WiMAX系统的载波聚合技术

许元斌

摘要：采用正交频分复用技术的WiMAX系统，能够显著提高频谱利用率。为了支持更高的数据速率，需要扩展传输带宽。载波聚合技术通过将多个成员载波连接在一起，能够提供更大的传输带宽。本文针对230 MHz的WiMAX系统，在对频谱使用情况进行测试的基础上，采用连续载波聚合方法，扩展传输带宽。相比离散载波聚合方法，连续载波聚合方法具有更低的系统复杂度，便于实际应用。

关键词：WiMAX  正交频分复用  载波聚合

中图分类号：TN929.5   文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）09-0021-03

Abstract： Spectrum efficiency can be significantly improved by using orthogonal frequency division multiplexing technology in WiMAX system. In order to support a higher data rate， transmission bandwidth needs to be extended. Multiple component carriers are connected together by adopting carrier aggregation technology， which can provide wider transmission bandwidth. In this paper， on the basis of testing result on spectrum utilization， continuous carrier aggregation method is used to broaden the transmission bandwidth in 230 MHz WiMAX system. Compared with discrete carrier aggregation method， continuous carrier aggregation method has a lower systematic complexity， which is convenient for application.

Key Words： WiMAX  orthogonal frequency division multiplexing  carrier aggregation

1 引言

全球微波接入互操作性（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX）宽带无线通信系统采用了一系列关键技术，如正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）、混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ）、自适应调制编码（Adaptive Modulation and Coding，AMC）、多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）、服务质量（Quality of Service，QoS）机制、睡眠模式、切换技术等等[1]，能够有效保证通信系统的可靠性。

OFDM技术抗衰落性能好，且具有频谱利用率高、系统实现简单以及子载波调度灵活等优点[2]。在大传输带宽下使用OFDM技术，需要引入载波聚合技术。载波聚合技术的实现方案包括连续载波聚合、离散载波聚合、对称载波聚合和不对称载波聚合等方式[3]。相对于离散载波聚合，连续载波聚合实现较为容易，信令开销小，用户设备需要检测的频点也较少[4]。因此，本文重点对230 MHz WiMAX系统的连续载波聚合进行探讨。

2 移动通信的发展

移动通信是指通信双方或至少一方处于运动中进行信息交换的通信方式。用户可以在任何时间和地点，快速而可靠地进行多种信息交换。随着用户对业务多样性的需求，移动通信运营商除了提供语音业务以外，数据、视频等非语音业务，同样也被纳入到其服务范围。从移动通信的发展历程，可以体现出业务变化的特点。

第一代移动通信系统是模拟蜂窝通信系统，在20世纪70年代末开始进入商用化，采用频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）接入方式。由于早期的大区制的通信系统很快达到饱和，无法满足要求。因此，采用小区制蜂窝式的系统设计和频率规划，可以扩大覆盖范围，提升系统容量。在这个阶段，使用最为广泛的是美国的先进移动电话系统（Advanced Mobile Phone System，AMPS）和欧洲的全接入通信系统（Total Access Communication System，TACS）。

第二代移动通信系统是数字通信系统，在20世纪90年代开始走向商用，具有更大的系统容量和更高的服务质量。这个阶段具有代表性的系统有很多，例如欧洲的全球移动通信系统GSM（Global System for Mobile Communications）和美国的IS-95等。GSM和IS-95分别采用时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）和码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）方式区分用户。第二代移动通信系统的主要业务为语音服务，双工模式为频分双工（Frequency Division Duplexing，FDD）。随着通信技术的不断发展，在第三代移动通信系统投入运营之前，出现一些中间过渡系统，如通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）系统。

第三代移动通信系统具有更高的数据速率。国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）于2000年确定宽带码分多址（Wideband Code Division Multiple Access，W-CDMA）、CDMA2000和时分同步码分多址（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，TD-SCDMA）为第三代（The 3rd Generation，3G）移动通信技术标准，三种标准都以 CDMA技术为多址技术。在2007年，又增补WiMAX为3G标准。

第四代移动通信系统由3G系统演进而来。针对W-CDMA和TD-SCDMA系统，第三代合作伙伴计划（The 3rd Generation Partnership Project，3GPP）在2004年启动长期演进（Long Term Evolution，LTE）项目。针对CDMA2000系统，第三代合作伙伴计划2（The 3rd Generation Partnership Project 2，3GPP2）于2005年启动空中接口演进项目。电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）在2006年启动802.16m研究项目，是对WiMAX系统的演进。在2012年，ITU确定LTE-Advanced和802.16m为第四代（The 4th Generation，4G）移动通信国际标准。OFDM技术是LTE系统和4G系统物理层的重要技术，能够显著提高新一代移动通信系统的性能。

3 OFDM的基本原理

3.1 OFDM技术概述

OFDM是一种多载波调制方式，它的基本原理是将高速数据信号通过串并转换，调制到传输速率比较低的若干个子信道上进行传输。由于信道的相干带宽大于每一个子信道的信号带宽，将每个子信道看成平坦性衰落。通过在OFDM符号之间加入保护间隔，只要保证无线信道的最大时延扩展小于保护间隔，就可以最大限度地消除符号间干扰（Inter Symbol Interference，ISI）。为了避免插入的空闲保护间隔在多径效应下造成子载波间干扰（Inter Carrier Interference，ICI），将每个OFDM符号尾部的信号复制到头部，形成循环前缀（Cyclic Prefix，CP）。此外，OFDM系统中各个子载波是相互正交的，不仅避免子载波之间的相互干扰，而且由于相邻子载波的频谱相互重叠，可以大幅度提高频谱利用率。

3.2 OFDM的参数选择

在OFDM系统中，需要确定保护间隔、符号周期和子载波的数量等参数。对于这些参数的选择，取决于给定信道的带宽、时延扩展以及所要求的信息传输速率，通常按照以下标准来确定OFDM系统的各参数：

确定保护间隔。根据经验，保护间隔的时间长度一般为时延扩展均方根的2到4倍。

选择符号周期。考虑到保护间隔所带来的信息传输效率的损失、系统的实现复杂度和系统的峰值平均功率比等因素，在实际系统中通常符号周期长度至少是保护间隔长度的5倍。

确定子载波的数量。子载波的数量可以直接利用-3dB带宽除以子载波间隔，即通过去掉保护间隔之后的符号周期的倒数来得到。另外，利用所要求的比特速率除以每个子载波上的比特速率也可以确定在子载波的数量。每个子载波上传输的比特率由调制方式、编码速率和符号速率来确定。

3.3 OFDM的关键技术

在实际应用中，OFDM系统需要解决同步、峰均比、信道估计和信道时变性影响等关键问题，具体技术介绍如下：

同步技术。同步性能的好坏极大影响OFDM系统性能，OFDM系统的同步包括载波同步、样值同步与符号同步三个方面。与单载波系统相比，OFDM系统对同步精确度的要求更高，同步偏差会在OFDM系统中引起ISI和ICI。

峰均比。在时域中，N路正交子载波信号的叠加组成OFDM信号，当这N路信号按相同极性同时取得最大值时，将产生最大的峰值。将该峰值信号的功率与信号的平均功率之比，称为峰值平均功率比，简称峰均比（Peak-to-Average Ratio，PAR）。在OFDM系统中，N越大，PAR的值越大。较高的PAR对发射机功率放大器的线性度要求更高，如何降低PAR，对OFDM系统的性能和成本都有很大影响。

信道估计。对于加入循环前缀的OFDM系统，可以将其等效为若干个独立的并行子信道。在不考虑信道噪声的情况下，各个子信道上的发送信号与信道频谱特性的乘积等于每个子信道上的接收信号。通过信道估计可以得到信道状态信息，信道估计包括导频辅助信道估计、盲信道估计和半盲信道估计三种类型。

信道时变性的影响。信道的时变性能够引起接收信号的多普勒扩展，使得OFDM信号的正交性遭到破坏，从而引起子载波之间的干扰，造成系统性能下降。为了抵抗信道性能的下降，传统方法是采用信道编码加交织技术。此外，较新的方法是利用多普勒分集技术将多普勒扩展变害为利，从而提高系统性能。

3.4 OFDM的优点

与单载波调制系统相比，OFDM系统具有频谱效率高、系统实现简单、子载波调度灵活、抗多径衰落性能好以及均衡简单等诸多优点：

频谱效率高。在OFDM系统中，由于各个子载波之间存在正交性质，允许子载波的频谱相互重叠，可以最大程度地利用频谱资源。

系统实现简单。OFDM系统可以通过快速傅里叶逆变换/快速傅里叶变换（Inverse Fast Fourier Transform/Fast Fourier Transform，IFFT/FFT）来实现子载波的调制和解调，大幅度简化了系统实现。

子载波调度灵活。OFDM系统通过子载波化可以实现频域资源的灵活分配，这种分配的灵活性可以带来很多好处。OFDM系统通过调整子载波的数量，可以扩展带宽，这是传统单载波技术无法比拟的;终端也可以根据自身业务情况，调整子载波分配，以便使用小功率功放;基站还可以根据不同用户的信道情况，调整子载波位置，避免频率选择性衰落和窄带干扰。

抗多径衰落性能好。多径效应产生的衰落严重影响无线通信系统性能，加入循环前缀的OFDM系统具有很好的抗多径衰落性能。

均衡简单。串并转换使得高速数据流中的符号持续周期增加，每个子载波信道被看作平坦衰落信道，可以简化均衡操作。

4 WiMAX系统的载波聚合方法

4.1 组网结构与频率复用

230 MHz WiMAX系统工作在点到多点（Point to Multipoint，PMP）模式，其组网结构为蜂窝结构，可在不同区域内采用频率复用来提高频谱利用率。为了方便安排频率的复用，引入小区簇的概念。小区簇是可以使用全部可用频率的最小小区集合，在该集合内的小区使用不同的频率，而在该集合之外的小区可以使用对应的相同频率。小区簇中小区的个数为频率复用系数。如图1所示，由于频率资源有限，系统可采用频率复用系数3进行组网。

4.2 频谱使用情况

目前国内可使用的230MHz频段的范围为223-235MHz，为了更好的掌握230MHz频段的频谱使用情况，在某大型城市进行频谱测试。在某栋建筑物六层进行测试，采用八木天线，进行一系列下行发射测试。

第一种测设。参数配置如下，中心频点设置为224.1MHz，扫描带宽1MHz，RBW 5.1KHz。测试结果如图2所示。可以看出在扫描带宽内有若干25KHz的窄带干扰存在。这些窄带干扰不是以常发的方式存在，而是以一定的时间间隔出现。

第二种测试。分别采用平均能量方法和MaxHold方法，测试223-235MHz频带范围内的平均功率，测试结果如图3和图4所示。可以发现干扰的平均功率较低，某些干扰为持续1-2秒的短暂信号。当干扰信号存在时，如果干扰信号的频段与230 MHz WiMAX通信系统工作频段相同时，这些干扰信号的功率虽然较低，但还是会影响本系统的通信性能。

4.3 载波聚合方法

230MHz WiMAX无线宽带通信系统工作在223.025-235.000MHz频段，连续带宽12 MHz。为有效发挥OFDM技术优势，采用载波聚合方法提高传输速率及带宽的利用率[5]。

载波聚合的基本原理：利用OFDM系统的带宽易扩展性，在聚合后的大带宽上使用较大的IFFT/FFT发射和接收，但此聚合方式只适合在同一个频带里的载波聚合，因为IFFT的大小不能太大;在每个聚合基本载波上分别进行IFFT/FFT，最后在射频上进行聚合，该方案有较大的灵活性[6， 7]。载波聚合需要考虑结构设计、控制信道设计和资源调度分配等因素。

230MHz WiMAX的无线宽带通信系统采用连续频带聚合方案。通过综合考虑传输执行能力和系统复杂度，决定采用连续频带聚合，这是因为载波段频谱连续，系统实现频带聚合相对容易，并且信令开销与用户终端需要检测的频点也相对较小[8，9]。对比于离散频带聚合而言，用户终端更容易使用一套射频设备和FFT设备去完成多个频带数据的连续接收，从而可以节省传输设备成本。230MHz WiMAX采用12MHz有效带宽传输数据，如图5所示。此方案将8个  1.4MHz的成员载波进行聚合，每个成员载波包含128个子载波，成员载波和成员载波之间留出100KHz的保护间隔。

5 结语

为了支持大带宽传输，WiMAX系统引入载波聚合技术增加传输带宽。本文介绍了载波聚合技术的基本原理，在对230MHz WiMAX系统频谱使用情况进行实际测试的基础上，采用一种连续载波聚合技术，扩展单个用户的传输带宽，可以大幅度提高WiMAX终端的峰值速率。与另一种离散载波聚合技术相比，连续载波聚合技术具有复杂度低、易于实际应用的突出优点。

参考文献：

[1]尹长川，罗涛，乐光新.多载波宽带无线通信技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2004.

[2]杨大成.移动传播环境理论基础[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3]龚凌，曹华孝.LTE-A中载波聚合技术研究进展[J].数据通信，2010，29-32.

[4]张翔，王文博，彭木根.频带聚合技术在LTE-Advanced系统中的应用[J].中兴通讯技术，2010，16（6）：44-48.

[5]R1-082468，“Carrier Aggregation in LTE-Advanced”，Ericsson， 2008.

[6]R1-083678，“Update Views on Support of Wider Bandwidth in LTE-Advanced”，NTT DoCoMo，2008.

[7]R1-083193，“Carrier Aggregation Operation in LTE-A”， Qualcomm Europe，2008.

[8]R1-082575，“Requirements for Further Advancements for E-UTRA，NTT DoCoMo，2008.

[9]R1-082448，“Carrier aggregation in Advanced E-UTRA，” Huawei，2008.

子载波调度灵活。OFDM系统通过子载波化可以实现频域资源的灵活分配，这种分配的灵活性可以带来很多好处。OFDM系统通过调整子载波的数量，可以扩展带宽，这是传统单载波技术无法比拟的;终端也可以根据自身业务情况，调整子载波分配，以便使用小功率功放;基站还可以根据不同用户的信道情况，调整子载波位置，避免频率选择性衰落和窄带干扰。

抗多径衰落性能好。多径效应产生的衰落严重影响无线通信系统性能，加入循环前缀的OFDM系统具有很好的抗多径衰落性能。

均衡简单。串并转换使得高速数据流中的符号持续周期增加，每个子载波信道被看作平坦衰落信道，可以简化均衡操作。

4 WiMAX系统的载波聚合方法

4.1 组网结构与频率复用

230 MHz WiMAX系统工作在点到多点（Point to Multipoint，PMP）模式，其组网结构为蜂窝结构，可在不同区域内采用频率复用来提高频谱利用率。为了方便安排频率的复用，引入小区簇的概念。小区簇是可以使用全部可用频率的最小小区集合，在该集合内的小区使用不同的频率，而在该集合之外的小区可以使用对应的相同频率。小区簇中小区的个数为频率复用系数。如图1所示，由于频率资源有限，系统可采用频率复用系数3进行组网。

4.2 频谱使用情况

目前国内可使用的230MHz频段的范围为223-235MHz，为了更好的掌握230MHz频段的频谱使用情况，在某大型城市进行频谱测试。在某栋建筑物六层进行测试，采用八木天线，进行一系列下行发射测试。

第一种测设。参数配置如下，中心频点设置为224.1MHz，扫描带宽1MHz，RBW 5.1KHz。测试结果如图2所示。可以看出在扫描带宽内有若干25KHz的窄带干扰存在。这些窄带干扰不是以常发的方式存在，而是以一定的时间间隔出现。

第二种测试。分别采用平均能量方法和MaxHold方法，测试223-235MHz频带范围内的平均功率，测试结果如图3和图4所示。可以发现干扰的平均功率较低，某些干扰为持续1-2秒的短暂信号。当干扰信号存在时，如果干扰信号的频段与230 MHz WiMAX通信系统工作频段相同时，这些干扰信号的功率虽然较低，但还是会影响本系统的通信性能。

4.3 载波聚合方法

230MHz WiMAX无线宽带通信系统工作在223.025-235.000MHz频段，连续带宽12 MHz。为有效发挥OFDM技术优势，采用载波聚合方法提高传输速率及带宽的利用率[5]。

载波聚合的基本原理：利用OFDM系统的带宽易扩展性，在聚合后的大带宽上使用较大的IFFT/FFT发射和接收，但此聚合方式只适合在同一个频带里的载波聚合，因为IFFT的大小不能太大;在每个聚合基本载波上分别进行IFFT/FFT，最后在射频上进行聚合，该方案有较大的灵活性[6， 7]。载波聚合需要考虑结构设计、控制信道设计和资源调度分配等因素。

230MHz WiMAX的无线宽带通信系统采用连续频带聚合方案。通过综合考虑传输执行能力和系统复杂度，决定采用连续频带聚合，这是因为载波段频谱连续，系统实现频带聚合相对容易，并且信令开销与用户终端需要检测的频点也相对较小[8，9]。对比于离散频带聚合而言，用户终端更容易使用一套射频设备和FFT设备去完成多个频带数据的连续接收，从而可以节省传输设备成本。230MHz WiMAX采用12MHz有效带宽传输数据，如图5所示。此方案将8个  1.4MHz的成员载波进行聚合，每个成员载波包含128个子载波，成员载波和成员载波之间留出100KHz的保护间隔。

5 结语

为了支持大带宽传输，WiMAX系统引入载波聚合技术增加传输带宽。本文介绍了载波聚合技术的基本原理，在对230MHz WiMAX系统频谱使用情况进行实际测试的基础上，采用一种连续载波聚合技术，扩展单个用户的传输带宽，可以大幅度提高WiMAX终端的峰值速率。与另一种离散载波聚合技术相比，连续载波聚合技术具有复杂度低、易于实际应用的突出优点。

参考文献：

[1]尹长川，罗涛，乐光新.多载波宽带无线通信技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2004.

[2]杨大成.移动传播环境理论基础[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3]龚凌，曹华孝.LTE-A中载波聚合技术研究进展[J].数据通信，2010，29-32.

[4]张翔，王文博，彭木根.频带聚合技术在LTE-Advanced系统中的应用[J].中兴通讯技术，2010，16（6）：44-48.

[5]R1-082468，“Carrier Aggregation in LTE-Advanced”，Ericsson， 2008.

[6]R1-083678，“Update Views on Support of Wider Bandwidth in LTE-Advanced”，NTT DoCoMo，2008.

[7]R1-083193，“Carrier Aggregation Operation in LTE-A”， Qualcomm Europe，2008.

[8]R1-082575，“Requirements for Further Advancements for E-UTRA，NTT DoCoMo，2008.

[9]R1-082448，“Carrier aggregation in Advanced E-UTRA，” Huawei，2008.

子载波调度灵活。OFDM系统通过子载波化可以实现频域资源的灵活分配，这种分配的灵活性可以带来很多好处。OFDM系统通过调整子载波的数量，可以扩展带宽，这是传统单载波技术无法比拟的;终端也可以根据自身业务情况，调整子载波分配，以便使用小功率功放;基站还可以根据不同用户的信道情况，调整子载波位置，避免频率选择性衰落和窄带干扰。

抗多径衰落性能好。多径效应产生的衰落严重影响无线通信系统性能，加入循环前缀的OFDM系统具有很好的抗多径衰落性能。

均衡简单。串并转换使得高速数据流中的符号持续周期增加，每个子载波信道被看作平坦衰落信道，可以简化均衡操作。

4 WiMAX系统的载波聚合方法

4.1 组网结构与频率复用

230 MHz WiMAX系统工作在点到多点（Point to Multipoint，PMP）模式，其组网结构为蜂窝结构，可在不同区域内采用频率复用来提高频谱利用率。为了方便安排频率的复用，引入小区簇的概念。小区簇是可以使用全部可用频率的最小小区集合，在该集合内的小区使用不同的频率，而在该集合之外的小区可以使用对应的相同频率。小区簇中小区的个数为频率复用系数。如图1所示，由于频率资源有限，系统可采用频率复用系数3进行组网。

4.2 频谱使用情况

目前国内可使用的230MHz频段的范围为223-235MHz，为了更好的掌握230MHz频段的频谱使用情况，在某大型城市进行频谱测试。在某栋建筑物六层进行测试，采用八木天线，进行一系列下行发射测试。

第一种测设。参数配置如下，中心频点设置为224.1MHz，扫描带宽1MHz，RBW 5.1KHz。测试结果如图2所示。可以看出在扫描带宽内有若干25KHz的窄带干扰存在。这些窄带干扰不是以常发的方式存在，而是以一定的时间间隔出现。

第二种测试。分别采用平均能量方法和MaxHold方法，测试223-235MHz频带范围内的平均功率，测试结果如图3和图4所示。可以发现干扰的平均功率较低，某些干扰为持续1-2秒的短暂信号。当干扰信号存在时，如果干扰信号的频段与230 MHz WiMAX通信系统工作频段相同时，这些干扰信号的功率虽然较低，但还是会影响本系统的通信性能。

4.3 载波聚合方法

230MHz WiMAX无线宽带通信系统工作在223.025-235.000MHz频段，连续带宽12 MHz。为有效发挥OFDM技术优势，采用载波聚合方法提高传输速率及带宽的利用率[5]。

载波聚合的基本原理：利用OFDM系统的带宽易扩展性，在聚合后的大带宽上使用较大的IFFT/FFT发射和接收，但此聚合方式只适合在同一个频带里的载波聚合，因为IFFT的大小不能太大;在每个聚合基本载波上分别进行IFFT/FFT，最后在射频上进行聚合，该方案有较大的灵活性[6， 7]。载波聚合需要考虑结构设计、控制信道设计和资源调度分配等因素。

230MHz WiMAX的无线宽带通信系统采用连续频带聚合方案。通过综合考虑传输执行能力和系统复杂度，决定采用连续频带聚合，这是因为载波段频谱连续，系统实现频带聚合相对容易，并且信令开销与用户终端需要检测的频点也相对较小[8，9]。对比于离散频带聚合而言，用户终端更容易使用一套射频设备和FFT设备去完成多个频带数据的连续接收，从而可以节省传输设备成本。230MHz WiMAX采用12MHz有效带宽传输数据，如图5所示。此方案将8个  1.4MHz的成员载波进行聚合，每个成员载波包含128个子载波，成员载波和成员载波之间留出100KHz的保护间隔。

5 结语

为了支持大带宽传输，WiMAX系统引入载波聚合技术增加传输带宽。本文介绍了载波聚合技术的基本原理，在对230MHz WiMAX系统频谱使用情况进行实际测试的基础上，采用一种连续载波聚合技术，扩展单个用户的传输带宽，可以大幅度提高WiMAX终端的峰值速率。与另一种离散载波聚合技术相比，连续载波聚合技术具有复杂度低、易于实际应用的突出优点。

参考文献：

[1]尹长川，罗涛，乐光新.多载波宽带无线通信技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2004.

[2]杨大成.移动传播环境理论基础[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3]龚凌，曹华孝.LTE-A中载波聚合技术研究进展[J].数据通信，2010，29-32.

[4]张翔，王文博，彭木根.频带聚合技术在LTE-Advanced系统中的应用[J].中兴通讯技术，2010，16（6）：44-48.

[5]R1-082468，“Carrier Aggregation in LTE-Advanced”，Ericsson， 2008.

[6]R1-083678，“Update Views on Support of Wider Bandwidth in LTE-Advanced”，NTT DoCoMo，2008.

[7]R1-083193，“Carrier Aggregation Operation in LTE-A”， Qualcomm Europe，2008.

[8]R1-082575，“Requirements for Further Advancements for E-UTRA，NTT DoCoMo，2008.

[9]R1-082448，“Carrier aggregation in Advanced E-UTRA，” Huawei，2008.