载波聚合特性在TD-LTE商用网络中的应用研究

王洋,刘曾怡,左成华, 李华木( 中国移动通信集团河北有限公司石家庄分公司，石家庄 0500； 中国移动通信集团四川有限公司成都分公司，成都 60000； 中国移动通信集团四川有限公司攀枝花分公司，攀枝花 67000； 4 中国移动通信集团福建有限公司泉州分公司，泉州 6000)

载波聚合特性在TD-LTE商用网络中的应用研究

王洋1,刘曾怡2,左成华2, 李华木3
(1 中国移动通信集团河北有限公司石家庄分公司，石家庄 050011；2 中国移动通信集团四川有限公司成都分公司，成都 610000；3 中国移动通信集团四川有限公司攀枝花分公司，攀枝花 617000； 4 中国移动通信集团福建有限公司泉州分公司，泉州 362000)

摘 要本文依据现阶段主流厂商功能实现情况和相关的网络现状进行了实践性研究，主要从频率配置、分量载波转化和移动性管理三方面进行现网配置研究，并提出了相应的参数设置需求，为快速部署载波聚合网络提供了借鉴意义。

关键词TD-LTE；载波聚合；应用研究

1　引言

LTE（3.9G）在国内外的商用进程均得到了重要突破：在国际上，截至2015年1季度，日、韩、瑞典、新加坡等国家的的LTE覆盖人群已超过98%，美国、加拿大、挪威等主流发达国家的覆盖人群已超过90%[1]。2012年底，TD-LTE技术在国内率先部署，2013年正式进入商用。截至2015年1季度，经过两年的业务积累和市场发展，在国内重点城市，TD-LTE网络承载的数据业务比例已经跃升到2G/3G/4G总业务量的70%；同期，FDD-LTE在商用牌照发布后，全国已有300城市以上已经部署了FDD-商用网络[2]。

在国内TD-LTE商用网络大发展和国家“互联网+”战略部署的情况下，E-UTRAN的无线带宽需求进一步扩大。3GPP在R10的36系列标准中明确了LTE-Advance（4G）的重要特性：CA（Carrier Aggregation， 载波聚合），在E-UTRAN层面进一步提升了无线带宽，将LTE的峰值速率提升到了1 Gbit/s。因此，研究LTE-Advance（4G）中载波聚合在本地化的应用显得尤为重要。

针对载波聚合技术增加的无线资源，当前研究的热点为：（1）RRC层如何为UE分配可用的CC（Componentcarrier，分量载波）； （2）媒体接入控制层（MAC）的调度[3]。

2　TD-LTE载波聚合

载波聚合技术是将LTE若干载波聚合之后形成的较宽的频带资源分配给某个用户使用，以满足带宽持续增长的需求。在3GPP R10定义的LTE-Advanced系统支持多达5个载波的聚合，最大带宽可以达到5×20 MHz，相应的无线速率可达1 Gbit/s[4]。CA下的分量载波与单载波LTE系统支持的载波类型相同，因此，对于不支持CA技术的Rel8/9的终端来说，识别的聚合载波与Rel8的载波相同。对于具有CA能力的R10终端来说，CA小区下将显著提升传输速率。通常来说，CA中的载波在频域不必是连续的，分为带内

（intra-band）聚合和带间（inter-band）聚合，这使碎片化频谱资源利用率得到了提升，尤其是TD-LTE不需要成对的频谱资源，其利用效率更高[5]。对于运营商来说，高效利用昂贵和稀缺的频谱资源显得尤为重要；而对于用户来说，更换R10版本的手机在CA下可以获得成倍提升的业务体验。

2.1载波聚合本地化模式

3GPP在Release 10（TR 36.913）正式引入CA，根据聚合载波所在的频带，载波聚合可以分为两种模式。

（1）带内载波聚合：将同频带内的两个在载波聚合，使一个用户在同频带的两个载波进行下行数据传输。同频带内的载波聚合分为连续和非连续的载波聚合，如图1中Scenario A与Scenario B所示。

（2）带间载波聚合：将不同频带的两个载波聚合，使一个用户在不同频带的两个载波进行下行数据传输。如图1中Scenario C所示[6]。

图1　带内带间载波聚合模式

在国内的商用网络中，使用TD-LTE带内载波聚合有先天的优势：（1）Band38/41在分配方式上，未进行对称频谱分配，而采用连续频谱分配。（2）用于室内的Band40也采用大带宽连续分配方式。图2中的Scenario A是适合于现阶段国内运营商开展CA商用的网络的主要场景。由于设备支持情况，截至2015年，主流设备厂商能够进行CA的方式主要通过共站实现。

在LTE-Advanced中，分量载波上的数据是相互独立处理的，在传输时才会进一步合并[7]。合并的方案主要有：（1）在MAC层聚合多个分量载波的数据流；（2）在物理层聚合多个分量载波的数据流[8]。3GPP最终选择了第二种方式：MAC层聚合，该方式下每个无线承载只有一个PDCP和RLC实体，RLC层无需知晓物理层的分量载波信息；MAC层将传输块（码字）独立地分配给每个分量载波，每个分量载波有各自独立的传输信道，每TTI一个TB（Transport Block）以及独立的HARQ实体和重传进程。由于分量载波之间互相独立，所以链路自适应技术也是适用于各个独立分量载波的，相应的调制编码（MCS）等也独立[9]。因此，每个分量载波上数据传输模式与LTE基本一致。

图2　国内载波聚合实现场景

2.2载波聚合调度原理

LTE-Advanced系统开启载波聚合技术后，相应的传输控制信息发生了改变。CA场景下的分量载波继承了LTE系统的传输方式，包括调制、信道编码以及多址接入。为了提升数据传输效率，CA中的上下行控制信令仍需进一步改进[7]。同时，CA场景下分量载波有主、

辅之分：主小区（Pcell，Primary Cell）工作在主频带上[10]。3GPP规定，UE在Pcell进行初始连接的建立；在切换过程中Pcell质量作为UE的驻留小区，提供PUCCH信道。辅小区（Scell，Secondary Cell）工作在辅频带上。当无线资源控制（RRC，Radio Resource Control）连接建立后，Scell的无线资源就可以被调度和利用。处于RRC-CONNECTED态的UE，如果不支持CA，则Pcell作为Serving Cell提供无线资源；如果UE支持CA，则Serving Cell包含了Pcell和Scell，该方式下Serving Cell由1个Pcell和至多4个Scell组成[11，12]；同时，Pcell负责与UE之间的RRC建立和维系连接状态，Scell通过RRC-Reconfiguration配置，配置成功后则可使用Scell的无线资源。

2.3频率设置研究

3GPP的36.808中定义在标准化的频率配置中，主要考虑：（1）在R9的协议中，100 kHz为频栅，整体的频率需要为100 kHz整数倍；（2）子载波的正交频率空间为15 kHz。因此，聚合的两个分量载波中心频点为300 kHz的整数倍。

在载波聚合时的Pcell和Scell的载波带宽均有相关要求[9]。在国内的频率分配模式下，TD-LTE主要使用Band38（2.6 GHz）和Band40（2.4 GHz）进行组合5的聚合，而Band39（1.9 GHz）的载波聚合可以使用的组合为1、2、3三种。由于Band38在现阶段已有大量的城市进行了全面的覆盖部署，因此本文主要考虑在Band38实现组合5的聚合。

在本地化配置中设定中心频点为FDL FUL；频点号NDL NUL，使用相应的EARFCN计算公式：下行：FDL=FDL_low+0.1（NDL-NOffs-DL）；上行：FUL=FUL_low+0.1（NUL-NOffs-UL）[12]。在2 575 MHz～2 595 MHz的频段使用上进行计算：EARFCN_Pcell=10×（2 595-2 575）+37 750=37 900，因此相应的Pcell主频点应配置为37 900，对应的Scell频点为EARFCN=38 098。因此，本地化的双载波聚合使用的频点通过同站配置两个EARFCN号实现双频点小区，再进行CA开启，形成能力。

3　本地化应用研究

本地化在商用网络上开启CA功能需要重点考虑频点设置、Pcell和Scell之间的启动策略和互操作策略，本文将从以下两个方面进行相关策略研究，并依据本地化band38的应用进行相关的参数设计和配置。

3.1分量载波状态转换研究

支持CA的UE在现实场景中会有3种状态：Scell未配置（网络侧完全未进行配置）、Scell配置未激活和Scell配置已激活。

Scell的频率信息需要预先配置在Pcell，如果UE支持载波聚合，eNode B将激活Scell的频率测量。利用A4和A2事件对Pcell进行管理， A4和A2事件描述与切换一致，但事件的门限是独立的。CA UE将满CA A4 RSRP门限的小区上报给eNode B，如果该小区与Pcell属于同一个CA Group，则eNode B下发RRC Connection Reconfiguration ，则该小区处于Scell配置已激活（CC Activated）态。

在现网中，如果载波管理开开启，则在CA UE的Scell去激活条件：RLC出口速率≤DeactiveThroughputThd；或RLC缓存＜DeactiveBufferLenThd，以节省UE在SCell进行盲检和收发数据的功率消耗，同时减少上行CSI（Channel State Information）反馈[13]。当CA UE的SCell的RSRP测量值低于CA A2事件RSRP的触发门限时，触发A2事件上报，eNode B 通过RRC Connection Reconfiguration将该CA UE的Scell删除。进入Scell配置未激活（CC deactivated）状态。当RLC缓存数据量＞ max （RLC出口速率 × ActiveBufferDelayThd， ActiveBufferLenThd），或者RLC 首分组时延＞ActiveBufferDelayThd时，系统会通过MAC层调度进一步进行CC的激活，进入Scell配置已激活（CC activated）态。

在低流量业务中（如网页访问、即时聊天等业务），

单载波足以满足需求。激活Scell门限需要根据业务需求进行灵活选择，本文通过分组抓取分析对不同业务的下行速率进行了统计，如图3所示。

图3　不同互联网业务下行带宽需求

由于低速率业务普遍的平均速率与峰值速率均未超过800 kbit/s（100 kB），考虑LTE的设计业务面时延小于100 ms，由于内容源带入的时延可能会增加。因此，设置Scell激活门限为：ActiveBufferLenThd=30 kB，ActiveBufferDelayThd=300 ms。在进行视频类业务时，Scell成功配置并激活；而进行低速率业务时时，Scell并未激活，CA UE保持单载波状态。

3.2Pcell与Scell移动性研究

在CC已激活的情况下，CA UE业务流程主要有以下3步：（1）CA UE在Pcell完成初始连接建立。（2）根据CA UE上报的测量结果，eNode B通过层3消息配置CA UE的Scell。（3）实时监测CA UE数据量，eNode B根据MAC CE激活或去激活Scell；移动性管理方面主要分为Pcell和Scell的选择和变更，如图4所示[14]。

从现网测试来看，网络侧将选择优先级最高的频点作为CA UE的Pcell，如果优先级相同，网络侧将选择CA UE 空闲态驻留的频点作为Pcell，此时可以通过重选优先级来选择终端的Pcell。当空闲态驻留的频点与锚定优先级最高的频点不一致时，CA UE完成E-RAB建立后，会进行一次异频切换，再配置Scell。相应的流程图如图5所示。

在主流厂商技术现阶段的技术实现中，Scell选择情况如下：当UE收到Scell优先级较高的小区时，网络侧会优先下发该小区的A4测量配置，在等待计时器超时前，如果收到该小区的A4测量报告，则网络侧优先配置该小区作为Scell CA UE，如果定时器超时，则选择下个Scell优先级小区的测量配置，等待CA UE上报该小区的测量报告，如此循环。如果同一个优先级的多个小区都满足A4测量条件，则网络选择RSRP最好的小区作为Scell配置CA UE。

3.2.1 Pcell变更的主要涉及事件定义[12]

同频A3事件算法：Mn+Ocn＞Hys+Ms+Ocs+Off

Ocn：CellIndividualOffset/小区偏移；Hys：IntraFreqHoA3Hyst/同频切换幅度迟滞；Ocs：CellSpecificOffset/服务小区偏置；Off：IntraFreq HoA3Offset/同频切换偏置。

异频A5事件算法：Mp+Hys＜Thresh1； Mn+ Ofn+Ocn-Hys＞Thresh2

Ocn：CellIndividualOffset/小区偏移；Hys：InterFreqHoA4Hyst/异频切换幅度迟滞；Ofn：QoffsetFreqConn/连接态频率偏置；Off：IntraFreqHoA3Offset/同频切换偏置。Thresh1：InterFreqHoA2ThdRsrp/异频A2 RSRP触发门限；Thresh2：InterFreqHoA4ThdRsrp/基于覆盖的异频RSRP触发门限。

图4　CC已激活态下业务建立和变更过程

图5　Pcell,Scell选择流程

系统在Pcell上面仅分配一个RRC实体给CA UE，因此处于CA状态的UE是否发生切换只与Pcell是否发生变更有关，而与Scell的状态无关。当目标Pcell与源Pcell同EARFCN时，采用Event A3作为切换判决。当目标Pcell的频点与源PCell的频点不相同时，则必须采用 Event A5。

Thresh1、Thresh2的设置会同时影响Event A4、Event A5的执行，因此需要对Thresh1、Thresh2的的设置策略进行探讨。根据Thresh1、Thresh2的大小关系分成3种情况进行讨论验证，结果如表1所示。

3.2.2 Scell变更的主要事件定义

Scell切换A6事件算法：Mn+Ocn-Hys＞Ms+Ocs+Off

其中Mn、Ms为UE测量到邻区Scell以及服务小区的Scell的RSRP，Ocn、Ocs为小区个体偏移，Off 为A6偏置量。根据TS36.331协议，如果Pcell不变，仅Scell发生变更，必须使用A6事件，且A6小区只能用于同频的Scell同频变更[14]。

由于A6中的Ocn、Ocs为共享配置参数，相对应的Hys和Off为事件专用参数，因此，为差异化相关配置流程A6需在多Scell情况下进行差异化配置。

表1　不同配置的门限区别

4　结论

本文主要研究了现阶段商用网络开启载波聚合功能的关键点，结合原理分析和现阶段网络功能实现情况，重点研究了现阶段载波聚合的频率设置，分量载波状态转换的关键点和无线状态下的Pcell和Scell转移方法。确定了相应的Scell激活门限和相应的Pcell切换的重点门限值。

参考文献

[1] 王定伟. 打造体验最佳、绝对领先的4G精品网[M]. 深圳：华为技术有限公司， 2015.6

[2] 中国互联网络发展状况统计报告[M]. 北京：中国互联网络信息中心. 2015.1

[3] 朱俊. 一种LTE MAC频选调度算法研究[D]. 西安：西安电子科技大学， 2012：5.

[4] Erik Dahlman， Stefan Parkvall， Johan Skold. 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband[M]. Elsevier Ltd， 2011.

[5] 3GPP TS 36.808 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)；Carrier Aggregation， Base Station (BS) radio transmission and reception[S].

[6] 曹亘， 张欣， 郑瑞明， 等.LTE-Advanced系统中的多载波聚合技术[J]. 现代电信科技， 2009(2).

[7] 龚明亮. 载波聚合中的无线资源管理研究[D]. 北京：北京邮电大学， 2011，12.

[8] Stefania Sesia， Issam Toufik， Matthew Baker. LTE-The UMTS Long Term Evolution： From Theory to Practice， Second Edition[M]. John Wiley&Sons， Ltd. 2011.

[9] 3GPP TS 36.321 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)，Medium Access Control (MAC) protocol specification[S].

[10] 3GPP TS 36.211 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)， Physical channels and modulation[S].

[11] 3GPP TS 36.212 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)， Multiplexing and channel coding[S].

[12] 3GPP TS 36.331 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)， Radio Resource Control (RRC)[S].

[13] 田宝玉. LTE-A中载波聚合关键技术研究[D]. 北京：北京邮电大学， 2014.

[14] Zukang Shen， Aris Papasakellariou， Juan Montojo， et al. Overview of 3GPP LTE-Advanced Carrier Aggregation for 4G Wireless communications[J]. IEEE Communications Magazine， 2012(2).

Carrier aggregation features applied research in TD-LTE commercial network

WANG Yang1, LIU Zeng-yi2, ZUO Cheng-hua3, LI Hua-mu4
(1 China Mobile Group Hebei Co., Ltd. Shijiazhuang Branch, Shijiazhuang 050021, China; 2 China Mobile Group Sichuan Co., Ltd. Chengdu Branch, Chengdu 610000, China； 3 China Mobile Group Sichuan Co., Ltd. Panzhihua Branch, Panzhihua 617000, China; 4 China Mobile Group Fujian Co., Ltd. Quanzhou Branch, Quanzhou 362000, China)

AbstractThis paper focuses on the methods of operating CA network in commercial network of China.Three aspects were researched in this paper: spectrum confi guration, status change of componentcarrier and mobility management in carrier aggregation.Practicall results studied in this paper will greatly improve the step of install carrier aggregation network.

KeywordsTD-LTE； carrier aggregation； practicall study

收稿日期：2015-08-01

中图分类号TN929.5

文献标识码A

文章编号1008-5599（2015）11-0037-06