TD—LTE和LTE FDD载波聚合部署策略分析及性能评估

刘晴+许森

【摘 要】为了分析TD-LTE和LTE FDD载波聚合部署策略并对其性能进行评估，首先从标准和产业进展的角度介绍了TD-LTE和LTE FDD载波聚合的产业链发展情况，在此基础上针对运营商LTE FDD协同部署过程中面临的辅载波配置、资源调度策略、非理想的站间传输条件等问题提出了建议，最后通过实验室测试，量化分析了TD-LTE和LTE FDD载波聚合在不同场景的性能。

资源均衡 协同部署 TD-LTE和LTE FDD载波聚合

1 引言

载波聚合是LTE-A中一个重要且成熟的技术，在国内外运营商中得到了广泛的应用。支持载波聚合的终端可以同时在多个载波上进行数据传输，有效提升用户体验和网络资源利用率。根据GSA的统计，截至2017年1月，全球已有54个国家部署了95张TD-LTE商用网络，其中有32家运营商同时部署了TDD/FDD网络[1]。受益于TD-LTE和LTE FDD在技术标准上的共通性以及互补性，运营商可以利用载波聚合技术进行灵活的TDD/FDD资源调度。

TD-LTE常见的商用频段（如B39/B41）通常比LTE FDD主流频段（如B1/B3/B5）高，其连续覆盖难度大，建设成本较高。因此部分LTE FDD运营商通常采取LTE FDD作为覆盖层提供连续覆盖，TD-LTE作为容量层提供吸热和分流作用。TD-LTE覆盖的不连续对于TD-LTE和LTE FDD载波聚合部署过程中的相关参数配置提出一定的挑战。此外在TD-LTE部署过程中，还需要考虑TD-LTE与LTE FDD不共站且不具备光纤直连场景（如灯杆站，小灵通利旧站等）对于载波聚合部署所带来的挑战。

本文接下来将首先介绍载波聚合技术的3GPP标准进展和产业链发展状况，并针对运营商在部署载波聚合所面临的问题进行分析，最后通过实验室测试验证理想回传和非理想回传场景的TD-LTE和LTE FDD载波聚合性能，为未来TDD/FDD异构组网工作提供参考意见。

2 TD-LTE和LTE FDD载波聚合标准化

进展

3GPP在Rel-10阶段引入载波聚合技术，在本阶段主要完成了TDD载波间和FDD载波间的载波聚合技术标准化[2]。考虑到部分运营商同时拥有FDD和TDD频率资源，为了更加充分地利用两个频段资源，Rel-12引入了TD-LTE和LTE FDD载波聚合技术[3-4]。标准主要对物理层和MAC层进行了相关增强，相关的标准化内容包括：

（1）DCI增强：当TD-LTE为被调度小区，且配置非周期SRS时，DCI 2B/2C/2D中包含1 bit的SRS请求域。当TD-LTE作为主小区、LTE FDD作为被调度小区时，DL DCI包含2 bit的DL DAI和4 bit进程号，UL DCI包含2 bit的UL DAI，且无UL index。

（2）支持Multi-TAG：在Rel-11中引入了Multi-TAG的标准化内容的基础上进行一定的扩展。特别对于在单个pTAG的TDD/FDD小区，要求UE的发射子帧边界对齐，对于在单个STAG的TDD/FDD小区，要求UE的NTA为624 Ts。

（3）HARQ定时：对于FDD作为主载波、TDD为辅载波的场景，无论TDD采取哪一种上下行配置，标准中规定每种配置的最大的进程数都是8。对于TDD为主载波、FDD为辅载波的场景，由于FDD的下行不能继续采用4 ms的反馈周期，因此引入了一种新的HARQ定时关系。

考虑到部分运营商计划在TDD频段上使用Massive MIMO技术，但是终端上行通常只支持单个发射链路，因此在TD-LTE和LTE FDD载波聚合中，LTE FDD上行的反馈压力会增大，并存在互易性缺失的缺点。针对上述问题，在Rel-14阶段，3GPP对TD-LTE和LTE FDD载波聚合进行了进一步增强，引入了FDD向TDD载波或TDD载波间的SRS动态切换功能[6]。通过该种方式可以利用TD-LTE辅载波的上下行信道互易性，有效改善链路的性能。其基本原理是当需要发送SRS时，UE在配置PUSCH的载波上暂时中止UL传输，切换到PUSCH-less的TDD载波，在载波上发送SRS，然后切换回来，具体过程如图1和图2所示。

针对SRS switching，在Rel-14定义了以下新特性：

（1）功率控制：引入新的功率控制公式，UE可以不参考PUSCH来设置SRS功率。高层配置SRS传输的开环功率控制参数，物理层信号通过TPC命令配置闭环SRS参数。

（2）冲突处理：为了避免SRS switching与其他发送/接收操作造成冲突，定义了优先级/丢弃规则。如果SRS switching与ACK/NACK不断发生碰撞，网络可以为UE修改ACK/NACK定时或配置灵活的SRS switching，使得SRS switching和ACK/NACK傳输在时间上不重叠，避免了碰撞。

同时，3GPP RAN4也根据运营商的部署需求对多个LTE FDD聚合场景下的设备进行指标评估，已完成的常见TD-LTE和LTE FDD载波聚合频段组合如表1所示[5]。其中，中国电信在3GPP推动完成了B3+B41/B1+B3+B41载波聚合标准化工作，推动B3+B41/B1+B41/B3+1+41进入CCSA行标。主流设备商和芯片厂商支持TD-LTE和LTE FDD载波聚合功能，产业链已经基本成熟。

表1 已完成标准化的常见LTE FDD频段组合

版本 TDD频段 FDD频段

R12 B40 B3、B8

B41 B1、B26

B38 B3

B42 B1、B3、B19

R13 B40 B1、B3

B41 B25、B8

R14 B41 B3、B5

3 TD-LTE和LTE FDD载波聚合部署问

题分析

本章接下来将分析运营商LTE FDD协同部署过程中面临的辅载波配置、资源调度策略、不理想的站间传输条件等问题，并提出相关建议。

3.1 辅载波配置策略选择分析

载波聚合中辅载波添加/删除是通过RRC信令来指示终端完成的[7]，根据是否需要测量辅助信息，一般分为基于盲配添加辅载波和基于测量添加辅载波这两种配置策略。盲添加辅载波是指终端随机接入网络后，基站直接下发辅载波配置消息；基于测量添加辅载波是指终端随机接入网络后，如果上报的测量信息满足判决门限，基站侧下发辅载波配置消息[8]。

对于覆盖相近的B1/B3，采用基于盲配添加辅载波策略的好处是避免了异频测量过程，辅载波配置时间更短，对终端的速率影响更小。然而，TDD与FDD由于频段和定位不同，覆盖范围相差较大，采用盲添加辅载波有可能为TDD信号质量较差的用户添加辅载波，造成频繁的辅载波添加/删除和系统资源的浪费。因此，建议采用基于测量来进行辅载波的添加。

3.2 资源调度策略选择分析

部署载波聚合后，如何在保障单载波终端用户的体验不下降的同时，最大化CA用户的满意度，达到良好的市场宣传效应是运营商需要解决的问题[9]。通常，资源调度策略分为差异化调度和公平调度两种：

（1）差异化调度策略：CA UE在每个载波上相当于一个独立的单载波终端，与单载波终端平分资源。因此，CA UE可以获得比non CA UE更多的PRB资源。

（2）公平调度策略：在同样信道质量下，CA UE的各子载波速率之和与相同QCI 业务的non CA UE速率一致。

选择哪一种策略要从市场宣传、新老用户体验、终端渗透率等方面考虑。在部署载波聚合业务初期，建议采用差异化调度策略提升使用载波聚合终端的用户满意度。当小区业务趋于饱和时，可逐步向公平调度策略调整，保障各类用户的体验。

3.3 非理想回传载波聚合性能分析

TDD和FDD基站部署场景可分为共BBU共天线、不共BBU不共天线支持光纤直连，以及不共BBU且不支持光纤直连这三类。第一类和第二类统称为基于理想回传的载波聚合，指标要求为主辅载波硬件实体之间的传输或者交互时延小于20 μs；第三类称为基于非理想回传的载波聚合[10]。

非理想回传载波聚合协议栈分裂方案有基于MAC层分裂和RLC层分裂两种。两种分裂方案的区别如表2所示。

在非理想回传场景中，终端向主载波基站反馈辅载波数据接收情况的ACK/NACK信息后，辅载波无法及时获取终端在主载波上ACK/NACK反馈情况。非理想回传的时延会导致HARQ所需的RTT时间变长，从而引发满调度时实际上所需要的进程数变多，但是LTE FDD最大只支持8个进程，因此存在矛盾。

为了解决这个问题，其中一种解决方案是维持8个进程数，延长RTT时长，但代价是系统不能实现辅载波满调度，从而导致辅载波性能下降，并且随着回传时延的增大，丢弃的子帧数量增多，整体性能下降越明显。

4 TD-LTE和LTE FDD载

波聚合性能评估

我们在实验室中对B1/B3/B41频段进行了载波聚合性能验证。为了更直观的对比，B3、B1和B41的带宽均设置为20 MHz。功率配置方面，B3和B1发射功率为2×40 W，B41为2×5 W。TDD子帧配比为2，特殊子帧配比为7。

4.1 理想回传载波聚合的性能评估

图3给出了B3、B3+B1、B3+B41和B3+B1+B41载波聚合的下行MAC层吞吐量对比结果。从结果可以看出，B3+B1双载波系统通过聚合B41升级为三载波系统，可以有效提升用户平均体验速率，其中近點提升36.1%，中点提升34.5%，远点提升21.5%。其次，B3+B41相对于B3也有良好的速率增益，近点可提升72.1%，中点提升69.1%，远点提升43%的速率。因此，通过聚合B41，网络可以在三个载波中选择负载较轻的两个载波，更加有效地进行资源分配。

4.2 不同资源调度策略下的性能评估

实验室测试了理想回传场景下，4类终端在相同无线环境下做FTP下载业务的MAC层吞吐量，结果如图4所示。公平调度时，CA UE与non CA UE终端的吞吐量均为95 Mbit/s左右；差异化调度时，支持聚合越多载波的终端，吞吐量越高。另外，资源调度策略对小区总吞吐量无影响。

图4 各类终端下行MAC层吞吐量

4.3 非理想回传载波聚合的性能评估

非理想回传载波聚合的实验室设备连接方案如

图5所示：

图5 非理想回传载波聚合的设备部署方案

对于非理想回传场景，对B3+B41载波聚合场景中单用户的五种典型位置进行了下行吞吐量测试，包括FDD近点TDD近点、FDD中点TDD中点、FDD远点TDD远点、FDD中点TDD近点和FDD远点TDD中点。其中B3作为主载波，B41作为辅载波。图6给出的测试结果显示站间单向传输时延为1 ms时，载波聚合用户在吞吐量下降5%～8%、传输时延为4 ms时，吞吐量下降约18%～29%。

图6 非理想回传相对于理想回传增益对比

以上测试验证了通过聚合TDD载波，可以提高小区吞吐量并减轻FDD网络的压力；其次，资源调度策略可以帮助运营商灵活地调整用户体验；另外，考虑到现网大部分站间传输时延小于1 ms，因此在不具备光纤直连的场景可以部署基于IP RAN的载波聚合。

5 结束语

载波聚合技术是一种低成本的、可灵活利用频谱资源的增加网络吞吐量的重要手段之一。运营商可根据网络状况，在热点区域针对性地部署TDD小基站并与FDD宏站进行载波聚合，增加网络容量、提升用户感知。本文分析了TDD/FDD载波聚合部署过程中面临的问题，并通过实验室测试，量化分析了TDD/FDD载波聚合在理想回传场景和非理想回传场景的性能，为未来TDD/FDD载波聚合部署工作提供了一定的参考意见。

参考文献：

[1] GSA. 4G Market and Technology Update[Z]. 2017.

[2] 3GPP TR 36.847. Study on LTE Tim Division Duplex（TDD）–Frequency Division Duplex（FDD） joint operation including Carrier Aggregation（CA）[S]. 2015.

[3] 3GPP TR 36.851. E-UTRA inter-band Carrier Aggregation[S]. 2015.

[4] 3GPP. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA） and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network（E-UTRAN）[S]. 2015.

[5] 赵冬，许森，孙震强. LTE TDD-FDD混合组网中的载波聚合技术[J]. 电信技术， 2015（2）： 15-18.

[6] 3GPP RP-162137. Summary for WI： SRS （sounding reference signal） switching between LTE component carriers[S]. 2015.

[7] 3GPP TS36.331. Radio Resource Control（RRC） protocol specification[S]. 2015.

[8] 黃蓉，李福昌. 中国联通载波聚合部署方案研究[J]. 邮电设计技术， 2016（4）： 17-21.

[9] 陈强. 载波聚合下的资源调度研究[D]. 成都： 电子科技大学， 2014.

[10] 许森，张光辉，刘晴. 基于双连接的TD-LTE和LTE FDD融合组网[J]. 电信技术， 2015（2）： 28-31.