载波聚合技术在4G+网络中的应用研究

金　勇,方志林

(1.重庆邮电大学　通信工程应用研究所，重庆　400065；2.中国联合网络通信有限公司　重庆分公司，重庆 400042)



载波聚合技术在4G+网络中的应用研究

金勇1，2,方志林1

(1.重庆邮电大学通信工程应用研究所，重庆400065；2.中国联合网络通信有限公司重庆分公司，重庆 400042)

针对4G用户的快速增长以及4G网络规模的持续扩大，2016年国内三大运营商将大规模升级LTE网络至4G+，即在原有4G网络的基础上利用载波聚合技术。介绍了载波聚合技术的背景及功能，对载波聚合技术的频谱聚合方式、载波管理以及载波聚合部署方案进行了简要介绍。结合国内运营商现有频谱资源，探讨了国内三大运营商载波聚合频谱组合方式，最后针对中国联通的现有频谱资源，给出了中国联通载波聚合部署的方案建议，为即将升级的4G+网络建设提供一些参考。

载波聚合；LTE-Advanced；4G+；载波聚合部署

近年来，随着移动互联网的快速发展，用户对数据业务的需求不断增长，为了满足用户更高的数据业务速率需求以及支持更多的业务类型[1]。在LTE的基础上，3GPP LTE-Advanced又提出了更高的要求，其中，LTE向LTE-Advanced演进的最重要的考虑因素之一是如何满足更大带宽需求[2]。为了满足更高的数据业务速率需求，3GPP在LTE-Advanced阶段要求下行速率要达到1 Gbit/s。同时，受限于无线频谱资源紧缺等因素，很多运营商拥有的频谱资源往往都是非连续的，每个单一频段都难以满足LTE-Advanced对带宽的需求。因此，3GPP在R10阶段引入了载波聚合，通过将多个连续或非连续的载波聚合成更大的带宽，以满足3GPP的要求[3]。

1　载波聚合技术

载波聚合(Carrier Aggregation，CA)是指基站根据UE能力将2个或多个成员载波聚集起来一起为UE提供服务。CA UE可以同时利用2个或2个以上载波的空闲RB，运营商可以充分利用离散频谱进行载波聚合，从而提高资源利用率，避免频谱资源的浪费。目前LTE支持的最小带宽是1.4 MHz，最大带宽是20 MHz，LTE-A通过载波聚合从而获得最大40 MHz带宽。3GPP规定最多可允许5个载波进行聚合，聚合连续或离散的频谱资源，最大载波聚合带宽可达到100 MHz，最大峰值速率可达到1 050 Mbit/s，给用户带来更好的体验[4-5]。载波聚合技术不仅能满足LTE-A更大带宽需求还能保持对LTE后向兼容，接收能力超过20 MHz的LTE-A终端(User Equipment，UE)可以同时接收2个或多个成员载波，而对于LTER8、LTER9的终端，也可以正常接收其中一个成员载波。因此，载波聚合技术为4G升级4G+网络提供了技术基础[6]。

2　载波聚合方式

载波聚合的方式一般可分为3种[7]：带内连续载波聚合(Intra-Band，Continuous)、带内非连续载波聚合(Intra-Band，Non-Contiguous)和带外非连续载波聚合(Inter-Band，Non-Contiguous)。具体参见图1～图3。

图1　带内连续载波聚合

图2　带内非连续载波聚合

图3　带外非连续载波聚合

3　CA载波管理

3.1主/辅载波

为了支持载波聚合，3GPP R10中引入了主小区PCell(Primary Cell)和辅小区SCell(Secondary Cell)的概念。与UE维持RRC连接的载波或小区称为主载波(PCC)或主小区(PCell)。除主载波之外的载波称为辅载波(SCC)或者为辅小区(SCell)[5]。PCC总是激活的，SCC可通过PCC来激活。若SCC满足激活条件，即主载波PRB利用率高于配置阈值且辅载波PRB利用率低于配置的阈值，则激活对应辅载波。SCC去激活需满足以下2个条件：

1)配置阈值低于主辅载波PRB总的利用率；

2)当前用户辅载波的MCS低于某一阈值，则SCC可通过PCC下发去激活MAC CE，包括激活自己。

SCC还可以通过Deactivation timer来隐式去激活[8]。

3.2辅载波的添加、删除和修改

辅载波的添加、删除和修改主要是通过测量报告来触发的，其中通过A2事件进行辅载波的删除，A4进行辅载波的添加，A6进行辅载波的修改[9]，如图4～6所示。

图4　辅载波的添加(A4)

图5　辅载波删除(A2)

图6　辅载波添加修改(A6)

3.3载波间负载均衡

CA主辅载波小区间负载不均衡时，可以触发通过载波间协调调度将R10支持CA的UE业务数据尽量调度在负荷轻的载波上，从而可以改善网络不均衡，并且可以减少通过切换方式进行负载均衡。

CA载波间负载均衡主要原理是周期性监控小区的PRB占用情况，如果超过载波间负荷调整的门限，则将小区中的CA用户GBR业务资源回退或搬移到其他CA协同小区上，以此来减轻小区负荷，使得CA的协同载波间负荷达到基本平衡，达到减少负荷均衡切换的目的[10]。

CA载波间负载均衡主要分为4个部分：周期性监测小区负荷是否超过门限，目标载波选择，选择进行资源回退或搬移的承载，承载的回退/搬移。功能框图如图7所示。

图7　载波间负荷调整功能框图

CA载波间负荷调整功能打开后，周期性监控小区的PRB占用情况，如果超过载波间负荷调整的门限(默认值为50%，后台可配置)，则在高负荷小区的CA协同小区中，挑选比高负荷小区的负荷低10%以上的负荷最轻的小区，作为载波调整的目标小区；如果存在以高负荷小区为辅载波，以目标小区为主载波的UE，将UE上已被搬移到高负荷小区上的GBR承载回退；如果没有这样的GBR承载，则挑选高负荷小区中CA用户上速率最大的GBR承载，搬移到目标小区上。流程图见图8。

图8　载波间负荷调整流程图

对于一大一小覆盖的应用场景，当UE处于小覆盖小区时，设置小覆盖的小区为PCC，大覆盖的小区为SCC，当UE运动出小覆盖小区时，则令之前的大覆盖小区SCC设置为PCC，PCC设置为SCC，当UE又从大覆盖小区移动到小覆盖小区内时，此时不给UE重配PCC，否则UE在小覆盖小区边缘运动时，会引起PCC的频繁重配，进而引起大覆盖小区负载过重。例如图9所示，UE若初始接入以C1为PCell，C2为SCell。当在方向1上移动时，需执行切换，将PCell更换为C2，但在方向2上移动时，不会执行切换，即不更换PCell，可将C1添加为Scell。因此在系统长时间运行后，以C2作为PCell的用户量会加大，由于CMAC算法限制GBR业务仅在PCell上调度，因此C2的负荷可能会加重。虽然这种情况发生的概率较小，但可以作为一个后续的研究方向。

图9　一大一小覆盖场景

4　载波聚合部署方案

由于成员载波通过不同频率在空间传播中有不同的路径损耗，因此每个成员载波的覆盖区域将是不同的，不同的成员载波具有不同的服务区域。针对成员载波不同的频率聚合方式，载波聚合技术具有不同的应用场景，本次只考虑2个成员载波的情况，2个成员载波分别为CC1，CC2；C1，C2为分别对应两个小区，部署方式主要为以下5种[4]：

方案1，是一种典型的部署方案，基站天线部署同一基站，采用共天馈或连续天馈方式，不同成员载波的天线波束方向和模型都要一致，且CC1，CC2载波成员设置同一频段的连续或相近频率，使两个小区覆盖基本相同的区域，处在重叠覆盖区域的用户可以同时收到两个小区的信号，进行载波聚合。

方案2，两个成员载波CC1，CC2一般处在不同的频带上，具有较大的频率间隔，在这种情况下，由于不同频段信号传播的路径损耗不同的特性，频率高的载波信号路径损耗大，处于高频段小区C2的覆盖范围比低频段小区C1的覆盖范围小，CA只在载波重叠覆盖区域允许更高的用户吞吐量，而在小区边缘，则只有一个载波成员CC1提供小区服务。

方案3，两个成员载波CC1和CC2共基站部署，CC1和CC2使用不同的频段，成员载波对应天线的波束方向和模型不同，C1的小区边缘和C2的小区中心区域相重叠，在重叠覆盖区域可支持CA，这种方式的优势在于可以提高小区边缘速率和吞吐量。

方案4，宏小区C1提供主要覆盖区域，在业务热点区域，采用部署远程连接射频单元(RRH)CC2的小区用于改善热点区域吞吐量，RRH通过光纤连接到基站，从而实现宏站C1和RRH C2小区载波聚合，进一步提高系统吞吐量，且RRH设备成本低廉，有效降低部署成本。

方案5,是对方案2的一个补充，在小区覆盖边缘区域部署一个频率选择中继器(设置跟CC2相同的频点)，这样就扩展了成员载波CC2的覆盖范围，扩大了C1与C2的重叠覆盖区域，从而有效提高系统吞吐量。

5　中国三大运营商CA频段组合分析

载波聚合的频段组合方式由运营商拥有的频谱资源所决定。目前，载波聚合主要用于两个载波间下行方向的聚合。中国移动不仅在LTE用户规模上占据上升，还在TD-LTE频谱资源方面占有明显优势。中国电信和中国联通用户规模相对较小，频谱资源则相对短缺，但这两家运营商在TD-LTE频谱资源上都各具有40 MHz的频谱资源，可以借助LTE FDD和LTE TDD载波聚合，与中国移动进行抗衡，争夺高端4G市场[11]。

中国移动总共拥有TD-LTE频段130 MHz，分别在1.8 GHz频段拥有20 MHz，2.3 GHz拥有50 MHz，B41频段(2.6 GHz)拥有60 MHz的频谱资源。目前，中国移动已经对2.6 GHz的D+D频段、F+D频段以及室内的E+E频段进行了两个载波的聚合试验，最高峰值速率可达到230 Mbit/s，试验效果均符合预期。随着2G和3G的用户向4G转移、4G网络的成熟度以及终端的支持，中国移动还可以考虑对其拥有的其他频段资源如B39(TD-SCDMA)、B34(TD-SCDMA)以及B3(GSM)和B8(GSM)频谱重新分配，用于部署4G网络并进行载波聚合升级4G+。

中国电信在2015年底其4G网络已覆盖全国的主要城市，目前拥有TD-LTE频段资源40 MHz，分别在B3频段拥有30 MHz、在B1频段拥有40 MHz；拥有FDD-LTE频段资源70 MHz，在B3(1.8 GHz)和B1(2.1 GHz)各拥有15 MHz的频谱资源。目前，中国电信已经进行了B3(1.8 GHz)+B41(2.1 GHz)双20 MHz的LTE FDD与TD-LTE的两个载波聚合试验，最高峰值速率达到300 Mbit/s。其2015年在部分试点城市使用B1+B3部署载波聚合技术。此外，中国电信还可以利用用于室内的B40 2.3 GHz的20 MHz频谱，进行FDD+TDD的载波聚合[12]。随着其网络的逐渐成熟、4G用户的逐渐增长以及终端的支持，中国电信还可以考虑退出其拥有的2/3G频段资源，用于部署4G网络并进行载波聚合升级4G+，提高其与移动的竞争力。

中国联通目前拥有TD-LTE频段资源40 MHz，在2.3 GHz和2.6 GHz频段各拥有20 MHz，其FDD-LTE频段资源70 MHz，分别在B3频带20 MHz，B1频带50 MHz。目前，中国联通已经在部分城市使用B3(1.8 GHz)+B41(2.1 GHz)双20 MHz进行了FDD+TDD载波聚合的小规模部署，最高峰值速率达到300 Mbit/s。随着中国联通2G/3G用户向4G用户的迁移、网络的规模持续扩大以及终端的普及，中国联通可对其拥有的频谱资源B1(3G，15 MHz)、B3(GSM和LTE，30 MHz)、B41(TD-LTE，20 MHz)、B8(GSM和3G，6 MHz)进行频谱重新分配，用于部署LTE网络进行载波聚合，以提高市场竞争力。

6　中国联通CA部署方案建议

根据中国联通目前的频率分配和使用情况，可采取以下3种方案部署：

1)方案一，FDD 1.8 GHz带内载波聚合

1.8 GHz带内CA在ENODEB侧不需要新增任何硬件设备，使用如中兴R8862 S1800(A6A)的RRU，1个RRU建立两个小区的方式进行频段内的载波聚合。由于使用同一个RRU和相同的天线，因此此次的小区覆盖是同覆盖方式的载波聚合。终端在重叠覆盖区域，可以同时收到两个小区的信号，进行载波聚合。

2)方案二，FDD 1.8 GHz+2.1 GHz带外载波聚合

若采用共享BBU，则需新增相应2.1 GHz RRU，如中兴R8862 RRU支持级联方式，因此对于配置为R8862的基站，无需对BBU进行改造，直接拼3个R8862A，采用RRU级联方式，拼接的RRU采用光纤级联即可，工程实施便利。若基站天线为两端口天线(两端口分别支持1.8 GHz和2.1 GHz频率)，可采取异频合路器的方式接入；若基站天线为4端口天线(支持1.8 GHz和2.1 GHz频率)，建议采用共天线独立端口的方式接入。

3)方案三，FDD/TDD双模载波聚合

主要硬件改造要求如表1所示。

表1硬件改造要求

单板双模方案改造要求电源模块PM环境告警SA风扇模块FAM控制与时钟CC板共用无需更换或新增基带板分开新增TDD基带板RRU/RSU分开新增TDDRRU天馈共用/分开更换/新增天线模块

共用天馈方案即共站共天馈方案，采用四端口或六端口天线替换双端口天线，可独立调整下倾，但不能独立调方向，这种方案便于FDD/TDD一体化管理，适用于宏站室外站点场景。由于共天馈建设，天面要求低，该方案也是优选方案。

分开天馈方案即共站独立天馈方案，为了抑制干扰，该方案需要天线端口隔离度要求30 dB；同时安装要求需要垂直安装大于0.2 m，水平安装大于0.42 m，采用独立天馈的方式适用于天面资源丰富的场景。

7　结束语

载波聚合技术作为LTE-Advanced系统的重要组成部分，不论是数据传输速率还是频谱的利用率，都具有很大的优势，随着4G网络覆盖的规模持续扩大以及4G用户的快速普及，4G网络必将快速升级至4G+，载波聚合技术势必也会得到快速发展和应用，进一步满足用户对业务的需求以及高质量的用户体验。

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金勇(1974— )，硕士，高级工程师，现任中国联合网络通信集团有限公司重庆分公司网建部副总经理，研究方向为移动通信网络规划与优化；

方志林(1989—)，硕士生，主研移动通信网络规划与优化。

责任编辑：许盈

Research on application of carrier aggregation technology in 4G+ network

JIN Yong1,2，FANG Zhilin1

(1.CommunicationEngineeringApplicationResearchInstitute，ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications，Chongqing400065，China；2.ChongqingbranchofChinaUnitedNetworkTelecommunicationsCorporation，Chongqing400042，China)

With the rapid growth of 4G users and the continued expansion of the scale of the 4G network.In the year of 2016, the three major domestic carriers will be large-scale LTE network upgrade to 4G+, which is based on the 4G network using the carrier aggregation technology. In this paper, the background and function of carrier aggregation technology are briefly introduced. The spectrum of carrier aggregation technology, polymerization method, carrier scheduling and carrier aggregation deployment scheme are analyzed briefly. Combined with the existing spectrum resources of domestic carriers, the combination mode of carrier aggregation spectrum of the three carriers in China is discussed. Finally, according to the existing spectrum resources of China Unicom, the proposed scheme is proposed.To provide some reference for the upcoming 4G+ network construction.

carrier aggregation；LTE-Advanced；4G+；carrier aggregation deployment

TN929.53

A

10.16280/j.videoe.2016.09.012

2016-01-14

文献引用格式：金勇，方志林. 载波聚合技术在4G+网络中的应用研究[J].电视技术，2016，40(9)：62-66.

JIN Y，FANG Z L. Research on application of carrier aggregation technology in 4G+ network[J].Video engineering，2016，40(9)：62-66.