終端支持多載波聚合問題分析及解決方案探討
2014-08-08 02:12:41戴國華黃思技余駿華趙子彬
移動通信 2014年9期
戴國華+黃思技+余駿華+趙子彬
【摘要】介紹了載波聚合技術的標準化現狀和終端商用情況，對部署載波聚合時LTE終端可能遇到的問題進行研究分析，結合現狀對解決方案進行探討并給出建議。
【關鍵詞】載波聚合雙發雙收三階互調
中圖分類號：TN929.53文獻標識碼：A文章編號：1006-1010(2014)-09-0009-03
1 引言
由于高速Internet、相對便宜的智能手機出現，和提供良好用戶體驗的多媒體應用程序不斷更新換代，移動用戶數據使用量大幅度提升，這對運營商高數據容量提供能力帶來了新的挑戰，而載波聚合（CA，Carrier Aggregation）技術就在這樣的背景下應運而生。載波聚合技術，一方面可通過使用不同頻段的容量，來最大化峰值速率和吞吐量，憑借跨頻率的負載均衡向用戶提供更好的QoS，通過優化的無線資源管理實現干擾管理，從而提供良好的用戶體驗；另一方面，通過對已使用的多個頻率站點的簡單軟件升級，CA技術向運營商提供了一個提升目前網絡數據吞吐量和容量的低成本解決方案。因此，充分利用并靈活配置現有頻段組合來實現載波聚合，可滿足LTE運營商的迫切市場需求。
本文從終端角度出發，介紹CA技術的標準化現狀和終端商用情況，對部署CA時終端可能遇到的問題進行探討并給出建議。
2 載波聚合技術標準化現狀
載波聚合技術由國際標準化組織3GPP（3rd Generation Partnership Project）主推，目前已完成Rel 10/11的研究和標準化，Rel 12將在2014年6月完成。
LTE（Long Term Evolution）從Rel 10開始支持載波聚合，通過聚合多個分量載波（CC，Component Carrier）來有效提升系統帶寬和數據速率。根據不同運營商的頻譜狀況，3GPP在Rel 10中定義了包括頻段內連續、頻段內和頻段間不連續的三種類型載波聚合方式，可支持最多5個分量載波聚合和100MHz的系統帶寬，被聚合的每個載波都保持對Rel 8/9的后向兼容。對于下行，各載波獨立調度，并支持跨載波調度，以降低小區間干擾；對于上行，只有主載波可發送控制信息，其他輔助載波僅作數據傳輸之用[1]。另外，FDD系統支持下行頻段內和頻段間載波聚合，上行僅支持頻段內載波聚合；TDD系統僅支持頻段內上下行配比相同的載波聚合。
為實現更加靈活的載波聚合，3GPP在Rel 11中引入FDD系統的上行頻段間載波聚合和TDD系統頻段間不同上下行配比的載波聚合。為支持異構網（Het-Net，Heterogeneous Network）、提高頻譜利用率和能源效率，3GPP在Rel 11中引入新載波類型，該新載波需聚合其他后向兼容載波方能使用。
Rel 12已完成頻帶內和頻帶間多頻段組合載波聚合的標準化工作，而FDD和TDD聯合載波聚合工作仍在進行中。另外，三頻段（3個下行載波和1個上行載波）載波聚合的8個WI（Working Item）已確定。
由此可知，為滿足運營商靈活利用多種頻譜資源的需求，靈活配置多載波組合將是載波聚合技術的演進方向和趨勢。
3 載波聚合商用情況
目前全球有超過40家運營商正在或已完成CA技術試驗，其中有部分運營商已開展CA部署工作。全球載波聚合商用與部分支持CA終端情況如表1和表2所示：
表1全球載波聚合商用情況
運營商 商用時間點 商用CA頻段 備注
韓國SKT 2013.6 10MHz B8/800MHz+
10MHz B3/1.8GHz 全球首次商用CA
韓國LG U+ 2013.7 10MHz B5/800MHz+
10MHz B1/2.1GHz
韓國KT 2013.9 10MHz B8/800MHz+
10MHz B3/1.8GHz 計劃10MHz B8+20MHz B3
俄羅斯MegaFon 2014.2 B7（2.6GHz）頻段內2×20MHz 全球首次支持下行300Mbps
美國AT&T 2014.3 10MHz B17/700 MHz+
5MHz B4/2.1GHz 目前僅在芝加哥
美國Sprint 2014.3 B41（2.5GHz）頻段內2×20MHz 2015年底支持3×20MHz
表2部分支持CA終端情況
終端分類 LTE終端形態 語音承載 代表運營商
手機終端 CSFB
（單發單收） 回落GSM或WCDMA SKT、KT、AT&T
(e)1xCSFB
（單發單收） 回落
CDMA2000 1X Sprint
Single VoLTE
（單發單收） VoLTE LG U+
數據終端 僅LTE Data
（單發單收） 無 MegaFon
4 終端支持載波聚合問題分析及解決方
案建議
4.1終端成本增加問題
充分利用現有零散頻譜資源，提升數據容量，是CA技術為全球多家運營商力推的重要原因。但支持CA的終端要求同時支持更多頻段并發，這意味著終端需升級基帶芯片能力和增加支持相應頻段的射頻芯片，從而導致終端實現成本增加。
經研究，在保證CA功能的前提下，采用優化CA終端前端和射頻芯片組合功能的方案可降低終端成本。以支持兩頻段的載波聚合終端為例，其需要采用兩個射頻芯片A和射頻前端，終端成本增加，如圖1中左圖所示。而在芯片優化方案中，終端射頻芯片B和C共用一套位于芯片B上的多模接收機，這樣處理輔助載波，芯片C的設計和實現復雜度可降低，芯片尺寸減小，芯片制造成本降低，如圖1右圖所示。因此通過采用芯片優化方案，終端成本在一定程度上可降低。
圖1芯片優化方案示意圖
4.2雙發雙收終端語音方案兼容問題
為解決LTE網絡語音問題，實現LTE數據業務和語音并發，目前運營商可采用雙發雙收終端如SGLTE（Simultaneous GSM and LTE）和SVLTE（Simultaneous Voice and LTE）的過渡解決方案。雙發雙收終端已使用兩個射頻芯片，如需增加CA功能支持，則至少需三個射頻芯片。但目前相關芯片廠商平臺尚無法支持三個射頻芯片同時工作。
目前雙發雙收終端支持CA可能的解決方案為：在支持CA能力的UE（User Equipment）與eNB建立主小區（PCell，Primary Cell）和輔助小區（SCell，Secondary Cell）后，當接收到語音尋呼時UE斷掉SCell，只留有PCell，實現數據與語音并發；待UE語音結束后，eNB基于UE信道測量報告和無線資源管理策略重新激活SCell。流程如圖2所示：
圖2雙發雙收終端+CA方案流程示意圖
根據TS 36.300[2]和TS 36.321[3]的描述，SCell的激活及去激活是由eNB完成的。因此UE在收到語音尋呼后，需增加額外的RRC信令告知eNB去激活SCell；而在語音結束后，eNB需根據UE上報的信道測量報告、終端業務流量情況和無線資源調度策略決定是否重激活SCell。而且，在SCell去激活后和重激活之前，UE數據性能會有明顯下降。
目前韓國運營商SKT、LG U+和KT已于2013年在部分地區商用CA，采用的語音解決方案多數為VoLTE（Voice over LTE）；而AT&T、T-Mobile、Verizon、Rogers和Bell等運營商，支持CA的語音方案為eCSFB（enhanced Circuit Switch Fallback）或VoLTE，都未采用雙發雙收終端+CA方案。因此，運營商在規劃與制定CA終端部署策略時需結合語音解決方案考慮，建議將來的CA終端不要求支持雙發雙收語音方案。
4.3多頻段互調干擾問題
充分利用零散頻譜資源和多頻段并發工作，是CA技術的基本要求。目前載波聚合的頻段組合包括兩頻段和三頻段組合，數目多達十幾種。不同頻段同時工作，發射信號可能對接收信號產生互調干擾問題。下面以1.8G+2.1G載波聚合方案為例加以說明。
終端在B1和B3同時發送上行信號時，所產生的三階互調產物（2 060—2 120MHz）部分落在終端B1頻段接收范圍內（2 110—2 130MHz），從而產生互擾；如果終端只在單個頻段上（B1或B3）發送上行信號，則不會產生三階交調問題，如表3和表4所示。
因此，建議CA部署初期對各頻段應用場景進行評估分析，以避免產生互調干擾問題。
表3B1和B3上下行頻段[4]
LTE CA頻段 UL/MHz DL/MHz
B1 1 920—1 940 2 110—2 130
B3 1 760—1 780 1 855—1 875
表4上行載波三階交調
上行載波/MHz f1_low f1_high f2_low f2_high
1 760 1 780 1 920 1 940
三階交調
范圍/MHz |2*f1_low-
f2_high| |2*f1_high-
f2_low| |2*f2_low-
f1_high| |2*f2_high-
f1_low|
1 580—1 640 2 060—2 120
5 結束語
載波聚合技術作為LTE-Advanced系統的關鍵技術之一，解決了零散頻譜整合的問題，以其較高頻譜利用率和傳輸速率受到各大運營商青睞。對于支持載波聚合技術終端的部署與應用，需重點考慮終端實現成本影響、與現有語音方案的兼容和多載波聚合應用場景下可能產生的互調干擾問題。另外，FDD和TDD聯合操作的載波聚合問題也是下一步的研究方向。
參考文獻：
[1] 杜瀅. LTE/LTE-Advanced標準回顧與展望[J]. 現代電信科技, 2013,11(11).
[2] 3GPP R1-082448. Carrier aggregation in Advanced E-UTRA[S]. 2008.
[3] 3GPP TS 36.300. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN); Overall description; Stage 2(V10.11.0)[S]. 2013.
[4] 3GPP TS 36.321. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); Medium Access Control(MAC) protocol specification(V10.10.0)[S]. 2013.
[5] 3GPP TS 36.101. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); User Equipment(UE) radio transmission and reception(V10.14.0)[S]. 2014.★
作者簡介
戴國華：碩士畢業于華南理工大學，現任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，主要研究方向為移動通信行業應用開發、終端新技術研究等。
黃思技：碩士畢業于中山大學，現任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，主要研究方向為移動通信標準預研、終端新技術研究等。
余駿華：碩士，現任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，主要從事終端新技術研究、終端標準研究等相關工作。
目前韓國運營商SKT、LG U+和KT已于2013年在部分地區商用CA，采用的語音解決方案多數為VoLTE（Voice over LTE）；而AT&T、T-Mobile、Verizon、Rogers和Bell等運營商，支持CA的語音方案為eCSFB（enhanced Circuit Switch Fallback）或VoLTE，都未采用雙發雙收終端+CA方案。因此，運營商在規劃與制定CA終端部署策略時需結合語音解決方案考慮，建議將來的CA終端不要求支持雙發雙收語音方案。
4.3多頻段互調干擾問題
充分利用零散頻譜資源和多頻段并發工作，是CA技術的基本要求。目前載波聚合的頻段組合包括兩頻段和三頻段組合，數目多達十幾種。不同頻段同時工作，發射信號可能對接收信號產生互調干擾問題。下面以1.8G+2.1G載波聚合方案為例加以說明。
終端在B1和B3同時發送上行信號時，所產生的三階互調產物（2 060—2 120MHz）部分落在終端B1頻段接收范圍內（2 110—2 130MHz），從而產生互擾；如果終端只在單個頻段上（B1或B3）發送上行信號，則不會產生三階交調問題，如表3和表4所示。
因此，建議CA部署初期對各頻段應用場景進行評估分析，以避免產生互調干擾問題。
表3B1和B3上下行頻段[4]
LTE CA頻段 UL/MHz DL/MHz
B1 1 920—1 940 2 110—2 130
B3 1 760—1 780 1 855—1 875
表4上行載波三階交調
上行載波/MHz f1_low f1_high f2_low f2_high
1 760 1 780 1 920 1 940
三階交調
范圍/MHz |2*f1_low-
f2_high| |2*f1_high-
f2_low| |2*f2_low-
f1_high| |2*f2_high-
f1_low|
1 580—1 640 2 060—2 120
5 結束語
載波聚合技術作為LTE-Advanced系統的關鍵技術之一，解決了零散頻譜整合的問題，以其較高頻譜利用率和傳輸速率受到各大運營商青睞。對于支持載波聚合技術終端的部署與應用，需重點考慮終端實現成本影響、與現有語音方案的兼容和多載波聚合應用場景下可能產生的互調干擾問題。另外，FDD和TDD聯合操作的載波聚合問題也是下一步的研究方向。
參考文獻：
[1] 杜瀅. LTE/LTE-Advanced標準回顧與展望[J]. 現代電信科技, 2013,11(11).
[2] 3GPP R1-082448. Carrier aggregation in Advanced E-UTRA[S]. 2008.
[3] 3GPP TS 36.300. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN); Overall description; Stage 2(V10.11.0)[S]. 2013.
[4] 3GPP TS 36.321. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); Medium Access Control(MAC) protocol specification(V10.10.0)[S]. 2013.
[5] 3GPP TS 36.101. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); User Equipment(UE) radio transmission and reception(V10.14.0)[S]. 2014.★
作者簡介
戴國華：碩士畢業于華南理工大學，現任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，主要研究方向為移動通信行業應用開發、終端新技術研究等。
黃思技：碩士畢業于中山大學，現任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，主要研究方向為移動通信標準預研、終端新技術研究等。
余駿華：碩士，現任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，主要從事終端新技術研究、終端標準研究等相關工作。
目前韓國運營商SKT、LG U+和KT已于2013年在部分地區商用CA，采用的語音解決方案多數為VoLTE（Voice over LTE）；而AT&T、T-Mobile、Verizon、Rogers和Bell等運營商，支持CA的語音方案為eCSFB（enhanced Circuit Switch Fallback）或VoLTE，都未采用雙發雙收終端+CA方案。因此，運營商在規劃與制定CA終端部署策略時需結合語音解決方案考慮，建議將來的CA終端不要求支持雙發雙收語音方案。
4.3多頻段互調干擾問題
充分利用零散頻譜資源和多頻段并發工作，是CA技術的基本要求。目前載波聚合的頻段組合包括兩頻段和三頻段組合，數目多達十幾種。不同頻段同時工作，發射信號可能對接收信號產生互調干擾問題。下面以1.8G+2.1G載波聚合方案為例加以說明。
終端在B1和B3同時發送上行信號時，所產生的三階互調產物（2 060—2 120MHz）部分落在終端B1頻段接收范圍內（2 110—2 130MHz），從而產生互擾；如果終端只在單個頻段上（B1或B3）發送上行信號，則不會產生三階交調問題，如表3和表4所示。
因此，建議CA部署初期對各頻段應用場景進行評估分析，以避免產生互調干擾問題。
表3B1和B3上下行頻段[4]
LTE CA頻段 UL/MHz DL/MHz
B1 1 920—1 940 2 110—2 130
B3 1 760—1 780 1 855—1 875
表4上行載波三階交調
上行載波/MHz f1_low f1_high f2_low f2_high
1 760 1 780 1 920 1 940
三階交調
范圍/MHz |2*f1_low-
f2_high| |2*f1_high-
f2_low| |2*f2_low-
f1_high| |2*f2_high-
f1_low|
1 580—1 640 2 060—2 120
5 結束語
載波聚合技術作為LTE-Advanced系統的關鍵技術之一，解決了零散頻譜整合的問題，以其較高頻譜利用率和傳輸速率受到各大運營商青睞。對于支持載波聚合技術終端的部署與應用，需重點考慮終端實現成本影響、與現有語音方案的兼容和多載波聚合應用場景下可能產生的互調干擾問題。另外，FDD和TDD聯合操作的載波聚合問題也是下一步的研究方向。
參考文獻：
[1] 杜瀅. LTE/LTE-Advanced標準回顧與展望[J]. 現代電信科技, 2013,11(11).
[2] 3GPP R1-082448. Carrier aggregation in Advanced E-UTRA[S]. 2008.
[3] 3GPP TS 36.300. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN); Overall description; Stage 2(V10.11.0)[S]. 2013.
[4] 3GPP TS 36.321. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); Medium Access Control(MAC) protocol specification(V10.10.0)[S]. 2013.
[5] 3GPP TS 36.101. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); User Equipment(UE) radio transmission and reception(V10.14.0)[S]. 2014.★
作者簡介
戴國華：碩士畢業于華南理工大學，現任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，主要研究方向為移動通信行業應用開發、終端新技術研究等。
黃思技：碩士畢業于中山大學，現任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，主要研究方向為移動通信標準預研、終端新技術研究等。
余駿華：碩士，現任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，主要從事終端新技術研究、終端標準研究等相關工作。
