载波聚合的研究与应用浅谈

李治　张宇

[摘要]LTE作为当前移动通信网络的主流技术之一，随着LTE到LTE-A系统的演进过程中，更宽频谱的需求成为影响演进的重要因素，因此3GPP提出使用载波聚合技术解决LTE-A系统对频带资源的需求，本文对载波聚合技术研究与应用进行了介绍与探讨。

[关键词]LTE LTE-A 载波聚合

一、引言

随着LTE系统的迅速发展和广泛应用，3GPP已经开展了LTE-Advanced（LTE-A）系统的相关技术研究工作，3GPP提出了LTE-A系统的关键技术指标。目前，LTE-A系统潜在部署频段包括：450-470MHz，698-862MHz，790-862MHz，2.3-2.4GHz，3.4-4.2GHz，4.4-4.99GHz等。除了2.3-2.4GHz位于传统蜂窝系统常用的频段外，新的频段呈现高、低分化的趋势。尤其有大量的潜在频段集中在3.4GHz以上的较高频谱。与LTE系统相比，LTE-A系统在关键技术方面有了很大的增强，引入了载波聚合技术、中继（relay）技术、增强型多天线技术、无线网络编码技术、和无线网络MIMO技术等。

LTE-A系统在低移动性下峰值速率达到1Gbit/s，高移动性下峰值速率达到100Mbit/s，那么为了支持这样的峰值速率，我们需要更宽的频谱，更宽频谱的需求将成为影响演进的重要因素。当前LTE-A系统有6个候选频点，如果考虑到现有的频谱分配方式和规划，很难找到足够的承载LTE-A系统100MHz带宽的整段频带。因此，3GPP提出了使用载波聚合（Carrier Aggregation）技术来解决LTE-A系统对频带资源的需求。

二、载波聚合的实现方案

基于载波聚合的LTE-A系统在传输模块的映射与单载波系统有所区别，在LTE-A系统中，每个子载波对应一个独立的数据流，子载波之间数据流的聚合方式可以分为在MAC层聚合和在物理层聚合两种。

MAC层聚合：每个子载波分配一个独立的传输块，单一的数据流在某一些点上被分到不同的载波上，载波上数据流的聚合在MAC层完成。在空间复用的情况下，每个载波分配两个独立的传输块。因为每个子载波占用一个独立的传输块，所以各个子载波都能使用独立的链路自适应技术，聚合子载波可以根据实际链路状况使用不同的调制编码方案。每个子载波都有独立的HARQ进程和相应的ACK/NAK反馈，并且每个RLC实体可以使用LTE系统中定义的PDU。如下图1所示。

物理层聚合：所有子载波共用一个传输块，单一的数据流在某些点上被分到不同的载波上，载波上数据流的聚合在物理层上进行。在空间复用的情况下，由于所有子载波使用同一个传输快，需要重新设计RLC层中PDU的大小。所有子载波要进行统一的调制编码，并且共用一个HARQ进程和相应的ACK/NAK反馈。这样就会与LTE系统原有的物理层/MAC层/RLC层结构冲突。因此每个载波的物理层结构需要重新设计，这样可能会影响数据流到MAC的时间。如下图2所示：

经过比较，MAC层聚合更容易实现LTE向LTE-A的平滑过度。

三、载波聚合的应用

3.1载波聚合的部署场景

在成分载波是相同或不同的频段，但是频率间隔很小的情况下，eNB如下图3所示分布，对于所有成分载波波束方向和模式是相同的。

根据载波扇区数目部署的不同或者为了提高边缘吞吐量，对于不同的成分载波，eNB的天线波束方向和部署不同。如下图4所示。

一个固定的基站提供宏覆盖，离基站较远的地方放置热点（提供另一个载频），热点小区通过光纤跟基站相连。宏小区与热点小区的载波聚合。此方法运营商可节省成本，因为热点放置成本低。如下图5所示：

在小区边缘或接壤处添加射频拉远设备RRH/RRU。射频拉远设备RRH/RRU可以单独进行远程设定，可以有效解决小区边缘接收问题，进而在灵活构建网络的同时降低运营商的资本支出和运营成本。使用射频拉远设备RRH/RRU可以灵活、有效地根据不同环境，构建星形、树形、链形、环形等构造的各种网络。如下图6所示：

在室内场景的应用。有统计表明，未来80%～90%的系统吞吐量将发生在和热点游牧场景。室内、低速、热点可能将成为移动互联网时代更重要的应用场景。下面介绍一个实际商用案例：某市移动营业厅在LTE室内分布系统上加第二载波，增加基带版和载波聚合License。经过测试后表明，载波聚合技术在应用中优势明显，测试结果见表1：

四、载波聚合需要考虑的问题

载波聚合技术在实际应用和部署中仍存在很多需要考虑和注意的问题，简单归纳如下：

异频段间切换增多。由于新部署载波与原部署的LTE系统载波属于不同频段，在实际部署中需要注意两个载波边界异频段切换增多问题，可通过驻留参数控制等手段解决用户驻留问题，以减少异频切换。

同频部署引入干扰问题。室外新部署载波与原室内载波属于同一频段，使室内外分割区域成为强干扰区。在实际部署中，优先RE优化，根据需求部署ASFN功能和小区间的ICIC特性，确保室内外容量不损失情况下解决和控制干扰问题。

不同频带相差的传播损耗不同，频率高的路径损耗大。在实际中，分给运营商的频段都是不同的，跨度很大。由于高频率的路径损耗大，造成高频段的成分载波比低频段的覆盖小，在实际部署中，尤其在高频部署的场景下，在系统偏移大或基站间距较大的情形下，应加以注意系统间隔离度避免对LTE系统中的边缘用户造成干扰。

终端问题。支持载波聚合的终端要求同时支持更多频段并发，这意味着终端需升级基带芯片能力和增加支持相应频段的射频芯片，从而导致终端成本增加。此外还需要解决终端的空闲资源搜索和耗电等问题。

小区边缘接收问题。在载波聚合的实际应用和部署中，要充分考虑小区边缘接收问题，在小区边缘增加射频拉远设备对网络加以完善。

五、载波聚合的优势

5.3技术优势

通过载波聚合技术可以提升用户峰值速率，形成竞争力跨越；可以提升边缘用户速率，从而改善用户体验；可大大缩短业务响应时延，提升瞬时容量，突发业务感受提升；可频选调度增益，提升小区平均速率和边缘速率；可天然实现了TTI级的负载均衡，效率更高，节省信令。

5.2网络的成熟度

载波聚合技术已在全球广泛成熟商用。根据相关统计，目前全球已部署了49个商用和58个预商用载波聚合网络。国内运营商中国移动已经部署，中国电信已在省会城市和重点城市部署载波聚合，并开始全国范围内铺开部署。

5.3运营商市场价值拓展

通过载波聚合技术对峰值速率和用户体验的提升，有利于运营商的品牌宣传和营销，例如某运营商提出的“4G+”宣传口号。可应对运营商间的竞争，有利于吸引高端用户。

六、总结

载波聚合作为LTE-A系统的关键技术，能够有效解决LTE-A系统对频带的需求。载波聚合技术在整合频带资源，提高带宽利用率方面有其他技术不可比拟的优势。