載波聚合技術(shù)在4G+網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

金　勇,方志林

(1.重慶郵電大學(xué)　通信工程應(yīng)用研究所，重慶　400065；2.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司　重慶分公司，重慶 400042)

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載波聚合技術(shù)在4G+網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

金勇1，2,方志林1

(1.重慶郵電大學(xué)通信工程應(yīng)用研究所，重慶400065；2.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司重慶分公司，重慶 400042)

針對(duì)4G用戶的快速增長(zhǎng)以及4G網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，2016年國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商將大規(guī)模升級(jí)LTE網(wǎng)絡(luò)至4G+，即在原有4G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上利用載波聚合技術(shù)。介紹了載波聚合技術(shù)的背景及功能，對(duì)載波聚合技術(shù)的頻譜聚合方式、載波管理以及載波聚合部署方案進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。結(jié)合國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有頻譜資源，探討了國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商載波聚合頻譜組合方式，最后針對(duì)中國(guó)聯(lián)通的現(xiàn)有頻譜資源，給出了中國(guó)聯(lián)通載波聚合部署的方案建議，為即將升級(jí)的4G+網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供一些參考。

載波聚合；LTE-Advanced；4G+；載波聚合部署

近年來(lái)，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，用戶對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求不斷增長(zhǎng)，為了滿足用戶更高的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率需求以及支持更多的業(yè)務(wù)類(lèi)型[1]。在LTE的基礎(chǔ)上，3GPP LTE-Advanced又提出了更高的要求，其中，LTE向LTE-Advanced演進(jìn)的最重要的考慮因素之一是如何滿足更大帶寬需求[2]。為了滿足更高的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率需求，3GPP在LTE-Advanced階段要求下行速率要達(dá)到1 Gbit/s。同時(shí)，受限于無(wú)線頻譜資源緊缺等因素，很多運(yùn)營(yíng)商擁有的頻譜資源往往都是非連續(xù)的，每個(gè)單一頻段都難以滿足LTE-Advanced對(duì)帶寬的需求。因此，3GPP在R10階段引入了載波聚合，通過(guò)將多個(gè)連續(xù)或非連續(xù)的載波聚合成更大的帶寬，以滿足3GPP的要求[3]。

1　載波聚合技術(shù)

載波聚合(Carrier Aggregation，CA)是指基站根據(jù)UE能力將2個(gè)或多個(gè)成員載波聚集起來(lái)一起為UE提供服務(wù)。CA UE可以同時(shí)利用2個(gè)或2個(gè)以上載波的空閑RB，運(yùn)營(yíng)商可以充分利用離散頻譜進(jìn)行載波聚合，從而提高資源利用率，避免頻譜資源的浪費(fèi)。目前LTE支持的最小帶寬是1.4 MHz，最大帶寬是20 MHz，LTE-A通過(guò)載波聚合從而獲得最大40 MHz帶寬。3GPP規(guī)定最多可允許5個(gè)載波進(jìn)行聚合，聚合連續(xù)或離散的頻譜資源，最大載波聚合帶寬可達(dá)到100 MHz，最大峰值速率可達(dá)到1 050 Mbit/s，給用戶帶來(lái)更好的體驗(yàn)[4-5]。載波聚合技術(shù)不僅能滿足LTE-A更大帶寬需求還能保持對(duì)LTE后向兼容，接收能力超過(guò)20 MHz的LTE-A終端(User Equipment，UE)可以同時(shí)接收2個(gè)或多個(gè)成員載波，而對(duì)于LTER8、LTER9的終端，也可以正常接收其中一個(gè)成員載波。因此，載波聚合技術(shù)為4G升級(jí)4G+網(wǎng)絡(luò)提供了技術(shù)基礎(chǔ)[6]。

2　載波聚合方式

載波聚合的方式一般可分為3種[7]：帶內(nèi)連續(xù)載波聚合(Intra-Band，Continuous)、帶內(nèi)非連續(xù)載波聚合(Intra-Band，Non-Contiguous)和帶外非連續(xù)載波聚合(Inter-Band，Non-Contiguous)。具體參見(jiàn)圖1～圖3。

圖1　帶內(nèi)連續(xù)載波聚合

圖2　帶內(nèi)非連續(xù)載波聚合

圖3　帶外非連續(xù)載波聚合

3　CA載波管理

3.1主/輔載波

為了支持載波聚合，3GPP R10中引入了主小區(qū)PCell(Primary Cell)和輔小區(qū)SCell(Secondary Cell)的概念。與UE維持RRC連接的載波或小區(qū)稱(chēng)為主載波(PCC)或主小區(qū)(PCell)。除主載波之外的載波稱(chēng)為輔載波(SCC)或者為輔小區(qū)(SCell)[5]。PCC總是激活的，SCC可通過(guò)PCC來(lái)激活。若SCC滿足激活條件，即主載波PRB利用率高于配置閾值且輔載波PRB利用率低于配置的閾值，則激活對(duì)應(yīng)輔載波。SCC去激活需滿足以下2個(gè)條件：

1)配置閾值低于主輔載波PRB總的利用率；

2)當(dāng)前用戶輔載波的MCS低于某一閾值，則SCC可通過(guò)PCC下發(fā)去激活MAC CE，包括激活自己。

SCC還可以通過(guò)Deactivation timer來(lái)隱式去激活[8]。

3.2輔載波的添加、刪除和修改

輔載波的添加、刪除和修改主要是通過(guò)測(cè)量報(bào)告來(lái)觸發(fā)的，其中通過(guò)A2事件進(jìn)行輔載波的刪除，A4進(jìn)行輔載波的添加，A6進(jìn)行輔載波的修改[9]，如圖4～6所示。

圖4　輔載波的添加(A4)

圖5　輔載波刪除(A2)

圖6　輔載波添加修改(A6)

3.3載波間負(fù)載均衡

CA主輔載波小區(qū)間負(fù)載不均衡時(shí)，可以觸發(fā)通過(guò)載波間協(xié)調(diào)調(diào)度將R10支持CA的UE業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)盡量調(diào)度在負(fù)荷輕的載波上，從而可以改善網(wǎng)絡(luò)不均衡，并且可以減少通過(guò)切換方式進(jìn)行負(fù)載均衡。

CA載波間負(fù)載均衡主要原理是周期性監(jiān)控小區(qū)的PRB占用情況，如果超過(guò)載波間負(fù)荷調(diào)整的門(mén)限，則將小區(qū)中的CA用戶GBR業(yè)務(wù)資源回退或搬移到其他CA協(xié)同小區(qū)上，以此來(lái)減輕小區(qū)負(fù)荷，使得CA的協(xié)同載波間負(fù)荷達(dá)到基本平衡，達(dá)到減少負(fù)荷均衡切換的目的[10]。

CA載波間負(fù)載均衡主要分為4個(gè)部分：周期性監(jiān)測(cè)小區(qū)負(fù)荷是否超過(guò)門(mén)限，目標(biāo)載波選擇，選擇進(jìn)行資源回退或搬移的承載，承載的回退/搬移。功能框圖如圖7所示。

圖7　載波間負(fù)荷調(diào)整功能框圖

CA載波間負(fù)荷調(diào)整功能打開(kāi)后，周期性監(jiān)控小區(qū)的PRB占用情況，如果超過(guò)載波間負(fù)荷調(diào)整的門(mén)限(默認(rèn)值為50%，后臺(tái)可配置)，則在高負(fù)荷小區(qū)的CA協(xié)同小區(qū)中，挑選比高負(fù)荷小區(qū)的負(fù)荷低10%以上的負(fù)荷最輕的小區(qū)，作為載波調(diào)整的目標(biāo)小區(qū)；如果存在以高負(fù)荷小區(qū)為輔載波，以目標(biāo)小區(qū)為主載波的UE，將UE上已被搬移到高負(fù)荷小區(qū)上的GBR承載回退；如果沒(méi)有這樣的GBR承載，則挑選高負(fù)荷小區(qū)中CA用戶上速率最大的GBR承載，搬移到目標(biāo)小區(qū)上。流程圖見(jiàn)圖8。

圖8　載波間負(fù)荷調(diào)整流程圖

對(duì)于一大一小覆蓋的應(yīng)用場(chǎng)景，當(dāng)UE處于小覆蓋小區(qū)時(shí)，設(shè)置小覆蓋的小區(qū)為PCC，大覆蓋的小區(qū)為SCC，當(dāng)UE運(yùn)動(dòng)出小覆蓋小區(qū)時(shí)，則令之前的大覆蓋小區(qū)SCC設(shè)置為PCC，PCC設(shè)置為SCC，當(dāng)UE又從大覆蓋小區(qū)移動(dòng)到小覆蓋小區(qū)內(nèi)時(shí)，此時(shí)不給UE重配PCC，否則UE在小覆蓋小區(qū)邊緣運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)引起PCC的頻繁重配，進(jìn)而引起大覆蓋小區(qū)負(fù)載過(guò)重。例如圖9所示，UE若初始接入以C1為PCell，C2為SCell。當(dāng)在方向1上移動(dòng)時(shí)，需執(zhí)行切換，將PCell更換為C2，但在方向2上移動(dòng)時(shí)，不會(huì)執(zhí)行切換，即不更換PCell，可將C1添加為Scell。因此在系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，以C2作為PCell的用戶量會(huì)加大，由于CMAC算法限制GBR業(yè)務(wù)僅在PCell上調(diào)度，因此C2的負(fù)荷可能會(huì)加重。雖然這種情況發(fā)生的概率較小，但可以作為一個(gè)后續(xù)的研究方向。

圖9　一大一小覆蓋場(chǎng)景

4　載波聚合部署方案

由于成員載波通過(guò)不同頻率在空間傳播中有不同的路徑損耗，因此每個(gè)成員載波的覆蓋區(qū)域?qū)⑹遣煌模煌某蓡T載波具有不同的服務(wù)區(qū)域。針對(duì)成員載波不同的頻率聚合方式，載波聚合技術(shù)具有不同的應(yīng)用場(chǎng)景，本次只考慮2個(gè)成員載波的情況，2個(gè)成員載波分別為CC1，CC2；C1，C2為分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)小區(qū)，部署方式主要為以下5種[4]：

方案1，是一種典型的部署方案，基站天線部署同一基站，采用共天饋或連續(xù)天饋方式，不同成員載波的天線波束方向和模型都要一致，且CC1，CC2載波成員設(shè)置同一頻段的連續(xù)或相近頻率，使兩個(gè)小區(qū)覆蓋基本相同的區(qū)域，處在重疊覆蓋區(qū)域的用戶可以同時(shí)收到兩個(gè)小區(qū)的信號(hào)，進(jìn)行載波聚合。

方案2，兩個(gè)成員載波CC1，CC2一般處在不同的頻帶上，具有較大的頻率間隔，在這種情況下，由于不同頻段信號(hào)傳播的路徑損耗不同的特性，頻率高的載波信號(hào)路徑損耗大，處于高頻段小區(qū)C2的覆蓋范圍比低頻段小區(qū)C1的覆蓋范圍小，CA只在載波重疊覆蓋區(qū)域允許更高的用戶吞吐量，而在小區(qū)邊緣，則只有一個(gè)載波成員CC1提供小區(qū)服務(wù)。

方案3，兩個(gè)成員載波CC1和CC2共基站部署，CC1和CC2使用不同的頻段，成員載波對(duì)應(yīng)天線的波束方向和模型不同，C1的小區(qū)邊緣和C2的小區(qū)中心區(qū)域相重疊，在重疊覆蓋區(qū)域可支持CA，這種方式的優(yōu)勢(shì)在于可以提高小區(qū)邊緣速率和吞吐量。

方案4，宏小區(qū)C1提供主要覆蓋區(qū)域，在業(yè)務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域，采用部署遠(yuǎn)程連接射頻單元(RRH)CC2的小區(qū)用于改善熱點(diǎn)區(qū)域吞吐量，RRH通過(guò)光纖連接到基站，從而實(shí)現(xiàn)宏站C1和RRH C2小區(qū)載波聚合，進(jìn)一步提高系統(tǒng)吞吐量，且RRH設(shè)備成本低廉，有效降低部署成本。

方案5,是對(duì)方案2的一個(gè)補(bǔ)充，在小區(qū)覆蓋邊緣區(qū)域部署一個(gè)頻率選擇中繼器(設(shè)置跟CC2相同的頻點(diǎn))，這樣就擴(kuò)展了成員載波CC2的覆蓋范圍，擴(kuò)大了C1與C2的重疊覆蓋區(qū)域，從而有效提高系統(tǒng)吞吐量。

5　中國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商CA頻段組合分析

載波聚合的頻段組合方式由運(yùn)營(yíng)商擁有的頻譜資源所決定。目前，載波聚合主要用于兩個(gè)載波間下行方向的聚合。中國(guó)移動(dòng)不僅在LTE用戶規(guī)模上占據(jù)上升，還在TD-LTE頻譜資源方面占有明顯優(yōu)勢(shì)。中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通用戶規(guī)模相對(duì)較小，頻譜資源則相對(duì)短缺，但這兩家運(yùn)營(yíng)商在TD-LTE頻譜資源上都各具有40 MHz的頻譜資源，可以借助LTE FDD和LTE TDD載波聚合，與中國(guó)移動(dòng)進(jìn)行抗衡，爭(zhēng)奪高端4G市場(chǎng)[11]。

中國(guó)移動(dòng)總共擁有TD-LTE頻段130 MHz，分別在1.8 GHz頻段擁有20 MHz，2.3 GHz擁有50 MHz，B41頻段(2.6 GHz)擁有60 MHz的頻譜資源。目前，中國(guó)移動(dòng)已經(jīng)對(duì)2.6 GHz的D+D頻段、F+D頻段以及室內(nèi)的E+E頻段進(jìn)行了兩個(gè)載波的聚合試驗(yàn)，最高峰值速率可達(dá)到230 Mbit/s，試驗(yàn)效果均符合預(yù)期。隨著2G和3G的用戶向4G轉(zhuǎn)移、4G網(wǎng)絡(luò)的成熟度以及終端的支持，中國(guó)移動(dòng)還可以考慮對(duì)其擁有的其他頻段資源如B39(TD-SCDMA)、B34(TD-SCDMA)以及B3(GSM)和B8(GSM)頻譜重新分配，用于部署4G網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行載波聚合升級(jí)4G+。

中國(guó)電信在2015年底其4G網(wǎng)絡(luò)已覆蓋全國(guó)的主要城市，目前擁有TD-LTE頻段資源40 MHz，分別在B3頻段擁有30 MHz、在B1頻段擁有40 MHz；擁有FDD-LTE頻段資源70 MHz，在B3(1.8 GHz)和B1(2.1 GHz)各擁有15 MHz的頻譜資源。目前，中國(guó)電信已經(jīng)進(jìn)行了B3(1.8 GHz)+B41(2.1 GHz)雙20 MHz的LTE FDD與TD-LTE的兩個(gè)載波聚合試驗(yàn)，最高峰值速率達(dá)到300 Mbit/s。其2015年在部分試點(diǎn)城市使用B1+B3部署載波聚合技術(shù)。此外，中國(guó)電信還可以利用用于室內(nèi)的B40 2.3 GHz的20 MHz頻譜，進(jìn)行FDD+TDD的載波聚合[12]。隨著其網(wǎng)絡(luò)的逐漸成熟、4G用戶的逐漸增長(zhǎng)以及終端的支持，中國(guó)電信還可以考慮退出其擁有的2/3G頻段資源，用于部署4G網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行載波聚合升級(jí)4G+，提高其與移動(dòng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

中國(guó)聯(lián)通目前擁有TD-LTE頻段資源40 MHz，在2.3 GHz和2.6 GHz頻段各擁有20 MHz，其FDD-LTE頻段資源70 MHz，分別在B3頻帶20 MHz，B1頻帶50 MHz。目前，中國(guó)聯(lián)通已經(jīng)在部分城市使用B3(1.8 GHz)+B41(2.1 GHz)雙20 MHz進(jìn)行了FDD+TDD載波聚合的小規(guī)模部署，最高峰值速率達(dá)到300 Mbit/s。隨著中國(guó)聯(lián)通2G/3G用戶向4G用戶的遷移、網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大以及終端的普及，中國(guó)聯(lián)通可對(duì)其擁有的頻譜資源B1(3G，15 MHz)、B3(GSM和LTE，30 MHz)、B41(TD-LTE，20 MHz)、B8(GSM和3G，6 MHz)進(jìn)行頻譜重新分配，用于部署LTE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行載波聚合，以提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

6　中國(guó)聯(lián)通CA部署方案建議

根據(jù)中國(guó)聯(lián)通目前的頻率分配和使用情況，可采取以下3種方案部署：

1)方案一，F(xiàn)DD 1.8 GHz帶內(nèi)載波聚合

1.8 GHz帶內(nèi)CA在ENODEB側(cè)不需要新增任何硬件設(shè)備，使用如中興R8862 S1800(A6A)的RRU，1個(gè)RRU建立兩個(gè)小區(qū)的方式進(jìn)行頻段內(nèi)的載波聚合。由于使用同一個(gè)RRU和相同的天線，因此此次的小區(qū)覆蓋是同覆蓋方式的載波聚合。終端在重疊覆蓋區(qū)域，可以同時(shí)收到兩個(gè)小區(qū)的信號(hào)，進(jìn)行載波聚合。

2)方案二，F(xiàn)DD 1.8 GHz+2.1 GHz帶外載波聚合

若采用共享BBU，則需新增相應(yīng)2.1 GHz RRU，如中興R8862 RRU支持級(jí)聯(lián)方式，因此對(duì)于配置為R8862的基站，無(wú)需對(duì)BBU進(jìn)行改造，直接拼3個(gè)R8862A，采用RRU級(jí)聯(lián)方式，拼接的RRU采用光纖級(jí)聯(lián)即可，工程實(shí)施便利。若基站天線為兩端口天線(兩端口分別支持1.8 GHz和2.1 GHz頻率)，可采取異頻合路器的方式接入；若基站天線為4端口天線(支持1.8 GHz和2.1 GHz頻率)，建議采用共天線獨(dú)立端口的方式接入。

3)方案三，F(xiàn)DD/TDD雙模載波聚合

主要硬件改造要求如表1所示。

表1硬件改造要求

單板雙模方案改造要求電源模塊PM環(huán)境告警SA風(fēng)扇模塊FAM控制與時(shí)鐘CC板共用無(wú)需更換或新增基帶板分開(kāi)新增TDD基帶板RRU/RSU分開(kāi)新增TDDRRU天饋共用/分開(kāi)更換/新增天線模塊

共用天饋方案即共站共天饋方案，采用四端口或六端口天線替換雙端口天線，可獨(dú)立調(diào)整下傾，但不能獨(dú)立調(diào)方向，這種方案便于FDD/TDD一體化管理，適用于宏站室外站點(diǎn)場(chǎng)景。由于共天饋建設(shè)，天面要求低，該方案也是優(yōu)選方案。

分開(kāi)天饋方案即共站獨(dú)立天饋方案，為了抑制干擾，該方案需要天線端口隔離度要求30 dB；同時(shí)安裝要求需要垂直安裝大于0.2 m，水平安裝大于0.42 m，采用獨(dú)立天饋的方式適用于天面資源豐富的場(chǎng)景。

7　結(jié)束語(yǔ)

載波聚合技術(shù)作為L(zhǎng)TE-Advanced系統(tǒng)的重要組成部分，不論是數(shù)據(jù)傳輸速率還是頻譜的利用率，都具有很大的優(yōu)勢(shì)，隨著4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大以及4G用戶的快速普及，4G網(wǎng)絡(luò)必將快速升級(jí)至4G+，載波聚合技術(shù)勢(shì)必也會(huì)得到快速發(fā)展和應(yīng)用，進(jìn)一步滿足用戶對(duì)業(yè)務(wù)的需求以及高質(zhì)量的用戶體驗(yàn)。

[1]任華，王錚，羅俊，等.移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的LTE業(yè)務(wù)需求及業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)分析[J]. 電信科學(xué)，2013(2)：24-30.

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金勇(1974— )，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)任中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司重慶分公司網(wǎng)建部副總經(jīng)理，研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化；

方志林(1989—)，碩士生，主研移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化。

責(zé)任編輯：許盈

Research on application of carrier aggregation technology in 4G+ network

JIN Yong1,2，F(xiàn)ANG Zhilin1

(1.CommunicationEngineeringApplicationResearchInstitute，ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications，Chongqing400065，China；2.ChongqingbranchofChinaUnitedNetworkTelecommunicationsCorporation，Chongqing400042，China)

With the rapid growth of 4G users and the continued expansion of the scale of the 4G network.In the year of 2016, the three major domestic carriers will be large-scale LTE network upgrade to 4G+, which is based on the 4G network using the carrier aggregation technology. In this paper, the background and function of carrier aggregation technology are briefly introduced. The spectrum of carrier aggregation technology, polymerization method, carrier scheduling and carrier aggregation deployment scheme are analyzed briefly. Combined with the existing spectrum resources of domestic carriers, the combination mode of carrier aggregation spectrum of the three carriers in China is discussed. Finally, according to the existing spectrum resources of China Unicom, the proposed scheme is proposed.To provide some reference for the upcoming 4G+ network construction.

carrier aggregation；LTE-Advanced；4G+；carrier aggregation deployment

TN929.53

A

10.16280/j.videoe.2016.09.012

2016-01-14

文獻(xiàn)引用格式：金勇，方志林. 載波聚合技術(shù)在4G+網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究[J].電視技術(shù)，2016，40(9)：62-66.

JIN Y，F(xiàn)ANG Z L. Research on application of carrier aggregation technology in 4G+ network[J].Video engineering，2016，40(9)：62-66.