LTE载波聚合研究

2016-09-12北京中网华通设计咨询有限公司第一设计院副总工程师

信息通信技术与政策 2016年8期

颉斌　北京中网华通设计咨询有限公司第一设计院副总工程师

LTE载波聚合研究

颉斌北京中网华通设计咨询有限公司第一设计院副总工程师

随着4G用户高速增长、数据业务高速发展，带来高峰值速率、大带宽需求。通过引入载波聚合技术，将运营商分散频谱聚合为大的通信带宽，增加频谱应用的灵活性，提高频谱利用效率。载波聚合技术适用于多种场景、存在多种频段组合方式，最多同时使用5个载波，单个载波最大带宽为20MHz，可达到最高100MHz的带宽，最高峰值速率达到下行1Gbit/s、上行500Mbit/s。现网目前主要是两载波、三载波聚合。

频谱；载波聚合；峰值速率；应用场景；组合方式

1　引言

随着通信技术的不断发展、智能终端的普及和大量网络应用的出现，以数据业务为主的移动宽带通信成为未来移动通信发展的趋势。从应对未来数据业务高速发展的角度，特别是应对峰值速率需求和带宽需求的角度，需要通信系统提供更大的通信带宽。

根据工业和信息化部2016年1月通信业经济运行情况统计发现，在4G移动电话用户高速增长、4G套餐资费不断下调等因素带动下，移动互联网接入流量爆发式增长。2016年1月，移动互联网接入流量累计达5.4亿G，同比增长120.9%。

2　载波聚合基础知识

为了满足LTE-A下行峰值速率1Gbit/s，上行峰值速率500Mbit/s的要求，需要提供最大100MHz的传输带宽，基于大带宽、连续频谱的稀缺，提出了载波聚合的解决方案。载波聚合顾名思义，就是将多个载波聚合为一个大的传输带宽，该技术要求后向兼容R8/9系统。

3GPP在R10引入载波聚合基本概念，支持最大5载波聚合，引入部分CA频段组合，包括带内和带间；R11协议完善，针对运营商需求引入更多不同的频段聚合；R12支持FDD+TDD载波聚合，CA频段组合进一步完善。

中国用于移动通信的频谱分散于800、900、1800、2100、2400、2600MHz。可以通过载波聚合技术将分散频谱聚合为大的通信带宽，增加频谱应用的灵活性，提高频谱利用效率。

2.1载波聚合基本理论

LTE中，一个UE只使用一个载波，带宽可以选择1.4、3、5、10、15和20MHz。在LTE-A中，一个UE支持最多同时使用5个载波，每个载波的带宽范围和LTE相同，即单个载波最大带宽为20MHz，以达到最高100MHz的带宽。

LTE-A的载波聚合技术在每个载波上的处理尽量和LTE相同，每个载波所采用的帧结构参数与LTE （LTER8）中的相同，并允许把所有载波配置成与LTE标准兼容的载波，即使若干载波被某些具有载波聚合能力的LTE-A终端聚合使用，LTE终端仍可以在其中一个载波上发送/接收数据。

2.2载波聚合组合方式

从载波组合方式上，载波聚合可以分为3种情况，即带内连续载波聚合、带内非连续载波聚合和带间非连续载波聚合。各组合方式在射频要求上有不同，但是在信令面和用户面都将采用相同的解决方案。

通过这样的设计，不仅能满足LTE-A系统在聚合带宽上的需求，而且可以很好地保持对LTE系统的后向兼容性，便于支持各种带宽能力的终端，非常有利于LTE系统到LTE-A系统的平滑过渡。

3　应用场景

载波聚合有多种应用场景，可以在宏小区之间组合、也可实现宏微组合，下面以两载波（F1、F2）聚合为例，介绍主要的4种应用场景，

（1）宏宏组合

F1和F2共站并覆盖区域重叠，并且F1和F2提供基本相当的覆盖。该场景要求F1和F2在相同的频段内，比如同为2GHz或800MHz等。对于F1和F2小区覆盖重叠的区域可以进行载波聚合。

（2）宏宏组合

F1和F2共站并覆盖区域重叠，但由于较大的路径损耗F2的覆盖区域较小。只有F1提供足够的覆盖，F2用来提高吞吐量。该场景F1和F2应在不同的频段，例如F1=｛800MHz，2GHz｝and F2=｛2.6GHz｝等。对于F1和F2小区覆盖重叠的区域可以进行载波聚合。

（3）宏宏组合

F1和F2共站，但是F2天线指向F1覆盖边界来提供小区边缘的吞吐量。F1提供足够的覆盖，但F2由于较大的路径损耗可能会有覆盖盲区。该场景是F1和F2应在不同的频段，例如F1=｛800MHz，2GHz｝and F2=｛2.6GHz｝。同一个基站的F1和F2小区在覆盖重叠区域可以进行载波聚合。

（4）宏微组合

F1提供宏小区覆盖，F2为微基站用来提高热点区域的吞吐量。在F1覆盖范围内，可涵盖多个微基站。该场景F1和F2处在不同的频段，例如F1=｛800MHz，2GHz｝and F2=｛2.6GHz｝。对于F2微小区覆盖内可以进行载波聚合。

基于R10标准，对于下行载波聚合，支持上述的所有场景。上行载波聚合研究集中在支持频段内的载波聚合。

4　目前支持情况

从载波聚合技术产业进展方面：

（1）设备厂家

目前，载波聚合只能在同厂商共BBU情况下使用。2CCCA单用户速率可以达到300Mbit/s，3CCCA单用户速率可以达到450Mbit/s。主要系统厂商已支持频段内下行40M载波聚合，部分厂商支持频段内上行40M载波聚合及跨频段下行40M载波聚合。

（2）终端芯片

从2014年开始，主要芯片将CA作为标准配置。2015年开始，陆续具备3CC载波聚合、UL 2CC载波聚合、T+F载波聚合能力。高通、Marvell芯片已具备40M下行载波聚合能力（频段内与跨频段），Marvell即将具备频段内上行40M载波聚合能力。

5　中国联通LTE载波聚合应用建议

根据中国联通总部安排，目前已经开始在自有营业厅、一类校园、机场、高铁站、地铁等重点区域部署载波聚合，预计在2016年会规模性部署。下面从中国联通频谱资源、聚合方式等方面进行分析。

5.1中国联通目前频谱资源

从表1可看出，目前中国联通现阶段可行的两载波聚合存在4种组合方式：1.8G+1.8G、1.8G+2.1G、1.8G+2.3G、1.8G+2.6G。从中国联通实际网络建设来分析，TDD-LTE目前基本没有建设，目前真正可实现的载波聚合方式仅有前面两种。

表1　中国联通目前频谱资源表

5.2建议的载波聚合方式

（1）频率使用情况分析

采用 1.8G+ 1.8G、1.8G+2.1G两种载波聚合方式，都存在清频、退频的问题。

●1.8G+1.8G

该方式目前使用的频段为：1830～1860MHz，共30M频段，为20M+10M。但目前1830～1840 MHz为GSM 1800使用频段，如采用该方式，需清频。

目前，GSM 1800网络主要分布在市区、县城，从承载业务角度分析，基本为主力承载网。这是某省2015 年8月底数据，“移动网2G承载话务量占比68.2%，依然维持在较高水平，全网单站日均话务量69.5Erl，远高于3G单站日均25.3Erl”。从数据来看，目前基本不存在退频的可能。所以，采用这种方式，退频是一个难点，大面积、连片使用存在困难。

●1.8G+2.1G

该方式目前使用的频段为：1840～1860MHz，共20M频段，以及2130～2170 MHz。目前，2145～2170 MHz，属于联通4G潜在频率资源，并未真正获批。2130～2145MHz目前为WCDMA使用，载波聚合占用带宽需根据WCDMA退频情况确定。采用这种方式，如考虑使用潜在频率资源，基本能做到20M+20M。

（2）设备及终端支持情况分析

表2为两种载波聚合方式，基站设备改造及终端支持情况。

从表2对比来看，在能对G1800清频的前提下，建议优选1.8G带内聚合。

5.3案例

下面通过案例，介绍载波聚合方式的选择过程。

某大学城涵盖10所高校、15万师生，归属于一类校园场景，计划实施载波聚合方案。

（1）使用频段分析

目前，大学城区域内共有1.8G LTE基站36个、双载波WCDMA基站36个，均为同址建设，全部采用爱立信设备。园区内还有4个GSM900基站，没有GSM1800基站。园区内共建设7套室内分布系统，支持2、3、4G，其中2G信源采用GSM 1800基站。

表2　载波聚合方式对比表

通过话务分析：

●大学城内3G流量占比达到77%，这与4G终端占比低关系很大，目前3G退频不存在可能，如做20M+20M带外载波聚合，需要使用潜在频率资源。

●2G话务量占比23%，分析室分GSM1800基站承载话务量数据，忙时仅为1Erl左右，非常低，所以可判断绝大部分话务承载在GSM 900网络上。与分公司沟通，可将室分GSM1800基站停掉，腾出1800M频段。而且大学城周边1km之内没有GSM 1800基站。所以大学城具备采用1.8G带内载波聚合的条件。

（2）基站升级分析

如果采用1.8G+2.1G带外聚合，在基站设备方面，有3种实现方式：

●扩容现有LTE基站BBU，并在天面增加2.1GRRU，实现20M+20M带外聚合。

●升级现网3G基站为UL双模基站，但爱立信目前3G基站，IBW仅支持30M且为单通道基站，所以这种方式，最终能实现20M+10M载波聚合，并由于2.1G是单通道，最终峰值速率会打折扣。

●替换现有3G基站为IBW40M、双通道基站，可实现20+15M带外聚合。

（3）天面空间分析

大学城基站，天线挂放全部为美化单管塔，目前已有2/3/4G三套系统，天面资源紧张，不具备增加RRU的挂放条件。

根据上述分析，目前可行的载波聚合方式为：

●关闭室分1800M基站，采用1.8G+1.8G（20M+ 10M），带内载波聚合。

●替换现有3G基站为IBW40M、双通道基站，采用1.8G+2.1G（20M+20M），带外载波聚合。

最终考虑工程进度、实现难易以及终端支持等多方面，最终确定采用1.8G+1.8G（20M+10M），带内载波聚合，峰值速率可达到225M。

［1］程鸿雁，等.LTEFDD网络规划与设计［M］.北京：人民邮电出版社，2013，07.