黃慶濤，李路鵬，陳曉冬

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

1 引言

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

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。

本文接下來將主要研究三載波聚合技術(shù)，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)分析三載波聚合技術(shù)在定點速率、路測、時延及用戶調(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LTE載波聚合的服務小區(qū)定義了主載波小區(qū)PCell和輔載波小區(qū)SCell，每個UE僅有一個PCell，其他所有載波來自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)生的無線鏈路失敗會觸發(fā)RRC連接重建，而SCell上產(chǎn)生的無線鏈路失敗不會觸發(fā)RRC重建。載波聚合對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行傳輸，各個載波MAC層的數(shù)據(jù)面獨立調(diào)度，有各自獨立的傳輸信道，對應一個專用和獨立的HAQR實體，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：基于測量和盲增加?；跍y量增加/刪除輔載波指輔載波信號滿足A4事件，eNB觸發(fā)增加輔載波；輔載波信號滿足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，無需測量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）預測下x TTI中無法發(fā)送完成，則激活一個載波，激活一個輔載波后，若預測下x TTI中仍然無法發(fā)送完成，則繼續(xù)激活下一個輔載波；（2）預測下x TTI中可發(fā)送完成，且持續(xù)一定時間，則去激活一個載波。通過配置不同的x值，可以調(diào)整輔載波的激活門限。另外，也有廠家采用判斷寄存器緩存空間（Buffer Length）以及首包時延（First Packet Delay）的算法來激活/去激活輔載波的。表1是某設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角度來講，輔載波的頻繁激活/去激活會增加UE對信號的檢測，增大耗電，所以建議在有多個輔載波時，優(yōu)先激活帶寬大的輔載波；同時在判斷激活第二個輔載波前，可以增加一個時間遲滯。

與非CA系統(tǒng)相比，載波聚合在業(yè)務態(tài)切換的過程中多了一個輔載波的信息，又可以分為帶輔載波切換與不帶輔載波切換。舉個例子，三載波切換三載波狀態(tài)下，帶輔載波切換會經(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小區(qū)的時候同時添加輔載波，而不是先切換目標小區(qū)的主載波，隔段時間再激活另外的輔載波，這樣使得帶輔載波切換在切換時延上稍短，同時業(yè)務速率上不會出現(xiàn)毫秒級的掉速現(xiàn)象。

CA系統(tǒng)一個載頻在一個eNB上可配置三個小區(qū)，在小區(qū)相鄰邊界上，由于實際傳播環(huán)境等物理因素，往往存在鄰小區(qū)輔載波信號更好的情況，特別是共站建設補充覆蓋的場景，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點移動至B點，主載波f1不發(fā)生切換的同時，會更新信號較好的輔載波f2。LTE支持本小區(qū)主載波聚合鄰小區(qū)輔載波的功能，移動過程通過觸發(fā)A6事件實現(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 三載波聚合試驗分析

試驗場景選取在重慶市潼南區(qū)柏梓鎮(zhèn)，區(qū)域為南北走向，中部為中心場鎮(zhèn)，建筑物密集，站間距1200 m，如圖5（a）；試驗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）?？紤]到現(xiàn)網(wǎng)LTE的瓶頸在于下行吞吐率受限，故本次試驗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PCell工作在較低的頻段上時保證維持連接，同時調(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值的低頻資源。

圖6（a）是三載波下行定點速率，3CC擁有40 M帶寬，可以看出近點峰值為296.36 Mbit·s-1，接近理論值300 Mbit·s-1；中遠點的速率也是相當可觀。路測覆蓋上，3CA終端相對于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），共站建設時，800M邊緣覆蓋性能比1.8G/2.1G好，故邊緣增益比平均增益大。

三載波聚合一個需要重點考慮問題是弱覆蓋區(qū)域的增益，800M載波具備天然的覆蓋優(yōu)勢，在覆蓋邊緣，3CA終端在主載波為800M的同時，還可以充分利用1.8G和2.1G的資源進行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)域的速率對比增益試驗分析，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400%以上；A2門限值越高，主載波越容易切換到800M，增益值越高。X2切換、站間S1切換，總體切換時延的趨勢是站內(nèi)＜站間（X2）＜站間（S1），考慮3CA切換3CA，帶輔載波切換時延明顯小于不帶輔載波切換時延，基于測量增加輔載波時延大于盲增加輔載波時延。

圖5 三載波試驗場景與試驗頻段

圖6 三載波路測速率增益

然而盲增加算法時延雖稍短，但在1.8G/2.1G弱覆蓋區(qū)域，當800M做主載波時，在輔載波信號低于刪輔載波門限時易導致輔載波頻繁增刪，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，會導致頻繁激活/去激活輔載波，造成資源浪費，所以建議基站側(cè)采用基于測量增加/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)度問題上，不同設備商廠家有不同的算法，從公平調(diào)度到最大差異化調(diào)度設置不同等級，逐漸傾向CA終端。公平調(diào)度把CA終端當成一個普通終端來分配資源，最大差異化則是把CA終端當成多個普通終端來分配資源（如3CA終端當成3個普通終端）。表6是某廠家調(diào)度算法的測試結(jié)果，可以看出等級1是

表2 1.8G/2.1G弱覆蓋區(qū)域

載波聚合的時延性能主要包括：主被叫時延、Ping時延、切換時延。CA系統(tǒng)相比非CA系統(tǒng)，除了主載波建立時延，另外需要添加輔載波信息，所以時延會稍高一些。試驗數(shù)據(jù)分析如表3至表5所示。主被叫主載波建立時延約為65 ms，含輔載波增加時延約為100 ms；Ping包小業(yè)務沒有達到輔載波激活門限，CA系統(tǒng)與非CA系統(tǒng)時延相當，超過1000 Bytes時Ping包要分片，故1500 Bytes時延稍長；切換時延包括站內(nèi)切換、站間公平調(diào)度，CA終端和非CA終端速率相當；等級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2、3、4介于公平和最大差異之間。運營商可根據(jù)市場策略靈活選用不同等級的調(diào)度策略。

表3 主被叫時延

表4 Ping包用戶面時延

表5 切換時延

載波聚合另一個需要關(guān)注的問題則是跨站載波聚合，即實際城市規(guī)劃中部分站址沒有800M天饋或者沒有2.1G天饋的場景，可以分為1.8/2.1G加密站場景跟1.8/2.1G邊緣站場景，如圖7所示，此時UE可以添加鄰站小區(qū)的800M/2.1G載頻作為輔載波。無論是加密站場景還是邊緣站場景，實際路測過程中開啟跨站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頻段信號的5M小帶寬，要么是鄰站2.1G頻段的微弱信號，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?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小區(qū)，在目標小區(qū)做站內(nèi)載波聚合，所以基站側(cè)開啟跨站CA功能的增益作用不大，反而會增加UE檢測信號的開銷。

表6 多用戶調(diào)度測試

圖7 跨站CA場景

4 結(jié)束語

LTE向5G演進過程中面臨頻譜碎片化和更高的網(wǎng)絡吞吐率等挑戰(zhàn)，載波聚合技術(shù)通過將離散的頻譜資源聚合起來拓展帶寬，可以有效解決這些問題。本文從原理上分析研究載波聚合的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合外場試驗數(shù)據(jù)分析了三載波聚合技術(shù)在定點速率、路測、時延及用戶調(diào)度上的性能和增益。采用低頻段800M的三載波聚合技術(shù)，可以增強覆蓋性能，提高弱覆蓋區(qū)域的用戶體驗，本文的原理研究和試驗數(shù)據(jù)能為將來網(wǎng)絡建設提供意見。

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