摘要:大帶寬無線傳輸有兩個實現途徑，一是設計頻帶更寬的單一系統，一是進行不同系統間的協同設計。前者是在同一種空口內采用基于多載波的頻譜聚合，后者是在不同空口之間采用基于多載波并行傳輸的頻譜聚合。通過多載波并行傳輸實現系統內和系統間頻譜聚合，可以充分利用現有射頻技術和器件，降低設備的研制和運營成本。而系統間的頻譜聚合，特別是異構系統間的頻譜聚合，除了可以擴展傳輸帶寬的基本功能之外，還可以解決頻分復用系統對非對稱業務的支持以及時分雙工保護帶的利用問題，對運營商更具有商業上的現實意義。

關鍵字:協同通信；頻譜聚合；非對稱業務；保護頻帶

英文摘要:The wide band radio transmission may be implemented in two parallel ways: to design a new system with larger bandwidth; to construct a cooperative system based on existing systems. The former is a spectrum aggregation scheme based on multi-carrier transmission within one system, while the latter fulfills spectrum aggregation based on multi-carrier transmission among systems. On one hand, the advantage of the multi-carrier transmission scheme within system and among systems lies in that the existing Radio Frequency (RF) techniques and elements can be sufficiently utilized, so the system cost can be decreased. On the other hand, the spectrum aggregation among systems, especially among heterogeneous air-interfaces, can not only expand the basic bandwidth functions, but also fulfill efficient spectrum usage for Frequency Division Duplex (FDD) system under the unbalanced Uplink/Downlink (UL/DL) service scenario and efficient guard band usage between FDD and Time Division Duplex (TDD) system. Commercially, this solution is more significant for operators.

英文關鍵字:cooperative communications; spectrum aggregation; unbalanced service; guard band

基金項目：國家科技重大專項課題(2009ZX03003)

大帶寬無線傳輸的直接優勢是數據速率高，可以支持多媒體業務，間接優勢是通過縮短數據的傳輸時間來降低接收機的功耗。大帶寬無線傳輸與多媒體終端的結合，還可以改變傳統的業務模式，比如，傳統的視頻點播(VOD)和視頻廣播中除了實時現場直播內容之外，都可以利用大帶寬的傳輸能力將內容瞬間下載到本地后再播放，這種方式既增加了收視時間、地點、內容方面的靈活性，又降低了終端的接收機和顯示器的功耗，而且，這種業務方式可以放寬對大帶寬無線網絡無隙覆蓋的要求，從而降低建網成本。由于大帶寬傳輸具有上述諸多優勢，大帶寬無線傳輸已經成為移動通信系統的一個主要發展趨勢，移動通信系統的傳輸帶寬不斷增加，從通用移動通信系統(UMTS)系統的5 MHz(初始設計帶寬)到長期演進(LTE)系統的20 MHz，再到LTE后續演進系統LTE-A的100 MHz。

移動通信系統實現大帶寬傳輸有兩個基本實現途徑：第1個途徑是設計一個大帶寬系統；第2個途徑是通過不同系統間的協同來構造具有更大傳輸帶寬的系統。這兩個實現途徑在移動通信的演進中是同時存在且相互影響的，第1個途徑主要在新系統設計中采用，第2個途徑主要在現網演進中采用。

第1個實現途徑是3GPP LTE-A標準討論中所采取的，該技術途徑在LTE-A標準技術研究初期又可以進一步分為單載波和多載波兩個方案，單載波方案是在一個單載波調制帶寬為20 MHz～100 MHz的載波上承載數據，其優點是射頻(RF)通道結構及控制信道結構簡潔，其缺點是現有射頻功放技術難以在20 MHz～100 MHz帶寬范圍內獲得所需要的功率效率，并且，難以實現與LTE系統的兼容；多載波方案利用多個最大調制帶寬小于20 MHz的載波聚合成20 MHz～100 MHz的傳輸帶寬，其優點是可以基于現有射頻功放技術，易于實現與LTE的完全兼容，其缺點是控制信道結構相對復雜。

第2個實現途徑是運營商網絡演進時所采取的經濟有效的方案，本質上也是通過多載波聚合來獲得大的傳輸帶寬，只是參與組合的載波由不同的系統發射，并且載波所承載的空中接口也會不同，比如，一個20 MHz帶寬的LTE單載波系統與一個10 MHz帶寬的UMTS雙載波系統構成一個傳輸帶寬為30 MHz帶寬的協同通信系統。相對于全部由一個全新的寬帶LTE-A系統來提供所需的傳輸帶寬，這種多系統協同來獲得大帶寬的方案的優點是：減少運營上對新系統的投資，充分利用運營商現有系統資源，兼容運營商現有用戶終端，保證系統的平滑演進。

從協同通信的角度看，上述兩種通過載波聚合獲取更大傳輸帶寬的方法，屬于基于頻譜聚合的協同通信。文獻[1]對協同通信從生物學層面做了較多的分析，但是缺少生態學層面的協同分析，從頻譜聚合的角度對協同通信的分析也比較欠缺，本文從協同通信的角度來分析頻譜聚合，可以幫助理解寬帶系統的設計以及運營商的現網演進，對解決現網演進中的實際問題帶來啟發。

不同系統間基于頻譜聚合的協同通信是本文討論的重點，特別是不同系統間通過異構頻譜聚合的協同通信，可以解決現有多載波捆綁技術無法解決的問題。在本文的第1節，對頻譜聚合的發展趨勢進行總結，第2節討論不同系統間通過異構頻譜聚合實現對上下行非對稱業務的有效支持，第3節討論不同系統間通過異構頻譜聚合實現對時分雙工(TDD)與頻分復用(FDD)系統間保護帶的有效利用。第4節對本文所述的問題進行總結。

1 頻譜聚合與協同通信

1.1 頻譜聚合的現狀

在第4代移動通信系統LTE-A標準研究啟動之前，第2代和第3代移動通信系統中就已經在協議層面開始或者完成了對載波聚合的研究，如圖1所示。其中有代表性的載波聚合技術規范是時分同步碼分多址(TD-SCDMA)系統和高通推出的數據優化多載波多鏈路擴展(DMMX)和高速數據分組接入多載波多鏈路擴展(HMMX)平臺，以支持EV-DO和高速數據分組接入(HSDPA)長期演進。在圖1給出的第2代、第3代和第4代頻譜聚合方案中，都是以載波聚合的方式實現的。在圖1(b)給出的第2代移動通信系統采用的頻譜聚合方式中，高通的DMMX和HMMX具有“多載波多鏈路”傳輸能力，可以在多個頻段上同時使用多個無線傳輸協議，比如，700 MHz頻段上基于正交頻分復用(OFDM)、用于視頻服務的MediaFLO前向鏈路，加上蜂窩頻段上基于碼分多址(CDMA)的進展數據優化(EV-DO)反向鏈路，是一個支持系統間(或者跨協議)頻譜聚合的平臺。

在第2代和第3代移動通信系統采用的頻譜聚合，除了高通的DMMX和HMMX支持跨頻段跨協議的載波聚合，其他系統，如全球移動通信系統(GSM)、TD-SCDMA以及UMTS的多載波HSPA，都是系統內的連續載波聚合，其追求的目標也很單一，就是擴展傳輸帶寬，而LTE的載波聚合演進則納入了第4代移動通信系統LTE-A階段。對于LTE-A，雖然將載波聚合的范圍從3G的連續載波間的聚合擴展到了非連續載波的聚合，但是目前仍然是限定在系統內的載波聚合，LTE-A目前沒有考慮支持系統間載波聚合，圖1(c)所示的第4代頻譜聚合中的系統間頻譜聚合，是表明在技術層面存在可行性。

1.2 頻譜聚合的發展趨勢

第4代移動通信系統LTE-A有如下基本問題與基于頻譜聚合的協同通信相關：

(1)如何獲得大帶寬頻譜

是在同一個LTE-A FDD系統或者LTE-A TDD系統內進行載波聚合來實現大的傳輸帶寬，還是將LTE-A FDD系統與LTE-A TDD系統通過載波聚合協同起來獲得大的傳輸帶寬？