TD—LTE双模演进基站载波聚合的应用

朱智俊　岑曙炜　曹晶　张真桢

在LTE到LTE-Advanced系统的演进过程中，更宽频谱的需求将会成为影响演进的最重要因素之一，如何有效利用频域上分散的频谱资源，通过资源整合以获得更高的系统带宽是必须解决的问题，为此3GPP提出了载波聚合技术。首先给出了载波聚合（CA）在移动通信网中的业务流程设计；然后讨论和分析了CA的拉网测试结果、UE峰值测试结果和高速率路段测试结果；最后指出了载波聚合待解决的问题。

LTE-Advanced 载波聚合 TD-LTE

1 背景

近年来，由于移动通信网的数据业务迅猛发展，用户的需求也日趋多样化，这使得第三代移动通信网络已远远不能满足人们的要求。用户期望运营商提供在任何时间、任何地点的高速无缝接入服务[1-2]。因此，2004年3GPP正式启动了LTE（Long Term Evolution，长期演进）项目[3-5]。与3G通信系统相比较，LTE系统以OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）技术为基础[5]，支持20MHz的最大系统带宽，上、下行峰值速率分别可以达到75Mbps和100Mbps。虽然LTE技术已具备某些第四代移动通信技术的特征，却还不能被称作4G（“准4G”）。

为了进一步提供更高的数据速率，支持更多的用户业务和新的服务类型，3GPP LTE-Advanced在LTE基础上又提出了新的需求[6]。特别是，为满足IMT-Advanced的峰值速率需求，LTE-Advanced需要支持比LTE更大的系统带宽（达100MHz）。因此，如何满足更大带宽需求成为LTE向LTE-Advanced演进的最重要考虑因素之一。然而由于受限于通信发展历史及无线频谱资源紧缺等因素，很多运营商拥有的频谱资源往往都是非连续的，很难找到可用的较大连续频谱，而每个单一频段都难以满足LTE-Advanced对带宽的需求。

为此，3GPP组织提出了CA（Carrier Aggregation，载波聚合）技术[7-9]，该技术的核心思路是：将多个连续或离散载波聚合在一起，形成一个更宽频谱。它能灵活地调节系统传输带宽，最高可支持单用户100MHz的下行传输带宽，既能满足LTE-Advanced在带宽方面的需求，又可以提高频谱碎片的利用率。图1给出了CA技术架构，其中：

◆每个无线承载只有一个PDCP和RLC实体，RLC层上看不到物理层有多少个分量载波；

◆各个载波上MAC层的数据独立调度；

◆每个载波维护各自独立的初传和HARQ重传进程。

2 载波聚合业务流程设计

载波聚合业务流程设计如图2所示。

业务步骤具体如下：

（1）操作维护向eNB配置可以聚合的小区集，并配置CA特性相关的参数。

（2）CA UE开始建立呼叫，并建立完成业务（同R8/R9终端相同）。

（3）eNB根据小区集让UE对其他小区进行测量，根据测量结果，对于可作为SCell的小区，向UE发送RRC重配消息，将该小区配为UE的SCell。

（4）eNB检测业务量，当业务量升高时，及时激活SCell，使得PCell和SCell共同进行数据传输；当业务量下降时，及时去激活SCell，可以为UE省电。

通过载波聚合业务可以实现：

（1）提供更好的QoS保证：服务高价值客户，获取更大的收益（高ARPU）。

（2）资源利用率最大化：通过载波聚合，CA UE可以同时利用两载波上的空闲RB，以实现资源利用率最大化，避免整体资源利用率的浪费。

（3）更好的用户体验：通过载波聚合，在MIMO 2×2环境下，配比2、特殊子帧配置7时，CA UE下行峰值速率相对单载波可以翻倍。在实际商用网的多用户场景下，CA UE激活SCell后可以更好地利用空闲资源，提升整网非满负载时CA UE的吞吐量，给用户带来更好的体验。

3 测试分析

为了对F+D载波聚合进行性能测试，下面将主要分析CA的拉网测试结果、UE峰值测试结果和高速率路段测试结果。

3.1 F+D载波聚合拉网测试

为了对比配置载波聚合前后的性能区别，本文将在精品网VIP路线上进行拉网测试，测试路线如图3所示。

测试环境配置如下：

◆测试区域F+D频段，F频段SA2/SSP6，D频段SA2/SSP7；

◆在测试区域选择一条测试路线能够遍历各种信道条件；

◆准备1部支持CA的R10终端（如TUE），另准备1部不支持CA的R9终端（如E5776）。

首先使用非CA终端，在路线起点接入网络并开始做下行Fullbuffer的FTP下载业务，待速率稳定后，车辆以30km/h的速度向路线终点移动并同时记录log，记录下行RSRP、SINR、吞吐量、MCS、GPS打点等信息，到达终点后停止log，并detach终端；然后用CA UE在路线起点接入网络并开始做下行Fullbuffer的FTP下载业务，待速率稳定后，车辆以30km/h的速度向路线终点移动并同时记录log，记录下行RSRP、SINR、吞吐量、MCS、GPS打点等信息，到达终点后停止log，并detach终端；最后得到拉网测试结果，如表1和图4所示：

表1 拉网速率

平均吞吐量/Mbps 平均SINR/dB 平均RSRP/dBm CA占比/%

CA拉网 67.9 PCC：18.2

SCC：21.1 PCC：-77.1

SCC：-76.7 84.5

非CA拉网（MIFI） 38.1 18.3 -87.6 0endprint

由以上可知，在保俶路与体育场路十字路口处，音乐厅1小区的信号由于楼宇遮挡无法覆盖路面，因此这里的信号是由松木场河西F频段覆盖，这一段没有CA；在环城西路上，昌化新村信号由于楼宇遮挡无法覆盖路面，因此这一段的速率偏低。

3.2 F+D载波聚合峰值测试

下面将主要对F+D载波聚合峰值进行测试，拉网路线见图3。在测试网络中寻找一个极好点（如在省府路省政府门口西侧）进行峰值测试，即测试CA UE能够达到峰值。使用CA终端，极好点接入网络并开始做下行Fullbuffer的FTP下载业务，待速率稳定后记录log，记录下行RSRP、SINR、吞吐量、MCS等信息。附近基站为老年活动中心3小区，F频段PCI=296，D频段PCI=59，无线信息如图5所示：

图5 基站配置信息

由图6可知，峰值速率可以较稳定在203Mbps，图中的一些波动是由于来往车辆导致信道波动。

3.3 F+D载波聚合高速率路段测试

测试场景见图3。测试目的是在测试路线上寻找一段平均速率超过100Mbps的路线，使用CA终端，开始做下行Fullbuffer的FTP下载业务，待速率稳定后记录log，记录下行RSRP、SINR、吞吐量、MCS等信息。测试结果如图7所示。

由图7可知，在保俶路上，有180m的路段CA平均速率在100Mbps以上；在省府路上，有200m的路段CA平均速率在100Mbps以上。

4 总结

载波聚合技术作为LTE-Advanced标准的关键技术之一，可以有效地解决频谱的需求。它能够以非常灵活的方式实现系统带宽的扩展，从而实现更高的数据传输速率和频谱利用率。但是载波聚合在LTE-Advanced中仍然会面临挑战，还有很多问题值得进一步研究。例如在以下方面[2，3，6，8]：

（1）切换问题。在切换过程中，基站必须提供相对稳定的速率来保证服务的连续性。如果用户采用载波聚合技术，那么基站在切换过程中也要支持载波聚合技术。

（2）硬件受限问题。载波聚合在实际应用中，硬件问题是必须解决的问题。

（3）LTE-Advanced物理层设计问题。在物理层设计中，LTE-Advanced系统还要解决载波间的时间同步、频点分配以及保护带宽设计等问题。

参考文献：

[1] 程顺川，张欣，郑瑞明，等. 载波聚合技术在LTE-Advanced系统中的应用[J]. 移动通信， 2009（8）： 52-55.

[2] 鲜永菊，董灿，张祖凡，等. LTE-A载波聚合下的载波切换分析[J]. 电信科学， 2009（12）： 46-50.

[3] 徐昌彪，武岳，鲜永菊. LTE-Advanced系统中改进的载波聚合HARQ进程映射机制[J]. 重庆邮电大学学报： 自然科学版， 2010（2）： 170-173.

[4] 田金凤，郑小盈，胡宏林，等. 中国下一代移动通信研究[J]. 科学通报， 2012（5）： 299-313.

[5] 赵季红，李洋，曲桦，等. LTE-Advanced系统中基于载波聚合的联合切换方案[J]. 电信科学， 2012（6）： 33-41.

[6] 张丽娟，侯晓赟. LTE-A载波聚合技术的最新研究进展[J]. 通信技术， 2012（9）： 112-114.

[7] 郎为民，吴帆，瞿连政. LTE-Advanced载波聚合技术研究[J]. 电信快报， 2012（12）： 3-6.

[8] 赵季红，何炜扬，曲桦. LTE-Advanced中继系统基于辅助载波的协作切换算法[J]. 电信科学， 2013（8）： 108-113.

[9] 焦慧颖. LTE-Advanced关键技术及标准化进展[J]. 电信网技术， 2009（12）： 19-22.★endprint

由以上可知，在保俶路与体育场路十字路口处，音乐厅1小区的信号由于楼宇遮挡无法覆盖路面，因此这里的信号是由松木场河西F频段覆盖，这一段没有CA；在环城西路上，昌化新村信号由于楼宇遮挡无法覆盖路面，因此这一段的速率偏低。

3.2 F+D载波聚合峰值测试

下面将主要对F+D载波聚合峰值进行测试，拉网路线见图3。在测试网络中寻找一个极好点（如在省府路省政府门口西侧）进行峰值测试，即测试CA UE能够达到峰值。使用CA终端，极好点接入网络并开始做下行Fullbuffer的FTP下载业务，待速率稳定后记录log，记录下行RSRP、SINR、吞吐量、MCS等信息。附近基站为老年活动中心3小区，F频段PCI=296，D频段PCI=59，无线信息如图5所示：

图5 基站配置信息

由图6可知，峰值速率可以较稳定在203Mbps，图中的一些波动是由于来往车辆导致信道波动。

3.3 F+D载波聚合高速率路段测试

测试场景见图3。测试目的是在测试路线上寻找一段平均速率超过100Mbps的路线，使用CA终端，开始做下行Fullbuffer的FTP下载业务，待速率稳定后记录log，记录下行RSRP、SINR、吞吐量、MCS等信息。测试结果如图7所示。

由图7可知，在保俶路上，有180m的路段CA平均速率在100Mbps以上；在省府路上，有200m的路段CA平均速率在100Mbps以上。

4 总结

载波聚合技术作为LTE-Advanced标准的关键技术之一，可以有效地解决频谱的需求。它能够以非常灵活的方式实现系统带宽的扩展，从而实现更高的数据传输速率和频谱利用率。但是载波聚合在LTE-Advanced中仍然会面临挑战，还有很多问题值得进一步研究。例如在以下方面[2，3，6，8]：

（1）切换问题。在切换过程中，基站必须提供相对稳定的速率来保证服务的连续性。如果用户采用载波聚合技术，那么基站在切换过程中也要支持载波聚合技术。

（2）硬件受限问题。载波聚合在实际应用中，硬件问题是必须解决的问题。

（3）LTE-Advanced物理层设计问题。在物理层设计中，LTE-Advanced系统还要解决载波间的时间同步、频点分配以及保护带宽设计等问题。

参考文献：

[1] 程顺川，张欣，郑瑞明，等. 载波聚合技术在LTE-Advanced系统中的应用[J]. 移动通信， 2009（8）： 52-55.

[2] 鲜永菊，董灿，张祖凡，等. LTE-A载波聚合下的载波切换分析[J]. 电信科学， 2009（12）： 46-50.

[3] 徐昌彪，武岳，鲜永菊. LTE-Advanced系统中改进的载波聚合HARQ进程映射机制[J]. 重庆邮电大学学报： 自然科学版， 2010（2）： 170-173.

[4] 田金凤，郑小盈，胡宏林，等. 中国下一代移动通信研究[J]. 科学通报， 2012（5）： 299-313.

[5] 赵季红，李洋，曲桦，等. LTE-Advanced系统中基于载波聚合的联合切换方案[J]. 电信科学， 2012（6）： 33-41.

[6] 张丽娟，侯晓赟. LTE-A载波聚合技术的最新研究进展[J]. 通信技术， 2012（9）： 112-114.

[7] 郎为民，吴帆，瞿连政. LTE-Advanced载波聚合技术研究[J]. 电信快报， 2012（12）： 3-6.

[8] 赵季红，何炜扬，曲桦. LTE-Advanced中继系统基于辅助载波的协作切换算法[J]. 电信科学， 2013（8）： 108-113.

[9] 焦慧颖. LTE-Advanced关键技术及标准化进展[J]. 电信网技术， 2009（12）： 19-22.★endprint

由以上可知，在保俶路与体育场路十字路口处，音乐厅1小区的信号由于楼宇遮挡无法覆盖路面，因此这里的信号是由松木场河西F频段覆盖，这一段没有CA；在环城西路上，昌化新村信号由于楼宇遮挡无法覆盖路面，因此这一段的速率偏低。

3.2 F+D载波聚合峰值测试

下面将主要对F+D载波聚合峰值进行测试，拉网路线见图3。在测试网络中寻找一个极好点（如在省府路省政府门口西侧）进行峰值测试，即测试CA UE能够达到峰值。使用CA终端，极好点接入网络并开始做下行Fullbuffer的FTP下载业务，待速率稳定后记录log，记录下行RSRP、SINR、吞吐量、MCS等信息。附近基站为老年活动中心3小区，F频段PCI=296，D频段PCI=59，无线信息如图5所示：

图5 基站配置信息

由图6可知，峰值速率可以较稳定在203Mbps，图中的一些波动是由于来往车辆导致信道波动。

3.3 F+D载波聚合高速率路段测试

测试场景见图3。测试目的是在测试路线上寻找一段平均速率超过100Mbps的路线，使用CA终端，开始做下行Fullbuffer的FTP下载业务，待速率稳定后记录log，记录下行RSRP、SINR、吞吐量、MCS等信息。测试结果如图7所示。

由图7可知，在保俶路上，有180m的路段CA平均速率在100Mbps以上；在省府路上，有200m的路段CA平均速率在100Mbps以上。

4 总结

载波聚合技术作为LTE-Advanced标准的关键技术之一，可以有效地解决频谱的需求。它能够以非常灵活的方式实现系统带宽的扩展，从而实现更高的数据传输速率和频谱利用率。但是载波聚合在LTE-Advanced中仍然会面临挑战，还有很多问题值得进一步研究。例如在以下方面[2，3，6，8]：

（1）切换问题。在切换过程中，基站必须提供相对稳定的速率来保证服务的连续性。如果用户采用载波聚合技术，那么基站在切换过程中也要支持载波聚合技术。

（2）硬件受限问题。载波聚合在实际应用中，硬件问题是必须解决的问题。

（3）LTE-Advanced物理层设计问题。在物理层设计中，LTE-Advanced系统还要解决载波间的时间同步、频点分配以及保护带宽设计等问题。

参考文献：

[1] 程顺川，张欣，郑瑞明，等. 载波聚合技术在LTE-Advanced系统中的应用[J]. 移动通信， 2009（8）： 52-55.

[2] 鲜永菊，董灿，张祖凡，等. LTE-A载波聚合下的载波切换分析[J]. 电信科学， 2009（12）： 46-50.

[3] 徐昌彪，武岳，鲜永菊. LTE-Advanced系统中改进的载波聚合HARQ进程映射机制[J]. 重庆邮电大学学报： 自然科学版， 2010（2）： 170-173.

[4] 田金凤，郑小盈，胡宏林，等. 中国下一代移动通信研究[J]. 科学通报， 2012（5）： 299-313.

[5] 赵季红，李洋，曲桦，等. LTE-Advanced系统中基于载波聚合的联合切换方案[J]. 电信科学， 2012（6）： 33-41.

[6] 张丽娟，侯晓赟. LTE-A载波聚合技术的最新研究进展[J]. 通信技术， 2012（9）： 112-114.

[7] 郎为民，吴帆，瞿连政. LTE-Advanced载波聚合技术研究[J]. 电信快报， 2012（12）： 3-6.

[8] 赵季红，何炜扬，曲桦. LTE-Advanced中继系统基于辅助载波的协作切换算法[J]. 电信科学， 2013（8）： 108-113.

[9] 焦慧颖. LTE-Advanced关键技术及标准化进展[J]. 电信网技术， 2009（12）： 19-22.★endprint