陳飛 中國移動(dòng)通信集團(tuán)福建有限公司福州分公司

LTE-Advanced載波聚合技術(shù)研究

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由于移動(dòng)通信的快速發(fā)展，市場(chǎng)不斷提出更高的需求和更多的應(yīng)用，為滿足高峰值速率和長頻率帶寬的要求，文章通過引入載波聚合技術(shù)，在不對(duì)現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行大改動(dòng)的前提下，將離散的頻譜資源整合在一起，獲得類似連續(xù)帶寬所帶來的最大頻譜利用率，實(shí)現(xiàn)上下行峰值速率的極大提高，并確保用戶移動(dòng)切換業(yè)務(wù)和原有網(wǎng)絡(luò)覆蓋不受影響。

LTE-Advanced 載波聚合

由于移動(dòng)通信的快速發(fā)展，市場(chǎng)不斷提出更高的需求和更多的應(yīng)用，為了滿足市場(chǎng)需求提出了LTE-Advanced，它是LTE的演進(jìn)并保持對(duì)LTE較好的后向兼容性，因此可以對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)支持LTE-Advanced，通過較低成本實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的服務(wù)升級(jí)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)LTE-Advanced在低移動(dòng)速率下，上下行峰值速率分別可達(dá)到 500Mbit/s 和1Gbit/s，為了支持這樣的峰值速率，需要具備較長的頻率帶寬。由于目前LTE在具有頻率靈活性的同時(shí)，也帶來了頻譜過于分散，整體頻譜利用率較低的問題。作為LTE-Advanced的關(guān)鍵技術(shù)之一，載波聚合能夠在不對(duì)現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行大改動(dòng)的前提下，將離散的頻譜資源整合在一起，通過將多個(gè)LTE載波聚合起來形成更大的帶寬，獲得類似連續(xù)帶寬所帶來的最大頻譜利用率，實(shí)現(xiàn)上下行峰值速率的極大提高，并確保用戶移動(dòng)切換業(yè)務(wù)和原有網(wǎng)絡(luò)覆蓋不受影響。

1 LTE-Advanced關(guān)鍵技術(shù)

LTE-Advanced主要關(guān)鍵技術(shù)包括載波聚合、CoMP、增強(qiáng)型MIMO及中繼技術(shù)，其中載波聚合指在LTEAdvanced系統(tǒng)中，使用的頻率帶寬是由兩個(gè)或者兩個(gè)以上的載波單元組成，用以滿足LTE-Advanced技術(shù)規(guī)范所定義帶寬。CoMP即多點(diǎn)協(xié)作傳輸技術(shù)，它的主要目的是為了提升邊緣小區(qū)用戶吞吐量及小區(qū)平均吞吐量，并改善小區(qū)間的切換性能，提升終端接收功率。增強(qiáng)型MIMO，即LTEAdvanced針對(duì)LTE干擾嚴(yán)重的問題，在不降低頻譜利用率的條件下對(duì)上下行MIMO都進(jìn)行了增強(qiáng)。中繼技術(shù)是指在基站和終端的傳輸鏈路之間增加一個(gè)或者多個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā)，無線信號(hào)經(jīng)過多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到達(dá)終端。本文利用載波聚合技術(shù)在有限的頻譜資源條件下，實(shí)現(xiàn)LTE-Advanced中的高速率指標(biāo)要求。

2 載波聚合技術(shù)介紹

2.1 載波聚合小區(qū)類型

在載波聚合系統(tǒng)中，將同時(shí)為一個(gè)終端服務(wù)的多個(gè)載波單元分為主載波單元（PCC）和輔載波單元（SCC），主載波單元對(duì)應(yīng)的小區(qū)稱為主小區(qū)，它繼承LTE服務(wù)小區(qū)的全部功能，輔載波對(duì)應(yīng)的小區(qū)稱為輔小區(qū)，僅承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸功能。主小區(qū)和輔小區(qū)是從用戶終端的角度來說的，用戶終端接入的小區(qū)即為主小區(qū)。主小區(qū)包含上行載波單元和下行載波單元，輔小區(qū)只有下行載波單元。

2.2 載波聚合分類

載波聚合可以分為以下三類：頻段內(nèi)連續(xù)載波聚合，即聚合的載波單元位于同一頻段并且是連續(xù)的；頻段內(nèi)非連續(xù)載波聚合，即聚合的載波單元位于同一頻段，利用至少兩個(gè)在頻段上不連續(xù)的載波單元進(jìn)行聚合，當(dāng)在頻段內(nèi)存在非連續(xù)頻譜資源時(shí)需要采用該方案；頻段間載波聚合，即聚合的載波單元位于不同頻段。該聚合方式要求終端具有多條射頻收發(fā)鏈路，并且該方案存在互調(diào)干擾問題。

2.3 載波聚合部署場(chǎng)景

下圖列出了主要的載波聚合部署場(chǎng)景，假設(shè)對(duì)兩個(gè)載波單元進(jìn)行聚合。實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)出現(xiàn)更多載波單元聚合的情況，可以將多種場(chǎng)景組合的方案。

圖1 載波聚合部署場(chǎng)景

在場(chǎng)景一下，每個(gè)基站的天線配置一致，每個(gè)載波單元功率和覆蓋方向相同，因此每個(gè)載波具有相同的覆蓋范圍；在場(chǎng)景二下，低頻段載波的覆蓋能力高于高頻段載波，或者相同頻段的載波單元分配的功率不同，導(dǎo)致每個(gè)載波的覆蓋范圍不同，兩者之間存在包含關(guān)系；在場(chǎng)景三下，將每個(gè)扇區(qū)分裂為多個(gè)扇區(qū)從而擴(kuò)大小區(qū)容量，每個(gè)載波的覆蓋方向不同；在場(chǎng)景四下，宏基站的載波單元提供廣覆蓋，拉遠(yuǎn)射頻單元的載波單元提供熱點(diǎn)區(qū)域的覆蓋，這種場(chǎng)景下需要確保宏站小區(qū)與拉遠(yuǎn)射頻單元小區(qū)采用相同的載波聚合方式；在場(chǎng)景五下，它是場(chǎng)景二和場(chǎng)景四的結(jié)合，使用載波聚合也需要確保覆蓋范圍重疊區(qū)域的用戶獲得高吞吐量。

2.4 載波聚合設(shè)計(jì)原則

首先，載波聚合設(shè)計(jì)需要考慮后向兼容性，LTEAdvanced終端使用多個(gè)載波單元進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的同時(shí)，根據(jù)LTE-Advanced系統(tǒng)的有關(guān)配置，LTE終端可以在其中的某一個(gè)載波單元上收發(fā)信息，LTE-Advanced每個(gè)載波單元和LTE系統(tǒng)的相同。其次，載波聚合需要協(xié)議影響最小化，目前采用在MAC層聚合的方式，使用與LTE相同的物理層，每個(gè)載波單元都有獨(dú)立的HARQ進(jìn)程，可以使用獨(dú)立的鏈路自適應(yīng)技術(shù)。最后，載波聚合需要控制過程改動(dòng)最小，目前載波聚合后的小區(qū)相關(guān)信令流程與LTE相似，改動(dòng)不大。

3 載波聚合硬件改造及測(cè)試驗(yàn)證

3.1 硬件改造方案

當(dāng)前LTE宏基站的配置一般來說為S111，如果要開啟載波聚合功能，配置需要更改為S222，硬件上要做一定的改造。以大唐的主設(shè)備為例，其基帶板需要更改成雙BPOH配置，因此如果前期基站使用的基帶板是BPOG，需要在更換原有一塊BPOG為BPOH基帶板的基礎(chǔ)上再新增一塊BPOH。

在進(jìn)行不同頻段的載波聚合時(shí)，由于D頻段和F頻段的覆蓋范圍不同，為了保證兩者小區(qū)的覆蓋范圍一致達(dá)到測(cè)試需求，D頻段三個(gè)小區(qū)的天線需要參考F頻段的天線方位角、電子下傾角、機(jī)械下傾角及天線掛高，進(jìn)行一定的調(diào)整。此時(shí)還需要考慮到D頻段與F頻段的頻率偏置問題，在后臺(tái)網(wǎng)管將兩者設(shè)置相同。

3.2 性能測(cè)試驗(yàn)證

首先進(jìn)行載波聚合對(duì)速率的提升效果驗(yàn)證，下圖分別是在覆蓋差點(diǎn)和好點(diǎn)下，關(guān)閉/開啟載波聚合平均下載吞吐量對(duì)比圖，可以看出，開啟載波聚合后在覆蓋好點(diǎn)和差點(diǎn)速率均有100%以上的提升。

圖2 關(guān)閉/打開CA平均下載吞吐量對(duì)比圖

其次，進(jìn)行切換的驗(yàn)證工作，結(jié)果如下圖，從測(cè)試結(jié)果來看，開啟載波聚合后主測(cè)小區(qū)與相鄰站點(diǎn)小區(qū)、主測(cè)小區(qū)D1與D2之間進(jìn)行切換出切換入測(cè)試，切換正常。

圖3 切換測(cè)試結(jié)果

圖4 開啟/關(guān)閉CA測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語

綜上所述，載波聚合技術(shù)能夠在不對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行較大改動(dòng)的基礎(chǔ)上，利用有限的頻譜資源實(shí)現(xiàn)速率的有效提升，并保持用戶移動(dòng)切換業(yè)務(wù)能夠正常使用及原有網(wǎng)絡(luò)覆蓋不受影響，給用戶感知帶來極大的改善，將在未來的移動(dòng)通信中發(fā)揮重要作用。

[1] 張麗娟，LTE-Advanced中機(jī)會(huì)載波聚合技術(shù)的研究。南京郵電大學(xué)，2013。

[2] 伉沛川，LTE-A載波聚合關(guān)鍵技術(shù)研究。北京郵電大學(xué)，2012。