三載波聚合技術(shù)研究與試驗(yàn)分析

黃慶濤，李路鵬，陳曉冬

（中國(guó)電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

1 引言

用戶對(duì)流量的需求正在日益提升，為不斷滿足用戶的體驗(yàn)感知需求，必須提升LTE網(wǎng)絡(luò)吞吐率，最直接的方法就是增加工作頻譜帶寬。在各個(gè)運(yùn)營(yíng)商頻率資源一定、連續(xù)頻譜資源缺乏的條件下，載波聚合通過(guò)把多個(gè)頻段資源聚合起來(lái)給同一個(gè)UE用，提升了頻譜利用率、網(wǎng)絡(luò)性能和用戶感知。

載波聚合包括帶內(nèi)載波聚合和帶間載波聚合，帶內(nèi)載波聚合指聚合的載波在同一頻帶內(nèi)，包括連續(xù)載波聚合和非連續(xù)載波聚合；帶間載波聚合指聚合的載波在不同頻段內(nèi)，如圖1所示。

本文接下來(lái)將主要研究三載波聚合技術(shù)，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析三載波聚合技術(shù)在定點(diǎn)速率、路測(cè)、時(shí)延及用戶調(diào)度上的性能和增益。

2 載波聚合原理與關(guān)鍵技術(shù)

3GPP Release 10為L(zhǎng)TE載波聚合的服務(wù)小區(qū)定義了主載波小區(qū)PCell和輔載波小區(qū)SCell，每個(gè)UE僅有一個(gè)PCell，其他所有載波來(lái)自SCell。PCell和SCell具有非常不同的特性，如PCell不能被去激活，在下行PCell上產(chǎn)生的無(wú)線鏈路失敗會(huì)觸發(fā)RRC連接重建，而SCell上產(chǎn)生的無(wú)線鏈路失敗不會(huì)觸發(fā)RRC重建。載波聚合對(duì)PDCP/RLC層透明，在MAC層完成上層數(shù)據(jù)流映射到聚合的各載波中進(jìn)行傳輸，各個(gè)載波MAC層的數(shù)據(jù)面獨(dú)立調(diào)度，有各自獨(dú)立的傳輸信道，對(duì)應(yīng)一個(gè)專用和獨(dú)立的HAQR實(shí)體，所以只能在PHY/MAC層區(qū)分各載波信息，如圖2所示。

載波聚合增加/刪除輔載波的一般有兩種方式：基于測(cè)量和盲增加?；跍y(cè)量增加/刪除輔載波指輔載波信號(hào)滿足A4事件，eNB觸發(fā)增加輔載波；輔載波信號(hào)滿足A2事件，eNB觸發(fā)刪除輔載波。而盲增加輔載波只要配置輔載波關(guān)系后，無(wú)需測(cè)量eNB，直接增加輔載波。增刪輔載波信息在RRCConnectionReconfiguration信令中可以看到，如圖3所示。

圖2 載波聚合協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

輔載波配置之后未必馬上激活，輔載波的激活/去激活與以下算法相關(guān)：（1）預(yù)測(cè)下x TTI中無(wú)法發(fā)送完成，則激活一個(gè)載波，激活一個(gè)輔載波后，若預(yù)測(cè)下x TTI中仍然無(wú)法發(fā)送完成，則繼續(xù)激活下一個(gè)輔載波；（2）預(yù)測(cè)下x TTI中可發(fā)送完成，且持續(xù)一定時(shí)間，則去激活一個(gè)載波。通過(guò)配置不同的x值，可以調(diào)整輔載波的激活門(mén)限。另外，也有廠家采用判斷寄存器緩存空間（Buffer Length）以及首包時(shí)延（First Packet Delay）的算法來(lái)激活/去激活輔載波的。表1是某設(shè)備廠家空載情況下輔載波激活情況，可以看出該廠家支持輔載波的分步激活，但效果不明顯。從UE角度來(lái)講，輔載波的頻繁激活/去激活會(huì)增加UE對(duì)信號(hào)的檢測(cè)，增大耗電，所以建議在有多個(gè)輔載波時(shí)，優(yōu)先激活帶寬大的輔載波；同時(shí)在判斷激活第二個(gè)輔載波前，可以增加一個(gè)時(shí)間遲滯。

與非CA系統(tǒng)相比，載波聚合在業(yè)務(wù)態(tài)切換的過(guò)程中多了一個(gè)輔載波的信息，又可以分為帶輔載波切換與不帶輔載波切換。舉個(gè)例子，三載波切換三載波狀態(tài)下，帶輔載波切換會(huì)經(jīng)歷主小區(qū)3→3的情況，而不帶輔載波切換則經(jīng)歷3→1→3的情況，相比之下，帶輔載波切換在主載波切到目標(biāo)小區(qū)的時(shí)候同時(shí)添加輔載波，而不是先切換目標(biāo)小區(qū)的主載波，隔段時(shí)間再激活另外的輔載波，這樣使得帶輔載波切換在切換時(shí)延上稍短，同時(shí)業(yè)務(wù)速率上不會(huì)出現(xiàn)毫秒級(jí)的掉速現(xiàn)象。

CA系統(tǒng)一個(gè)載頻在一個(gè)eNB上可配置三個(gè)小區(qū)，在小區(qū)相鄰邊界上，由于實(shí)際傳播環(huán)境等物理因素，往往存在鄰小區(qū)輔載波信號(hào)更好的情況，特別是共站建設(shè)補(bǔ)充覆蓋的場(chǎng)景，如圖4所示，不同的載波聚合天線指向不同方向的地理區(qū)域，從A點(diǎn)移動(dòng)至B點(diǎn)，主載波f1不發(fā)生切換的同時(shí)，會(huì)更新信號(hào)較好的輔載波f2。LTE支持本小區(qū)主載波聚合鄰小區(qū)輔載波的功能，移動(dòng)過(guò)程通過(guò)觸發(fā)A6事件實(shí)現(xiàn)站內(nèi)輔載波更新。

表1 輔載波激活情況

圖3 增刪輔載波信令

圖4 站內(nèi)輔載波更新

3 三載波聚合試驗(yàn)分析

試驗(yàn)場(chǎng)景選取在重慶市潼南區(qū)柏梓鎮(zhèn)，區(qū)域?yàn)槟媳弊呦?，中部為中心?chǎng)鎮(zhèn)，建筑物密集，站間距1200 m，如圖5（a）；試驗(yàn)采用的是帶間載波聚合，聚合頻段為Band1（20 M）、Band3（15 M）和Band5（5 M），共40 M帶寬，如圖5（b）。考慮到現(xiàn)網(wǎng)LTE的瓶頸在于下行吞吐率受限，故本次試驗(yàn)主要研究下行的三載波聚合。下行鏈路采用高頻段（Band1&Band3）+低頻段（Band5）帶間載波聚合，可以更好利用高低頻段的資源：當(dāng)PCell工作在較低的頻段上時(shí)保證維持連接，同時(shí)調(diào)度器將部分流量放在高頻段上，這樣可以為那些不能利用高頻資源的用戶保留有價(jià)值的低頻資源。

圖6（a）是三載波下行定點(diǎn)速率，3CC擁有40 M帶寬，可以看出近點(diǎn)峰值為296.36 Mbit·s-1，接近理論值300 Mbit·s-1；中遠(yuǎn)點(diǎn)的速率也是相當(dāng)可觀。路測(cè)覆蓋上，3CA終端相對(duì)于2CA終端（Band1+Band3）有Band5提供的5 M低頻資源，均值速率增益9.7%，邊緣覆蓋速率增益21.1%，如圖6（b），共站建設(shè)時(shí)，800M邊緣覆蓋性能比1.8G/2.1G好，故邊緣增益比平均增益大。

三載波聚合一個(gè)需要重點(diǎn)考慮問(wèn)題是弱覆蓋區(qū)域的增益，800M載波具備天然的覆蓋優(yōu)勢(shì)，在覆蓋邊緣，3CA終端在主載波為800M的同時(shí)，還可以充分利用1.8G和2.1G的資源進(jìn)行CA，相比非CA 800M終端，必定可以提升邊緣用戶的速率。表2是弱覆蓋區(qū)域的速率對(duì)比增益試驗(yàn)分析，可以看出在1.8G/2.1G弱覆蓋區(qū)域，切換到800M做主載波后3CA終端相比非CA 800M終端的速率增益較高，達(dá)400%以上；A2門(mén)限值越高，主載波越容易切換到800M，增益值越高。X2切換、站間S1切換，總體切換時(shí)延的趨勢(shì)是站內(nèi)＜站間（X2）＜站間（S1），考慮3CA切換3CA，帶輔載波切換時(shí)延明顯小于不帶輔載波切換時(shí)延，基于測(cè)量增加輔載波時(shí)延大于盲增加輔載波時(shí)延。

圖5 三載波試驗(yàn)場(chǎng)景與試驗(yàn)頻段

圖6 三載波路測(cè)速率增益

然而盲增加算法時(shí)延雖稍短，但在1.8G/2.1G弱覆蓋區(qū)域，當(dāng)800M做主載波時(shí)，在輔載波信號(hào)低于刪輔載波門(mén)限時(shí)易導(dǎo)致輔載波頻繁增刪，甚至一些系統(tǒng)由于不能刪掉輔載波，在1.8G/2.1G弱覆蓋區(qū)域，會(huì)導(dǎo)致頻繁激活/去激活輔載波，造成資源浪費(fèi)，所以建議基站側(cè)采用基于測(cè)量增加/刪除輔載波，帶輔載波切換，這樣的系統(tǒng)更加優(yōu)化。

在用戶調(diào)度問(wèn)題上，不同設(shè)備商廠家有不同的算法，從公平調(diào)度到最大差異化調(diào)度設(shè)置不同等級(jí)，逐漸傾向CA終端。公平調(diào)度把CA終端當(dāng)成一個(gè)普通終端來(lái)分配資源，最大差異化則是把CA終端當(dāng)成多個(gè)普通終端來(lái)分配資源（如3CA終端當(dāng)成3個(gè)普通終端）。表6是某廠家調(diào)度算法的測(cè)試結(jié)果，可以看出等級(jí)1是

表2 1.8G/2.1G弱覆蓋區(qū)域

載波聚合的時(shí)延性能主要包括：主被叫時(shí)延、Ping時(shí)延、切換時(shí)延。CA系統(tǒng)相比非CA系統(tǒng)，除了主載波建立時(shí)延，另外需要添加輔載波信息，所以時(shí)延會(huì)稍高一些。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如表3至表5所示。主被叫主載波建立時(shí)延約為65 ms，含輔載波增加時(shí)延約為100 ms；Ping包小業(yè)務(wù)沒(méi)有達(dá)到輔載波激活門(mén)限，CA系統(tǒng)與非CA系統(tǒng)時(shí)延相當(dāng)，超過(guò)1000 Bytes時(shí)Ping包要分片，故1500 Bytes時(shí)延稍長(zhǎng)；切換時(shí)延包括站內(nèi)切換、站間公平調(diào)度，CA終端和非CA終端速率相當(dāng)；等級(jí)5是最大差異化調(diào)度，CA終端速率約為非CA終端平均速率之和；等級(jí)2、3、4介于公平和最大差異之間。運(yùn)營(yíng)商可根據(jù)市場(chǎng)策略靈活選用不同等級(jí)的調(diào)度策略。

表3 主被叫時(shí)延

表4 Ping包用戶面時(shí)延

表5 切換時(shí)延

載波聚合另一個(gè)需要關(guān)注的問(wèn)題則是跨站載波聚合，即實(shí)際城市規(guī)劃中部分站址沒(méi)有800M天饋或者沒(méi)有2.1G天饋的場(chǎng)景，可以分為1.8/2.1G加密站場(chǎng)景跟1.8/2.1G邊緣站場(chǎng)景，如圖7所示，此時(shí)UE可以添加鄰站小區(qū)的800M/2.1G載頻作為輔載波。無(wú)論是加密站場(chǎng)景還是邊緣站場(chǎng)景，實(shí)際路測(cè)過(guò)程中開(kāi)啟跨站CA功能整體增益并不大（1%不到），僅僅在發(fā)生跨站CA的路段才稍有增益（6%），主要原因是在本小區(qū)覆蓋邊緣發(fā)生跨站聚合的情況，要么是鄰站800M頻段信號(hào)的5M小帶寬，要么是鄰站2.1G頻段的微弱信號(hào)，這兩種載頻提供的頻率資源不明顯。從整網(wǎng)考慮，在小區(qū)覆蓋相當(dāng)?shù)那闆r下，UE都優(yōu)先聚合共站的輔載波（如果有），或者主載波先切換至鄰站目標(biāo)小區(qū)，在目標(biāo)小區(qū)做站內(nèi)載波聚合，所以基站側(cè)開(kāi)啟跨站CA功能的增益作用不大，反而會(huì)增加UE檢測(cè)信號(hào)的開(kāi)銷。

表6 多用戶調(diào)度測(cè)試

圖7 跨站CA場(chǎng)景

4 結(jié)束語(yǔ)

LTE向5G演進(jìn)過(guò)程中面臨頻譜碎片化和更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐率等挑戰(zhàn)，載波聚合技術(shù)通過(guò)將離散的頻譜資源聚合起來(lái)拓展帶寬，可以有效解決這些問(wèn)題。本文從原理上分析研究載波聚合的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合外場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了三載波聚合技術(shù)在定點(diǎn)速率、路測(cè)、時(shí)延及用戶調(diào)度上的性能和增益。采用低頻段800M的三載波聚合技術(shù)，可以增強(qiáng)覆蓋性能，提高弱覆蓋區(qū)域的用戶體驗(yàn)，本文的原理研究和試驗(yàn)數(shù)據(jù)能為將來(lái)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供意見(jiàn)。

[1] 3GPP TS 36.211 va10(10-12). Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); Physical Channels and Modulation[S]. 2012.

[2] 3GPP TS 36.213 va10(10-12). Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); Physical Layer Procedures[S]. 2012.

[3] 3GPP TS 36.321 va10(10-12). Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); Medium Access Control (MAC) Protocol Specif i cation[S]. 2012.

[4] 3GPP TS 36.322 va10(10-12). Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); Radio Link Control(RLC) Protocol Specif i cation[S]. 2012.

[5] 3GPP TS 36.323 va10(10-12). Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); Packet Data Convergence Protocol(PDCP) Specif i cation[S]. 2012.

[6] Harri Holma, Antti Toskala. LTE-Advanced：面向IMTAdvanced的3GPP解決方案[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[7] 林輝,焦慧穎,劉思楊,等. LTE-Advanced：關(guān)鍵技術(shù)詳解[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2012.

[8] 唐萍,謝文佳. LTE Advance載波聚合技術(shù)的原理及應(yīng)用場(chǎng)景分析[J]. 科技資訊, 2015(31): 18-19.

[9] 陳禮建. LTE-A中載波聚合技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 通信與信息技術(shù), 2014(5): 44-46.

[10] 陳秀敏,黃毅華,魏垚. LTE-A載波聚合關(guān)鍵參數(shù)與配置優(yōu)化探討[J]. 移動(dòng)通信, 2018,42(3): 13-20. ★