TD—LTE和LTE FDD載波聚合部署策略分析及性能評(píng)估

劉晴+許森

【摘 要】為了分析TD-LTE和LTE FDD載波聚合部署策略并對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估，首先從標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展的角度介紹了TD-LTE和LTE FDD載波聚合的產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展情況，在此基礎(chǔ)上針對(duì)運(yùn)營(yíng)商LTE FDD協(xié)同部署過(guò)程中面臨的輔載波配置、資源調(diào)度策略、非理想的站間傳輸條件等問(wèn)題提出了建議，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，量化分析了TD-LTE和LTE FDD載波聚合在不同場(chǎng)景的性能。

資源均衡 協(xié)同部署 TD-LTE和LTE FDD載波聚合

1 引言

載波聚合是LTE-A中一個(gè)重要且成熟的技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外運(yùn)營(yíng)商中得到了廣泛的應(yīng)用。支持載波聚合的終端可以同時(shí)在多個(gè)載波上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，有效提升用戶體驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)資源利用率。根據(jù)GSA的統(tǒng)計(jì)，截至2017年1月，全球已有54個(gè)國(guó)家部署了95張TD-LTE商用網(wǎng)絡(luò)，其中有32家運(yùn)營(yíng)商同時(shí)部署了TDD/FDD網(wǎng)絡(luò)[1]。受益于TD-LTE和LTE FDD在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上的共通性以及互補(bǔ)性，運(yùn)營(yíng)商可以利用載波聚合技術(shù)進(jìn)行靈活的TDD/FDD資源調(diào)度。

TD-LTE常見的商用頻段（如B39/B41）通常比LTE FDD主流頻段（如B1/B3/B5）高，其連續(xù)覆蓋難度大，建設(shè)成本較高。因此部分LTE FDD運(yùn)營(yíng)商通常采取LTE FDD作為覆蓋層提供連續(xù)覆蓋，TD-LTE作為容量層提供吸熱和分流作用。TD-LTE覆蓋的不連續(xù)對(duì)于TD-LTE和LTE FDD載波聚合部署過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)配置提出一定的挑戰(zhàn)。此外在TD-LTE部署過(guò)程中，還需要考慮TD-LTE與LTE FDD不共站且不具備光纖直連場(chǎng)景（如燈桿站，小靈通利舊站等）對(duì)于載波聚合部署所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

本文接下來(lái)將首先介紹載波聚合技術(shù)的3GPP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展和產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展?fàn)顩r，并針對(duì)運(yùn)營(yíng)商在部署載波聚合所面臨的問(wèn)題進(jìn)行分析，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證理想回傳和非理想回傳場(chǎng)景的TD-LTE和LTE FDD載波聚合性能，為未來(lái)TDD/FDD異構(gòu)組網(wǎng)工作提供參考意見。

2 TD-LTE和LTE FDD載波聚合標(biāo)準(zhǔn)化

進(jìn)展

3GPP在Rel-10階段引入載波聚合技術(shù)，在本階段主要完成了TDD載波間和FDD載波間的載波聚合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化[2]?？紤]到部分運(yùn)營(yíng)商同時(shí)擁有FDD和TDD頻率資源，為了更加充分地利用兩個(gè)頻段資源，Rel-12引入了TD-LTE和LTE FDD載波聚合技術(shù)[3-4]。標(biāo)準(zhǔn)主要對(duì)物理層和MAC層進(jìn)行了相關(guān)增強(qiáng)，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容包括：

（1）DCI增強(qiáng)：當(dāng)TD-LTE為被調(diào)度小區(qū)，且配置非周期SRS時(shí)，DCI 2B/2C/2D中包含1 bit的SRS請(qǐng)求域。當(dāng)TD-LTE作為主小區(qū)、LTE FDD作為被調(diào)度小區(qū)時(shí)，DL DCI包含2 bit的DL DAI和4 bit進(jìn)程號(hào)，UL DCI包含2 bit的UL DAI，且無(wú)UL index。

（2）支持Multi-TAG：在Rel-11中引入了Multi-TAG的標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的擴(kuò)展。特別對(duì)于在單個(gè)pTAG的TDD/FDD小區(qū)，要求UE的發(fā)射子幀邊界對(duì)齊，對(duì)于在單個(gè)STAG的TDD/FDD小區(qū)，要求UE的NTA為624 Ts。

（3）HARQ定時(shí)：對(duì)于FDD作為主載波、TDD為輔載波的場(chǎng)景，無(wú)論TDD采取哪一種上下行配置，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定每種配置的最大的進(jìn)程數(shù)都是8。對(duì)于TDD為主載波、FDD為輔載波的場(chǎng)景，由于FDD的下行不能繼續(xù)采用4 ms的反饋周期，因此引入了一種新的HARQ定時(shí)關(guān)系。

考慮到部分運(yùn)營(yíng)商計(jì)劃在TDD頻段上使用Massive MIMO技術(shù)，但是終端上行通常只支持單個(gè)發(fā)射鏈路，因此在TD-LTE和LTE FDD載波聚合中，LTE FDD上行的反饋壓力會(huì)增大，并存在互易性缺失的缺點(diǎn)。針對(duì)上述問(wèn)題，在Rel-14階段，3GPP對(duì)TD-LTE和LTE FDD載波聚合進(jìn)行了進(jìn)一步增強(qiáng)，引入了FDD向TDD載波或TDD載波間的SRS動(dòng)態(tài)切換功能[6]。通過(guò)該種方式可以利用TD-LTE輔載波的上下行信道互易性，有效改善鏈路的性能。其基本原理是當(dāng)需要發(fā)送SRS時(shí)，UE在配置PUSCH的載波上暫時(shí)中止UL傳輸，切換到PUSCH-less的TDD載波，在載波上發(fā)送SRS，然后切換回來(lái)，具體過(guò)程如圖1和圖2所示。

針對(duì)SRS switching，在Rel-14定義了以下新特性：

（1）功率控制：引入新的功率控制公式，UE可以不參考PUSCH來(lái)設(shè)置SRS功率。高層配置SRS傳輸?shù)拈_環(huán)功率控制參數(shù)，物理層信號(hào)通過(guò)TPC命令配置閉環(huán)SRS參數(shù)。

（2）沖突處理：為了避免SRS switching與其他發(fā)送/接收操作造成沖突，定義了優(yōu)先級(jí)/丟棄規(guī)則。如果SRS switching與ACK/NACK不斷發(fā)生碰撞，網(wǎng)絡(luò)可以為UE修改ACK/NACK定時(shí)或配置靈活的SRS switching，使得SRS switching和ACK/NACK傳輸在時(shí)間上不重疊，避免了碰撞。

同時(shí)，3GPP RAN4也根據(jù)運(yùn)營(yíng)商的部署需求對(duì)多個(gè)LTE FDD聚合場(chǎng)景下的設(shè)備進(jìn)行指標(biāo)評(píng)估，已完成的常見TD-LTE和LTE FDD載波聚合頻段組合如表1所示[5]。其中，中國(guó)電信在3GPP推動(dòng)完成了B3+B41/B1+B3+B41載波聚合標(biāo)準(zhǔn)化工作，推動(dòng)B3+B41/B1+B41/B3+1+41進(jìn)入CCSA行標(biāo)。主流設(shè)備商和芯片廠商支持TD-LTE和LTE FDD載波聚合功能，產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)基本成熟。

表1 已完成標(biāo)準(zhǔn)化的常見LTE FDD頻段組合

版本 TDD頻段 FDD頻段

R12 B40 B3、B8

B41 B1、B26

B38 B3

B42 B1、B3、B19

R13 B40 B1、B3

B41 B25、B8

R14 B41 B3、B5

3 TD-LTE和LTE FDD載波聚合部署問(wèn)

題分析

本章接下來(lái)將分析運(yùn)營(yíng)商LTE FDD協(xié)同部署過(guò)程中面臨的輔載波配置、資源調(diào)度策略、不理想的站間傳輸條件等問(wèn)題，并提出相關(guān)建議。

3.1 輔載波配置策略選擇分析

載波聚合中輔載波添加/刪除是通過(guò)RRC信令來(lái)指示終端完成的[7]，根據(jù)是否需要測(cè)量輔助信息，一般分為基于盲配添加輔載波和基于測(cè)量添加輔載波這兩種配置策略。盲添加輔載波是指終端隨機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)后，基站直接下發(fā)輔載波配置消息；基于測(cè)量添加輔載波是指終端隨機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)后，如果上報(bào)的測(cè)量信息滿足判決門限，基站側(cè)下發(fā)輔載波配置消息[8]。

對(duì)于覆蓋相近的B1/B3，采用基于盲配添加輔載波策略的好處是避免了異頻測(cè)量過(guò)程，輔載波配置時(shí)間更短，對(duì)終端的速率影響更小。然而，TDD與FDD由于頻段和定位不同，覆蓋范圍相差較大，采用盲添加輔載波有可能為TDD信號(hào)質(zhì)量較差的用戶添加輔載波，造成頻繁的輔載波添加/刪除和系統(tǒng)資源的浪費(fèi)。因此，建議采用基于測(cè)量來(lái)進(jìn)行輔載波的添加。

3.2 資源調(diào)度策略選擇分析

部署載波聚合后，如何在保障單載波終端用戶的體驗(yàn)不下降的同時(shí)，最大化CA用戶的滿意度，達(dá)到良好的市場(chǎng)宣傳效應(yīng)是運(yùn)營(yíng)商需要解決的問(wèn)題[9]。通常，資源調(diào)度策略分為差異化調(diào)度和公平調(diào)度兩種：

（1）差異化調(diào)度策略：CA UE在每個(gè)載波上相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的單載波終端，與單載波終端平分資源。因此，CA UE可以獲得比non CA UE更多的PRB資源。

（2）公平調(diào)度策略：在同樣信道質(zhì)量下，CA UE的各子載波速率之和與相同QCI 業(yè)務(wù)的non CA UE速率一致。

選擇哪一種策略要從市場(chǎng)宣傳、新老用戶體驗(yàn)、終端滲透率等方面考慮。在部署載波聚合業(yè)務(wù)初期，建議采用差異化調(diào)度策略提升使用載波聚合終端的用戶滿意度。當(dāng)小區(qū)業(yè)務(wù)趨于飽和時(shí)，可逐步向公平調(diào)度策略調(diào)整，保障各類用戶的體驗(yàn)。

3.3 非理想回傳載波聚合性能分析

TDD和FDD基站部署場(chǎng)景可分為共BBU共天線、不共BBU不共天線支持光纖直連，以及不共BBU且不支持光纖直連這三類。第一類和第二類統(tǒng)稱為基于理想回傳的載波聚合，指標(biāo)要求為主輔載波硬件實(shí)體之間的傳輸或者交互時(shí)延小于20 μs；第三類稱為基于非理想回傳的載波聚合[10]。

非理想回傳載波聚合協(xié)議棧分裂方案有基于MAC層分裂和RLC層分裂兩種。兩種分裂方案的區(qū)別如表2所示。

在非理想回傳場(chǎng)景中，終端向主載波基站反饋輔載波數(shù)據(jù)接收情況的ACK/NACK信息后，輔載波無(wú)法及時(shí)獲取終端在主載波上ACK/NACK反饋情況。非理想回傳的時(shí)延會(huì)導(dǎo)致HARQ所需的RTT時(shí)間變長(zhǎng)，從而引發(fā)滿調(diào)度時(shí)實(shí)際上所需要的進(jìn)程數(shù)變多，但是LTE FDD最大只支持8個(gè)進(jìn)程，因此存在矛盾。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，其中一種解決方案是維持8個(gè)進(jìn)程數(shù)，延長(zhǎng)RTT時(shí)長(zhǎng)，但代價(jià)是系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)輔載波滿調(diào)度，從而導(dǎo)致輔載波性能下降，并且隨著回傳時(shí)延的增大，丟棄的子幀數(shù)量增多，整體性能下降越明顯。

4 TD-LTE和LTE FDD載

波聚合性能評(píng)估

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中對(duì)B1/B3/B41頻段進(jìn)行了載波聚合性能驗(yàn)證。為了更直觀的對(duì)比，B3、B1和B41的帶寬均設(shè)置為20 MHz。功率配置方面，B3和B1發(fā)射功率為2×40 W，B41為2×5 W。TDD子幀配比為2，特殊子幀配比為7。

4.1 理想回傳載波聚合的性能評(píng)估

圖3給出了B3、B3+B1、B3+B41和B3+B1+B41載波聚合的下行MAC層吞吐量對(duì)比結(jié)果。從結(jié)果可以看出，B3+B1雙載波系統(tǒng)通過(guò)聚合B41升級(jí)為三載波系統(tǒng)，可以有效提升用戶平均體驗(yàn)速率，其中近點(diǎn)提升36.1%，中點(diǎn)提升34.5%，遠(yuǎn)點(diǎn)提升21.5%。其次，B3+B41相對(duì)于B3也有良好的速率增益，近點(diǎn)可提升72.1%，中點(diǎn)提升69.1%，遠(yuǎn)點(diǎn)提升43%的速率。因此，通過(guò)聚合B41，網(wǎng)絡(luò)可以在三個(gè)載波中選擇負(fù)載較輕的兩個(gè)載波，更加有效地進(jìn)行資源分配。

4.2 不同資源調(diào)度策略下的性能評(píng)估

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試了理想回傳場(chǎng)景下，4類終端在相同無(wú)線環(huán)境下做FTP下載業(yè)務(wù)的MAC層吞吐量，結(jié)果如圖4所示。公平調(diào)度時(shí)，CA UE與non CA UE終端的吞吐量均為95 Mbit/s左右；差異化調(diào)度時(shí)，支持聚合越多載波的終端，吞吐量越高。另外，資源調(diào)度策略對(duì)小區(qū)總吞吐量無(wú)影響。

圖4 各類終端下行MAC層吞吐量

4.3 非理想回傳載波聚合的性能評(píng)估

非理想回傳載波聚合的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備連接方案如

圖5所示：

圖5 非理想回傳載波聚合的設(shè)備部署方案

對(duì)于非理想回傳場(chǎng)景，對(duì)B3+B41載波聚合場(chǎng)景中單用戶的五種典型位置進(jìn)行了下行吞吐量測(cè)試，包括FDD近點(diǎn)TDD近點(diǎn)、FDD中點(diǎn)TDD中點(diǎn)、FDD遠(yuǎn)點(diǎn)TDD遠(yuǎn)點(diǎn)、FDD中點(diǎn)TDD近點(diǎn)和FDD遠(yuǎn)點(diǎn)TDD中點(diǎn)。其中B3作為主載波，B41作為輔載波。圖6給出的測(cè)試結(jié)果顯示站間單向傳輸時(shí)延為1 ms時(shí)，載波聚合用戶在吞吐量下降5%～8%、傳輸時(shí)延為4 ms時(shí)，吞吐量下降約18%～29%。

圖6 非理想回傳相對(duì)于理想回傳增益對(duì)比

以上測(cè)試驗(yàn)證了通過(guò)聚合TDD載波，可以提高小區(qū)吞吐量并減輕FDD網(wǎng)絡(luò)的壓力；其次，資源調(diào)度策略可以幫助運(yùn)營(yíng)商靈活地調(diào)整用戶體驗(yàn)；另外，考慮到現(xiàn)網(wǎng)大部分站間傳輸時(shí)延小于1 ms，因此在不具備光纖直連的場(chǎng)景可以部署基于IP RAN的載波聚合。

5 結(jié)束語(yǔ)

載波聚合技術(shù)是一種低成本的、可靈活利用頻譜資源的增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量的重要手段之一。運(yùn)營(yíng)商可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況，在熱點(diǎn)區(qū)域針對(duì)性地部署TDD小基站并與FDD宏站進(jìn)行載波聚合，增加網(wǎng)絡(luò)容量、提升用戶感知。本文分析了TDD/FDD載波聚合部署過(guò)程中面臨的問(wèn)題，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，量化分析了TDD/FDD載波聚合在理想回傳場(chǎng)景和非理想回傳場(chǎng)景的性能，為未來(lái)TDD/FDD載波聚合部署工作提供了一定的參考意見。

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