TD-LTE网络载波聚合技术应用研究

陈捷（中国移动通信集团云南有限公司红河分公司，蒙自 661199）



TD-LTE网络载波聚合技术应用研究

陈捷
（中国移动通信集团云南有限公司红河分公司，蒙自 661199）

摘 要今天的中国已迈入了移动互联的新时代，各大运营商之间激烈的竞争聚焦在了4G网络的向下演进上，作为LTE-A的核心技术，CA（Carrier Aggregation，载波聚合）是网络提速的神兵利器。因此，现网中对CA技术应用的深入研究，有助于释放技术效能，提高用户感知与网络吞吐量。

关键词TD-LTE；载波聚合；应用

当今社会进入了移动互联的4G新时代，中国移动TD-LTE网络正在如火如荼的部署与发展中。前期建设中，宏站多用F频段（1880～1900 MHz）的20 MHz带宽组网，下行理论峰值速率可达到100 Mbit/s。但由于该带宽速率为同一小区下的激活用户所共享，当业务忙时，局部热点区域内大量激活用户和业务进程的高度集中，势必会导致单用户速率大幅降低，进而影响用户感知。

针对上述问题，D频段叠加和CA（Carrier Aggregation，载波聚合）技术不失为一种好的处理方案。D频段叠加技术的实现就是在4G基站上原F频段小区的同覆盖方向增配一个或多个D频段小区，通过双频组网实现载波扩容与用户分流，以提升单用户业务速率。CA则是LTE-A的核心技术，其原理是将相同（如D1+D2频段）或不同频段（如F+D频段）的2～5个LTE成员载波合并为一个信道，成倍的提高TD-LTE小区的峰值速率，终端根据自身能力大小决定最多可以同时利用几个载波进行上下行传输。现有技术实现了D1与D2频段的载波聚合，支持LTE Cat 6的4G终端（如华为MT7等）能够同时利用“D1+D2”两个频段进行数据传输。当然，叠加D频段一般需要在基站侧增配BPL/ BPN板件，替换或增加支持D频段的天线、RRU等硬件资源。

运营成本的增加，一定时期内终端能力和用户习惯的限制，决定了CA技术的推广应用必然是一个由点及面，循序渐进的过程。

本文从用户体验角度出发，通过多维度、全方位模拟用户行为来进行仿真试验，深入分析CA技术对用户感知和网络能力的改善效果。进而得出一套CA目标小区的选择方法，以便合理利用资源，最大程度提升用户速率与网络吞吐量。

1　技术背景

外场大量的测试数据表明，正常情况下，用户速率主要受制于无线环境优劣和并发业务数（主要靠激活用户数表征），下面就这两个关键因素对网速的影响进行分析。

无线环境对用户网速的影响主要体现在系统根据无线信道的优劣来选择调制和传输制式。TD-LTE R9中定义了TM1-8多种传输模式适用于不同的无线环境，现有技术实现了TM2/3/8模式的自适应选择。LTE下行方向用PDSCH信道承载业务数据，该信道有QPSK/16QAM/64QAM 3种调制方式，系统基于UE反馈的CQI信息，从预定义的映射表中选择具体的调制和编码方式，实现链路的自适应。

简单来说，在良好的覆盖环境下，系统采用高阶编码方式（64QAM）和TM3（开环空间复用）或TM8（双流波束赋形）双流模式传输数据，此时下行峰值速率最快，能达到100 Mbit/s，用户感受最佳。在无线环境较差时，为保证数据传输的可靠性，系统自适应选择低阶调制方式（16QAM/QPSK）和TM2（发射分集）单流传输模式，此时，理论上下行峰值速率将降低到50 Mbit/s左右。

激活用户数对用户网速的影响主要体现在并发进程数量对小区带宽速率的摊薄作用。在LTE系统中，PF算法（Proportional Fair,正比公平算法）根据UL/ DL 信道质量，用户缓存更新状态，每个用户平均调度时间，以及QoS参数等因素，计算每个激活用户的优先级，根据优先级对用户排序，并按此顺序调度用户。其中用户优先级计算公式如下：

式(1)中TB(i)表示第i流（i=1,2)的传输块大小TBS，根据UE上报的CQI映射得到。HistoryThroughput表示历史吞吐量，由下面公式确定：

式(2)中TBSize是上一个TTI（Transmission Time Interval，传输时间间隔，3GPP LTE与LTE-A的标准定义1 TTI=1 ms ）调度完成后实际分配给用户的传输块大小。如果该UE在上一个TTI没有被调度，使用第一个表达式，如果UE在上一个TTI被调度，则使用第二个表达式。

根据式(1)、（2）可知，假设短时间内信道状态不变，TB(i)值保持稳定，信道条件好的用户随着所获传输机会的增多，历史吞吐量变大，优先级下降，这就使得原来信道条件不好、优先级低的用户获得传输机会，从长期角度看，PF算法能够保证小区中的激活用户能够以相同的比特速率被调度，从而保证了用户间的公平性。同时也可以看到，业务周期内，当激活用户过多时，每用户分到的带宽速率也将降低。

2　仿真模拟试验

CA技术的引入让用户速率发生了巨大变化，结合影响用户速率的两大关键因素，我们就从强/弱场、单/联机、CA开/关3个维度来进行仿真试验，模拟和分析真实环境下用户速率的变化情况。

2.1CA前测试

本次试验中使用华为MT7、三星S5、S6等不同产家和型号的多款商用终端，通过预先安装的感知软件来进行测速，同时在后台网管发起试点小区的跟踪任务，在整个试验过程中，按10 s粒度跟踪小区下行带宽速率等参数，通过前后台数据对照来进行相互验证。

试点小区覆盖下室外环境RSRP值-65～-70 dBm，SINR值在30～35 dB左右；室内环境RSRP值在-100 dBm左右，SINR值约为17 dB。单机测试，终端下载速率在室外环境下约为75 Mbit/s，室内环境约为45 Mbit/s，与理论值基本符合。

大量外场测试数据显示，在当地实际的室内环境中，4G信号电平值大多分布在-75～-100 dBm间，SINR值在-5～40 dBm间，相应的下载速率多集中在10 ～50 Mbit/s间。

在室内环境下进行联机测试模拟多用户进程并发，华为MT 7（右）关闭CA功能，与三星S5同时发起下载业务，持续时间20 s。测试结果如图1所示，后台监控测得业务周期内小区下行速率均值为60.92 Mbit/s，测试终端得到绝大部分带宽速率，其中华为MT 7（右）获得25.89 Mbit/s，三星S5得到25.54 Mbit/s。当4个终端业务并发时，单用户得到的带宽速率下降到12 Mbit/s左右。

图1　CA关室内测速

室外测试中，较好的无线环境对于小区总的带宽速率有较大提升，也难以补偿多用户引起的降速效应。例如，两终端测试时，小区下行速率在130 Mbit/s左右，UE侧平均速率在49.5 Mbit/s左右； 4终端联机测试时，小区下行速率在135 Mbit/s左右，UE侧平均速率下降至23.5 Mbit/s。

从该测试环节可知，并发的进程数越多，单用户速率就越低，对用户感知影响就越明显。

2.2CA后测试

打开华为MT7的CA开关，分别在相同的室内室外环境下进行单机测试，可以看到的是无论是室内还是室外，由于频段带宽的叠加效应，用户速率相比CA开关打开前得到了大幅提升。如图2所示，MT7在室外的测试平均速率达到了139.62 Mbit/s，峰值速率达到211.9 Mbit/s，室内平均速率也达到了69.5 Mbit/s。

图2　CA开室内/外测速

联机测试中，如图3所示，三星S5速率保持在26.16 Mbit/s，较之前无太大变化，华为MT 7（右）下载速率达到了55.69 Mbit/s，较CA开关打开前翻了一倍多。

从后台的跟踪数据分析，如图4所示，华为MT 7打开CA开关，激活辅载波后，在D1频段主小区(PCI=24)上得到25Mbit/s左右的带宽速率，又从D2频段辅小区(PCI=21)上得到了30 Mbit/s左右的带宽速率，因此总的下载速率达到55.69 Mbit/s。

联机测试环节可知，同一小区下多个用户业务进程并发时，LTE CAT 6能力的终端在主载波（如本试验的D1频段）下速率较低时，可以转向辅载波（如本试验的D2频段）寻求带宽资源，从而让用户获得高下载速率的保障。

图3　CA开室内联机测速

从本次试验中可以看到CA技术对于用户速率的贡献在于不仅能够锦上添花，更是能雪中送炭。当然，该技术目前还存在一定局限性，诸如终端能力和D频段限制等，但随着技术的进步，CA技术还将释放更大的网络效能。

图4　Pcell/Scell后台速率跟踪

3　标准制定与效验

通过上述模拟试验，基于对CA技术在实际应用中的认识，我们制定了CA目标小区的选择标准，并在目标小区开通后，持续对相关指标数据进行跟踪与分析。

3.1目标小区选择标准

CA目标小区的选择标准主要涉及到的指标有忙时数据流量、最大激活用户数等，整合后形成的标准可以概括为以下两条：

以小区为单位，按小时粒度提取忙时全网最大激活用户数指标，选择最大激活用户数大的小区作为目标。

这条标准的依据是考虑到CA技术的实现首先需在F频段的小区同覆盖方向进行D频段叠加，这本身能够实现接入用户的分流，从而提高单用户速率，改善用户感知。

用小区忙时下行数据流量比上平均激活用户数，选择比值大者作为候选目标。

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该标准的依据是当忙时小区下激活用户数不多，但是产生的数据流量巨大时，说明该小区下必然存在做高速下载业务的用户，假如目前用户终端已支持CA技术，业务速率自然能够得到巨大提升；即使暂不支持CA功能，考虑终端的更新换代与用户本身的业务需求，这一部分客户也是潜在的目标人群。

3.2实际效果验证

按照以上选择标准，截至10月，我们在现网中开通了70多个站点的CA功能，从指标数据分析来看，CA功效初步显现，但还有巨大的提升空间。下面就以两个案例进行说明。

案例1：如表1所示，A小区此前只有F单频段，9月一周日均忙时最大激活用户数约为100人，远高于全网平均水平，同时段数据流量约1.2 Gbit/s。根据选择标准1，我们在9月中旬开通该站点CA功能。

表1　A小区CA前后指标对比

10月初数据分析显示，经过一个月的时间，用户数量增长稳定，D频段起到了一定的分流效果，F频段忙时激活用户均值降到75，仅为9月的3/4，数据流量则增长迅猛，达到2.4 Gbit/s，较9月翻了一番。D频段叠加的分流效果初步显现，小区下用户做数据业务时获得了较为宽松的无线通道，客户速率和基站吞吐量得到巨大提升。

但用户分布不够均衡，短期内有待通过优化手段调整，进一步释放CA技术的分流功效。

表2　B小区CA前后指标对比

案例2：如表2所示，9月份B小区忙时最大激活用户数日均值约为32，数量不大，但下行流量达到747 Mbit/s，由此判断该小区下有大流量业务需求用户，符合选择标准2，于是在9月下旬开通站点CA功能。

10月数据分析，历经一个月，忙时用户数增长不大，但数据流量增长迅猛，达到1.34 Gbit/s，比9月翻一番，且指标变化趋势与9月大致吻合，符合前期小区下有稳定高价值用户的预判，但F/D频段负荷不均衡，D频段对于用户数和流量没有明显的分流效果。

原因分析，一方面限于目前CA技术仅在“D1+D2”频段间开启，另一方面F频段覆盖性能优于D频段，该小区中大流量用户多驻留在了F频段上，即使终端支持CA技术也一时不能使用，因此CA与D频段叠加暂时不能发挥太大的分流与提速作用。

对如今开启的多个站点情况进行分析，短期内部分CA小区需要通过网优手段进行F/D负荷均衡，长远来看，随着终端技术的更新换代， F/D/E多频段间的CA技术壁垒的突破， CA技术的功效将会得到巨大释放，成为提高用户感知与网络吞吐量的利器。

4　总结

综上所述，作为LTE-A的核心技术，运营商有必要从用户体验的角度出发，通过全方位、多角度的仿真模拟试验深入了解CA技术实际应用对用户感知的提升效果，并以此为基础，由点及面，循序渐进合理布局CA资源，这样才能将好钢用在刀刃上，提高企业核心竞争力与经济效益。

参考文献

[1] 刘娟, 凌家良. TD_LTE系统无线资源调度算法研究及性能分析[J]. 移动通信,2012(14).

[2] 沈嘉, 索世强, 全海洋. 3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M]. 北京:北京邮电大学出版社, 2008.

[3 ]房秉毅,张云勇.LTE/LTE-A技术及标准进展[J]. 电信网技术，2010(5).

[4] 曾召华. LTE基础原理与关键技术[J]. 通信技术，2010(5).

Research on application of CA in TD-LTE system

CHEN Jie
(China Mobile Group Yunnan Co., Ltd., Mengzi 661199, China)

AbstractThis is a new era of mobile Internet in China, the fi erce competition among domestic telecom carriers focus on the LTE-A, as the core of LTE-A technology, carrier aggregation can raise the internet rate of the customer. Research on the application of CA in the existing network, and therefore be conducive to enhance the productivity, enhance customer awareness and throughput of network.

Keywordsapplication; CA; TD-LTE

中国物联网安全关键技术首次纳入国际标准

日前，在第二届世界互联网大会上，中国自主研发的一项物联网安全关键技术TRAIS被纳入国际标准，这是中国在物联网核心技术RFID领域的首个国际标准，是中国科技企业参与国际标准制定的又一次突破。

RFID即无线射频识别系统，是构建物联网的关键技术，被认为是21世纪十大重要技术之一，未来产业发展空间广阔。因此，其标准的制定也成为当下发达经济体争夺的焦点。

TRAIS基于西电捷通公司研发的TePA三元对等安全架构，已有十年的研发进程。TRAIS技术项目组由WAPI产业联盟牵头组织、国内十几家企业和研究机构组成，这种广泛联合的方式，也为该项成果在国内乃至国际的有效推广奠定了产业基础。

（摘自：新华网)

收稿日期：2015-11-20

中图分类号TN929.5

文献标识码A

文章编号1008-5599（2016）01-0020-06