LTE載波聚合研究

頡 斌　北京中網華通設計咨詢有限公司第一設計院副總工程師

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LTE載波聚合研究

頡 斌北京中網華通設計咨詢有限公司第一設計院副總工程師

隨著4G用戶高速增長、數據業務高速發展，帶來高峰值速率、大帶寬需求。通過引入載波聚合技術，將運營商分散頻譜聚合為大的通信帶寬，增加頻譜應用的靈活性，提高頻譜利用效率。載波聚合技術適用于多種場景、存在多種頻段組合方式，最多同時使用5個載波，單個載波最大帶寬為20MHz，可達到最高100MHz的帶寬，最高峰值速率達到下行1Gbit/s、上行500Mbit/s。現網目前主要是兩載波、三載波聚合。

頻譜；載波聚合；峰值速率；應用場景；組合方式

1　引言

隨著通信技術的不斷發展、智能終端的普及和大量網絡應用的出現，以數據業務為主的移動寬帶通信成為未來移動通信發展的趨勢。從應對未來數據業務高速發展的角度，特別是應對峰值速率需求和帶寬需求的角度，需要通信系統提供更大的通信帶寬。

根據工業和信息化部2016年1月通信業經濟運行情況統計發現，在4G移動電話用戶高速增長、4G套餐資費不斷下調等因素帶動下，移動互聯網接入流量爆發式增長。2016年1月，移動互聯網接入流量累計達5.4億G，同比增長120.9%。

2　載波聚合基礎知識

為了滿足LTE-A下行峰值速率1Gbit/s，上行峰值速率500Mbit/s的要求，需要提供最大100MHz的傳輸帶寬，基于大帶寬、連續頻譜的稀缺，提出了載波聚合的解決方案。載波聚合顧名思義，就是將多個載波聚合為一個大的傳輸帶寬，該技術要求后向兼容R8/9系統。

3GPP在R10引入載波聚合基本概念，支持最大5載波聚合，引入部分CA頻段組合，包括帶內和帶間；R11協議完善，針對運營商需求引入更多不同的頻段聚合；R12支持FDD+TDD載波聚合，CA頻段組合進一步完善。

中國用于移動通信的頻譜分散于800、900、1800、2100、2400、2600MHz。可以通過載波聚合技術將分散頻譜聚合為大的通信帶寬，增加頻譜應用的靈活性，提高頻譜利用效率。

2.1載波聚合基本理論

LTE中，一個UE只使用一個載波，帶寬可以選擇1.4、3、5、10、15和20MHz。在LTE-A中，一個UE支持最多同時使用5個載波，每個載波的帶寬范圍和LTE相同，即單個載波最大帶寬為20MHz，以達到最高100MHz的帶寬。

LTE-A的載波聚合技術在每個載波上的處理盡量和LTE相同，每個載波所采用的幀結構參數與LTE （LTER8）中的相同，并允許把所有載波配置成與LTE標準兼容的載波，即使若干載波被某些具有載波聚合能力的LTE-A終端聚合使用，LTE終端仍可以在其中一個載波上發送/接收數據。

2.2載波聚合組合方式

從載波組合方式上，載波聚合可以分為3種情況，即帶內連續載波聚合、帶內非連續載波聚合和帶間非連續載波聚合。各組合方式在射頻要求上有不同，但是在信令面和用戶面都將采用相同的解決方案。

通過這樣的設計，不僅能滿足LTE-A系統在聚合帶寬上的需求，而且可以很好地保持對LTE系統的后向兼容性，便于支持各種帶寬能力的終端，非常有利于LTE系統到LTE-A系統的平滑過渡。

3　應用場景

載波聚合有多種應用場景，可以在宏小區之間組合、也可實現宏微組合，下面以兩載波（F1、F2）聚合為例，介紹主要的4種應用場景，

（1）宏宏組合

F1和F2共站并覆蓋區域重疊，并且F1和F2提供基本相當的覆蓋。該場景要求F1和F2在相同的頻段內，比如同為2GHz或800MHz等。對于F1和F2小區覆蓋重疊的區域可以進行載波聚合。

（2）宏宏組合

F1和F2共站并覆蓋區域重疊，但由于較大的路徑損耗F2的覆蓋區域較小。只有F1提供足夠的覆蓋，F2用來提高吞吐量。該場景F1和F2應在不同的頻段，例如F1=｛800MHz，2GHz｝and F2=｛2.6GHz｝等。對于F1和F2小區覆蓋重疊的區域可以進行載波聚合。

（3）宏宏組合

F1和F2共站，但是F2天線指向F1覆蓋邊界來提供小區邊緣的吞吐量。F1提供足夠的覆蓋，但F2由于較大的路徑損耗可能會有覆蓋盲區。該場景是F1和F2應在不同的頻段，例如F1=｛800MHz，2GHz｝and F2=｛2.6GHz｝。同一個基站的F1和F2小區在覆蓋重疊區域可以進行載波聚合。

（4）宏微組合

F1提供宏小區覆蓋，F2為微基站用來提高熱點區域的吞吐量。在F1覆蓋范圍內，可涵蓋多個微基站。該場景F1和F2處在不同的頻段，例如F1=｛800MHz，2GHz｝and F2=｛2.6GHz｝。對于F2微小區覆蓋內可以進行載波聚合。

基于R10標準，對于下行載波聚合，支持上述的所有場景。上行載波聚合研究集中在支持頻段內的載波聚合。

4　目前支持情況

從載波聚合技術產業進展方面：

（1）設備廠家

目前，載波聚合只能在同廠商共BBU情況下使用。2CCCA單用戶速率可以達到300Mbit/s，3CCCA單用戶速率可以達到450Mbit/s。主要系統廠商已支持頻段內下行40M載波聚合，部分廠商支持頻段內上行40M載波聚合及跨頻段下行40M載波聚合。

（2）終端芯片

從2014年開始，主要芯片將CA作為標準配置。2015年開始，陸續具備3CC載波聚合、UL 2CC載波聚合、T+F載波聚合能力。高通、Marvell芯片已具備40M下行載波聚合能力（頻段內與跨頻段），Marvell即將具備頻段內上行40M載波聚合能力。

5　中國聯通LTE載波聚合應用建議

根據中國聯通總部安排，目前已經開始在自有營業廳、一類校園、機場、高鐵站、地鐵等重點區域部署載波聚合，預計在2016年會規模性部署。下面從中國聯通頻譜資源、聚合方式等方面進行分析。

5.1中國聯通目前頻譜資源

從表1可看出，目前中國聯通現階段可行的兩載波聚合存在4種組合方式：1.8G+1.8G、1.8G+2.1G、1.8G+2.3G、1.8G+2.6G。從中國聯通實際網絡建設來分析，TDD-LTE目前基本沒有建設，目前真正可實現的載波聚合方式僅有前面兩種。

表1　中國聯通目前頻譜資源表

5.2建議的載波聚合方式

（1）頻率使用情況分析

采用 1.8G+ 1.8G、1.8G+2.1G兩種載波聚合方式，都存在清頻、退頻的問題。

●1.8G+1.8G

該方式目前使用的頻段為：1830～1860MHz，共30M頻段，為20M+10M。但目前1830～1840 MHz為GSM 1800使用頻段，如采用該方式，需清頻。

目前，GSM 1800網絡主要分布在市區、縣城，從承載業務角度分析，基本為主力承載網。這是某省2015 年8月底數據，“移動網2G承載話務量占比68.2%，依然維持在較高水平，全網單站日均話務量69.5Erl，遠高于3G單站日均25.3Erl”。從數據來看，目前基本不存在退頻的可能。所以，采用這種方式，退頻是一個難點，大面積、連片使用存在困難。

●1.8G+2.1G

該方式目前使用的頻段為：1840～1860MHz，共20M頻段，以及2130～2170 MHz。目前，2145～2170 MHz，屬于聯通4G潛在頻率資源，并未真正獲批。2130～2145MHz目前為WCDMA使用，載波聚合占用帶寬需根據WCDMA退頻情況確定。采用這種方式，如考慮使用潛在頻率資源，基本能做到20M+20M。

（2）設備及終端支持情況分析

表2為兩種載波聚合方式，基站設備改造及終端支持情況。

從表2對比來看，在能對G1800清頻的前提下，建議優選1.8G帶內聚合。

5.3案例

下面通過案例，介紹載波聚合方式的選擇過程。

某大學城涵蓋10所高校、15萬師生，歸屬于一類校園場景，計劃實施載波聚合方案。

（1）使用頻段分析

目前，大學城區域內共有1.8G LTE基站36個、雙載波WCDMA基站36個，均為同址建設，全部采用愛立信設備。園區內還有4個GSM900基站，沒有GSM1800基站。園區內共建設7套室內分布系統，支持2、3、4G，其中2G信源采用GSM 1800基站。

表2　載波聚合方式對比表

通過話務分析：

●大學城內3G流量占比達到77%，這與4G終端占比低關系很大，目前3G退頻不存在可能，如做20M+20M帶外載波聚合，需要使用潛在頻率資源。

●2G話務量占比23%，分析室分GSM1800基站承載話務量數據，忙時僅為1Erl左右，非常低，所以可判斷絕大部分話務承載在GSM 900網絡上。與分公司溝通，可將室分GSM1800基站停掉，騰出1800M頻段。而且大學城周邊1km之內沒有GSM 1800基站。所以大學城具備采用1.8G帶內載波聚合的條件。

（2）基站升級分析

如果采用1.8G+2.1G帶外聚合，在基站設備方面，有3種實現方式：

●擴容現有LTE基站BBU，并在天面增加2.1GRRU，實現20M+20M帶外聚合。

●升級現網3G基站為UL雙模基站，但愛立信目前3G基站，IBW僅支持30M且為單通道基站，所以這種方式，最終能實現20M+10M載波聚合，并由于2.1G是單通道，最終峰值速率會打折扣。

●替換現有3G基站為IBW40M、雙通道基站，可實現20+15M帶外聚合。

（3）天面空間分析

大學城基站，天線掛放全部為美化單管塔，目前已有2/3/4G三套系統，天面資源緊張，不具備增加RRU的掛放條件。

根據上述分析，目前可行的載波聚合方式為：

●關閉室分1800M基站，采用1.8G+1.8G（20M+ 10M），帶內載波聚合。

●替換現有3G基站為IBW40M、雙通道基站，采用1.8G+2.1G（20M+20M），帶外載波聚合。

最終考慮工程進度、實現難易以及終端支持等多方面，最終確定采用1.8G+1.8G（20M+10M），帶內載波聚合，峰值速率可達到225M。

［1］程鴻雁，等.LTEFDD網絡規劃與設計［M］.北京：人民郵電出版社，2013，07.

［2］汪丁鼎，景建新，尚清華.LTEFDD/EPC網絡規劃設計與優化（4G叢書）［M］.北京：人民郵電出版社，2014.

［3］中國聯通2015年LTE無線網絡載波聚合（CA）建設指導意見（討論稿）_v1.1.2015.10.

［4］E-UTRAN載波聚合（CA）技術研究報告，2014.