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)上針對運(yùn)營商LTE FDD協(xié)同部署過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題提出了建議，最后通過實(shí)驗(yàn)室測試，量化分析了TD-LTE和LTE FDD載波聚合在不同場景的性能。

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)，在國內(nèi)外運(yùn)營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)國家部署了95張TD-LTE商用網(wǎng)絡(luò)，其中有32家運(yùn)營商同時(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)對于TD-LTE和LTE FDD載波聚合部署過程中的相關(guān)參數(shù)配置提出一定的挑戰(zhàn)。此外在TD-LTE部署過程中，還需要考慮TD-LTE與LTE FDD不共站且不具備光纖直連場景（如燈桿站，小靈通利舊站等）對于載波聚合部署所帶來的挑戰(zhàn)。

本文接下來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，并針對運(yùn)營商在部署載波聚合所面臨的問題進(jìn)行分析，最后通過實(shí)驗(yàn)室測試驗(yàn)證理想回傳和非理想回傳場景的TD-LTE和LTE FDD載波聚合性能，為未來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。特別對于在單個(gè)pTAG的TDD/FDD小區(qū)，要求UE的發(fā)射子幀邊界對齊，對于在單個(gè)STAG的TDD/FDD小區(qū)，要求UE的NTA為624 Ts。

（3）HARQ定時(shí)：對于FDD作為主載波、TDD為輔載波的場景，無論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。對于TDD為主載波、FDD為輔載波的場景，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)。針對上述問題，在Rel-14階段，3GPP對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，具體過程如圖1和圖2所示。

針對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)營商的部署需求對多個(gè)LTE FDD聚合場景下的設(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

題分析

本章接下來將分析運(yùn)營商LTE FDD協(xié)同部署過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RRC信令來指示終端完成的[7]，根據(jù)是否需要測量輔助信息，一般分為基于盲配添加輔載波和基于測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量過程，輔載波配置時(shí)間更短，對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，建議采用基于測量來進(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)到良好的市場宣傳效應(yīng)是運(yùn)營商需要解決的問題[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，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)問題，其中一種解決方案是維持8個(gè)進(jìn)程數(shù)，延長RTT時(shí)長，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

我們在實(shí)驗(yàn)室中對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層吞吐量對比結(jié)果。從結(jié)果可以看出，B3+B1雙載波系統(tǒng)通過聚合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)室測試了理想回傳場景下，4類終端在相同無線環(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)度策略對小區(qū)總吞吐量無影響。

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

對于非理想回傳場景，對B3+B41載波聚合場景中單用戶的五種典型位置進(jìn)行了下行吞吐量測試，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 非理想回傳相對于理想回傳增益對比

以上測試驗(yàn)證了通過聚合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景可以部署基于IP RAN的載波聚合。

5 結(jié)束語

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)營商可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況，在熱點(diǎn)區(qū)域針對性地部署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載波聚合部署過程中面臨的問題，并通過實(shí)驗(yàn)室測試，量化分析了TDD/FDD載波聚合在理想回傳場景和非理想回傳場景的性能，為未來TDD/FDD載波聚合部署工作提供了一定的參考意見。

參考文獻(xiàn)：

[1] GSA. 4G Market and Technology Update[Z]. 2017.

[2] 3GPP TR 36.847. Study on LTE Tim Division Duplex（TDD）–Frequency Division Duplex（FDD） joint operation including Carrier Aggregation（CA）[S]. 2015.

[3] 3GPP TR 36.851. E-UTRA inter-band Carrier Aggregation[S]. 2015.

[4] 3GPP. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA） and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network（E-UTRAN）[S]. 2015.

[5] 趙冬，許森，孫震強(qiáng). LTE TDD-FDD混合組網(wǎng)中的載波聚合技術(shù)[J]. 電信技術(shù)， 2015（2）： 15-18.

[6] 3GPP RP-162137. Summary for WI： SRS （sounding reference signal） switching between LTE component carriers[S]. 2015.

[7] 3GPP TS36.331. Radio Resource Control（RRC） protocol specification[S]. 2015.

[8] 黃蓉，李福昌. 中國聯(lián)通載波聚合部署方案研究[J]. 郵電設(shè)計(jì)技術(shù)， 2016（4）： 17-21.

[9] 陳強(qiáng). 載波聚合下的資源調(diào)度研究[D]. 成都： 電子科技大學(xué)， 2014.

[10] 許森，張光輝，劉晴. 基于雙連接的TD-LTE和LTE FDD融合組網(wǎng)[J]. 電信技術(shù)， 2015（2）： 28-31.