TD—LTE雙模演進基站載波聚合的應用

朱智俊　岑曙煒　曹晶　張真楨

在LTE到LTE-Advanced系統(tǒng)的演進過程中，更寬頻譜的需求將會成為影響演進的最重要因素之一，如何有效利用頻域上分散的頻譜資源，通過資源整合以獲得更高的系統(tǒng)帶寬是必須解決的問題，為此3GPP提出了載波聚合技術。首先給出了載波聚合（CA）在移動通信網中的業(yè)務流程設計；然后討論和分析了CA的拉網測試結果、UE峰值測試結果和高速率路段測試結果；最后指出了載波聚合待解決的問題。

LTE-Advanced 載波聚合 TD-LTE

1 背景

近年來，由于移動通信網的數(shù)據(jù)業(yè)務迅猛發(fā)展，用戶的需求也日趨多樣化，這使得第三代移動通信網絡已遠遠不能滿足人們的要求。用戶期望運營商提供在任何時間、任何地點的高速無縫接入服務[1-2]。因此，2004年3GPP正式啟動了LTE（Long Term Evolution，長期演進）項目[3-5]。與3G通信系統(tǒng)相比較，LTE系統(tǒng)以OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用）技術為基礎[5]，支持20MHz的最大系統(tǒng)帶寬，上、下行峰值速率分別可以達到75Mbps和100Mbps。雖然LTE技術已具備某些第四代移動通信技術的特征，卻還不能被稱作4G（“準4G”）。

為了進一步提供更高的數(shù)據(jù)速率，支持更多的用戶業(yè)務和新的服務類型，3GPP LTE-Advanced在LTE基礎上又提出了新的需求[6]。特別是，為滿足IMT-Advanced的峰值速率需求，LTE-Advanced需要支持比LTE更大的系統(tǒng)帶寬（達100MHz）。因此，如何滿足更大帶寬需求成為LTE向LTE-Advanced演進的最重要考慮因素之一。然而由于受限于通信發(fā)展歷史及無線頻譜資源緊缺等因素，很多運營商擁有的頻譜資源往往都是非連續(xù)的，很難找到可用的較大連續(xù)頻譜，而每個單一頻段都難以滿足LTE-Advanced對帶寬的需求。

為此，3GPP組織提出了CA（Carrier Aggregation，載波聚合）技術[7-9]，該技術的核心思路是：將多個連續(xù)或離散載波聚合在一起，形成一個更寬頻譜。它能靈活地調節(jié)系統(tǒng)傳輸帶寬，最高可支持單用戶100MHz的下行傳輸帶寬，既能滿足LTE-Advanced在帶寬方面的需求，又可以提高頻譜碎片的利用率。圖1給出了CA技術架構，其中：

◆每個無線承載只有一個PDCP和RLC實體，RLC層上看不到物理層有多少個分量載波；

◆各個載波上MAC層的數(shù)據(jù)獨立調度；

◆每個載波維護各自獨立的初傳和HARQ重傳進程。

2 載波聚合業(yè)務流程設計

載波聚合業(yè)務流程設計如圖2所示。

業(yè)務步驟具體如下：

（1）操作維護向eNB配置可以聚合的小區(qū)集，并配置CA特性相關的參數(shù)。

（2）CA UE開始建立呼叫，并建立完成業(yè)務（同R8/R9終端相同）。

（3）eNB根據(jù)小區(qū)集讓UE對其他小區(qū)進行測量，根據(jù)測量結果，對于可作為SCell的小區(qū)，向UE發(fā)送RRC重配消息，將該小區(qū)配為UE的SCell。

（4）eNB檢測業(yè)務量，當業(yè)務量升高時，及時激活SCell，使得PCell和SCell共同進行數(shù)據(jù)傳輸；當業(yè)務量下降時，及時去激活SCell，可以為UE省電。

通過載波聚合業(yè)務可以實現(xiàn)：

（1）提供更好的QoS保證：服務高價值客戶，獲取更大的收益（高ARPU）。

（2）資源利用率最大化：通過載波聚合，CA UE可以同時利用兩載波上的空閑RB，以實現(xiàn)資源利用率最大化，避免整體資源利用率的浪費。

（3）更好的用戶體驗：通過載波聚合，在MIMO 2×2環(huán)境下，配比2、特殊子幀配置7時，CA UE下行峰值速率相對單載波可以翻倍。在實際商用網的多用戶場景下，CA UE激活SCell后可以更好地利用空閑資源，提升整網非滿負載時CA UE的吞吐量，給用戶帶來更好的體驗。

3 測試分析

為了對F+D載波聚合進行性能測試，下面將主要分析CA的拉網測試結果、UE峰值測試結果和高速率路段測試結果。

3.1 F+D載波聚合拉網測試

為了對比配置載波聚合前后的性能區(qū)別，本文將在精品網VIP路線上進行拉網測試，測試路線如圖3所示。

測試環(huán)境配置如下：

◆測試區(qū)域F+D頻段，F(xiàn)頻段SA2/SSP6，D頻段SA2/SSP7；

◆在測試區(qū)域選擇一條測試路線能夠遍歷各種信道條件；

◆準備1部支持CA的R10終端（如TUE），另準備1部不支持CA的R9終端（如E5776）。

首先使用非CA終端，在路線起點接入網絡并開始做下行Fullbuffer的FTP下載業(yè)務，待速率穩(wěn)定后，車輛以30km/h的速度向路線終點移動并同時記錄log，記錄下行RSRP、SINR、吞吐量、MCS、GPS打點等信息，到達終點后停止log，并detach終端；然后用CA UE在路線起點接入網絡并開始做下行Fullbuffer的FTP下載業(yè)務，待速率穩(wěn)定后，車輛以30km/h的速度向路線終點移動并同時記錄log，記錄下行RSRP、SINR、吞吐量、MCS、GPS打點等信息，到達終點后停止log，并detach終端；最后得到拉網測試結果，如表1和圖4所示：

表1 拉網速率

平均吞吐量/Mbps 平均SINR/dB 平均RSRP/dBm CA占比/%

CA拉網 67.9 PCC：18.2

SCC：21.1 PCC：-77.1

SCC：-76.7 84.5

非CA拉網（MIFI） 38.1 18.3 -87.6 0endprint

由以上可知，在保俶路與體育場路十字路口處，音樂廳1小區(qū)的信號由于樓宇遮擋無法覆蓋路面，因此這里的信號是由松木場河西F頻段覆蓋，這一段沒有CA；在環(huán)城西路上，昌化新村信號由于樓宇遮擋無法覆蓋路面，因此這一段的速率偏低。

3.2 F+D載波聚合峰值測試

下面將主要對F+D載波聚合峰值進行測試，拉網路線見圖3。在測試網絡中尋找一個極好點（如在省府路省政府門口西側）進行峰值測試，即測試CA UE能夠達到峰值。使用CA終端，極好點接入網絡并開始做下行Fullbuffer的FTP下載業(yè)務，待速率穩(wěn)定后記錄log，記錄下行RSRP、SINR、吞吐量、MCS等信息。附近基站為老年活動中心3小區(qū)，F(xiàn)頻段PCI=296，D頻段PCI=59，無線信息如圖5所示：

圖5 基站配置信息

由圖6可知，峰值速率可以較穩(wěn)定在203Mbps，圖中的一些波動是由于來往車輛導致信道波動。

3.3 F+D載波聚合高速率路段測試

測試場景見圖3。測試目的是在測試路線上尋找一段平均速率超過100Mbps的路線，使用CA終端，開始做下行Fullbuffer的FTP下載業(yè)務，待速率穩(wěn)定后記錄log，記錄下行RSRP、SINR、吞吐量、MCS等信息。測試結果如圖7所示。

由圖7可知，在保俶路上，有180m的路段CA平均速率在100Mbps以上；在省府路上，有200m的路段CA平均速率在100Mbps以上。

4 總結

載波聚合技術作為LTE-Advanced標準的關鍵技術之一，可以有效地解決頻譜的需求。它能夠以非常靈活的方式實現(xiàn)系統(tǒng)帶寬的擴展，從而實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜利用率。但是載波聚合在LTE-Advanced中仍然會面臨挑戰(zhàn)，還有很多問題值得進一步研究。例如在以下方面[2，3，6，8]：

（1）切換問題。在切換過程中，基站必須提供相對穩(wěn)定的速率來保證服務的連續(xù)性。如果用戶采用載波聚合技術，那么基站在切換過程中也要支持載波聚合技術。

（2）硬件受限問題。載波聚合在實際應用中，硬件問題是必須解決的問題。

（3）LTE-Advanced物理層設計問題。在物理層設計中，LTE-Advanced系統(tǒng)還要解決載波間的時間同步、頻點分配以及保護帶寬設計等問題。

參考文獻：

[1] 程順川，張欣，鄭瑞明，等. 載波聚合技術在LTE-Advanced系統(tǒng)中的應用[J]. 移動通信， 2009（8）： 52-55.

[2] 鮮永菊，董燦，張祖凡，等. LTE-A載波聚合下的載波切換分析[J]. 電信科學， 2009（12）： 46-50.

[3] 徐昌彪，武岳，鮮永菊. LTE-Advanced系統(tǒng)中改進的載波聚合HARQ進程映射機制[J]. 重慶郵電大學學報： 自然科學版， 2010（2）： 170-173.

[4] 田金鳳，鄭小盈，胡宏林，等. 中國下一代移動通信研究[J]. 科學通報， 2012（5）： 299-313.

[5] 趙季紅，李洋，曲樺，等. LTE-Advanced系統(tǒng)中基于載波聚合的聯(lián)合切換方案[J]. 電信科學， 2012（6）： 33-41.

[6] 張麗娟，侯曉赟. LTE-A載波聚合技術的最新研究進展[J]. 通信技術， 2012（9）： 112-114.

[7] 郎為民，吳帆，瞿連政. LTE-Advanced載波聚合技術研究[J]. 電信快報， 2012（12）： 3-6.

[8] 趙季紅，何煒揚，曲樺. LTE-Advanced中繼系統(tǒng)基于輔助載波的協(xié)作切換算法[J]. 電信科學， 2013（8）： 108-113.

[9] 焦慧穎. LTE-Advanced關鍵技術及標準化進展[J]. 電信網技術， 2009（12）： 19-22.★endprint

由以上可知，在保俶路與體育場路十字路口處，音樂廳1小區(qū)的信號由于樓宇遮擋無法覆蓋路面，因此這里的信號是由松木場河西F頻段覆蓋，這一段沒有CA；在環(huán)城西路上，昌化新村信號由于樓宇遮擋無法覆蓋路面，因此這一段的速率偏低。

3.2 F+D載波聚合峰值測試

下面將主要對F+D載波聚合峰值進行測試，拉網路線見圖3。在測試網絡中尋找一個極好點（如在省府路省政府門口西側）進行峰值測試，即測試CA UE能夠達到峰值。使用CA終端，極好點接入網絡并開始做下行Fullbuffer的FTP下載業(yè)務，待速率穩(wěn)定后記錄log，記錄下行RSRP、SINR、吞吐量、MCS等信息。附近基站為老年活動中心3小區(qū)，F(xiàn)頻段PCI=296，D頻段PCI=59，無線信息如圖5所示：

圖5 基站配置信息

由圖6可知，峰值速率可以較穩(wěn)定在203Mbps，圖中的一些波動是由于來往車輛導致信道波動。

3.3 F+D載波聚合高速率路段測試

測試場景見圖3。測試目的是在測試路線上尋找一段平均速率超過100Mbps的路線，使用CA終端，開始做下行Fullbuffer的FTP下載業(yè)務，待速率穩(wěn)定后記錄log，記錄下行RSRP、SINR、吞吐量、MCS等信息。測試結果如圖7所示。

由圖7可知，在保俶路上，有180m的路段CA平均速率在100Mbps以上；在省府路上，有200m的路段CA平均速率在100Mbps以上。

4 總結

載波聚合技術作為LTE-Advanced標準的關鍵技術之一，可以有效地解決頻譜的需求。它能夠以非常靈活的方式實現(xiàn)系統(tǒng)帶寬的擴展，從而實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜利用率。但是載波聚合在LTE-Advanced中仍然會面臨挑戰(zhàn)，還有很多問題值得進一步研究。例如在以下方面[2，3，6，8]：

（1）切換問題。在切換過程中，基站必須提供相對穩(wěn)定的速率來保證服務的連續(xù)性。如果用戶采用載波聚合技術，那么基站在切換過程中也要支持載波聚合技術。

（2）硬件受限問題。載波聚合在實際應用中，硬件問題是必須解決的問題。

（3）LTE-Advanced物理層設計問題。在物理層設計中，LTE-Advanced系統(tǒng)還要解決載波間的時間同步、頻點分配以及保護帶寬設計等問題。

參考文獻：

[1] 程順川，張欣，鄭瑞明，等. 載波聚合技術在LTE-Advanced系統(tǒng)中的應用[J]. 移動通信， 2009（8）： 52-55.

[2] 鮮永菊，董燦，張祖凡，等. LTE-A載波聚合下的載波切換分析[J]. 電信科學， 2009（12）： 46-50.

[3] 徐昌彪，武岳，鮮永菊. LTE-Advanced系統(tǒng)中改進的載波聚合HARQ進程映射機制[J]. 重慶郵電大學學報： 自然科學版， 2010（2）： 170-173.

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[5] 趙季紅，李洋，曲樺，等. LTE-Advanced系統(tǒng)中基于載波聚合的聯(lián)合切換方案[J]. 電信科學， 2012（6）： 33-41.

[6] 張麗娟，侯曉赟. LTE-A載波聚合技術的最新研究進展[J]. 通信技術， 2012（9）： 112-114.

[7] 郎為民，吳帆，瞿連政. LTE-Advanced載波聚合技術研究[J]. 電信快報， 2012（12）： 3-6.

[8] 趙季紅，何煒揚，曲樺. LTE-Advanced中繼系統(tǒng)基于輔助載波的協(xié)作切換算法[J]. 電信科學， 2013（8）： 108-113.

[9] 焦慧穎. LTE-Advanced關鍵技術及標準化進展[J]. 電信網技術， 2009（12）： 19-22.★endprint

由以上可知，在保俶路與體育場路十字路口處，音樂廳1小區(qū)的信號由于樓宇遮擋無法覆蓋路面，因此這里的信號是由松木場河西F頻段覆蓋，這一段沒有CA；在環(huán)城西路上，昌化新村信號由于樓宇遮擋無法覆蓋路面，因此這一段的速率偏低。

3.2 F+D載波聚合峰值測試

下面將主要對F+D載波聚合峰值進行測試，拉網路線見圖3。在測試網絡中尋找一個極好點（如在省府路省政府門口西側）進行峰值測試，即測試CA UE能夠達到峰值。使用CA終端，極好點接入網絡并開始做下行Fullbuffer的FTP下載業(yè)務，待速率穩(wěn)定后記錄log，記錄下行RSRP、SINR、吞吐量、MCS等信息。附近基站為老年活動中心3小區(qū)，F(xiàn)頻段PCI=296，D頻段PCI=59，無線信息如圖5所示：

圖5 基站配置信息

由圖6可知，峰值速率可以較穩(wěn)定在203Mbps，圖中的一些波動是由于來往車輛導致信道波動。

3.3 F+D載波聚合高速率路段測試

測試場景見圖3。測試目的是在測試路線上尋找一段平均速率超過100Mbps的路線，使用CA終端，開始做下行Fullbuffer的FTP下載業(yè)務，待速率穩(wěn)定后記錄log，記錄下行RSRP、SINR、吞吐量、MCS等信息。測試結果如圖7所示。

由圖7可知，在保俶路上，有180m的路段CA平均速率在100Mbps以上；在省府路上，有200m的路段CA平均速率在100Mbps以上。

4 總結

載波聚合技術作為LTE-Advanced標準的關鍵技術之一，可以有效地解決頻譜的需求。它能夠以非常靈活的方式實現(xiàn)系統(tǒng)帶寬的擴展，從而實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜利用率。但是載波聚合在LTE-Advanced中仍然會面臨挑戰(zhàn)，還有很多問題值得進一步研究。例如在以下方面[2，3，6，8]：

（1）切換問題。在切換過程中，基站必須提供相對穩(wěn)定的速率來保證服務的連續(xù)性。如果用戶采用載波聚合技術，那么基站在切換過程中也要支持載波聚合技術。

（2）硬件受限問題。載波聚合在實際應用中，硬件問題是必須解決的問題。

（3）LTE-Advanced物理層設計問題。在物理層設計中，LTE-Advanced系統(tǒng)還要解決載波間的時間同步、頻點分配以及保護帶寬設計等問題。

參考文獻：

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[2] 鮮永菊，董燦，張祖凡，等. LTE-A載波聚合下的載波切換分析[J]. 電信科學， 2009（12）： 46-50.

[3] 徐昌彪，武岳，鮮永菊. LTE-Advanced系統(tǒng)中改進的載波聚合HARQ進程映射機制[J]. 重慶郵電大學學報： 自然科學版， 2010（2）： 170-173.

[4] 田金鳳，鄭小盈，胡宏林，等. 中國下一代移動通信研究[J]. 科學通報， 2012（5）： 299-313.

[5] 趙季紅，李洋，曲樺，等. LTE-Advanced系統(tǒng)中基于載波聚合的聯(lián)合切換方案[J]. 電信科學， 2012（6）： 33-41.

[6] 張麗娟，侯曉赟. LTE-A載波聚合技術的最新研究進展[J]. 通信技術， 2012（9）： 112-114.

[7] 郎為民，吳帆，瞿連政. LTE-Advanced載波聚合技術研究[J]. 電信快報， 2012（12）： 3-6.

[8] 趙季紅，何煒揚，曲樺. LTE-Advanced中繼系統(tǒng)基于輔助載波的協(xié)作切換算法[J]. 電信科學， 2013（8）： 108-113.

[9] 焦慧穎. LTE-Advanced關鍵技術及標準化進展[J]. 電信網技術， 2009（12）： 19-22.★endprint