載波聚合的研究與應用淺談

李治　張宇

[摘要]LTE作為當前移動通信網絡的主流技術之一，隨著LTE到LTE-A系統的演進過程中，更寬頻譜的需求成為影響演進的重要因素，因此3GPP提出使用載波聚合技術解決LTE-A系統對頻帶資源的需求，本文對載波聚合技術研究與應用進行了介紹與探討。

[關鍵詞]LTE LTE-A 載波聚合

一、引言

隨著LTE系統的迅速發展和廣泛應用，3GPP已經開展了LTE-Advanced（LTE-A）系統的相關技術研究工作，3GPP提出了LTE-A系統的關鍵技術指標。目前，LTE-A系統潛在部署頻段包括：450-470MHz，698-862MHz，790-862MHz，2.3-2.4GHz，3.4-4.2GHz，4.4-4.99GHz等。除了2.3-2.4GHz位于傳統蜂窩系統常用的頻段外，新的頻段呈現高、低分化的趨勢。尤其有大量的潛在頻段集中在3.4GHz以上的較高頻譜。與LTE系統相比，LTE-A系統在關鍵技術方面有了很大的增強，引入了載波聚合技術、中繼（relay）技術、增強型多天線技術、無線網絡編碼技術、和無線網絡MIMO技術等。

LTE-A系統在低移動性下峰值速率達到1Gbit/s，高移動性下峰值速率達到100Mbit/s，那么為了支持這樣的峰值速率，我們需要更寬的頻譜，更寬頻譜的需求將成為影響演進的重要因素。當前LTE-A系統有6個候選頻點，如果考慮到現有的頻譜分配方式和規劃，很難找到足夠的承載LTE-A系統100MHz帶寬的整段頻帶。因此，3GPP提出了使用載波聚合（Carrier Aggregation）技術來解決LTE-A系統對頻帶資源的需求。

二、載波聚合的實現方案

基于載波聚合的LTE-A系統在傳輸模塊的映射與單載波系統有所區別，在LTE-A系統中，每個子載波對應一個獨立的數據流，子載波之間數據流的聚合方式可以分為在MAC層聚合和在物理層聚合兩種。

MAC層聚合：每個子載波分配一個獨立的傳輸塊，單一的數據流在某一些點上被分到不同的載波上，載波上數據流的聚合在MAC層完成。在空間復用的情況下，每個載波分配兩個獨立的傳輸塊。因為每個子載波占用一個獨立的傳輸塊，所以各個子載波都能使用獨立的鏈路自適應技術，聚合子載波可以根據實際鏈路狀況使用不同的調制編碼方案。每個子載波都有獨立的HARQ進程和相應的ACK/NAK反饋，并且每個RLC實體可以使用LTE系統中定義的PDU。如下圖1所示。

物理層聚合：所有子載波共用一個傳輸塊，單一的數據流在某些點上被分到不同的載波上，載波上數據流的聚合在物理層上進行。在空間復用的情況下，由于所有子載波使用同一個傳輸快，需要重新設計RLC層中PDU的大小。所有子載波要進行統一的調制編碼，并且共用一個HARQ進程和相應的ACK/NAK反饋。這樣就會與LTE系統原有的物理層/MAC層/RLC層結構沖突。因此每個載波的物理層結構需要重新設計，這樣可能會影響數據流到MAC的時間。如下圖2所示：

經過比較，MAC層聚合更容易實現LTE向LTE-A的平滑過度。

三、載波聚合的應用

3.1載波聚合的部署場景

在成分載波是相同或不同的頻段，但是頻率間隔很小的情況下，eNB如下圖3所示分布，對于所有成分載波波束方向和模式是相同的。

根據載波扇區數目部署的不同或者為了提高邊緣吞吐量，對于不同的成分載波，eNB的天線波束方向和部署不同。如下圖4所示。

一個固定的基站提供宏覆蓋，離基站較遠的地方放置熱點（提供另一個載頻），熱點小區通過光纖跟基站相連。宏小區與熱點小區的載波聚合。此方法運營商可節省成本，因為熱點放置成本低。如下圖5所示：

在小區邊緣或接壤處添加射頻拉遠設備RRH/RRU。射頻拉遠設備RRH/RRU可以單獨進行遠程設定，可以有效解決小區邊緣接收問題，進而在靈活構建網絡的同時降低運營商的資本支出和運營成本。使用射頻拉遠設備RRH/RRU可以靈活、有效地根據不同環境，構建星形、樹形、鏈形、環形等構造的各種網絡。如下圖6所示：

在室內場景的應用。有統計表明，未來80%～90%的系統吞吐量將發生在和熱點游牧場景。室內、低速、熱點可能將成為移動互聯網時代更重要的應用場景。下面介紹一個實際商用案例：某市移動營業廳在LTE室內分布系統上加第二載波，增加基帶版和載波聚合License。經過測試后表明，載波聚合技術在應用中優勢明顯，測試結果見表1：

四、載波聚合需要考慮的問題

載波聚合技術在實際應用和部署中仍存在很多需要考慮和注意的問題，簡單歸納如下：

異頻段間切換增多。由于新部署載波與原部署的LTE系統載波屬于不同頻段，在實際部署中需要注意兩個載波邊界異頻段切換增多問題，可通過駐留參數控制等手段解決用戶駐留問題，以減少異頻切換。

同頻部署引入干擾問題。室外新部署載波與原室內載波屬于同一頻段，使室內外分割區域成為強干擾區。在實際部署中，優先RE優化，根據需求部署ASFN功能和小區間的ICIC特性，確保室內外容量不損失情況下解決和控制干擾問題。

不同頻帶相差的傳播損耗不同，頻率高的路徑損耗大。在實際中，分給運營商的頻段都是不同的，跨度很大。由于高頻率的路徑損耗大，造成高頻段的成分載波比低頻段的覆蓋小，在實際部署中，尤其在高頻部署的場景下，在系統偏移大或基站間距較大的情形下，應加以注意系統間隔離度避免對LTE系統中的邊緣用戶造成干擾。

終端問題。支持載波聚合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，從而導致終端成本增加。此外還需要解決終端的空閑資源搜索和耗電等問題。

小區邊緣接收問題。在載波聚合的實際應用和部署中，要充分考慮小區邊緣接收問題，在小區邊緣增加射頻拉遠設備對網絡加以完善。

五、載波聚合的優勢

5.3技術優勢

通過載波聚合技術可以提升用戶峰值速率，形成競爭力跨越；可以提升邊緣用戶速率，從而改善用戶體驗；可大大縮短業務響應時延，提升瞬時容量，突發業務感受提升；可頻選調度增益，提升小區平均速率和邊緣速率；可天然實現了TTI級的負載均衡，效率更高，節省信令。

5.2網絡的成熟度

載波聚合技術已在全球廣泛成熟商用。根據相關統計，目前全球已部署了49個商用和58個預商用載波聚合網絡。國內運營商中國移動已經部署，中國電信已在省會城市和重點城市部署載波聚合，并開始全國范圍內鋪開部署。

5.3運營商市場價值拓展

通過載波聚合技術對峰值速率和用戶體驗的提升，有利于運營商的品牌宣傳和營銷，例如某運營商提出的“4G+”宣傳口號。可應對運營商間的競爭，有利于吸引高端用戶。

六、總結

載波聚合作為LTE-A系統的關鍵技術，能夠有效解決LTE-A系統對頻帶的需求。載波聚合技術在整合頻帶資源，提高帶寬利用率方面有其他技術不可比擬的優勢。