載波聚合：保障LTE-A速率的有力武器

中國電信廣州研究院 | 朱紅梅

載波聚合：保障LTE-A速率的有力武器

中國電信廣州研究院 | 朱紅梅

種種原因?qū)е乱患疫\(yùn)營商很難單獨(dú)擁有某個(gè)頻段的全部帶寬，授權(quán)頻譜資源的稀缺制約了上網(wǎng)速度的不斷提升。在此背景下，載波聚合逐漸走入運(yùn)營商的視野，并成為LTE-A關(guān)鍵技術(shù)之一。

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，數(shù)據(jù)流量與日俱增，運(yùn)營商需不斷擴(kuò)容升級(jí)網(wǎng)絡(luò)以滿足用戶需求。LTE因具有產(chǎn)業(yè)開放性、更高的頻譜效率、更好的用戶體驗(yàn)、更高的帶寬、更廣的覆蓋以及更低的OPEX/CAPEX而受到全球關(guān)注，目前全球已有近400張LTE網(wǎng)絡(luò)。但是不論怎樣發(fā)展，用戶需求仍在不斷提高，LTE仍需要不斷演進(jìn)。種種原因?qū)е乱患疫\(yùn)營商很難單獨(dú)擁有某個(gè)頻段的全部帶寬，授權(quán)頻譜資源的稀缺制約了上網(wǎng)速度的不斷提升。在此背景下，載波聚合逐漸走入運(yùn)營商的視野，并成為LTE-A關(guān)鍵技術(shù)之一。

LTE參考WiMA X定義的目標(biāo)20MHz支持100Mbit/s的速率已不能滿足需求，為了提供更高的峰值速率和每小區(qū)的平均吞吐量，LTE-A提出了100MHz支持1Gbit/s的目標(biāo)。然而，事實(shí)上全球基本沒有運(yùn)營商（除中國中移動(dòng)的2.3GHz頻段外）擁有單一的100MHz的帶寬，而是擁有零零散散的原用于2G/3G/4G的頻率。如果只是單一地使用這些頻率，難以保證在一個(gè)band內(nèi)找到大于20MHz的連續(xù)帶寬，此外，考慮到后向兼容性，需要終端支持更寬的頻段，同時(shí)更寬的帶寬帶來更復(fù)雜的模塊。因此如何把這些頻率進(jìn)行有效的聚合，使得單一的零散頻率成為一個(gè)整體且峰值速率更高，成為3 G P P的R10階段的當(dāng)務(wù)之急。

圖1 載波聚合的5個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景

載波聚合形式多樣

運(yùn)營商需要將零散的頻率聚合使用，實(shí)現(xiàn)更高的峰值速率。R10版本的載波聚合應(yīng)運(yùn)而生，它能使多個(gè)載波同時(shí)為一個(gè)終端提供數(shù)據(jù)傳輸，目前最多聚合5個(gè)載波，支持100MHz帶寬，兼容R8/R9。

載波聚合有3種典型的形式，分別是同一頻段內(nèi)連續(xù)載波聚合、同一頻段內(nèi)非連續(xù)載波聚合以及頻段間的載波聚合。

通過這三種方式的載波聚合可將實(shí)現(xiàn)運(yùn)營商所有零散載波的聯(lián)合使用，實(shí)現(xiàn)下行峰值速率1Gbit/s，上行峰值速率500Mbit/s。

五種應(yīng)用場(chǎng)景

當(dāng)前3GPP定義了載波聚合的5種應(yīng)用場(chǎng)景，如圖1所示。

場(chǎng)景1：F1和F2共站，兩個(gè)頻點(diǎn)屬同一頻段（或相近，如1.8G+2.1G）；兩個(gè)頻點(diǎn)覆蓋基本相同；該場(chǎng)景可用于密集城區(qū)解決覆蓋/容量的雙重需求問題。

場(chǎng)景2：F1和F2共站，但兩頻點(diǎn)距離較遠(yuǎn)的情況（如800M+1.8/2.1G)；兩個(gè)頻點(diǎn)覆蓋有明顯差異；該場(chǎng)景用于解決覆蓋，同時(shí)針對(duì)性解決熱點(diǎn)容量問題。

場(chǎng)景3：F1和F2共站但覆蓋方向錯(cuò)開；該場(chǎng)景提升重疊區(qū)的峰值速率，同時(shí)一定程度上降低兩頻點(diǎn)間的干擾。

場(chǎng)景4：F1提供宏站全覆蓋，F(xiàn)2用于RRH提供熱點(diǎn)容量。

場(chǎng)景5：在場(chǎng)景2的基礎(chǔ)上增加低功率節(jié)點(diǎn)。

場(chǎng)景較多，供運(yùn)營商根據(jù)自身需求靈活運(yùn)用。通過圖示可以看到，場(chǎng)景1~3是通過不同的頻率聚合獲得更高的速率；場(chǎng)景4~5屬于典型的異構(gòu)網(wǎng)，這里就需特別關(guān)注頻率間的干擾問題。因此3GPP又衍生出ICIC（Inter-Cell Interference Coordination小區(qū)干擾協(xié)調(diào)）技術(shù)，即保障LTE系統(tǒng)業(yè)務(wù)信道可以同頻復(fù)用的重要手段。R8/R9 ICIC技術(shù)，主要是針對(duì)Macro基站組網(wǎng)的同構(gòu)網(wǎng)設(shè)計(jì)，通過頻域的RB交錯(cuò)以實(shí)現(xiàn)PDSCH干擾協(xié)調(diào)，可以有效地應(yīng)用在Macro基站的同構(gòu)組網(wǎng)。但不適用于異構(gòu)網(wǎng)場(chǎng)景，特別是大CRE配置的異構(gòu)場(chǎng)景，于是又出現(xiàn)了R10、R11的ABS（時(shí)域準(zhǔn)空子幀）技術(shù)，以及ABS的增強(qiáng)技術(shù)，相對(duì)較為復(fù)雜。

表1 韓國運(yùn)營商載波聚合商用情況

具體載波聚合頻段已確定

如前所述，載波聚合主要是3GPP R10的工作，基本信令流程在R10已經(jīng)比較完善。主要內(nèi)容包括：能夠最多聚合5個(gè)成員載波；支持PDCCH跨載波資源調(diào)度PDSCH和PUSCH資源；主載波的選擇在終端建立RRC連接時(shí)確定，并根據(jù)情況對(duì)輔助載波進(jìn)行增加或刪除；載波聚合只對(duì)處于RRC連接態(tài)的UE有意義，且只對(duì)單個(gè)RRC連接，對(duì)空閑態(tài)沒影響。

R11定義了載波聚合的增強(qiáng)，能更好地支持異構(gòu)網(wǎng)場(chǎng)景下的載波聚合（場(chǎng)景4~5），如上行發(fā)送提前的調(diào)整：允許不同成員載波上行的發(fā)送提前有不同值；頻段段間TD-LTE聚合能力支持：允許不同頻段的不同時(shí)隙配比的TD-LTE成員載波的聚合；上行控制信令增強(qiáng)：允許不同成員載波的周期CSI和HARQ復(fù)用發(fā)送。

同時(shí)由于LTE頻率眾多，為避免載波間的干擾，3GPP RAN4制定具體頻段的載波聚合。R11在R10的基礎(chǔ)上進(jìn)一步豐富，基本對(duì)可能聚合的載波進(jìn)行了一個(gè)全排列。

商用進(jìn)展快速

LTE-A的內(nèi)容較多，如CoMP多點(diǎn)協(xié)作傳輸(Coordinated Multi-point Tx/Rx)，eICIC增強(qiáng)型小區(qū)干擾消除（enhanced Inter-cell interference Coordination ）以及多用戶MIMO等。韓國由于競(jìng)爭(zhēng)宣傳推動(dòng)，運(yùn)營商已經(jīng)開展載波聚合商用，具體的頻段如表1所示。

此外韓國SK Telecom還宣稱已經(jīng)實(shí)現(xiàn)20MHz+20MHz+20MHz的三頻載波聚合，使得峰值高達(dá)450Mbit/s，當(dāng)然該事件升級(jí)到法庭訴訟，韓國電信認(rèn)為SK電信的三頻載波聚合宣傳具有欺詐性。

隨著LTE的規(guī)模發(fā)展，可以預(yù)見中國不同的運(yùn)營商會(huì)有不同的聚合需求，同時(shí)都在3GPP定義的范疇。載波聚合不影響原有的信令流程，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)備載波聚合的實(shí)現(xiàn)較為簡單。以中國電信為例，對(duì)于800M（B5）+1.8G/2.1G，1.8G+2.1G載波聚合，主要廠商當(dāng)前已經(jīng)能提供商用設(shè)備。

載波聚合終端實(shí)現(xiàn)比網(wǎng)絡(luò)設(shè)備要復(fù)雜，需要考慮終端處理能力、頻段間干擾、功耗待機(jī)時(shí)間等因素。目前受限于終端能力，一期載波聚合實(shí)現(xiàn)基于2下行/1上行，最高支持10M+10M：高通芯片早已實(shí)現(xiàn)Cat4，并在2014年Q3基于Cat6支持20MHz+20MHz下行聚合，又于2014年Q4實(shí)現(xiàn)共60MHz的三載波聚合。

相對(duì)眾多優(yōu)化技術(shù)，載波聚合更為實(shí)際，同時(shí)也能給運(yùn)營商帶來顯著的效益和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此載波聚合不僅是第一個(gè)商用的LTE-A技術(shù)，也將是后期大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)。