TD-LTE異構(gòu)網(wǎng)中載波聚合應(yīng)用研究

陳其銘, 陳劭純, 張炎炎, 姚鍵

(1 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司，廣州 510000; 2 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080)

TD-LTE異構(gòu)網(wǎng)中載波聚合應(yīng)用研究

陳其銘1, 陳劭純1, 張炎炎2, 姚鍵2

(1 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司，廣州 510000; 2 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080)

異構(gòu)網(wǎng)可以解決未來網(wǎng)絡(luò)覆蓋、容量需求問題，同時(shí)載波聚合作為一種成熟技術(shù)，可有效提高峰值速率、改善負(fù)載均衡。為研究載波聚合在宏小區(qū)、微小區(qū)共存的異構(gòu)網(wǎng)中的應(yīng)用問題，本文測(cè)試了宏/微小區(qū)間載波聚合的性能，如峰值速率、移動(dòng)性能等，并與宏小區(qū)間載波聚合進(jìn)行對(duì)比，提出了宏/微小區(qū)間載波聚合的應(yīng)用建議。

4G演進(jìn)；異構(gòu)網(wǎng)；載波聚合

自第一代蜂窩無線通信網(wǎng)絡(luò)以來，以宏站為主要構(gòu)成的同構(gòu)網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)路徑延續(xù)至今。同構(gòu)網(wǎng)中的宏站具有相近的功率水平、噪聲水平、數(shù)據(jù)回傳方式、相近的服務(wù)用戶數(shù)與QoS等特征，同時(shí)其建設(shè)較依賴于前期規(guī)劃，因而無法快速適應(yīng)城市新建筑的產(chǎn)生、用戶流動(dòng)等帶來的射頻傳播環(huán)境改變、分布不均勻業(yè)務(wù)熱點(diǎn)需求等，而城市中居民區(qū)宏站選址的困難也為其帶來挑戰(zhàn)。

異構(gòu)網(wǎng)（HetNet）是由3GPP組織定義的新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其核心特點(diǎn)是引入了功率約100 mW至2 W的低功率節(jié)點(diǎn)（LPN），包括微站、皮站、飛站、Relay。低功率節(jié)點(diǎn)可靈活部署于同構(gòu)網(wǎng)中的覆蓋空洞、新增的業(yè)務(wù)熱點(diǎn)，3GPP圍繞低功率節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了一系列技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化制定，其目標(biāo)是適應(yīng)大容量、全覆蓋需求的未來網(wǎng)絡(luò)，可以彌補(bǔ)宏站在深度覆蓋與熱點(diǎn)覆蓋上的不足，滿足未來業(yè)務(wù)需求。

載波聚合（CA）可將連續(xù)或離散的載波聚合在一起，有效提高峰值速率、提高頻譜效率等。在異構(gòu)網(wǎng)階段，如何合理應(yīng)用CA，提高異構(gòu)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)具有重要意義。

1 宏微載波聚合

1.1 載波聚合簡(jiǎn)介

CA可提升單用戶上下行可用帶寬，從而提升峰值速率，同時(shí)保證對(duì)于R8、R9終端的后向兼容性。聚合的帶寬可為協(xié)議所定義的1.4～20 MHz，最大聚合載波數(shù)為5個(gè)，因此單用戶可獲得的最大帶寬為100 MHz（值得一提的是上行聚合的載波數(shù)為低于或等于下行載波數(shù)），聚合的載波可有帶內(nèi)連續(xù)、帶內(nèi)非連續(xù)與帶間非連續(xù)3種。

CA已成為世界范圍內(nèi)LTE網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)，根據(jù)GSA網(wǎng)站統(tǒng)計(jì)，截至2016年8月已有147個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)部署CA，1月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示CAT11終端上已測(cè)得600 Mbit/s峰值速率，86個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)CAT6 CA系統(tǒng)，其中44個(gè)報(bào)道可達(dá)到300 Mbit/s峰值速率。而在終端方面，目前驍龍820芯片已支持下行3×20 MHz、上行2×20 MHz CA，很多主流手機(jī)均已具備支持CA的能力。

對(duì)于未來超清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)等高峰值速率需求業(yè)務(wù)，考慮技術(shù)成熟度、部署成本與終端情況，CA預(yù)期成為未來必然部署的關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 宏小區(qū)間載波聚合

宏小區(qū)CA是協(xié)議規(guī)定的典型應(yīng)用場(chǎng)景，在協(xié)議各TR測(cè)試內(nèi)已驗(yàn)證了宏小區(qū)CA的可行性與穩(wěn)定性，同時(shí)，截止R11已規(guī)定了27種CA配置方案，支持多種帶寬組合。此外，3GPP協(xié)議中考慮了宏小區(qū)CA的各類優(yōu)化問題，如頻段不同造成的路損不一致問題，協(xié)議規(guī)定了UE對(duì)輔小區(qū)、輔載波的激活與去激活機(jī)制，降低了UE在小區(qū)內(nèi)移動(dòng)的電池消耗。

1.3 宏/微小區(qū)間載波聚合

異構(gòu)網(wǎng)中的宏小區(qū)與微小區(qū)間的CA，將成為未來提高網(wǎng)絡(luò)性能的有效技術(shù)，并能解決同構(gòu)網(wǎng)的諸多問題。

（1）解決局部的熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)VR、超清視頻等業(yè)務(wù)所要求的高峰值速率。

（2）提高熱點(diǎn)區(qū)域吞吐量，吸收業(yè)務(wù)。

（3）宏站邊緣通過部署宏/微小區(qū)間CA，通過改善邊緣覆蓋與峰值速率提升用戶感知。

盡管宏/微小區(qū)間CA的基本原理與宏小區(qū)間CA相同，但宏站與微站間CA仍需要進(jìn)一步研究與驗(yàn)證。

（1）宏/微小區(qū)間CA是否能達(dá)到理論增益需待驗(yàn)證。

（2）處于宏站覆蓋邊緣與宏站邊緣微站同覆蓋范圍內(nèi)的UE，由于宏站信號(hào)較弱，此時(shí)UE所獲得的峰值速率增益需要驗(yàn)證。

（3）相比宏小區(qū)間CA，宏/微小區(qū)間CA中UE接收載波功率可能相差較大（分別來源于宏站與微站），宏站信號(hào)可能對(duì)微站產(chǎn)生干擾，造成切換等問題，此時(shí)的載波聚合性能需要驗(yàn)證。

本文主要以上述問題為出發(fā)點(diǎn)，并從兩個(gè)維度展開研究：一是宏/微小區(qū)間CA的性能驗(yàn)證，二是宏/微小區(qū)間 CA的性能對(duì)比，最后從測(cè)試結(jié)果提出宏/微小區(qū)間CA的應(yīng)用場(chǎng)景建議。

2 宏/微小區(qū)間載波聚合性能測(cè)試

由于載波聚合應(yīng)用需要理想傳輸時(shí)延（200 us），受到傳輸時(shí)延限制，現(xiàn)網(wǎng)部署時(shí)，采用微RRU拉遠(yuǎn)的方式進(jìn)行微站部署。其中，微RRU與宏站共BBU，且微RRU與宏站有部分重疊區(qū)域，宏站小區(qū)與微RRU小區(qū)采用相同時(shí)隙配置。文章選取密集城區(qū)場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試，其中宏站高度為25 m，三扇區(qū)方位角250°，微站高度為10 m，方位角350°。中差點(diǎn)選點(diǎn)原則為信噪比在好點(diǎn)大22 dB，中點(diǎn)10～20 dB，差點(diǎn)-2～8 dB。

2.1 單用戶定點(diǎn)速率測(cè)試

選取重疊覆蓋區(qū)域內(nèi)的好、中、差點(diǎn)，對(duì)單用戶性能進(jìn)行測(cè)試。宏/微小區(qū)間CA開啟相比關(guān)閉時(shí)，目標(biāo)覆蓋區(qū)域用戶峰值速率提升明顯。

在好點(diǎn)（宏微均好點(diǎn)），峰值速率增益為98%，接近理論值，表明宏微資源均可得到充分利用，在中差點(diǎn)（宏微均中差點(diǎn)），此時(shí)宏微站由于信道條件差，無法達(dá)到理論峰值，但均可不同程度地體現(xiàn)宏微CA增益，其增益分別達(dá)到83%、41%，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

2.2 切換成功率與負(fù)載均衡測(cè)試

宏微CA開啟后，如圖1所示，移動(dòng)用戶切換掉坑現(xiàn)象得到緩解，且平均下載速率由57.7 Mbit/s提升至97.1 Mbit/s，增益為68%，平均上傳速率由844.9 kbit/s提升至1.43 Mbit/s，增益約70%。

在不開啟宏微CA時(shí)，用戶僅可通過普通的駐留和負(fù)荷均衡策略進(jìn)行宏微負(fù)荷分擔(dān)，小區(qū)載波間負(fù)荷較不均衡，CA開啟有利于小區(qū)載波間負(fù)荷分布均勻，載波資源可得到有效利用。測(cè)試結(jié)果如表2所示，開啟CA前，微站小區(qū)下行信道PRB利用率約7%～15%，宏站小區(qū)下行信道PRB利用率約99%，開啟CA后，微站與宏站小區(qū)下行信道PRB利用率均可達(dá)到90%以上。測(cè)試數(shù)據(jù)表明由于載波聚合的負(fù)載均衡作用，微站對(duì)用戶流量進(jìn)行了有效吸收。

表1 單用戶CA開啟/關(guān)閉對(duì)比

2.3 小結(jié)

測(cè)試結(jié)果顯示，在近點(diǎn)，單用戶可獲得宏/微小區(qū)間CA理想增益，獲得理論峰值速率，用戶體驗(yàn)將得到明顯提升，在差點(diǎn)亦有41%增益。對(duì)小區(qū)而言，宏/微小區(qū)間CA的開啟則有助于提高切換成功率、優(yōu)化負(fù)荷均衡。

3 宏小區(qū)間載波聚合與宏/微小區(qū)間載波聚合性能對(duì)比

本節(jié)著重考察在弱覆蓋區(qū)域的兩種方案：方案1新增宏站載波并開啟CA，即宏小區(qū)間CA，方案2在弱覆蓋區(qū)域新增LPN并開啟宏/微小區(qū)間CA。我們?cè)谂c第2節(jié)所述的相同測(cè)試區(qū)域進(jìn)行了兩種方案對(duì)比測(cè)試，主要對(duì)比定點(diǎn)速率、移動(dòng)場(chǎng)景速率兩個(gè)方面。

3.1 速率對(duì)比測(cè)試

圖1 載波聚合關(guān)閉（左）/開啟（右）切換與速率性能對(duì)比

表2 載波聚合關(guān)閉/開啟負(fù)載均衡對(duì)比

如表3所示，在宏站覆蓋越差的區(qū)域，部署微站并開啟宏/微小區(qū)間CA，下行峰值速率增益相對(duì)較高。在小區(qū)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)方面，兩種方案在好點(diǎn)吞吐量相當(dāng)，在差點(diǎn)方案2吞吐量則獲得超過120%增益，優(yōu)于方案1，我們認(rèn)為主要原因微站部署于弱覆蓋位置。

3.2 移動(dòng)場(chǎng)景速率對(duì)比

本測(cè)試選取宏站與LPN重疊覆蓋區(qū)的路線，由LPN好點(diǎn)步行移動(dòng)至差點(diǎn)，對(duì)其移動(dòng)性能進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，由圖2可見，由于微站針對(duì)宏站弱覆蓋的中差點(diǎn)進(jìn)行部署，故方案2在RSRP、SINR覆蓋指標(biāo)上均明顯優(yōu)于方案1。

表3 方案1/2定點(diǎn)速率對(duì)比

圖2 移動(dòng)下RSRP、SINR對(duì)比

3.3 小結(jié)

上述測(cè)試結(jié)果顯示，在宏站覆蓋較差的區(qū)域，相比宏站新增載波并開啟宏小區(qū)間CA，部署微站并開啟宏/微小區(qū)間CA在下行峰值速率、吞吐量上優(yōu)勢(shì)明顯，在宏站覆蓋較好區(qū)域則增益不明顯。同時(shí)，在移動(dòng)場(chǎng)景下，宏/微小區(qū)間CA在吞吐量、RSRP、SINR指標(biāo)顯著優(yōu)于宏小區(qū)間CA，這主要?dú)w因于微站對(duì)弱覆蓋區(qū)域的近距離覆蓋。

4 宏微載波聚合應(yīng)用場(chǎng)景及部署建議

由第3節(jié)測(cè)試可見，對(duì)于宏站弱覆蓋區(qū)域，部署微站并開啟CA在吞吐量與覆蓋等指標(biāo)上效果良好，據(jù)此，我們從兩個(gè)方面考慮宏微CA的應(yīng)用場(chǎng)景。

4.1 宏微載波聚合組網(wǎng)應(yīng)用建議

3GPP協(xié)議36.300提出了5種載波聚合的組網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，其中包括3種宏站應(yīng)用場(chǎng)景與兩種宏微間應(yīng)用場(chǎng)景。協(xié)議的宏微應(yīng)用場(chǎng)景中，微站可部署在宏站覆蓋范圍內(nèi)，或者部署在異頻小區(qū)邊緣，擴(kuò)展異頻小區(qū)覆蓋范圍，與宏站采用帶間CA，對(duì)于協(xié)議的此兩種組網(wǎng)場(chǎng)景建議開啟宏微CA。

除上述兩種協(xié)議建議場(chǎng)景外，結(jié)合測(cè)試結(jié)果，對(duì)于宏站邊緣存在的弱覆蓋區(qū)域，本文建議部署微站并開啟CA，在解決弱覆蓋、盲區(qū)覆蓋的同時(shí)可較大改善該區(qū)域用戶體驗(yàn)。

4.2 宏微載波聚合場(chǎng)景應(yīng)用建議

根據(jù)CA協(xié)議與原理要求，CA僅可發(fā)生于同覆蓋的多頻點(diǎn)小區(qū)場(chǎng)景。對(duì)于現(xiàn)網(wǎng)4G網(wǎng)絡(luò)，城區(qū)基本實(shí)現(xiàn)了F頻段連續(xù)覆蓋，D頻段熱點(diǎn)覆蓋，但對(duì)于郊區(qū)、農(nóng)村等區(qū)域，由于業(yè)務(wù)需求相對(duì)較小，基本為F頻段單層網(wǎng)覆蓋。根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)狀況，我們對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景有如下建議。

（1）城區(qū)中存在熱點(diǎn)需求的場(chǎng)景，如大型場(chǎng)館、密集商業(yè)街區(qū)、交通樞紐等可在部署微站吸收熱點(diǎn)流量同時(shí)開啟CA，可提高用戶體驗(yàn)，提升頻譜效率，加快熱點(diǎn)流量吸收。

（2）對(duì)于郊區(qū)、農(nóng)村等僅存在單層覆蓋網(wǎng)，業(yè)務(wù)需求不大的場(chǎng)景，缺乏CA開啟網(wǎng)絡(luò)覆蓋基礎(chǔ)，且不建議為開啟CA新部署站點(diǎn)。

4.3 宏微載波聚合實(shí)施與工程因素分析建議

CA僅需后臺(tái)軟件操作即可開啟，在具體使用過程中，應(yīng)注意檢查設(shè)備版本是否支持并進(jìn)行軟件版本升級(jí)。此外，由于載波聚合僅在站間重疊覆蓋區(qū)域使能，故在工程上需要注意以下因素。

（1）應(yīng)精準(zhǔn)化微小站的規(guī)劃建設(shè)，確保目標(biāo)覆蓋區(qū)域獲得重疊覆蓋，從而獲得CA增益。

（2）對(duì)于需要采取多個(gè)微站進(jìn)行面積較大的覆蓋盲區(qū)、 弱覆蓋區(qū)域、熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋時(shí)，應(yīng)評(píng)估宏微載波聚合、微微載波聚合能效，選取能效較高方案。對(duì)于多個(gè)微站共同覆蓋的區(qū)域時(shí)建議采取微微載波聚合，對(duì)于多個(gè)微站重疊覆蓋區(qū)較小，但在宏站覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，建議采取宏微載波聚合。

5 總結(jié)

本文對(duì)異構(gòu)網(wǎng)下宏微CA的性能進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)比了宏小區(qū)間CA與宏/微小區(qū)間CA性能，對(duì)吞吐量、下行速率、切換成功率、移動(dòng)場(chǎng)景下行速率等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果表明，宏/微小區(qū)間CA在未來異構(gòu)網(wǎng)中可充分發(fā)揮性能，在好點(diǎn)增益可接近理論值，在中差點(diǎn)亦可不同程度地體現(xiàn)出宏微CA的增益，并有助于優(yōu)化切換成功率、負(fù)載均衡，因此，對(duì)于異構(gòu)網(wǎng)中的邊緣或業(yè)務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域，通過新增微站并與開啟宏/微小區(qū)間，CA可以成為提高區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量與用戶體驗(yàn)的有效方案。

基于測(cè)試結(jié)果，我們建議宏微CA應(yīng)用于如下場(chǎng)景。

在城區(qū)宏站覆蓋邊緣的熱點(diǎn)、盲區(qū)、弱覆蓋區(qū)域，在頻譜資源充足的條件下，采取新建微站并開啟宏微載波聚合功能，可顯著提升該區(qū)域用戶的速率和感知，對(duì)話務(wù)熱點(diǎn)的容量提升效果優(yōu)于宏基站上新增載波。在業(yè)務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域，利用微站覆蓋面積小的特點(diǎn)，可在一個(gè)宏站扇區(qū)下部署多個(gè)微站進(jìn)行熱點(diǎn)覆蓋，微站間進(jìn)行同頻復(fù)用，并同時(shí)與宏站進(jìn)行載波聚合，可較好吸收區(qū)域業(yè)務(wù)流量。同時(shí)，部署宏微CA應(yīng)注意評(píng)估場(chǎng)景應(yīng)用宏微CA的必要性，應(yīng)進(jìn)行微站的精細(xì)規(guī)劃建設(shè)，充分發(fā)揮CA效能。

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[4]程順川. 載波聚合技術(shù)在LTE-Advanced系統(tǒng)中的性能研究[D].北京：北京郵電大學(xué), 2010.

Study of carrier aggregation application in TD-LTE heterogeneous network

CHEN Qi-ming1, CHEN Shao-chun1, ZHANG Yan-yan2, YAO Jian2
(1 China Mobile Group Guangdong Co., Ltd., Guangzhou 510000, China; 2 China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

Heterogeneous network is the evolution network meeting the coverage and capacity demand in future network, while carrier aggregation, as a mature technology, would help improving peak rate and load balance of network. In this article, aimed at better applying CA to HetNet, we tested the CA performance between grand station and low power nodes, such as peak rate, performance in movement. We then proposed the suggestion of CA’s application scenarios by further study the CA performance of between GS and LPN.

4G long term evolution; heterogeneous network; carrier aggregation

TN929.5

A

1008-5599（2017）02-0010-06

2016-11-07