陳其銘, 陳劭純, 張炎炎, 姚鍵

(1 中國移動通信集團廣東有限公司，廣州 510000; 2 中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080)

TD-LTE異構網(wǎng)中載波聚合應用研究

陳其銘1, 陳劭純1, 張炎炎2, 姚鍵2

(1 中國移動通信集團廣東有限公司，廣州 510000; 2 中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080)

異構網(wǎng)可以解決未來網(wǎng)絡覆蓋、容量需求問題，同時載波聚合作為一種成熟技術，可有效提高峰值速率、改善負載均衡。為研究載波聚合在宏小區(qū)、微小區(qū)共存的異構網(wǎng)中的應用問題，本文測試了宏/微小區(qū)間載波聚合的性能，如峰值速率、移動性能等，并與宏小區(qū)間載波聚合進行對比，提出了宏/微小區(qū)間載波聚合的應用建議。

4G演進；異構網(wǎng)；載波聚合

自第一代蜂窩無線通信網(wǎng)絡以來，以宏站為主要構成的同構網(wǎng)規(guī)劃建設路徑延續(xù)至今。同構網(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、相近的服務用戶數(shù)與QoS等特征，同時其建設較依賴于前期規(guī)劃，因而無法快速適應城市新建筑的產(chǎn)生、用戶流動等帶來的射頻傳播環(huán)境改變、分布不均勻業(yè)務熱點需求等，而城市中居民區(qū)宏站選址的困難也為其帶來挑戰(zhàn)。

異構網(wǎng)（HetNet）是由3GPP組織定義的新網(wǎng)絡架構，其核心特點是引入了功率約100 mW至2 W的低功率節(jié)點（LPN），包括微站、皮站、飛站、Relay。低功率節(jié)點可靈活部署于同構網(wǎng)中的覆蓋空洞、新增的業(yè)務熱點，3GPP圍繞低功率節(jié)點進行了一系列技術的標準化制定，其目標是適應大容量、全覆蓋需求的未來網(wǎng)絡，可以彌補宏站在深度覆蓋與熱點覆蓋上的不足，滿足未來業(yè)務需求。

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。在異構網(wǎng)階段，如何合理應用CA，提高異構網(wǎng)網(wǎng)絡質(zhì)量，對未來網(wǎng)絡運營具有重要意義。

1 宏微載波聚合

1.1 載波聚合簡介

CA可提升單用戶上下行可用帶寬，從而提升峰值速率，同時保證對于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，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)絡重點關注的技術，根據(jù)GSA網(wǎng)站統(tǒng)計，截至2016年8月已有147個LTE網(wǎng)絡部署CA，1月統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示CAT11終端上已測得600 Mbit/s峰值速率，86個LTE網(wǎng)絡啟動CAT6 CA系統(tǒng)，其中44個報道可達到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，很多主流手機均已具備支持CA的能力。

對于未來超清視頻、虛擬現(xiàn)實等高峰值速率需求業(yè)務，考慮技術成熟度、部署成本與終端情況，CA預期成為未來必然部署的關鍵技術。

1.2 宏小區(qū)間載波聚合

宏小區(qū)CA是協(xié)議規(guī)定的典型應用場景，在協(xié)議各TR測試內(nèi)已驗證了宏小區(qū)CA的可行性與穩(wěn)定性，同時，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對輔小區(qū)、輔載波的激活與去激活機制，降低了UE在小區(qū)內(nèi)移動的電池消耗。

1.3 宏/微小區(qū)間載波聚合

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

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

（2）提高熱點區(qū)域吞吐量，吸收業(yè)務。

（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仍需要進一步研究與驗證。

（1）宏/微小區(qū)間CA是否能達到理論增益需待驗證。

（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，由于宏站信號較弱，此時UE所獲得的峰值速率增益需要驗證。

（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），宏站信號可能對微站產(chǎn)生干擾，造成切換等問題，此時的載波聚合性能需要驗證。

本文主要以上述問題為出發(fā)點，并從兩個維度展開研究：一是宏/微小區(qū)間CA的性能驗證，二是宏/微小區(qū)間 CA的性能對比，最后從測試結果提出宏/微小區(qū)間CA的應用場景建議。

2 宏/微小區(qū)間載波聚合性能測試

由于載波聚合應用需要理想傳輸時延（200 us），受到傳輸時延限制，現(xiàn)網(wǎng)部署時，采用微RRU拉遠的方式進行微站部署。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)采用相同時隙配置。文章選取密集城區(qū)場景進行測試，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°。中差點選點原則為信噪比在好點大22 dB，中點10～20 dB，差點-2～8 dB。

2.1 單用戶定點速率測試

選取重疊覆蓋區(qū)域內(nèi)的好、中、差點，對單用戶性能進行測試。宏/微小區(qū)間CA開啟相比關閉時，目標覆蓋區(qū)域用戶峰值速率提升明顯。

在好點（宏微均好點），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（宏微均中差點），此時宏微站由于信道條件差，無法達到理論峰值，但均可不同程度地體現(xiàn)宏微CA增益，其增益分別達到83%、41%，測試結果如表1所示。

2.2 切換成功率與負載均衡測試

宏微CA開啟后，如圖1所示，移動用戶切換掉坑現(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，用戶僅可通過普通的駐留和負荷均衡策略進行宏微負荷分擔，小區(qū)載波間負荷較不均衡，CA開啟有利于小區(qū)載波間負荷分布均勻，載波資源可得到有效利用。測試結果如表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利用率均可達到90%以上。測試數(shù)據(jù)表明由于載波聚合的負載均衡作用，微站對用戶流量進行了有效吸收。

表1 單用戶CA開啟/關閉對比

2.3 小結

測試結果顯示，在近點，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，用戶體驗將得到明顯提升，在差點亦有41%增益。對小區(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。我們在與第2節(jié)所述的相同測試區(qū)域進行了兩種方案對比測試，主要對比定點速率、移動場景速率兩個方面。

3.1 速率對比測試

圖1 載波聚合關閉（左）/開啟（右）切換與速率性能對比

表2 載波聚合關閉/開啟負載均衡對比

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較高。在小區(qū)指標統(tǒng)計方面，兩種方案在好點吞吐量相當，在差點方案2吞吐量則獲得超過120%增益，優(yōu)于方案1，我們認為主要原因微站部署于弱覆蓋位置。

3.2 移動場景速率對比

本測試選取宏站與LPN重疊覆蓋區(qū)的路線，由LPN好點步行移動至差點，對其移動性能進行對比測試，由圖2可見，由于微站針對宏站弱覆蓋的中差點進行部署，故方案2在RSRP、SINR覆蓋指標上均明顯優(yōu)于方案1。

表3 方案1/2定點速率對比

圖2 移動下RSRP、SINR對比

3.3 小結

上述測試結果顯示，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)勢明顯，在宏站覆蓋較好區(qū)域則增益不明顯。同時，在移動場景下，宏/微小區(qū)間CA在吞吐量、RSRP、SINR指標顯著優(yōu)于宏小區(qū)間CA，這主要歸因于微站對弱覆蓋區(qū)域的近距離覆蓋。

4 宏微載波聚合應用場景及部署建議

由第3節(jié)測試可見，對于宏站弱覆蓋區(qū)域，部署微站并開啟CA在吞吐量與覆蓋等指標上效果良好，據(jù)此，我們從兩個方面考慮宏微CA的應用場景。

4.1 宏微載波聚合組網(wǎng)應用建議

3GPP協(xié)議36.300提出了5種載波聚合的組網(wǎng)應用場景，其中包括3種宏站應用場景與兩種宏微間應用場景。協(xié)議的宏微應用場景中，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，擴展異頻小區(qū)覆蓋范圍，與宏站采用帶間CA，對于協(xié)議的此兩種組網(wǎng)場景建議開啟宏微CA。

除上述兩種協(xié)議建議場景外，結合測試結果，對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)覆蓋的同時可較大改善該區(qū)域用戶體驗。

4.2 宏微載波聚合場景應用建議

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小區(qū)場景。對于現(xiàn)網(wǎng)4G網(wǎng)絡，城區(qū)基本實現(xiàn)了F頻段連續(xù)覆蓋，D頻段熱點覆蓋，但對于郊區(qū)、農(nóng)村等區(qū)域，由于業(yè)務需求相對較小，基本為F頻段單層網(wǎng)覆蓋。根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)狀況，我們對應用場景有如下建議。

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

（2）對于郊區(qū)、農(nóng)村等僅存在單層覆蓋網(wǎng)，業(yè)務需求不大的場景，缺乏CA開啟網(wǎng)絡覆蓋基礎，且不建議為開啟CA新部署站點。

4.3 宏微載波聚合實施與工程因素分析建議

CA僅需后臺軟件操作即可開啟，在具體使用過程中，應注意檢查設備版本是否支持并進行軟件版本升級。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）應精準化微小站的規(guī)劃建設，確保目標覆蓋區(qū)域獲得重疊覆蓋，從而獲得CA增益。

（2）對于需要采取多個微站進行面積較大的覆蓋盲區(qū)、 弱覆蓋區(qū)域、熱點區(qū)域覆蓋時，應評估宏微載波聚合、微微載波聚合能效，選取能效較高方案。對于多個微站共同覆蓋的區(qū)域時建議采取微微載波聚合，對于多個微站重疊覆蓋區(qū)較小，但在宏站覆蓋范圍內(nèi)時，建議采取宏微載波聚合。

5 總結

本文對異構網(wǎng)下宏微CA的性能進行了測試，并對比了宏小區(qū)間CA與宏/微小區(qū)間CA性能，對吞吐量、下行速率、切換成功率、移動場景下行速率等關鍵指標進行了測試。

測試結果表明，宏/微小區(qū)間CA在未來異構網(wǎng)中可充分發(fā)揮性能，在好點增益可接近理論值，在中差點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、負載均衡，因此，對于異構網(wǎng)中的邊緣或業(yè)務熱點區(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)絡質(zhì)量與用戶體驗的有效方案。

基于測試結果，我們建議宏微CA應用于如下場景。

在城區(qū)宏站覆蓋邊緣的熱點、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，對話務熱點的容量提升效果優(yōu)于宏基站上新增載波。在業(yè)務熱點區(qū)域，利用微站覆蓋面積小的特點，可在一個宏站扇區(qū)下部署多個微站進行熱點覆蓋，微站間進行同頻復用，并同時與宏站進行載波聚合，可較好吸收區(qū)域業(yè)務流量。同時，部署宏微CA應注意評估場景應用宏微CA的必要性，應進行微站的精細規(guī)劃建設，充分發(fā)揮CA效能。

[1]Lopez-Perez D, Guvenc I, De l R G, et al. Enhanced intercell interference coordination challenges in heterogeneous networks[J]. Wireless Communications IEEE, 2011, 18(3):22-30.

[2]Ghosh A, Zhang J, Andrews J G, et al. Fundamentals of LTE[M]. Prentice Hall Press, 2010.

[3]周渝霞. LTE-Advanced系統(tǒng)中的載波聚合技術的研究綜述[J].電子質(zhì)量, 2009(9):37-40.

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