三载波聚合技术研究与试验分析

黄庆涛，李路鹏，陈晓冬

（中国电信股份有限公司广州研究院，广东 广州 510630）

1 引言

用户对流量的需求正在日益提升，为不断满足用户的体验感知需求，必须提升LTE网络吞吐率，最直接的方法就是增加工作频谱带宽。在各个运营商频率资源一定、连续频谱资源缺乏的条件下，载波聚合通过把多个频段资源聚合起来给同一个UE用，提升了频谱利用率、网络性能和用户感知。

载波聚合包括带内载波聚合和带间载波聚合，带内载波聚合指聚合的载波在同一频带内，包括连续载波聚合和非连续载波聚合；带间载波聚合指聚合的载波在不同频段内，如图1所示。

本文接下来将主要研究三载波聚合技术，结合试验数据分析三载波聚合技术在定点速率、路测、时延及用户调度上的性能和增益。

2 载波聚合原理与关键技术

3GPP Release 10为LTE载波聚合的服务小区定义了主载波小区PCell和辅载波小区SCell，每个UE仅有一个PCell，其他所有载波来自SCell。PCell和SCell具有非常不同的特性，如PCell不能被去激活，在下行PCell上产生的无线链路失败会触发RRC连接重建，而SCell上产生的无线链路失败不会触发RRC重建。载波聚合对PDCP/RLC层透明，在MAC层完成上层数据流映射到聚合的各载波中进行传输，各个载波MAC层的数据面独立调度，有各自独立的传输信道，对应一个专用和独立的HAQR实体，所以只能在PHY/MAC层区分各载波信息，如图2所示。

载波聚合增加/删除辅载波的一般有两种方式：基于测量和盲增加。基于测量增加/删除辅载波指辅载波信号满足A4事件，eNB触发增加辅载波；辅载波信号满足A2事件，eNB触发删除辅载波。而盲增加辅载波只要配置辅载波关系后，无需测量eNB，直接增加辅载波。增删辅载波信息在RRCConnectionReconfiguration信令中可以看到，如图3所示。

图2 载波聚合协议栈结构

辅载波配置之后未必马上激活，辅载波的激活/去激活与以下算法相关：（1）预测下x TTI中无法发送完成，则激活一个载波，激活一个辅载波后，若预测下x TTI中仍然无法发送完成，则继续激活下一个辅载波；（2）预测下x TTI中可发送完成，且持续一定时间，则去激活一个载波。通过配置不同的x值，可以调整辅载波的激活门限。另外，也有厂家采用判断寄存器缓存空间（Buffer Length）以及首包时延（First Packet Delay）的算法来激活/去激活辅载波的。表1是某设备厂家空载情况下辅载波激活情况，可以看出该厂家支持辅载波的分步激活，但效果不明显。从UE角度来讲，辅载波的频繁激活/去激活会增加UE对信号的检测，增大耗电，所以建议在有多个辅载波时，优先激活带宽大的辅载波；同时在判断激活第二个辅载波前，可以增加一个时间迟滞。

与非CA系统相比，载波聚合在业务态切换的过程中多了一个辅载波的信息，又可以分为带辅载波切换与不带辅载波切换。举个例子，三载波切换三载波状态下，带辅载波切换会经历主小区3→3的情况，而不带辅载波切换则经历3→1→3的情况，相比之下，带辅载波切换在主载波切到目标小区的时候同时添加辅载波，而不是先切换目标小区的主载波，隔段时间再激活另外的辅载波，这样使得带辅载波切换在切换时延上稍短，同时业务速率上不会出现毫秒级的掉速现象。

CA系统一个载频在一个eNB上可配置三个小区，在小区相邻边界上，由于实际传播环境等物理因素，往往存在邻小区辅载波信号更好的情况，特别是共站建设补充覆盖的场景，如图4所示，不同的载波聚合天线指向不同方向的地理区域，从A点移动至B点，主载波f1不发生切换的同时，会更新信号较好的辅载波f2。LTE支持本小区主载波聚合邻小区辅载波的功能，移动过程通过触发A6事件实现站内辅载波更新。

表1 辅载波激活情况

图3 增删辅载波信令

图4 站内辅载波更新

3 三载波聚合试验分析

试验场景选取在重庆市潼南区柏梓镇，区域为南北走向，中部为中心场镇，建筑物密集，站间距1200 m，如图5（a）；试验采用的是带间载波聚合，聚合频段为Band1（20 M）、Band3（15 M）和Band5（5 M），共40 M带宽，如图5（b）。考虑到现网LTE的瓶颈在于下行吞吐率受限，故本次试验主要研究下行的三载波聚合。下行链路采用高频段（Band1&Band3）+低频段（Band5）带间载波聚合，可以更好利用高低频段的资源：当PCell工作在较低的频段上时保证维持连接，同时调度器将部分流量放在高频段上，这样可以为那些不能利用高频资源的用户保留有价值的低频资源。

图6（a）是三载波下行定点速率，3CC拥有40 M带宽，可以看出近点峰值为296.36 Mbit·s-1，接近理论值300 Mbit·s-1；中远点的速率也是相当可观。路测覆盖上，3CA终端相对于2CA终端（Band1+Band3）有Band5提供的5 M低频资源，均值速率增益9.7%，边缘覆盖速率增益21.1%，如图6（b），共站建设时，800M边缘覆盖性能比1.8G/2.1G好，故边缘增益比平均增益大。

三载波聚合一个需要重点考虑问题是弱覆盖区域的增益，800M载波具备天然的覆盖优势，在覆盖边缘，3CA终端在主载波为800M的同时，还可以充分利用1.8G和2.1G的资源进行CA，相比非CA 800M终端，必定可以提升边缘用户的速率。表2是弱覆盖区域的速率对比增益试验分析，可以看出在1.8G/2.1G弱覆盖区域，切换到800M做主载波后3CA终端相比非CA 800M终端的速率增益较高，达400%以上；A2门限值越高，主载波越容易切换到800M，增益值越高。X2切换、站间S1切换，总体切换时延的趋势是站内＜站间（X2）＜站间（S1），考虑3CA切换3CA，带辅载波切换时延明显小于不带辅载波切换时延，基于测量增加辅载波时延大于盲增加辅载波时延。

图5 三载波试验场景与试验频段

图6 三载波路测速率增益

然而盲增加算法时延虽稍短，但在1.8G/2.1G弱覆盖区域，当800M做主载波时，在辅载波信号低于删辅载波门限时易导致辅载波频繁增删，甚至一些系统由于不能删掉辅载波，在1.8G/2.1G弱覆盖区域，会导致频繁激活/去激活辅载波，造成资源浪费，所以建议基站侧采用基于测量增加/删除辅载波，带辅载波切换，这样的系统更加优化。

在用户调度问题上，不同设备商厂家有不同的算法，从公平调度到最大差异化调度设置不同等级，逐渐倾向CA终端。公平调度把CA终端当成一个普通终端来分配资源，最大差异化则是把CA终端当成多个普通终端来分配资源（如3CA终端当成3个普通终端）。表6是某厂家调度算法的测试结果，可以看出等级1是

表2 1.8G/2.1G弱覆盖区域

载波聚合的时延性能主要包括：主被叫时延、Ping时延、切换时延。CA系统相比非CA系统，除了主载波建立时延，另外需要添加辅载波信息，所以时延会稍高一些。试验数据分析如表3至表5所示。主被叫主载波建立时延约为65 ms，含辅载波增加时延约为100 ms；Ping包小业务没有达到辅载波激活门限，CA系统与非CA系统时延相当，超过1000 Bytes时Ping包要分片，故1500 Bytes时延稍长；切换时延包括站内切换、站间公平调度，CA终端和非CA终端速率相当；等级5是最大差异化调度，CA终端速率约为非CA终端平均速率之和；等级2、3、4介于公平和最大差异之间。运营商可根据市场策略灵活选用不同等级的调度策略。

表3 主被叫时延

表4 Ping包用户面时延

表5 切换时延

载波聚合另一个需要关注的问题则是跨站载波聚合，即实际城市规划中部分站址没有800M天馈或者没有2.1G天馈的场景，可以分为1.8/2.1G加密站场景跟1.8/2.1G边缘站场景，如图7所示，此时UE可以添加邻站小区的800M/2.1G载频作为辅载波。无论是加密站场景还是边缘站场景，实际路测过程中开启跨站CA功能整体增益并不大（1%不到），仅仅在发生跨站CA的路段才稍有增益（6%），主要原因是在本小区覆盖边缘发生跨站聚合的情况，要么是邻站800M频段信号的5M小带宽，要么是邻站2.1G频段的微弱信号，这两种载频提供的频率资源不明显。从整网考虑，在小区覆盖相当的情况下，UE都优先聚合共站的辅载波（如果有），或者主载波先切换至邻站目标小区，在目标小区做站内载波聚合，所以基站侧开启跨站CA功能的增益作用不大，反而会增加UE检测信号的开销。

表6 多用户调度测试

图7 跨站CA场景

4 结束语

LTE向5G演进过程中面临频谱碎片化和更高的网络吞吐率等挑战，载波聚合技术通过将离散的频谱资源聚合起来拓展带宽，可以有效解决这些问题。本文从原理上分析研究载波聚合的关键技术，结合外场试验数据分析了三载波聚合技术在定点速率、路测、时延及用户调度上的性能和增益。采用低频段800M的三载波聚合技术，可以增强覆盖性能，提高弱覆盖区域的用户体验，本文的原理研究和试验数据能为将来网络建设提供意见。

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