LTE-A載波聚合關(guān)鍵參數(shù)與配置優(yōu)化探討

陳秀敏，黃毅華，魏垚

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

1 引言

載波聚合（CA, Carrier Aggregation）是3GPP在Release 10引入的，是把多個連續(xù)或非連續(xù)的載波聚合在一起，形成一個更大帶寬的載波集合來為一個終端服務(wù)，從而用于提高單個終端的上下行傳輸速率。其最大的優(yōu)勢就在于不改變之前物理層結(jié)構(gòu)，主要通過改進(jìn)媒體介入層（MAC）及物理層協(xié)議，把其最大信道帶寬從LTE本身的20 MHz提升至LTE-A的100 MHz，大大提高單個終端的帶寬，從而實(shí)現(xiàn)速率的提升。

以載波聚合CA為標(biāo)志之一的4G+時代將使整個生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生又一次重大變更。利用載波聚合技術(shù)，運(yùn)營商可以更高效地利用頻譜資源為用戶提供增強(qiáng)的移動寬帶體驗(yàn)和全新應(yīng)用及服務(wù)；終端廠商和應(yīng)用開發(fā)商則可以依托這一先進(jìn)技術(shù)打造具備差異化競爭優(yōu)勢的終端，為現(xiàn)有應(yīng)用提供更加豐富的用戶體驗(yàn)，如全新沉浸式4k多媒體體驗(yàn)等。對于用戶來說，則可以獲取更高的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)速率及更低的網(wǎng)絡(luò)延遲，極大滿足消費(fèi)者對高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。載波聚合已經(jīng)成為運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的一個標(biāo)準(zhǔn)配置，本文將探討載波聚合關(guān)鍵參數(shù)的原理及優(yōu)化思路。

2 載波聚合介紹

2.1 基本概念

為使用戶獲得更高的網(wǎng)速體驗(yàn)，CA根據(jù)一定的激活機(jī)制激活輔載波，以主載波與輔載波聚合在一起工作的方式來提供比只有單個載波的非CA情況下更大的帶寬。

在載波聚合中，分別定義了主載波小區(qū)（PCell）和輔載波小區(qū)（SCell），對于每個CA終端，其主載波小區(qū)上的系統(tǒng)信息獲取方式與非CA相同，輔小區(qū)上的系統(tǒng)信息是通過RRC重配信息獲取的。

載波聚合的主服務(wù)小區(qū)（Primary Cell），指CA終端駐留在主小區(qū)，CA終端接入網(wǎng)絡(luò)后，和網(wǎng)絡(luò)間只存在一條RRC連接，即和PCell之間的RRC連接。只有PCell才有PUCCH信道，PCell工作在主載波上。

載波聚合的輔小區(qū)（Secondary Cell），通過RRC connect Reconfiguration信令配置給CA終端的小區(qū)。輔小區(qū)工作在輔載波上，為CA終端提供更多的無線資源。

載波聚合包括載波內(nèi)聚合及載波間聚合兩種方式，如圖1所示：

圖1 載波聚合的幾種方式

載波內(nèi)CA：將同頻帶內(nèi)的兩個載波聚合，令一個用戶使用同頻帶的兩個載波進(jìn)行下行數(shù)據(jù)傳輸。同頻帶內(nèi)的載波聚合又可分為連續(xù)和非連續(xù)載波聚合。

載波間CA：將不同頻帶的兩個載波聚合，令一個用戶使用不同頻帶的兩個載波進(jìn)行下行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

載波聚合的協(xié)議棧架構(gòu)如圖2所示。載波聚合對PDCP/RLC透明，每個無線承載只有一個PDCP和RLC實(shí)體；各個分量載波上MAC層的數(shù)據(jù)面獨(dú)立調(diào)度，載波聚合后，在MAC層完成上層數(shù)據(jù)流映射到聚合的各載波中的傳輸。每個分量載波有各自獨(dú)立的傳輸信道，每個分量載波對應(yīng)一個專用和獨(dú)立的HAQR實(shí)體。

目前現(xiàn)網(wǎng)僅支持下行載波聚合，PCell和SCell均有獨(dú)立的下行信道，PCell和SCell的下行CRC結(jié)果通過PCell的PUCCH/PUSCH隨路反饋，PCell和SCell的CRNTI相同，僅PCell上存在上行信道。

3 載波聚合優(yōu)化分析

對CA進(jìn)行優(yōu)化，相對于非CA，主要集中在輔載波的處理上，包括輔載波的添加刪除、輔載波的激活去激活，還有就是引入輔載波后在調(diào)度、切換、駐留方面的優(yōu)化區(qū)別。

3.1 輔載波添加/刪除

支持CA的終端有三種狀態(tài)：

（1）SCell配置未激活：不占用輔載波資源；

（2）SCell配置并激活：占用輔載波PDSCH、PDCCH等資源，即使無數(shù)據(jù)傳送也占用輔載波開銷資源；

（3）SCell未配置。

輔載波的添加和刪除，有盲配置、基于測量的配置及基于鏈路質(zhì)量的配置等方式，其中以盲配置和基于測量的配置為主。

為了解盲配置以及基于測量的輔載波配置的差異，借助路測儀表進(jìn)行測試比較，評估兩種方式在信號質(zhì)量、速率及時延上的差別。選取測試路線包含被測試基站的三個扇區(qū)，分別使用基于測量及盲添加的輔載波添加方式，所得測試結(jié)果見表1所示。

圖2 載波聚合的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

表1 輔載波盲配置和基于測量配置測試

圖3 不同場景輔載波配置方式對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

不同場景輔載波配置方式對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所圖3所示，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果上看，在使用基于測量的方式時，無線信號質(zhì)量略好一些；而在盲配置的情況下，輔載波配置時延明顯優(yōu)于基于測量的配置方式，速率也略有優(yōu)勢?？梢?，兩種配置方式各有優(yōu)點(diǎn)。因此，應(yīng)根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)場景來配置不同的策略，如在不存在信號質(zhì)量問題的場景下，優(yōu)先使用盲配置的方式。不同場景下的建議配置如表2所示。

3.2 輔載波激活/去激活

目前，國內(nèi)主流主設(shè)備廠家所使用的輔載波激活機(jī)制一般主要有：

（1）根據(jù)業(yè)務(wù)需求（RLC緩存隊(duì)列數(shù)據(jù)量、緩存隊(duì)列時延）激活輔載波；

（2）根據(jù)主輔載波PRB利用率和輔載波PRB利用率激活輔載波；

（3）根據(jù)終端業(yè)務(wù)量需求（RLC buffer）或者盲激活方式激活輔載波；

（4）根據(jù)RLC緩存數(shù)據(jù)量激活輔載波。

去激活機(jī)制有：

（1）根據(jù)業(yè)務(wù)需求（RLC緩存隊(duì)列數(shù)據(jù)量、緩存隊(duì)列時延）或者輔載波CQI質(zhì)量去激活輔載波；

（2）根據(jù)主輔載波PRB利用率或者輔載波PRB利用率或者輔載波MCS門限去激活輔載波；

（3）終端無數(shù)據(jù)調(diào)度超過一定時長去激活輔載波；

（4）根據(jù)RLC緩存數(shù)據(jù)量去激活輔載波。

參考某省三個最大本地網(wǎng)CA扇區(qū)的負(fù)荷分析情況，從CA激活用戶比例、CA用戶時長占比、SCC激活次數(shù)占比等幾個指標(biāo)值的統(tǒng)計(jì)來看，現(xiàn)網(wǎng)CA用戶占比以及CA扇區(qū)的基本負(fù)荷都比較低，網(wǎng)絡(luò)處于相對空閑狀態(tài)。在這種情況下，可以采用盲激活的方式來激活輔載波，以保證建立及切換后的及時激活，提高CA用戶感知。但對于部分用戶數(shù)較多的載扇，則需要通過參數(shù)配置使CA終端在數(shù)據(jù)傳輸要求不那么高的時候及時釋放出輔載波資源。

表2 不同場景輔載波配置方式建議

對于一般載扇及較高用戶數(shù)載扇的激活/去激活門限設(shè)置可參考表3。

通過測試來檢驗(yàn)以上兩種配置，發(fā)現(xiàn)在一般載扇建議值的配置下，傳輸10 k大小的文件5次中就有3次激活了CA，傳輸25 k及以上大小文件時，5次全部激活CA，可見，通過調(diào)整門限參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)小文件傳輸激活輔載波，從而提高CA用戶的速率感知。

3.3 載波聚合調(diào)度

載波聚合下的調(diào)度，對于non GBR業(yè)務(wù)，一般有兩種調(diào)度準(zhǔn)則：基礎(chǔ)調(diào)度和差異化調(diào)度。為避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸異常，要求PCell和SCell的調(diào)度策略配置一致。

（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，業(yè)務(wù)速率因子是CA終端在各成分載波（CC, Component Carrier）上的傳輸速率之和。當(dāng)帶寬不受限時，在同樣信道質(zhì)量和頻譜效率下，CA終端的多個CC速率之和與同等QCI業(yè)務(wù)的非CA終端之間是公平的。

然而，由于在各個CC上頻譜效率是有差異性的，這就會導(dǎo)致對CA終端的公平性變差。如果多個CC的頻譜效率差異較大（比如CA終端處于PCell或SCell的小區(qū)邊緣），最后分配的RB數(shù)量的不公平性也會較大。

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

差異化調(diào)度準(zhǔn)則下，在各個CC上，CA用戶都被視作為一個獨(dú)立的用戶，在各自載波中獨(dú)立進(jìn)行調(diào)度排序。在計(jì)算調(diào)度優(yōu)先級時，業(yè)務(wù)速率因子是CA終端在當(dāng)前CC上的傳輸速率，亦即CA終端在各個CC上分別與各自的非CA終端分配的RB數(shù)對等。那么，CA終端的總RB數(shù)等于各個CC上的非CA終端的平均RB之和。當(dāng)各個CC頻譜效率接近且用戶分布均勻時，在同樣信道質(zhì)量下，N個CC的CA終端基本可以達(dá)到非CA終端的N倍速率。

由此，CA終端可以獲得比非CA終端更多的資源，因此用戶體驗(yàn)更佳；但相應(yīng)的，會擠占其他非CA終端的無線資源。

兩種調(diào)度機(jī)制的差異可參見圖4的示意圖。

表3 輔載波激活/去激活門限設(shè)置建議

圖4 基本調(diào)度和差異化調(diào)度差別示意圖

為進(jìn)一步了解基本調(diào)度和差異化調(diào)度兩種方式的差異，使用路測儀表進(jìn)行測試對比，評估兩種方式在信號質(zhì)量及速率上的差別。測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖5所示：

圖5 基本調(diào)度和差異化調(diào)度的調(diào)度RB數(shù)/slot

從測試結(jié)果來看，采用差異化調(diào)度，CA終端每slot多調(diào)度約30個RB（兩CC共175個RB），以及獲得更高的速率。因此為保障CA終端速率以及提高傳輸效率，建議采用差異化調(diào)度算法。

3.4 載波聚合切換

CA的切換分為從CA切換到非CA（切換過程中先刪掉輔載波，然后源主載波切換到目標(biāo)載波）、從非CA切換到CA（在切換過程中，切換到目標(biāo)主載波再增加輔載波）、CA之間切換。其中前兩者只涉及單載波的切換，與普通4G切換區(qū)別不大。至于CA之間的切換，又可分為帶輔載波切換和不帶輔載波切換兩種。

（1）不帶輔載波切換：PCC通過A3事件觸發(fā)切換，在切換過程中先刪掉SCC，然后源PCC切換到目標(biāo)PCC，PCC切換后再重新配置激活SCC

（2）帶輔載波切換：SCC基于A6完成切換。eNodeB對SCell下發(fā)A6測量配置，當(dāng)CA終端測量SCell的同頻鄰區(qū)比當(dāng)前SCell高一定門限時，上報(bào)SCell的A6測量報(bào)告，eNodeB通過RRC Connection Reconfiguration將該CA終端的原SCell刪除，添加目標(biāo)同頻小區(qū)為Scell。

不帶輔載波切換，在切換到單載波后，需要經(jīng)過增刪輔載波的過程（sCellToReleaseList/sCellToAddList），因此切換時延會比帶輔載波切換的方式長。表4為是否打開帶輔載波切換的實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果，從表中可見，帶輔載波切換，可明顯降低切換恢復(fù)多載波配置的控制面時延。

帶輔載波切換方式，在同一條切換命令中，釋放源側(cè)輔載波，同時添加新的目標(biāo)側(cè)輔載波。這樣可以實(shí)現(xiàn)多載波的無縫切換，更快、更好地添加輔載波，大大縮短從切換造成的速率掉底到速率恢復(fù)的時間，減少切換對用戶體驗(yàn)的影響（如圖6所示）。而且從目前的業(yè)內(nèi)情況來看，全球TOP CA商用網(wǎng)絡(luò)大都已啟用帶輔載波切換，帶輔載波切換將是未來主流方向。因此建議在CA的切換策略上采取帶輔載波切換。

表4 帶/不帶輔載波切換的控制面時延差異

對于目前CA切換中不帶輔載波切換的方式，由于與普通終端切換方式基本一致，建議同、異頻切換延用目前非CA的參數(shù)配置規(guī)范。不同場景需根據(jù)切換帶的路測數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，尤其是插花組網(wǎng)的異頻切換區(qū)域。在設(shè)置異頻切換相關(guān)參數(shù)時，若相鄰站有同頻，則適當(dāng)同步降低異頻搜索和異頻切換事件門限，包括A2事件、A3/A4/A5事件，以保證優(yōu)先觸發(fā)同頻切換，盡量減少異頻切換。

3.5 駐留

CA的駐留策略與非CA網(wǎng)絡(luò)一致，也分為傾向性駐留和隨機(jī)駐留兩種策略。駐留策略是小區(qū)級的設(shè)置，對小區(qū)內(nèi)所有CA和非CA用戶采用的是同一套駐留策略。

在頻點(diǎn)間覆蓋和帶寬相差不大的兩個頻點(diǎn)共站建設(shè)開通CA的場景下，建議采用隨機(jī)駐留策略。如果兩個頻點(diǎn)存在覆蓋、帶寬、頻段優(yōu)勢等差異時，在局部需要保障信號覆蓋水平及提升CA用戶速率的區(qū)域，可以把作為主力容量的頻段設(shè)置為高優(yōu)先駐留，此時由于用戶主要都集中在該頻點(diǎn)，非CA用戶的感知更容易受影響，因此在話務(wù)量較高的時可打開基于用戶數(shù)的MLB（Mobility Load Balancing）提升普通用戶的使用感知。

圖6 切換造成的速率跌底及其恢復(fù)時間

3.6 CA關(guān)鍵指標(biāo)

對于CA的優(yōu)化，其基本優(yōu)化流程與常規(guī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化基本一致，但在CA的性能評估上，有些CA特有的指標(biāo)，如：

（1）CA配置時長占比=CA配置時長/測試總時長

CA配置時長：CA輔小區(qū)配置至輔小區(qū)去配置之間的時長；

CA配置：收到包含sCellToAddModList信息的重配置消息；

CA去配置：收到包含sCellToReleaseList信息的重配置消息。

（2）CA激活時長占比=CA激活時長/測試總時長

CA激活：由芯片上報(bào)的LTE SCell Act Deact cmd消息判斷CA激活；

CA去激活：由芯片上報(bào)的LTE SCell Act Deact cmd消息判斷CA去激活。

（3）輔載波激活時延=輔載波激活時間-輔載波配置時間

輔載波配置時間：UE收到包含sCellToAdd ModList的重配置消息的時間；

輔載波激活時間：由芯片上報(bào)的LTE SCell Act Deact cmd消息判斷。

（4）輔載波配置時延=輔載波配置時間-切換成功時間

輔載波配置時間：UE收到包含輔載波配置信息的重配置消息的時間；

切換成功：非競爭切換情況下，收到Msg2（T304定時器未超時）消息；競爭切換情況下，收到Msg4消息，Msg4中的Contention Result字段標(biāo)識為成功（T304定時器未超時）。

（5）輔載波控制面切換時延=目標(biāo)小區(qū)輔載波配置時間-源小區(qū)輔載波去配置時間

輔載波配置時間：UE收到包含輔載波配置信息的重配置消息的時間；

輔載波去配置時間：UE收到包含輔載波去配置信息的重配置消息時間。

圖7 CA扇區(qū)的優(yōu)化前后對比

4 效果分析

如圖7所示，以一個CA扇區(qū)的MR優(yōu)化為例驗(yàn)證上述載波聚合配置優(yōu)化效果。

優(yōu)化前：CA實(shí)施后，不連續(xù)組網(wǎng)區(qū)域2.1G小區(qū)MR優(yōu)良在37%左右，弱覆蓋接入次數(shù)占比非常高。

對測量及切換門限參數(shù)進(jìn)行核查與優(yōu)化，在存在1.8G小區(qū)覆蓋情況下，讓用戶盡量駐留1.8G，不向2.1G進(jìn)行異頻切換；若用戶初始接入2.1G的情況下，則盡快切換至1.8G網(wǎng)絡(luò)；避免用戶在1.8G在覆蓋較好的情況下占用2.1G；2.1G在作為容量層承擔(dān)容量分擔(dān)小區(qū)情況下，如基于覆蓋的異頻切換則保持原有門限，如基于負(fù)載的切換則根據(jù)MLB配置參數(shù)進(jìn)行用戶轉(zhuǎn)移。

優(yōu)化舉措：降低1.8G的觸發(fā)異頻測量A2值，對于2.1G，則提高停止異頻測量A1值和觸發(fā)異頻測量A2值，并且降低觸發(fā)異頻切換A4值。

優(yōu)化后：2.1G的MR優(yōu)良比從37.56%提升至83.22%，指標(biāo)改善明顯，且全網(wǎng)總體MR優(yōu)良比保持在88%以上。CA特征指標(biāo)也呈良好狀態(tài)，下行速率由19.25 Mbit·s-1提升到28.53 Mbit·s-1，SCell的添加/刪除成功率均保持在99.6%以上。

5 結(jié)束語

本文從輔載波添加/刪除、輔載波激活/去激活、調(diào)度、切換以及駐留等幾個方面分析了載波聚合在配置和參數(shù)上的優(yōu)化方法，并給出了一些CA的關(guān)鍵指標(biāo)作為評估CA優(yōu)化效果所用，為CA網(wǎng)絡(luò)感知優(yōu)化提供理論依據(jù)和實(shí)例，可以有效提高運(yùn)營能力和CA網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化能力及效率，對評估CA的網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)質(zhì)量、保障用戶4G+業(yè)務(wù)的感知和體驗(yàn)具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐萍,謝文佳. LTE Advance載波聚合技術(shù)的原理及應(yīng)用場景分析[J]. 科技資訊, 2015(31)： 18-19.

[2]陳禮建. LTE-A中載波聚合技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 通信與信息技術(shù), 2014(5)： 44-46.

[3]黃海峰. LTE-A進(jìn)入爆發(fā)期 中國運(yùn)營商明確載波聚合部署規(guī)劃[J]. 通信世界, 2015(13)： 38.

[4]張益祥,簡浩. LTE-A的載波聚合技術(shù)[J]. 信息通信,2016(2)： 259-260.

[5]頡斌. LTE載波聚合研究[J]. 電信網(wǎng)技術(shù), 2016(8)： 87-90.

[6]許國平,苗守野,張鐸,等. 載波聚合效能提升的現(xiàn)網(wǎng)實(shí)踐研究[J]. 郵電設(shè)計(jì)技術(shù), 2017(8).

[7]3GPP TR 36.808. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Carrier Aggregation; Base Station(BS) radio transmission and reception. Release 10[S].2012.

[8]3GPP TR 36.913. Requirements for further advancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)(LTE-Advanced). Release 14[S]. 2017.

[9]3GPP TS 36.300. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) Overall description Stage 2. Release 14[S]. 2017.

[10]3GPP TS 32.425. Telecommunication management;Performance Management (PM); Performance measurements Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN). Release 11[S]. 2012. ★