LTE-A中新载波类型标准化研究

王钟雷，常永宇，宋思达，杨大成

(北京邮电大学无线理论与技术研究室，北京 100876)

0 引言

近些年来大量智能手机和平板电脑的出现，推动着对移动宽带网络的需求。第3代移动通信系统已不能完全满足用户的需求，故第3代合作伙伴计划(3GPP)制定了下一代宽带无线通信系统(LTE)的具体需求，包括:提高用户数据传输速率、减少时延、提高小区边界的比特率、提高频谱效率、实现对现有带宽和新增带宽中频谱的更灵活使用、简化网络结构和实现移动终端的合理功耗［1］。3GPP于2008年完成了LTE的第1个版本LTE Release 8，但是并不能满足国际电信联盟IMT-Advanced的技术要求。因此3GPP于2009年正式对LTE-Advanced中相关工作项目(Work Item)进行立项。

LTE-A是LTE的演进版本，满足或超过国际电信联盟提出的IMT-Advanced的需求，同时还保持对LTE较好的后向兼容。LTE-A中引入了载波聚合(Carrier Aggregation)、多天线增强(Enhanced MIMO)、多点协作传输(Coordinated Multi-point)、中继(Relay)和异构网小区间干扰协调增强(Enhanced Inter-cell Interference Coordination for Heterogene-ous Network)等关键技术，大大提高了系统的峰值数据速率。为了支持灵活的带宽扩展、降低系统开销和进一步提高频谱效率，3GPP在标准化过程中提出了一种新载波类型(New Carrier Type，NCT)［2］。

1 新载波类型简介

新载波类型是在LTE-A R11中提出的一类非后向兼容载波类型(Non-backwards Compatible Carrier)。非后向兼容载波是相对于后向兼容载波(Back-wards Compatible Carrier)而言，后向兼容载波是指所有LTE版本的用户(UE)都能够接入的载波，而新载波类型是R11版本后的用户才可以接入的。在初期讨论的新载波类型主要分为2种，载波片段(Car-rier Segments)和扩展载波(Extension Car-riers)。

由于之前规定的后向兼容载波之间存在一些零碎的资源块(Resource Block)以及保护带宽，载波片段可以利用这些零散的RB与相邻的后向兼容载波组成更大带宽的载波。载波片段和后向兼容载波相邻，在形成更大的带宽的同时，载波片段可以与原载波共用控制开销，在载波片段上只传输数据信号，有助于提高频谱利用率和能量效率。但是载波片段需要定义新的系统带宽，带来更多的规范制定和测试的工作量。故载波片段的讨论暂时被搁置，要等到R12之后的版本才会引入，目前3GPP主要关注扩展载波。

扩展载波相比于原有的后向兼容载波而言，其上减少甚至消除后向兼容载波中控制信令和小区特定参考信号(Cell-specific Reference Signal)的传输。下面将主要介绍扩展载波的技术特点，如无特殊说明下文中新载波类型就是指扩展载波。目前新载波类型已经正式立项，此载波至少应用于下行，标准制定主要分为2个阶段。第一个阶段中，新载波类型不能单独使用，它必须在载波聚合的场景中使用，新载波类型和后向兼容载波相关联作为载波聚合中的一个辅分量载波(Secondary Component Carrier，SCC)，在此聚合的载波集中应至少有一个分量载波是后向兼容载波，且新载波类型不能作为主分量载波(Primary Component Carrier，PCC)。第二个阶段中，开始研究独立使用的新载波类型，此种类型的新载波类型要等到R12版本后才会加入。

2 新载波类型的优势

新载波类型降低开销获得更高的频谱效率［3］。在新载波类型上不传输PBCH(物理广播信道)，减少或者不传输CRS，并且当新载波类型与后向兼容载波同步时可以不传输主/辅同步信号(PSS/SSS)，这样可以节省大量的资源粒子(Resource element)用于数据的传输。在载波带宽较大时，节省的RE占载波总RE数的比例较小。但是在小载波带宽情况下，节省的RE数是十分可观的。

新载波类型可以降低异构网中RS带来的干扰。异构网场景下的载波聚合，RS特别是CRS会产生相同级别节点之间和不同级别节点之间的干扰。在辅分量载波上减少这些必须传输的RS(如CRS)有助于减少干扰。例如，在宏小区(Macro)和微微小区(Pico)重叠且共享小区ID的场景中，其中宏小区是新载波类型，微微小区是后向兼容载波，由于CRS等必须传输的信号减少，极大地减少了宏小区对微微小区的干扰。

新载波类型可以提升能量利用效率。由于基站(eNB)在不发送任何数据的时候，也要传输CRS、PSS和SSS等信号，造成了大量不必要的能量消耗。新载波类型的设计考虑减少甚至不传输CRS、PSS和SSS等信号，减少eNB的能量消耗。

新载波类型支持灵活的带宽配置。后向兼容载波支持6 种带宽:1.4、3、5、10、15 和20 MHz。新载波类型可以规定新的带宽配置，以此来使用户能获得整个连续可利用的频谱资源。另外，在新载波类型上减少甚至不传输宽带的RS更有利于灵活配置新的带宽。

3 新载波类型标准化进展

在3GPP R11中讨论的新载波类型主要分为2种情况，同步的新载波类型和非同步的新载波类型［4］。接下来分别介绍这2种载波的相关技术特点。

3.1 非同步的新载波类型

非同步的新载波类型主要涉及CRS、DM-RS(解调参考信号)、PSS/SSS和PBCH的设计。此种载波可以在载波聚合场景中与后向兼容载波聚合在一起使用，且此种载波只能作为SCC，如图1所示。

图1 非同步的新载波类型应用场景

3.1.1 CRS 设计

3GPP规定在非同步新载波类型上传输的CRS，占用一个参考信号端口，并且每隔5ms在一个子帧中传输。新的CRS端口为R8中CRS的Port 0，并继续使用R8中CRS的序列［5］。与R8的 CRS相比，由于新的CRS在时间上周期增大为原来的5倍，相应占用RE的数量至少缩减为原来的五分之一。

新的CRS带宽并没有最后确定，主要有3种方案，如图2所示:① 整个系统带宽;② min(系统带宽，X)，其中X∈{6，25}RB;③ 整个系统带宽和min(系统带宽，X)之间可配置的带宽。CRS的减少会影响到RRM测量、时间和频率跟踪的性能。其中RRM测量包括参考信号接收功率(RSRP)测量和参考信号接收质量(RSRQ)测量。由于新的CRS已经在时域上大幅减少，测量时可采样的CRS数量变少，造成测量误差增大，所以带宽的选择对RRM测量是尤为重要的。经过大量的仿真验证不同带宽的RSRP 和 RSRQ 测量性能，得出［6］:

① Bandwidth≤25 RB时，5 ms周期的 CRS需使用整个系统带宽可满足RRM测量性能要求;

② Bandwidth＞25 RB时，5 ms周期的 CRS需使用25 RB的带宽可满足RRM测量最小性能要求。

图2 3种带宽选择方案

另外，非同步的新载波类型没有与一个聚合的后向兼容载波在时间和频率上都同步，故UE需要检测非同步新载波类型上用于同步的信号，持续跟踪与此载波的时间和频率同步。在非同步新载波类型上有几种信号可用于时频跟踪［7］:PSS/SSS、CRS、CSI-RS(Channel-State Information RS)以及循环前缀(Cyclic Prefix)。通常，时频跟踪的方案是将上述几种信号结合使用或单独使用，如PSS/SSS与CRS组合使用、PSS/SSS与 CSI-RS组合使用、单独检测CP、单独检测CRS和单独检测CSI-RS。

后向兼容载波的方案是PSS/SSS与CRS一起用于时频跟踪，其中PSS/SSS用于粗时频同步，CRS用于细时频同步。由于时间同步需要在频率方向进行估计，频率同步需要在时间方向进行估计，所以需要用来检测的信号在时间和频率上都有一定的密度。而CSI-RS在时域和频域上的密度都不及新的CRS大，所以如果采用含有CSI-RS的方案的话，会导致时间和频率跟踪精确度不足。要使用CSI-RS的话就必须增大它在时域和频域上的密度，这样就需要更多的工作来设计新的CSI-RS，增加了新载波类型标准化的工作难度。无论是从性能方面还是工作难度方面的考虑，采用之前PSS/SSS与CRS方案用做时频跟踪最为适合。CRS的带宽对于时频跟踪尤其是时间跟踪有很大的影响，经过各种方法仿真的验证，3GPP得出了结论:

① Bandwidth＞25 RB时，5ms周期的 CRS需25 RB的带宽可满足时频跟踪最小性能要求，使用整个系统带宽可提高时频跟踪性能;

② Bandwidth≤25 RB时，5 ms周期的 CRS需使用整个系统带宽可满足时频跟踪性能要求，带宽6 RB时的跟踪性能无法保证。

综合以上RRM测量和时频跟踪两个方面的考虑，CRS带宽采用方案二 min(系统带宽，X=25 RB)基本可满足性能要求，系统带宽为6 RB时还需进一步地讨论来解决时频跟踪的问题。

3.1.2 DM-RS与 PSS/SSS 设计

DM-RS是在PDSCH(物理下行共享信道)上传输，用于支持用户数据信号的解调。PSS/SSS是用于小区搜索的同步信号，在所有的下行无线帧中以5 ms为周期传输。所以，在一些RE上DM-RS与PSS/SSS就会发生冲突［8］，如图3所示。

图3 DM-RS与PSS/SSS冲突图样

后向兼容载波中为了避免这2种信号的冲突，规定了在传输PSS/SSS的子帧(每个无线帧的0和5号子帧)的中心6 RB上不传输PDSCH，即不能传输DM-RS［9］。此方案虽然可以解决冲突问题，但是一个子帧的6 RB带宽无法传输PDSCH造成了大量时频资源的浪费，可以计算得出一个子帧中有864个RE不能使用。

在非同步的新载波类型上，希望能够尽量地提高频谱效率，所以并没有沿用后向兼容载波的这项规定，这样就需要重新制定避免DM-RS与PSS/SSS冲突的规定。经过讨论，3GPP已经提出了一些解决方案［10］:

(1)移动PSS/SSS至新的时间位置

①保持之前PSS和SSS的相对位置，例如PSS和SSS移动到第5和第4个OFDM符号;

②改变之前PSS和SSS的相对位置。

(2)保持原有的DM-RS模式和PSS/SSS位置，采用以下方法避免冲突

①将与PSS/SSS冲突的位置的DM-RS打孔，即冲突位置的RE不传输DM-RS;

②冲突子帧中心6 RB不传输PDSCH，即不传输DM-RS。此方法与后向兼容载波的解决方法一致。

(3)改变DM-RS的样式

下面具体分析各个方案的优劣:

①方案一

优势:影响的范围较小，只涉及同步信道。

劣势:需要更多的标准化工作，并且需要UE搜索2个PSS/SSS的位置，增大了UE的复杂度;如果改变PSS/SSS的相对位置，可能会降低同步的性能。

②方案二(主要是2种方法中的打孔):

优势:标准化工作需要极少，对于同步过程没有影响;

劣势:频谱利用率较低，尤其在高速环境下，解调性能降低。

③方案三:

优势:受影响的将只是DM-RS，新的DM-RS样式会提高解调性能。

劣势:需要更多的工作来评估新DM-RS的性能，引入新DM-RS样式增大了UE的复杂度。

目前，讨论并没有得出最终的结论。接下来的工作中，首先要研究新的DM-RS样式带来的好处，例如考虑对PDSCH、PBCH、CSI-RS和ePDCCH的影响。如果采用新的DM-RS样式，则不再考虑其他的方案。

3.2 同步的新载波类型

同步的新载波类型是指一种新载波类型在时间和频率上都与一个后向兼容载波同步，通常同步的新载波类型和与其同步的后向兼容载波是使用同一发射天线。由于时间和频率的同步需要时频误差在一个很小的范围内，能够满足这个条件的场景只有频段内连续的CA，即标准中规定的CA场景1［11］如图4所示。图中小区1和小区2相互重叠并提供相同的覆盖范围，小区1的频率F1和小区2的频率F2是处于同一频段内。

图4 同步的新载波类型应用场景

由于同步的新载波类型在时间和频率上都与一个后向兼容载波同步，所以UE并不需要额外的与同步的新载波类型同步的过程。进而，同步的新载波类型中并不需要传输用于同步的信号，如PSS/SSS和CRS。这样就节省了一些系统开销，提升了频谱效率，如表1所示。

表1 PSS/SSS和CRS开销节省

另外，由于同步新载波类型中不传输PSS/SSS和CRS等宽带信号，有利于带宽的灵活分配。更减少了异构网场景中，由上述3种信号产生的干扰。例如，如果Macro cell被配置为同步的新类型载波，那么此载波上的PSS/SSS和CRS就不会对同频的Pico cell产生干扰。

可以看出，同步的新载波类型带来了非常大的好处，但是PSS/SSS和CRS的缺失也带来了一些问题。首先，UE无法通过检测PSS/SSS来完成小区搜索的过程;其次，从后向兼容载波的接收链得到的时间频率能否准确地转移到同步的新载波类型的接收链需要证实;最后，不传输CRS如何进行可靠的RRM测量。

在LTE系统以及较早版本LTE-A系统中，UE通过检测PSS/SSS发现小区并取得初始同步，但是同步的新载波类型上没有PSS/SSS的传输，UE使用这种方法并无法发现同步的新载波类型。可以通过高层信令来通知UE，让UE能够发现同步的新载波类型，并且通过这种方式可以区分同步的新载波类型与非同步的新载波类型［12］。另外，可以在高层信令中通知UE与其同步的后向兼容载波，以便UE能够通过后向兼容获取同步新载波类型的时间频率，UE还可以通过后向兼容获得RRM测量信息。

也有一些观点认为引入同步的新载波类型是没有必要的。首先，移除PSS/SSS和CRS带来的开销节省较少，因为CRS周期变为5 ms已经节省了很多的开销。其次，后向兼容载波上的RRM测量不能反应同步新载波类型的干扰水平。最后，从复杂度方面来看，引入同步新载波类型会增加UE和eNB的复杂度。

目前，是否引入同步的新载波类型并没有达成一致的结论，还需后续的讨论。

4 结束语

总结了新载波类型标准化过程的几个研究热点。在分析新载波类型优势的基础上，详细介绍了非同步的新载波类型和同步的新载波类型的标准化进程和信道设计。新载波类型可以节省系统开销，提高能量利用效率，降低异构网中RS产生的相同级别节点之间和不同级别节点之间的干扰，有利于带宽的灵活配置。因此，新载波类型的引入有重要的意义，并成为R11后3GPP关注的主要技术之一。另外，在R12中还会引入独立使用的新载波类型，还需要继续对此课题进行跟踪关注。

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［3］Ericsson，ST-Ericsson.Considerations on use cases for additional carrier types［R］.3GPP R1- 112081，TSG RAN WG1#66.Athens，Greece.August，2010.

［4］3GPP.Final Report of 3GPP TSG RAN WG1#67［R］.3GPP R1- 120001，TSG RAN WG1#67.San Francisco，USA.November，2011.

［5］Ericsson，ST-Ericsson，Samsung，et a1.Way Forward on Additional Carrier Type［R］.3GPP R1- 121806，TSG RAN WG1#68b.Jeju，South Korea.March，2012.

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［7］New Postcom.Considerations on synchronization for additional carrier types［R］.3GPP R1- 113702，TSG RAN1#67.San Francisco，USA.November，2011.

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［10］3GPP.Final Report of 3GPP TSG RAN WG1#69［R］.3GPP R1- 123081，TSG RAN WG1#69.Prague，Czech Republic.May，2012.

［11］Nokia Siemens Networks，Nokia.New Carrier Type for Synchronized Carriers［R］.3GPP R1- 121269，TSG RAN WG1#68b.Jeju，Korea.March，2012.

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