展方向
    載波聚合技術(shù)作為LTE-Advanced系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過將多個連續(xù)或離散的窄帶頻譜聚合使用，支持高速率的業(yè)務需求，具有廣大的應用前景。結(jié)合其技術(shù)特征與3GPP相關(guān)標準化進展，在下一步的研究中，人們還需重點考慮以下問題：

    (1)在上行載波聚合多個定時提前(MTA)支持
    目前LTE-Advanced中所支持的載波聚合方案中，終端發(fā)送各個分量載波所用的定時提前都必須是相同的。這個要求限制了載波聚合技術(shù)在一些典型場景的應用，比如對于宏基站提供覆蓋、RRH提供熱點容量增強的場景，終端要想上行聚合多個分量載波，同時向宏基站和RRH發(fā)送數(shù)據(jù)，其上行發(fā)送到宏基站和RRH所采用的分量載波采用不同的定時提前是非常必要的。其他場景如部署有頻率選擇性中繼以擴展宏基站覆蓋的網(wǎng)絡，終端在發(fā)送多個分量載波時也需要針對不同分量采用不同的定時提前。考慮到上述場景應用非常廣泛，上行載波聚合多定時提前技術(shù)將是未來載波聚合技術(shù)研究的一個熱點[6]。

    (2)新增載波類型
    目前LTE-Advanced中所支持的載波類型都是兼容LTE的載波。在LTE-Advanced載波聚合技術(shù)標準化過程中，曾對非后向兼容LTE的載波類型，如擴展載波、分片載波等載波類型進行了一些初步研究。后來由于時間關(guān)系，這些載波類型沒有得到充分討論。但是，考慮到非后向兼容載波在頻譜效率提高、異構(gòu)網(wǎng)絡下的干擾抑制、能量節(jié)省等方面的獨特優(yōu)勢，關(guān)于非后向兼容載波的新應用場景及詳細設計方案將在LTE-Advanced Release-11階段得到進一步研究。

    (3)TDD系統(tǒng)載波聚合技術(shù)增強
    對于支持載波聚合的LTE-TDD系統(tǒng)，目前要求每個分量載波的上下行子幀配置是完全相同的。這種限制雖然簡化了系統(tǒng)設計，但是卻非常不利TDD系統(tǒng)發(fā)揮其特殊優(yōu)勢，例如在宏基站提供基本覆蓋、RRH提供熱點容量增強的場景。對于宏基站，其上下行業(yè)務比較比較均衡，相應地，分量載波的上下行子幀配置為1:1比較合適；而對于RRH，其下行業(yè)務通常遠大于上行業(yè)務，分量載波的上下行子幀配置為3:1可能要遠比1:1效率高。可以預見，不同上下行子幀配置的載波聚合，特別是跨頻段的不同上下行子幀配置的載波聚合將會是未來LTE-TDD系統(tǒng)載波聚合技術(shù)研究的一個重要方向。

4 參考文獻
[1] 3GPP TR36.913. Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (EUTRAN) [S]. 2011.
[2] 3GPP TR36.814. Further advancements for E-UTRA physical layer aspects [S]. 2011.
[3] Motorola. PCFICH in carrier aggregation [C]//3GPP TDocs (written contributions) at Meeting: R1-60, Feb 22-26, 2010, San Francisco, CA,USA. 2010:R1-101111.
[4] 3GPP TS 36.213. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer procedures [S]. 2011.
[5] CMCC, CATT, CATR, et al. WF on supporting ACK/NAK payload larger than 11 bits in Rel-10 TDD [C]//3GPP TDocs (written contributions) at Meeting: R1-62b, Oct 11-15, 2010, Xi’an, China. 2010: R1-105776.
[6] Nokia, Siemens. LTE carrier aggregation enhancements [C]//3GPP TSG RAN WG4 #59 Meeting, Jun 26-Jul 1,2011, Barcelona, Spain. 2011:RP-110451.

    在LTE-Advanced載波聚合技術(shù)中，這種主從分量載波機制得到了充分應用，在下面章節(jié)的討論中，主/輔分量載波的應用還會多次出現(xiàn)。