5G 載波聚合技術(shù)在高干擾場(chǎng)景中的應(yīng)用研究

［黃智瀛 白錫添 杜安靜］

1 引言

5G 作為我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)新基建的重要一環(huán)，將推動(dòng)數(shù)字技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域和場(chǎng)景中全方位落地應(yīng)用，帶動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)。隨著5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的推進(jìn)，中國(guó)移動(dòng)目前已建設(shè)一張全球最大的5G 網(wǎng)絡(luò)，頻段包括2.6G、4.9G 和700 M等多個(gè)頻段。同時(shí)5G 網(wǎng)絡(luò)面臨的干擾問題也越來越突出，干擾的存在會(huì)極大地影響用戶終端的接入、切換、速率等，嚴(yán)重影響5G 用戶的使用體驗(yàn)。而隨著5G 用戶規(guī)模的不斷增加，5G 的分流比也在逐步增長(zhǎng)，干擾問題如果不及時(shí)處理，將會(huì)對(duì)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。5G的載波聚合技術(shù)（Carrier Aggregation，CA），可以把多個(gè)載波進(jìn)行聚合，充分利用頻譜資源，提高用戶體驗(yàn)。因此，對(duì)于一些大帶寬高干擾的場(chǎng)景，可以通過載波聚合技術(shù)對(duì)載波進(jìn)行合理配置，達(dá)到降低和規(guī)避5G 高干擾并提升5G用戶感知速率的目的。

2 載波聚合技術(shù)原理

針對(duì)多頻段多載波共存的場(chǎng)景，3GPP 引入了載波聚合技術(shù)，它把多個(gè)連續(xù)或非連續(xù)的成分載波（Component Carrier，CC）聚合成更大的帶寬，使終端用戶獲得更高的業(yè)務(wù)速率。

載波聚合可以同時(shí)在兩個(gè)或兩個(gè)以上的成分載波上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，該技術(shù)在LTE 網(wǎng)絡(luò)中已得到了充運(yùn)用，載波聚合技術(shù)也可以應(yīng)用于5G 的多載波場(chǎng)景。根據(jù)聚合載波所在的頻段，載波聚合可以分為：頻段內(nèi)（intra-band）載波聚合和頻段間（inter-band）載波聚合。頻段內(nèi)的載波聚合，可以分為連續(xù)的和非連續(xù)的載波聚合。頻段間的載波聚合是聚合兩個(gè)或兩個(gè)以上不同頻段的載波。在不同頻段的5G 載波聚合時(shí)，通過中頻載波與低頻載波聚合，讓無線網(wǎng)絡(luò)的流量同時(shí)承載在高頻段和低頻段載波上，這樣就可以增強(qiáng)上行覆蓋和用戶體驗(yàn)。

載波聚合在無線接口協(xié)議架構(gòu)上，每個(gè)無線承載只有一個(gè)PDCP 和RLC 實(shí)體，MAC 層、物理層有多個(gè)成分載波；各個(gè)成分載波上MAC 層的數(shù)據(jù)面獨(dú)立調(diào)度；每個(gè)成分載波有各自獨(dú)立的Uu 接口傳輸信道以及獨(dú)立的HARQ實(shí)體和重傳進(jìn)程。載波聚合中控制面和用戶面的數(shù)據(jù)流如圖1 所示。

圖1 載波聚合中的數(shù)據(jù)流示意圖

主服務(wù)小區(qū)PCell（Primary Cell），是CA UE 駐留的小區(qū)，工作在PCC（主載波）上。載波聚合UE 在該小區(qū)內(nèi)的運(yùn)行與其他小區(qū)沒有區(qū)別。輔小區(qū)SCell（Secondary Cell），是指通過RRC 連接信令配置給CA UE 的小區(qū)，工作在SCC（輔載波）上，可以為載波聚合UE 提供更多的無線資源。輔小區(qū)可以只有下行信道，也可以上下行信道同時(shí)存在。

在空閑態(tài)，載波聚合UE 和非載波聚合UE 均基于小區(qū)的重選優(yōu)先級(jí)駐留在高優(yōu)先級(jí)的載波上。為增加用戶體驗(yàn)，一般把大帶寬的載波的重選優(yōu)先級(jí)設(shè)置成高優(yōu)先級(jí)，這樣可以使終端會(huì)優(yōu)先駐留大帶寬上。如果不同載波的帶寬和覆蓋差別較小，一般設(shè)置為相同優(yōu)先級(jí)，可以使終端隨機(jī)駐留在不同載波上，進(jìn)行分擔(dān)負(fù)荷。

在連接態(tài)，可以把帶寬更大和性能更好的頻點(diǎn)設(shè)置為主載波，載波聚合UE 接入網(wǎng)絡(luò)后，為了使用戶獲得更好的體驗(yàn)，使終端切換到主載波頻點(diǎn)上。載波聚合UE 在初始接入、RRC 重建以及切換入時(shí)，基站側(cè)都會(huì)判斷當(dāng)前接入小區(qū)的載波是不是主載波，如果不是的話，可以基于載波的優(yōu)先級(jí)或載波負(fù)荷等方式使其切換到主載波上。

在連接態(tài)，還需對(duì)載波聚合UE 的輔小區(qū)進(jìn)行管理，具體的管理內(nèi)容包括對(duì)輔小區(qū)的配置、變更、激活、去激活、刪除等。當(dāng)載波聚合UE 在初始接入、RRC 重建以及切換入時(shí)，會(huì)觸發(fā)對(duì)輔小區(qū)的配置。完成輔小區(qū)配置后，需對(duì)輔小區(qū)進(jìn)行激活，才可以實(shí)現(xiàn)載波聚合。輔小區(qū)變更是指當(dāng)配置好輔小區(qū)后，若輔小區(qū)的同頻鄰區(qū)比當(dāng)前輔小區(qū)的信號(hào)質(zhì)量更好，可以在不改變主小區(qū)的情況下改變輔小區(qū)，以確保輔小區(qū)的信號(hào)質(zhì)量，也就是輔小區(qū)的變更。當(dāng)輔小區(qū)滿足去激活條件后，基站會(huì)通知載波聚合終端去激活輔小區(qū)，以便釋放資源。最后，當(dāng)輔小區(qū)的信號(hào)質(zhì)量變差時(shí)，還可以對(duì)輔小區(qū)的配置進(jìn)行刪除。

3 在高干擾場(chǎng)景下應(yīng)用的技術(shù)方案

3.1 應(yīng)用背景

香港與深圳地理位置毗鄰，由于對(duì)2.6 GHz 頻譜規(guī)劃策略不一致，香港的移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商把2.6 GHz 規(guī)劃成FDD 制式，而深圳這邊則規(guī)劃成TDD 制式，兩者在時(shí)頻域上無法對(duì)齊，導(dǎo)致相互之間存在同頻干擾，具體頻譜分配圖和干擾如圖2 所示。主要是香港的FDD 下行頻段2 620～2 675MHz 和深圳TDD 的上下行頻段完成重疊，香港有55 MHz 的FDD 下行信號(hào)落入深圳的TDD 上行頻段。

圖2 香港和深圳2.6 G 頻譜分配和相互干擾圖

對(duì)于NR 的2.6 G 頻段，正常情況下可以使用2 515～2 675 MHz 共160 MHz 的帶寬。從頻譜圖可以看出，對(duì)深圳來說主要是原LTE 2.6 GHz 的D3D7D8 頻點(diǎn)的后面60 MHz 受上行干擾較強(qiáng)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)網(wǎng)中因頻段重疊導(dǎo)致上行干擾的小區(qū)共有1 000 多個(gè)，干擾區(qū)域的平均上行干擾達(dá)到8.7 dB，部分臨近香港的邊界區(qū)域的小區(qū)上行干擾達(dá)到20 dB 以上，這些強(qiáng)干擾會(huì)嚴(yán)重影響用戶感知。為應(yīng)對(duì)強(qiáng)干擾，傳統(tǒng)方案是NR 僅使用前100 M，在上行干擾很強(qiáng)的后60 MHz 頻譜帶寬上不部署任何業(yè)務(wù)，這就導(dǎo)致頻譜資源嚴(yán)重浪費(fèi)。

3.2 基于載波聚合技術(shù)的應(yīng)用方案

當(dāng)前2.6 GHz 頻段5G NR 的總可用帶寬是160 MHz，基于載波聚合技術(shù)，在2.6 GHz 頻段可以實(shí)現(xiàn)100～60 MHz 的載波聚合。即通過將NR 的兩個(gè)成分載波進(jìn)行聚合，盤活現(xiàn)有頻譜資源，讓UE 的速率成比例的提升。具體方案如下：

（1）使能NR 2.6 GHz 的100～60 MHz 載波聚合組網(wǎng)，將前100 MHz 帶寬所在的載波設(shè)置PCC（主載波），后60 MHz 所在的載波配置為SCC（輔載波），重新利用后60 MHz 受干擾的頻譜資源。

圖3 載波聚合技術(shù)應(yīng)用方案圖

（2）由于后60 MHz 的上行受干擾嚴(yán)重，為保障用戶感知，在受干擾的后60 MHz 頻譜上僅部署下行載波，即輔載波配置為下行ONLY 模式，上行載波不啟用且禁止用戶接入，以便規(guī)避上行干擾。具體方法是把SCC 輔載波的小區(qū)禁止的系統(tǒng)消息廣播開關(guān)打開，小區(qū)廣播的系統(tǒng)消息中小區(qū)為BAR 狀態(tài)，使UE 不能駐留到該小區(qū)；同時(shí)通過發(fā)送Xn 私有消息給周邊站點(diǎn)，不發(fā)起對(duì)配置為BAR 狀態(tài)的SCC 的切換。這樣SCC 輔載波沒有用戶駐留，也不允許周圍鄰區(qū)切換入該小區(qū)，只作為下行ONLY 給載波聚合用戶使用。

（3）采用多載波聯(lián)合調(diào)度，實(shí)現(xiàn)SCC 輔載波的快速配置+快速激活。在用戶初始接入時(shí)，基于各載波的性能、負(fù)荷及柵格預(yù)測(cè)的頻譜效率等情況為UE 配置能夠?yàn)槠涮峁┳畲笸掏侣实妮d波，優(yōu)選專屬SCC 做輔載波。對(duì)專屬SCC 快速啟動(dòng)調(diào)度，相比基于測(cè)量的輔載波添加方式縮短了SCell 配置時(shí)延與激活時(shí)延，使SCC 資源利用率最大化，提高用戶感知。

4 應(yīng)用效果

深圳移動(dòng)的5G 頻段中，靠近香港一帶的2.6 GHz 頻段的后60 MHz 受香港FDD 網(wǎng)絡(luò)的干擾嚴(yán)重。選擇位于深圳灣公園的某一片區(qū)域，小區(qū)的的上行干擾平均值達(dá)到-104 dbm，按照前面描述的方法，將2.6 GHz 中的160 MHz 帶寬分別配置為100 MHz 和60 MHz 兩個(gè)不同載波的5G 小區(qū)，同時(shí)啟用載波聚合功能，實(shí)現(xiàn)100～60 MHz的下行載波聚合效果。

未應(yīng)用載波聚合技術(shù)前，2.6 GHz 頻段的5G 僅可使用100 MHz 帶寬，另外60 MHz 因干擾為完全不使用狀態(tài)，在該區(qū)域路測(cè)的平均下載速率為456 Mbit/s；使用載波聚合技術(shù)將受干擾的60 MHz 下行利用起來后，平均下載速率達(dá)到663 Mbit/s，下行速率增益為45%。

5 結(jié)束語

針對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)多載波的高干擾場(chǎng)景，尤其是高干擾來源于外部且僅存在于上行信道的情況，本文通過研究5G的載波聚合技術(shù)，將受干擾的頻段作為CA 的輔載波，僅使能輔載波的下行信道，將原來浪費(fèi)的干擾頻段更好地利用起來，有效規(guī)避了上行干擾的影響。從實(shí)際應(yīng)用效果看，下行速率提升明顯，既提高了小區(qū)的下行空口容量，有增強(qiáng)了用戶的速率感知。