1 載波聚合技術概述
     LTE-Advanced系統(tǒng)要求更高的峰值速率，對比LTE系統(tǒng)的前一個版本，這一目標只能通過采用合理方式進一步增加傳輸帶寬來實現(xiàn)。因此，LTE向LTE-Advanced系統(tǒng)的演進，將力爭實現(xiàn)最大傳輸帶寬超過20 MHz，以達到甚至超過100 MHz，且對下行鏈路和上行鏈路都應支持[1]。
    要實現(xiàn)傳輸帶寬的擴展,且保持良好的頻譜兼容性，載波聚合技術是一項值得關注的技術。它能夠?qū)⒍鄠€載波作為基本成員載波聚合成一個更寬的頻譜。每一個成員載波都將能夠到達LTE終端，且能夠提供LTE載波的所有功能。同時，一個支持載波聚合的終端將能夠訪問多個成員載波構成的整個聚合頻譜，其帶寬更大，相應的數(shù)據(jù)速率也更高。
     在LTE-A系統(tǒng)中,每個成員載波對應一個獨立的數(shù)據(jù)流，成員載波之間數(shù)據(jù)流的聚合方案可以分成兩種：成員載波的數(shù)據(jù)流在MAC層聚合和成員載波的數(shù)據(jù)流在物理層聚合[1]。
     成員載波的數(shù)據(jù)流在MAC層聚合：每個成員載波上都有一個傳輸塊，單一的數(shù)據(jù)流在某些點上被分到不同的成員載波，數(shù)據(jù)流的聚合是在MAC 層完成的。其中，每個成員載波都是獨立設計的，維持每個成員載波原來的物理層結構，包括成員載波的位置，鏈路自適應和HARQ等，該模型可以看作是相同鏈路的聚合并且每個成員載波的開銷相同，總的開銷是一個成員載波開銷的N倍，N是成員載波的個數(shù)。具體MAC層-物理層接口如圖1所示。

    成員載波的數(shù)據(jù)流在物理層聚合,所有成員載波共用一個傳輸塊。在空間復用的情況下，所有成員載波共用多個傳輸塊。在不考慮空間復用的情況下，由于所有成員載波使用同一個傳輸塊，需要重新設計RLC層中PDU的大小。所有成員載波要進行統(tǒng)一的調(diào)制編碼，并且共用一個HARQ進程和相應的ACK/NAK反饋。這樣就會與LTE系統(tǒng)原有的物理層/MAC層/RLC層結構發(fā)生沖突。接口模型如圖2所示。

    比較來看，方案一的物理層/MAC層/RLC層與LTE系統(tǒng)完全相同，主要考慮了與LTE系統(tǒng)的后向兼容性，在鏈路自適應和HARQ 方面也體現(xiàn)出了很好的性能，因而可以支持LTE系統(tǒng)的軟硬件設備。而方案二由于所有成員載波共用一個傳輸塊傳輸，傳輸塊包含的數(shù)據(jù)較多，HARQ的使用效率就變得低下，甚至完全不適合使用HARQ。同時，方案二不兼容LTE系統(tǒng)，也需要重新設計物理層/MAC層/RLC層。因此方案一更容易實現(xiàn)LTE向LTE-A的平滑過渡，適合開展后續(xù)的研究，目前3GPP已經(jīng)基本確定采用方案一。
2 HARQ進程與PDSCH/PUSCH映射
    在過去的RAN1#55bis會議上已經(jīng)通過了MAC-to-PHY的映射關系，即每個調(diào)度成員載波有一個傳輸塊(不考慮空間復用)和一個HARQ實體(單獨的UE)；一個UE可以同時接收多個成員載波。
    考慮HARQ進程與成員載波的對應關系，目前HARQ進程與PDSCH/PUSCH(物理下行共享信道/物理上行共享信道)的映射主要有兩種方式。
    (1)固定映射：HARQ進程與DL/UL(下行鏈路/上行鏈路)成員載波一一對應[2-3]。這種情況下，PDCCH與HARQ進程相關的內(nèi)容與Rel8 LTE系統(tǒng)相一致。因此，下行鏈路每個成員載波需要3 bit用于指示HARQ進程號，這里3  bit是由于并行HARQ進程數(shù)為8個。如圖3所示，第一次傳輸在CC B（成員載波B）上，對應B的8個HARQ進程(B,0~B,7)中的（B,4）。假設校驗失敗，發(fā)生重傳，在固定映射模式下，重傳仍然選擇CC B，同時對應HARQ進程(B,4)。圖中的HPN表示HARQ進程號。

    (2)可變映射：HARQ進程設置與DL/UL成員載波靈活地映射[2-3]。它允許跨成員載波的重傳，可以獲得更高的頻率分集增益和成員載波間靈活的調(diào)度增益。但是，每個成員載波需要附加「log2n?骎bit來指示HARQ進程對應的成員載波序號。因此，需要的開銷更大。在可變映射模式下，假設第一次傳輸在CC B上,則對應HARQ進程(B,4)。如果校驗失敗，發(fā)生重傳，則需要計算最佳的成員載波，可以通過比較不同成員載波的信道質(zhì)量等因素，將重傳調(diào)度到新的成員載波上，如圖4所示，重傳調(diào)度到 CC C上，對應的HARQ進程仍然是（B,4）。

3 減少反饋量的排序HARQ進程映射
    參考文獻[3]說明了可變映射可以利用不同成員載波的信道特性，在重傳數(shù)據(jù)時獲得更大的增益，但是同時它也帶來了更大的開銷。因此，如何在利用不同成員載波提高性能的同時，節(jié)省系統(tǒng)開銷，是非常值得關注的。本文以此為出發(fā)點，在可變映射的基礎上進行了改進，通過仿真證實了方案的有效性，可以在保證提高系統(tǒng)性能的前提下，有效節(jié)省開銷。
3.1 方案基本原理
    排序的思想在一定范圍內(nèi)有助于減少反饋量，在此基礎上，對可變映射進行改進，設計了能夠減少反饋量的排序映射機制，其基本思想是：用1比特指示是否改變成員載波，n比特指示最佳成員載波相對當前成員載波的順序改變量，如果順序選擇的下一個成員載波質(zhì)量不是最佳，則繼續(xù)向再下一個成員載波跳變，調(diào)整到更好的成員載波上面，如果沒有更好的，則不去調(diào)整。n的使用比特數(shù)可以根據(jù)系統(tǒng)需求動態(tài)調(diào)節(jié)。比如n=2時，若1比特指示為1,則n的取值為00,表示重傳數(shù)據(jù)調(diào)整到下一個成員載波上傳輸;n的取值為01,表示調(diào)整到再下一個上，以此類推。而如果1比特指示為0，則n=2比特不用，可以節(jié)省下來給系統(tǒng)做其他用途，如增加CQI反饋等，這樣就節(jié)省了反饋量。圖5是方案的流程圖。

    不同成員載波的信道質(zhì)量通過指數(shù)有效信噪比映射(EESM)算法[4]得到，該方法可以將MIMO-OFDM系統(tǒng)子載波的信道質(zhì)量映射到單一SINR上，其等效公式由式(1)給出。

其中，P是用戶使用的子載波的數(shù)目,SINRp是第P個子載波的信號干擾噪聲比，β是尺度因子，可以根據(jù)碼率查表得到。EESM算法最初提出是用于OFDM系統(tǒng)信道質(zhì)量的等效，在MIMO系統(tǒng)中，還要對不同天線進行等效[5]。
    得到不同成員載波的信道質(zhì)量后，即可進行比較判斷。如果沒有其他成員載波優(yōu)于本次傳輸所在的成員載波，則不進行調(diào)整；反之，進行尋優(yōu)和指示。
3.2 1+n比特排序指示
    1+n比特排序指示，可以在保證性能的前提下節(jié)省部分反饋。1比特作為是否進行成員載波調(diào)整的指示；n比特作為具體調(diào)整結果的指示，采用排序的方式。當判斷有其他成員載波優(yōu)于當前成員載波時，1比特指示為1，通過n比特進行排序指示。當前面判斷當前成員載波已經(jīng)最優(yōu)時，則不需要調(diào)整成員載波，1比特指示為0，n比特節(jié)省下來，由系統(tǒng)安排其他用途。
    如圖6所示，假設初次傳輸采用成員載波CC B，對應HARQ進程（B,4）。如果發(fā)生重傳，若n為1比特，則令n=0對應成員載波CC C，n=1對應成員載波CC D，CC A忽略。若n為2比特，令n=00對應成員載波CC C，n=01對應成員載波CC D，n=10對應成員載波CC A。具體存在的幾種情況如表1所示，假設初始傳輸發(fā)生在成員載波B上。

    表1和表2介紹了n比特排序?qū)木唧w規(guī)律。假設初始傳輸在成員載波B上，n為1比特具有兩個狀態(tài):當成員載波為3個(ABC)時，可以指示除B外的其他兩個成員載波，性能與可變映射相同，在發(fā)生重傳時如果需要調(diào)整成員載波則開銷和可變映射同樣為2比特，但是如果重傳不需要調(diào)整成員載波，則不需要指示調(diào)整到哪個成員載波上去，節(jié)省了1比特。雖然1比特不多，但這樣的情況在所有重傳中是占有一定比例的，所以節(jié)省是有意義的。當成員載波為4個時，n為1比特將忽略一個成員載波，n為2比特時將浪費n的一種狀態(tài)，而通過仿真，四個成員載波時忽略其中一個可以達到優(yōu)于固定映射而接近可變映射四個成員載波的效果，所以n只需一個比特，加上1比特指示，與Log24=2同樣是2比特,但利用傳輸數(shù)據(jù)過程中出現(xiàn)的不調(diào)整成員載波狀態(tài)，可以節(jié)省一些比特。對于上行信道來說，這些比特具有非常重要的意義，而仿真表明不調(diào)整成員載波的狀態(tài)在所有重傳中占有一定的比重。當成員載波為5個（ABCDE）時，n為2比特，共3比特指示與可變映射相同，但可以節(jié)省部分比特。當成員載波為6個（ABCDEF）時，忽略其中1個成員載波，n為2。值得注意的是，忽略的成員載波在每次重傳時不一定是固定的，因為上次重傳可能選擇的成員載波是不固定的，這樣順序選擇時忽略的也不固定?？紤]系統(tǒng)的復雜度，成員載波數(shù)大于6時的開銷很大，所以暫不分析。另外成員載波數(shù)為2，不需要1+n，只要1比特即可。

4 仿真分析
    在Matlab2009上按照表3給出的條件,進行了HARQ映射方案的性能仿真。主要考慮了誤塊率(BLER)和平均傳輸次數(shù)的曲線，以及改進方案的節(jié)省比特情況。發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)過的信道具有信噪比從低到高的變化。每次出錯重發(fā)時，該方案按照流程，首先比較成員載波的信道質(zhì)量，如果有更好的成員載波，利用1+n比特順序指示，控制重傳調(diào)整到新的成員載波上。
    圖7對固定映射、可變映射和本文改進方案的誤塊率性能進行了比較，成員載波數(shù)設置為4，n取1比特，反饋開銷為2比特，與可變映射相同。仿真表明,改進方案可以得到優(yōu)于固定映射、接近可變映射方案的性能，由于重傳時才發(fā)生成員載波的映射調(diào)整，所以性能改善集中在低信噪比的區(qū)間。同時改進方案可以利用1比特指示沒有發(fā)生成員載波調(diào)制的情況，節(jié)省這些情況下的n比特。對成員載波數(shù)為3和5的情況，n分別取1比特和2比特，性能顯然和可變映射相同，因為所有其他成員載波都可以通過n來指示。同樣,可以節(jié)省一部分比特反饋。

    圖8比較了固定映射、可變映射和本文改進方案三者的重傳次數(shù)性能，改進方案的重傳次數(shù)在1+1比特指示4個成員載波的情況可以基本達到可變映射的性能，同樣由于重傳時才發(fā)生成員載波的映射調(diào)整，所以性能改善集中在低信噪比的區(qū)間。圖9是對改進方案的比特節(jié)省情況的統(tǒng)計，這是可變映射沒有達到的。從圖9可以看到，在低信噪比的區(qū)間，重傳次數(shù)較多，而這些重傳中，有不小的比例存在映射不變的情況，也就是成員載波不需要調(diào)整。這些情況下，利用1比特指示設置為0，就可以將每次傳輸?shù)膎（這里為1）比特節(jié)省下來，或者用作其他用途。仿真及分析證實了性能同樣可以得到提升。綜合以上分析，改進方案可以達到預期的目標，即提高系統(tǒng)性能的同時，減少系統(tǒng)開銷。

參考文獻
[1] 程順川，鄭瑞明. LTE-Advanced系統(tǒng)中載波聚合技術的性能研究[J]. 現(xiàn)代電信科技,2009,04(04):53-56,73.
[2] ZTE，3GPP TSG-RAN WG1 #55bis. R1-090084. Downlink data and control structure for LTE-A. 2009.01. http://www.3gpp.org.
[3] LG Electronics，3GPP TSG RAN WG1 #56bis.R1-091202.HARQ process mapping across aggregated component carriers.2009.04. http://www. 3gpp.org.
[4] 汪海明，艾薩·圖瑪拉. 多載波通信系統(tǒng)仿真中的EESM和MI-ESM方法[J].電訊技術, 2006(1):26-30．
[5] 聶永萍，張林，張忠培. 一種MIMO系統(tǒng)的鏈路到系統(tǒng)仿真映像方案[J]. 數(shù)字通信, 2009(1): 56-59.