多载波聚合TDD系统的帧汇聚方案研究
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇多载波聚合TDD系统的帧汇聚方案研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
【摘要】文章分析了载波聚合技术对于未来移动通信系统发展的重要作用，针对载波聚合tdd系统的帧结构设计问题，提出了将单载波上的帧以汇聚方式组成新的帧结构，在保证后向兼容性和支持非对称业务的基础上尽量减小双工时延，并具体设计了适应不同场景的交错帧汇聚和非交错帧汇聚方案。
【关键词】多载波聚合 TDD 帧汇聚 交叉时隙干扰
1 引言
目前，移动通信系统支持频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种模式。FDD分别在两个独立载波上进行接收和发送，用频率分离上、下行传输。在支持对称业务时，FDD能充分利用上、下行的频谱资源，但在支持非对称业务时，频谱利用率就会大大降低。TDD在同一载波上进行接收和发送，用时间来分离上、下行传输。因此，TDD可以通过调整上、下行时隙比例来支持非对称业务[1]。另外，为了更好地提供移动通信服务，未来移动通信系统必须寻找更多的频谱资源。这些资源可能分散在很多的零散频段内，需要集合起来使用。载波聚合技术可以解决这一问题，即系统可根据自己的实际能力同时在多个载波上发送或接收数据[2-3]。考虑到非对称业务的现状和趋势以及稀少珍贵的无线频谱资源，载波聚合TDD系统将成为未来移动通信的主要选择。
TDD与FDD两种双工方式的不同之处，最直接的体现是在帧结构，TDD具有许多优势，但也存在一些不足。比如：TDD帧结构中单方向的资源在时域上是不连续的，这将导致系统在使用混合自动重传请求（HARQ）技术时，不能像FDD那样连续的完成HARQ过程。在发送数据与确认信号（ACK/NACK）之间将出现双工时延，降低了HARQ性能。同样在使用信道反馈技术时，反馈信息与上行授权之间也存在双工时延，这会影响到反馈信息的准确性，尤其是对移动性较强的用户。这些因素都制约着TDD的发展。
本文针对上述问题，在载波聚合TDD系统的帧结构设计中，以兼容单载波系统和支持非对称业务为基础，充分考虑如何减小双工时延，提高系统HARQ和信道反馈的性能。文中提出了帧汇聚的概念，将工作在各个载波上的帧按照某种方式联合起来组成新的帧结构，其联合方式根据载波聚合场景不同而有所区别。
2 帧汇聚方案
在TDD系统中，载波聚合根据应用场景可分为连续和非连续两类。同一频段内或相邻频段之间的载波聚合称之为连续载波聚合，此时各载波间上、下行方向需要保持一致，否则会产生交叉时隙干扰。离散频段之间的载波聚合称为非连续载波聚合，各载波之间有足够的保护频段间隔，相互之间不会产生交叉时隙干扰。连续载波聚合实现简便，应该予以优先考虑，但非连续载波聚合有利于离散频谱的使用，能提供更好的聚合灵活性，也同样需要给予重视。针对这两种场景的特点，应该采用不同的帧汇聚方案。
2.1 非交错帧汇聚
各个载波的帧采取同步叠加方式，在时间上同步后联合组成新的帧结构，这样，同一时刻各个频段的上、下行方向是一致的，因此称为非交错帧汇聚。如图1中黑色粗线部分所示，假设单载波上一帧的持续时间为T，当使用非交错帧汇聚时，所有载波的帧要同步传输，即所有载波的帧n都在（t+T）时刻传输，在（t+2T）时刻结束。
非交错帧汇聚适用于连续载波聚合场景，各个载波上都采用单载波TDD系统的帧结构，上、下行方向一致，不会产生交叉时隙干扰。
2.2 交错帧汇聚
各个载波的帧在时间上交错后联合组成新的帧结构，这样，同一时刻各个载波的上、下行方向可能是不一致的，因此称为交错帧汇聚。具体实施如图2中黑色粗线部分所示，所有载波上的帧要依次偏移一段时间后传输，如果载波1上的帧n在（t+T）时刻传输，在（t+2T）时刻结束，那么载波2上的帧n要延迟T1，在（t+T+T1）时刻传输，在（t+2T+T1）时刻结束，载波3上的帧n再延迟T2，在（t+T+T1+T2）时刻传输，在（t+2T+T1+T2）时刻结束，依次类推。T1，T2等偏移量可根据实际的帧结构，以最优化HARQ或信道反馈为准则确定。具体过程参见第3节内容。
交错帧汇聚时，各个载波上仍采用单载波TDD系统的帧结构，但上、下行方向并不一致。因此，交错帧汇聚适合非连续载波聚合场景，载波间有足够的间隔频段，不会产生交叉时隙干扰。
3 性能分析
无论是交错帧汇聚还是非交错帧汇聚，单载波上的帧结构保持不变，已有的单载波终端可以正常工作，确保了载波聚合TDD系统的后向兼容性。并且帧汇聚前后的上、下行时隙比例保持不变，仍可支持非对称业务需求。
采用非交错帧汇聚前后，系统的HARQ和信道反馈过程没有任何变化，最大程度地保留了原有规范的内容。而采用交错帧汇聚，系统的HARQ和信道反馈过程能获得较大的性能增益。
以LTE TDD帧结构1为例[4]，交错汇聚的过程如图3所示，两个载波的帧汇聚，相互之间偏移两个子帧单位。从整个频域上看，单方向的资源被分散到各个时隙，减弱了时域的非连续性，在同一时刻尽可能地为上、下行数据提供了传输资源。图中深色部分表示HARQ传输过程，帧汇聚前，首先是基站在载波1子帧0发送数据，用户经过Tue处理时间后，本来应该发送ACK/NACK信号，但是经过Tue后，子帧4为下行资源，必须等待Twait=3ms后，子帧7为上行才能发送。基站再经过Tenb处理时间后，完成HARQ过程。Tue=Tenb=3ms，则整个HARQ过程的往返时延TRTT=11ms。交错帧汇聚后，ACK/NACK信号可以“跳跃”到拥有上行资源的载波2子帧2传输，无需等待时间Twait。这样，整个HARQ过程的往返时延TRTT=8ms与FDD相同。因此，交错帧汇聚能克服TDD在HARQ过程中的双工时延，达到与FDD相当的性能。
又如信道质量信息（CQI）反馈过程，上行授权需要根据最新反馈的CQI为用户分配资源，调制编码方式等。具体过程如图4中深色部分所示，帧汇聚前，基站在载波1子帧3收到反馈的CQI后，经过处理时间Tenb后，本来应该发送上行授权，但此时的子帧7为上行，必须延迟Tdelay后在子帧9发送，这样，很可能上行授权所参考的CQI已经不能真实反映用户的信道状态，反馈出现了过时现象，这对高速移动用户的影响尤为显著。采用交错帧汇聚后，上行授权信号可以“跳跃”到拥有下行资源的载波2子帧5上发送，无需延迟时间Tdelay。因此，交错帧汇聚同样可以克服CQI反馈过程中的双工时延，提高CQI的有效性。