LTE載波聚合的研究及其應(yīng)用

黃超逸，許景淵

（北京中網(wǎng)華通設(shè)計(jì)咨詢有限公司，北京100070）

LTE載波聚合的研究及其應(yīng)用

黃超逸，許景淵

（北京中網(wǎng)華通設(shè)計(jì)咨詢有限公司，北京100070）

載波聚合是LTE網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一項(xiàng)重要新技術(shù)。通過分析LTE系統(tǒng)載波聚合原理、應(yīng)用場景、聚合要求和限制條件等，進(jìn)一步研究了載波聚合的調(diào)度原理及其部署影響。在此基礎(chǔ)上，搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境驗(yàn)證了載波聚合部署的可行性及性能指標(biāo)，為后續(xù)LTE載波聚合的大規(guī)模部署提供有益的參考。

LTE；載波聚合；應(yīng)用分析

隨著4G通信網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署和移動智能終端的日益普及，用戶對移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求日益旺盛，也進(jìn)一步促使通信運(yùn)營商下大力氣來提供更為高速和優(yōu)質(zhì)的無線覆蓋網(wǎng)絡(luò)。在此背景下，LTE載波聚合技術(shù)正是提升數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率的有效途徑，它以聚合多個(gè)連續(xù)或非連續(xù)載波的方式拓寬了傳輸帶寬，擺脫了單載波傳輸帶寬的約束，極大的解決了數(shù)據(jù)傳輸帶寬的瓶頸問題，為用戶提供了更為優(yōu)質(zhì)的使用體驗(yàn)。以達(dá)到LTE-A系統(tǒng)對傳輸帶寬的要求，從而，支持高達(dá)100MHz的傳輸帶寬，也使得在不同子載波上調(diào)度同一個(gè)UE成為可能，并具有良好的后向兼容性[2]。其中，載波聚合原理如圖1所示。

1 載波聚合技術(shù)

在LTE系統(tǒng)中，單載波的最大支持傳輸帶寬為20MHz，而LTE-A系統(tǒng)則可有效地將多個(gè)連續(xù)或不連續(xù)的頻譜資源分配給用戶使用，從而實(shí)現(xiàn)靈活分配和利用頻譜資源的目的，成為LTE-A系統(tǒng)中最突出的特性之一[1]。載波聚合的原理為，通過聚合多個(gè)相對窄帶或離散的子載波使之成為一個(gè)更為寬頻的載波，

圖1 載波聚合原理圖

2 載波聚合優(yōu)勢及其應(yīng)用場景

2.1 載波聚合的優(yōu)勢

通過LTE載波聚合可獲得資源利用率最大化、有效利用離散化頻譜和提升用戶體驗(yàn)等好處或優(yōu)勢：

1）資源利用率最大化：通過應(yīng)用載波聚合技術(shù)，CA UE可以同時(shí)利用兩個(gè)或兩個(gè)以上子載波空閑的RB資源[3]，提升了資源利用的效率，從而實(shí)現(xiàn)了資源利用率的最大化。

2）有效利用離散化頻譜：通過應(yīng)用載波聚合技術(shù)，運(yùn)營商可以將已獲得的無線電頻譜資源（特別是頻譜資源重耕后更為離散的頻譜資源）進(jìn)一步聚合和利用，從而達(dá)到有效利用離散化頻譜的目的。

3）有效提升用戶體驗(yàn)：在多用戶使用的場景下，CA UE激活SCell（Secondary Cell）后，載波聚合可以更好利用空閑資源，提升整網(wǎng)非過載時(shí)CA UE的數(shù)據(jù)吞吐量，給用戶帶來更良好的體驗(yàn)效果。

2.2 載波聚合的應(yīng)用場景

按照3GPP協(xié)議規(guī)定，在載波聚合典型應(yīng)用場景中，兩個(gè)不同頻率的載波可聚合在同一個(gè)eNodeB中使用[4]，其覆蓋范圍可相同或不同，其應(yīng)用場景視覆蓋需求而定，如圖2所示。

圖2 不同頻率覆蓋圖

3 載波聚合的要求和限制

3.1 商用終端限制

載波聚合的商用終端限制主要包括：

1）CA商用終端需要LTE高版本協(xié)議的支持，目前，CA測試需要配置CAT5，僅LTE R10協(xié)議支持CA。

2）不同類型的UE終端其最大支持的上下行速率有限制，如CAT4的UE的最大上行速率為50M，而CAT5則為75M。

3.2 聚合載波數(shù)量

載波聚合數(shù)量要求如下：

1）目前，CA的終端最多可以聚合（發(fā)送/接收）5個(gè)分量載波，每載波最大傳輸帶寬為20MHz。

2）CA UE支持非對稱載波聚合[5]，即下行鏈路和上行鏈路聚合的分量載波數(shù)目可以不同，但是上行分量載波數(shù)不能大于下行。

3.3 聚合載波頻率、時(shí)延要求

3.3.1 時(shí)延要求

1）intra-band CA（contiguous）兩頻點(diǎn)采用不同RRU/RFU，同步時(shí)延需在130ns以下。

2）intra-band CA（non-contiguous）兩頻點(diǎn)采用不用RRU/RFU，同步時(shí)延需在260ns以下。

3）inter-band CA兩頻點(diǎn)采用不同RRU/RFU，同步時(shí)延需在1.3us以下。

3.3.2 頻率要求

根據(jù)3GPP相關(guān)協(xié)議要求，intra-band CA（contiguous）中心頻點(diǎn)間隔要滿足300KHz的整數(shù)倍：連續(xù)的20MHz+20MHz，中心頻點(diǎn)間隔為19.8MHz；而20MHz+10MHz，中心頻點(diǎn)間隔為14.4MHz。計(jì)算公式如下：

3.3.3 設(shè)備硬件要求

考慮不同的硬件模塊支持多載波組網(wǎng)的情況，需考慮硬件模塊支持的頻段以及瞬時(shí)帶寬需求不能超出產(chǎn)品限制，若不滿足，需新增模塊及額外配套資源。

4 CA的相關(guān)調(diào)度原理

4.1 基礎(chǔ)小區(qū)概念

1）Primary Cell是載波聚合UE駐留的小區(qū)，即主服務(wù)小區(qū)。UE在該小區(qū)內(nèi)的運(yùn)行與其他R8/9小區(qū)沒有區(qū)別，只有PCell才有PUCCH信道。

2）Secondary Cell是eNodeB根據(jù)CA UE的能力通過RRC Connection Reconfiguration配置的。SCell可以只有下行，也可以上下行同時(shí)存在。

3）CA Group是指在eNodeB上將若干小區(qū)配置到一個(gè)邏輯集合內(nèi)，只有該集合內(nèi)小區(qū)才允許聚合。

4.2 CA的激活和調(diào)度

CA UE在小區(qū)內(nèi)發(fā)起RRC連接（包括初始接入、重建、切換入），當(dāng)建完SRB2和DRB后，eNodeB根據(jù)CA UE上報(bào)的支持的載波聚合能力下發(fā)A4測量，eNodeB將檢測UE上報(bào)的滿足A4測量條件的小區(qū)，如果有同一小區(qū)集CAGROUP.CaGroupId內(nèi)的，就通過RRC Connection Reconfiguration將其配置為該CA UE的SCell；UE可同時(shí)得到PCELL和SCELL的資源調(diào)度，當(dāng)前系統(tǒng)默認(rèn)采用基于電平的測量進(jìn)入CA模式，支持基于業(yè)務(wù)量調(diào)度[6]。

4.2.1 Scell的測量和激活（基于電平）

CA UE共有三種狀態(tài)：SCell配置未激活、SCell配置并激活、SCell未配置。

1）基于電平激活SCell

CA UE將滿足CaMgtCfg.CarrAggrA4ThdRsrp的小區(qū)上報(bào)給eNodeB，如果該小區(qū)與PCell屬于同一個(gè)CA Group，那么eNodeB下發(fā)RRC Connection Reconfiguration將其配置為該CA UE的SCell。

2）基于電平去激活SCell

當(dāng)CA UE上報(bào)SCell的CaMgtCfg.CarrAggrA2Thd Rsrp通過RRC Connection Reconfiguration將該CA UE的SCell刪除。

4.2.2 Scell的測量和激活（基于業(yè)務(wù)）

如果打開載波管理（LAOFD-00100106 Carrier Management）開關(guān)CaMgtCfg.CarrierMgtSwitch（亦即設(shè)為ON），在CA UE數(shù)據(jù)量不大的情況下可以去激活SCell從而節(jié)省UE在SCell的盲檢、收發(fā)數(shù)據(jù)的能耗，以及上行CSI反饋。

1）基于業(yè)務(wù)激活SCell

當(dāng)CA UE已配置SCell但未激活，滿足如下條件：RLC緩存數(shù)據(jù)量>max（RLC出口速率*CaMgtCf g.ActiveBufferDelayThd，CaMgtCfg.ActiveBufferLenThd）且RLC首包時(shí)延>CaMgtCfg.ActiveBufferDelayThd

eNodeB將下發(fā)MAC CE（MAC Control Element），快速激活該CA UE的Scell。

2）基于業(yè)務(wù)去激活SCell

在項(xiàng)目評價(jià)中，評價(jià)問題通常有兩種類型：第一，與“使能策略”有關(guān)的問題，即用于實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)的方法或技術(shù)；第二，與具體結(jié)果有關(guān)的問題。處理問題使能策略將產(chǎn)生有助于方案的實(shí)際操作的評估信息，促進(jìn)其融入大學(xué)或?qū)W院社區(qū)或?qū)I(yè)社區(qū)，并幫助修改或制定方案策略。

當(dāng)CA UE每個(gè)承載都滿足：RLC出口速率< CaMgtCfg.DeactiveThroughputThd并且RLC緩存< CaMgtCfg.DeactiveBufferLenThd。eNodeB將下發(fā)MAC CE，去激活該CA UE的SCell。

4.3 業(yè)務(wù)的調(diào)度

而對于non GBR業(yè)務(wù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩套調(diào)度準(zhǔn)則：基礎(chǔ)調(diào)度（Basic Scheduling）和CA UE差異化調(diào)度（LAOFD-00100105 Higher QoS for CA UEs），可以通過CELLDLSCHALGO.CaSchStrategy設(shè)置，缺省采用基礎(chǔ)調(diào)度。

1）當(dāng)CA調(diào)度策略設(shè)置為基礎(chǔ)調(diào)度

基礎(chǔ)調(diào)度準(zhǔn)則下，在計(jì)算調(diào)度優(yōu)先級時(shí)，業(yè)務(wù)速率是CA UE在各CC上的傳輸速率之和。在同樣信道質(zhì)量下，CA UE的平均速率與其PCell上的同樣QCI業(yè)務(wù)的non CA UE基本相等。

2）當(dāng)CA調(diào)度策略設(shè)置為差異化調(diào)度

CA UE差異化調(diào)度準(zhǔn)則下，在計(jì)算調(diào)度優(yōu)先級時(shí)，業(yè)務(wù)速率是CA UE在當(dāng)前CC上的傳輸速率。亦即CA UE在各個(gè)CC上分別與各自的non CA UE分配的RB數(shù)相等。那么，CA UE的RB數(shù)等于各個(gè)CC上的non CA UE的平均RB之和。當(dāng)兩載波頻譜效率接近且用戶分布均勻時(shí)，在同樣信道質(zhì)量下，CA UE基本可以達(dá)到non CA UE的兩倍速率。

4.4 整網(wǎng)開通CA對網(wǎng)絡(luò)的影響

1）整網(wǎng)的PRB利用率有所提升。

2）整網(wǎng)資源未全部占用時(shí)，打開載波聚合特性后，可以提升整網(wǎng)資源利用率、總吞吐量。

3）當(dāng)整網(wǎng)資源未全部占用時(shí)，打開載波聚合特性后，CA UE速率可以有一定提升。CA UE可以獲得比非CA UE更多的RB資源，因此用戶體驗(yàn)更佳。

4）一個(gè)支持載波聚合的終端配置了SCell后，那么該終端在PCell和SCell中各算一個(gè)RRC連接用戶。極限場景下，如果網(wǎng)絡(luò)中所有終端都支持載波聚合，那么整網(wǎng)實(shí)際可接入的物理終端數(shù)量減少一半。

5）由于輔載波的上行ACK/NACK、周期性CQI都在PCell的PUCCH上反饋，PCell的PUCCH開銷翻倍，因此PCell上需要將更多的RB配置成PUCCH。

5 測試結(jié)果及分析

針對載波聚合的應(yīng)用場景及要求，為驗(yàn)證載波聚合的應(yīng)用效果，搭建了LTE載波聚合場景進(jìn)行驗(yàn)證如下：

5.1 測試環(huán)境

1）頻點(diǎn)使用2*20M，設(shè)置下行中心頻點(diǎn)為1850和1650；實(shí)驗(yàn)局建網(wǎng)使用band 3頻段（1850-1880 Mhz），頻段內(nèi)有移動站點(diǎn)網(wǎng)外干擾；另外1840-1850頻段和DCS1800同頻，DCS站點(diǎn)未清頻。

2）硬件方面使用一個(gè)RRU3928開啟雙載波。

3）TUE在基站下通過4個(gè)小天線做空口接收，信號存在一定的波動。

4）測試方法主要通過FTP下載方式，服務(wù)器未獲取到操作權(quán)限，不能進(jìn)行灌包測試。

5.2 測試結(jié)論

1）協(xié)議版本支持情況。完成TUE調(diào)試后，查詢TUE的支撐能力，從圖3可以看出，當(dāng)前TUE支持R10協(xié)議版本，支持CA載波聚合能力，可以完成測試。

圖3 測試參數(shù)值圖

2）載波聚合測試速率

TUE已突破單小區(qū)2T2R的150M峰值的限制，平均速率在222M左右；因?yàn)槭芟抻诰W(wǎng)外干擾（現(xiàn)網(wǎng)未清頻）和下載方式限制（服務(wù)器無操作權(quán)限，未能灌包），沒有達(dá)到理論峰值接近300M，如圖4所示。

圖4 測試速率圖

使用其他專門測速網(wǎng)站（SPEEDTEST）的測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 測速網(wǎng)站測試圖

測試結(jié)果表明：CA功能開通正常，速率可比單載波情況下增長明顯。由于存在外部干擾及內(nèi)部測試服務(wù)器的限制，暫未達(dá)到理論峰值速率300Mbps。但實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可證明在LTE系統(tǒng)中載波聚合功能在熱點(diǎn)區(qū)域部署是可行的。

6 結(jié)束語

載波聚合是LTE網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過程中的一項(xiàng)重要新技術(shù)，具備在頻段內(nèi)及跨頻段整合頻譜資源和無線信道的基本特性，大大提高頻譜和資源利用率，最終提升用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率，并減少延遲。它能有效地解決頻譜的需求，載波聚合不僅能夠以非常靈活的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)帶寬的擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜利用率，還能夠使LTE-Advanced系統(tǒng)保持良好的后向兼容性。

目前的LTE移動終端能夠支持多個(gè)LTE射頻信道，但每次只能通過一個(gè)信道進(jìn)行下載，而LTE載波聚合可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)在兩個(gè)或多個(gè)LTE射頻信道上的下載，通過對LTE載波聚合功能的應(yīng)用研究和測試結(jié)果，為后續(xù)LTE網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的應(yīng)用提供有力的支撐數(shù)據(jù)，也為后續(xù)LTE載波聚合的大規(guī)模應(yīng)用提供參考。

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Research and application of LTE carrier aggregation

HUANGChao-yi,XUJing-yuan
（ChinaCommDesign&ConsultingCo.Ltd.,Beijing,China 100070）

Carrier aggregation is an important new technology in the development of LTE network.This paper analyzes principles, application scenarios,aggregation requirements and restrictions of the LTE carrier aggregation technology,and then further studies the scheduling principle and deployment impact ofthe carrier aggregation.Based on this,a test environment is set up to verify the feasibility and performance of the deployment of the carrier aggregation,which provides a useful reference for large-scale deployment of LTE carrier aggregation.

LTE;carrier aggregation;application analysis

10.3969/j.issn.2095-7661.2017.01.007】

TN929.5

A

2095-7661（2017）01-0022-04

2016-12-27

黃超逸（1990-），男，廣西桂林人，北京中網(wǎng)華通設(shè)計(jì)咨詢有限公司助理工程師，本科，研究方向：LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)及優(yōu)化。