載波聚合特性在TD-LTE商用網絡中的應用研究

王洋,劉曾怡,左成華, 李華木( 中國移動通信集團河北有限公司石家莊分公司，石家莊 0500； 中國移動通信集團四川有限公司成都分公司，成都 60000； 中國移動通信集團四川有限公司攀枝花分公司，攀枝花 67000； 4 中國移動通信集團福建有限公司泉州分公司，泉州 6000)

載波聚合特性在TD-LTE商用網絡中的應用研究

王洋1,劉曾怡2,左成華2, 李華木3
(1 中國移動通信集團河北有限公司石家莊分公司，石家莊 050011；2 中國移動通信集團四川有限公司成都分公司，成都 610000；3 中國移動通信集團四川有限公司攀枝花分公司，攀枝花 617000； 4 中國移動通信集團福建有限公司泉州分公司，泉州 362000)

摘 要本文依據現階段主流廠商功能實現情況和相關的網絡現狀進行了實踐性研究，主要從頻率配置、分量載波轉化和移動性管理三方面進行現網配置研究，并提出了相應的參數設置需求，為快速部署載波聚合網絡提供了借鑒意義。

關鍵詞TD-LTE；載波聚合；應用研究

1　引言

LTE（3.9G）在國內外的商用進程均得到了重要突破：在國際上，截至2015年1季度，日、韓、瑞典、新加坡等國家的的LTE覆蓋人群已超過98%，美國、加拿大、挪威等主流發達國家的覆蓋人群已超過90%[1]。2012年底，TD-LTE技術在國內率先部署，2013年正式進入商用。截至2015年1季度，經過兩年的業務積累和市場發展，在國內重點城市，TD-LTE網絡承載的數據業務比例已經躍升到2G/3G/4G總業務量的70%；同期，FDD-LTE在商用牌照發布后，全國已有300城市以上已經部署了FDD-商用網絡[2]。

在國內TD-LTE商用網絡大發展和國家“互聯網+”戰略部署的情況下，E-UTRAN的無線帶寬需求進一步擴大。3GPP在R10的36系列標準中明確了LTE-Advance（4G）的重要特性：CA（Carrier Aggregation， 載波聚合），在E-UTRAN層面進一步提升了無線帶寬，將LTE的峰值速率提升到了1 Gbit/s。因此，研究LTE-Advance（4G）中載波聚合在本地化的應用顯得尤為重要。

針對載波聚合技術增加的無線資源，當前研究的熱點為：（1）RRC層如何為UE分配可用的CC（Componentcarrier，分量載波）； （2）媒體接入控制層（MAC）的調度[3]。

2　TD-LTE載波聚合

載波聚合技術是將LTE若干載波聚合之后形成的較寬的頻帶資源分配給某個用戶使用，以滿足帶寬持續增長的需求。在3GPP R10定義的LTE-Advanced系統支持多達5個載波的聚合，最大帶寬可以達到5×20 MHz，相應的無線速率可達1 Gbit/s[4]。CA下的分量載波與單載波LTE系統支持的載波類型相同，因此，對于不支持CA技術的Rel8/9的終端來說，識別的聚合載波與Rel8的載波相同。對于具有CA能力的R10終端來說，CA小區下將顯著提升傳輸速率。通常來說，CA中的載波在頻域不必是連續的，分為帶內

（intra-band）聚合和帶間（inter-band）聚合，這使碎片化頻譜資源利用率得到了提升，尤其是TD-LTE不需要成對的頻譜資源，其利用效率更高[5]。對于運營商來說，高效利用昂貴和稀缺的頻譜資源顯得尤為重要；而對于用戶來說，更換R10版本的手機在CA下可以獲得成倍提升的業務體驗。

2.1載波聚合本地化模式

3GPP在Release 10（TR 36.913）正式引入CA，根據聚合載波所在的頻帶，載波聚合可以分為兩種模式。

（1）帶內載波聚合：將同頻帶內的兩個在載波聚合，使一個用戶在同頻帶的兩個載波進行下行數據傳輸。同頻帶內的載波聚合分為連續和非連續的載波聚合，如圖1中Scenario A與Scenario B所示。

（2）帶間載波聚合：將不同頻帶的兩個載波聚合，使一個用戶在不同頻帶的兩個載波進行下行數據傳輸。如圖1中Scenario C所示[6]。

圖1　帶內帶間載波聚合模式

在國內的商用網絡中，使用TD-LTE帶內載波聚合有先天的優勢：（1）Band38/41在分配方式上，未進行對稱頻譜分配，而采用連續頻譜分配。（2）用于室內的Band40也采用大帶寬連續分配方式。圖2中的Scenario A是適合于現階段國內運營商開展CA商用的網絡的主要場景。由于設備支持情況，截至2015年，主流設備廠商能夠進行CA的方式主要通過共站實現。

在LTE-Advanced中，分量載波上的數據是相互獨立處理的，在傳輸時才會進一步合并[7]。合并的方案主要有：（1）在MAC層聚合多個分量載波的數據流；（2）在物理層聚合多個分量載波的數據流[8]。3GPP最終選擇了第二種方式：MAC層聚合，該方式下每個無線承載只有一個PDCP和RLC實體，RLC層無需知曉物理層的分量載波信息；MAC層將傳輸塊（碼字）獨立地分配給每個分量載波，每個分量載波有各自獨立的傳輸信道，每TTI一個TB（Transport Block）以及獨立的HARQ實體和重傳進程。由于分量載波之間互相獨立，所以鏈路自適應技術也是適用于各個獨立分量載波的，相應的調制編碼（MCS）等也獨立[9]。因此，每個分量載波上數據傳輸模式與LTE基本一致。

圖2　國內載波聚合實現場景

2.2載波聚合調度原理

LTE-Advanced系統開啟載波聚合技術后，相應的傳輸控制信息發生了改變。CA場景下的分量載波繼承了LTE系統的傳輸方式，包括調制、信道編碼以及多址接入。為了提升數據傳輸效率，CA中的上下行控制信令仍需進一步改進[7]。同時，CA場景下分量載波有主、

輔之分：主小區（Pcell，Primary Cell）工作在主頻帶上[10]。3GPP規定，UE在Pcell進行初始連接的建立；在切換過程中Pcell質量作為UE的駐留小區，提供PUCCH信道。輔小區（Scell，Secondary Cell）工作在輔頻帶上。當無線資源控制（RRC，Radio Resource Control）連接建立后，Scell的無線資源就可以被調度和利用。處于RRC-CONNECTED態的UE，如果不支持CA，則Pcell作為Serving Cell提供無線資源；如果UE支持CA，則Serving Cell包含了Pcell和Scell，該方式下Serving Cell由1個Pcell和至多4個Scell組成[11，12]；同時，Pcell負責與UE之間的RRC建立和維系連接狀態，Scell通過RRC-Reconfiguration配置，配置成功后則可使用Scell的無線資源。

2.3頻率設置研究

3GPP的36.808中定義在標準化的頻率配置中，主要考慮：（1）在R9的協議中，100 kHz為頻柵，整體的頻率需要為100 kHz整數倍；（2）子載波的正交頻率空間為15 kHz。因此，聚合的兩個分量載波中心頻點為300 kHz的整數倍。

在載波聚合時的Pcell和Scell的載波帶寬均有相關要求[9]。在國內的頻率分配模式下，TD-LTE主要使用Band38（2.6 GHz）和Band40（2.4 GHz）進行組合5的聚合，而Band39（1.9 GHz）的載波聚合可以使用的組合為1、2、3三種。由于Band38在現階段已有大量的城市進行了全面的覆蓋部署，因此本文主要考慮在Band38實現組合5的聚合。

在本地化配置中設定中心頻點為FDL FUL；頻點號NDL NUL，使用相應的EARFCN計算公式：下行：FDL=FDL_low+0.1（NDL-NOffs-DL）；上行：FUL=FUL_low+0.1（NUL-NOffs-UL）[12]。在2 575 MHz～2 595 MHz的頻段使用上進行計算：EARFCN_Pcell=10×（2 595-2 575）+37 750=37 900，因此相應的Pcell主頻點應配置為37 900，對應的Scell頻點為EARFCN=38 098。因此，本地化的雙載波聚合使用的頻點通過同站配置兩個EARFCN號實現雙頻點小區，再進行CA開啟，形成能力。

3　本地化應用研究

本地化在商用網絡上開啟CA功能需要重點考慮頻點設置、Pcell和Scell之間的啟動策略和互操作策略，本文將從以下兩個方面進行相關策略研究，并依據本地化band38的應用進行相關的參數設計和配置。

3.1分量載波狀態轉換研究

支持CA的UE在現實場景中會有3種狀態：Scell未配置（網絡側完全未進行配置）、Scell配置未激活和Scell配置已激活。

Scell的頻率信息需要預先配置在Pcell，如果UE支持載波聚合，eNode B將激活Scell的頻率測量。利用A4和A2事件對Pcell進行管理， A4和A2事件描述與切換一致，但事件的門限是獨立的。CA UE將滿CA A4 RSRP門限的小區上報給eNode B，如果該小區與Pcell屬于同一個CA Group，則eNode B下發RRC Connection Reconfiguration ，則該小區處于Scell配置已激活（CC Activated）態。

在現網中，如果載波管理開開啟，則在CA UE的Scell去激活條件：RLC出口速率≤DeactiveThroughputThd；或RLC緩存＜DeactiveBufferLenThd，以節省UE在SCell進行盲檢和收發數據的功率消耗，同時減少上行CSI（Channel State Information）反饋[13]。當CA UE的SCell的RSRP測量值低于CA A2事件RSRP的觸發門限時，觸發A2事件上報，eNode B 通過RRC Connection Reconfiguration將該CA UE的Scell刪除。進入Scell配置未激活（CC deactivated）狀態。當RLC緩存數據量＞ max （RLC出口速率 × ActiveBufferDelayThd， ActiveBufferLenThd），或者RLC 首分組時延＞ActiveBufferDelayThd時，系統會通過MAC層調度進一步進行CC的激活，進入Scell配置已激活（CC activated）態。

在低流量業務中（如網頁訪問、即時聊天等業務），

單載波足以滿足需求。激活Scell門限需要根據業務需求進行靈活選擇，本文通過分組抓取分析對不同業務的下行速率進行了統計，如圖3所示。

圖3　不同互聯網業務下行帶寬需求

由于低速率業務普遍的平均速率與峰值速率均未超過800 kbit/s（100 kB），考慮LTE的設計業務面時延小于100 ms，由于內容源帶入的時延可能會增加。因此，設置Scell激活門限為：ActiveBufferLenThd=30 kB，ActiveBufferDelayThd=300 ms。在進行視頻類業務時，Scell成功配置并激活；而進行低速率業務時時，Scell并未激活，CA UE保持單載波狀態。

3.2Pcell與Scell移動性研究

在CC已激活的情況下，CA UE業務流程主要有以下3步：（1）CA UE在Pcell完成初始連接建立。（2）根據CA UE上報的測量結果，eNode B通過層3消息配置CA UE的Scell。（3）實時監測CA UE數據量，eNode B根據MAC CE激活或去激活Scell；移動性管理方面主要分為Pcell和Scell的選擇和變更，如圖4所示[14]。

從現網測試來看，網絡側將選擇優先級最高的頻點作為CA UE的Pcell，如果優先級相同，網絡側將選擇CA UE 空閑態駐留的頻點作為Pcell，此時可以通過重選優先級來選擇終端的Pcell。當空閑態駐留的頻點與錨定優先級最高的頻點不一致時，CA UE完成E-RAB建立后，會進行一次異頻切換，再配置Scell。相應的流程圖如圖5所示。

在主流廠商技術現階段的技術實現中，Scell選擇情況如下：當UE收到Scell優先級較高的小區時，網絡側會優先下發該小區的A4測量配置，在等待計時器超時前，如果收到該小區的A4測量報告，則網絡側優先配置該小區作為Scell CA UE，如果定時器超時，則選擇下個Scell優先級小區的測量配置，等待CA UE上報該小區的測量報告，如此循環。如果同一個優先級的多個小區都滿足A4測量條件，則網絡選擇RSRP最好的小區作為Scell配置CA UE。

3.2.1 Pcell變更的主要涉及事件定義[12]

同頻A3事件算法：Mn+Ocn＞Hys+Ms+Ocs+Off

Ocn：CellIndividualOffset/小區偏移；Hys：IntraFreqHoA3Hyst/同頻切換幅度遲滯；Ocs：CellSpecificOffset/服務小區偏置；Off：IntraFreq HoA3Offset/同頻切換偏置。

異頻A5事件算法：Mp+Hys＜Thresh1； Mn+ Ofn+Ocn-Hys＞Thresh2

Ocn：CellIndividualOffset/小區偏移；Hys：InterFreqHoA4Hyst/異頻切換幅度遲滯；Ofn：QoffsetFreqConn/連接態頻率偏置；Off：IntraFreqHoA3Offset/同頻切換偏置。Thresh1：InterFreqHoA2ThdRsrp/異頻A2 RSRP觸發門限；Thresh2：InterFreqHoA4ThdRsrp/基于覆蓋的異頻RSRP觸發門限。

圖4　CC已激活態下業務建立和變更過程

圖5　Pcell,Scell選擇流程

系統在Pcell上面僅分配一個RRC實體給CA UE，因此處于CA狀態的UE是否發生切換只與Pcell是否發生變更有關，而與Scell的狀態無關。當目標Pcell與源Pcell同EARFCN時，采用Event A3作為切換判決。當目標Pcell的頻點與源PCell的頻點不相同時，則必須采用 Event A5。

Thresh1、Thresh2的設置會同時影響Event A4、Event A5的執行，因此需要對Thresh1、Thresh2的的設置策略進行探討。根據Thresh1、Thresh2的大小關系分成3種情況進行討論驗證，結果如表1所示。

3.2.2 Scell變更的主要事件定義

Scell切換A6事件算法：Mn+Ocn-Hys＞Ms+Ocs+Off

其中Mn、Ms為UE測量到鄰區Scell以及服務小區的Scell的RSRP，Ocn、Ocs為小區個體偏移，Off 為A6偏置量。根據TS36.331協議，如果Pcell不變，僅Scell發生變更，必須使用A6事件，且A6小區只能用于同頻的Scell同頻變更[14]。

由于A6中的Ocn、Ocs為共享配置參數，相對應的Hys和Off為事件專用參數，因此，為差異化相關配置流程A6需在多Scell情況下進行差異化配置。

表1　不同配置的門限區別

4　結論

本文主要研究了現階段商用網絡開啟載波聚合功能的關鍵點，結合原理分析和現階段網絡功能實現情況，重點研究了現階段載波聚合的頻率設置，分量載波狀態轉換的關鍵點和無線狀態下的Pcell和Scell轉移方法。確定了相應的Scell激活門限和相應的Pcell切換的重點門限值。

參考文獻

[1] 王定偉. 打造體驗最佳、絕對領先的4G精品網[M]. 深圳：華為技術有限公司， 2015.6

[2] 中國互聯網絡發展狀況統計報告[M]. 北京：中國互聯網絡信息中心. 2015.1

[3] 朱俊. 一種LTE MAC頻選調度算法研究[D]. 西安：西安電子科技大學， 2012：5.

[4] Erik Dahlman， Stefan Parkvall， Johan Skold. 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband[M]. Elsevier Ltd， 2011.

[5] 3GPP TS 36.808 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)；Carrier Aggregation， Base Station (BS) radio transmission and reception[S].

[6] 曹亙， 張欣， 鄭瑞明， 等.LTE-Advanced系統中的多載波聚合技術[J]. 現代電信科技， 2009(2).

[7] 龔明亮. 載波聚合中的無線資源管理研究[D]. 北京：北京郵電大學， 2011，12.

[8] Stefania Sesia， Issam Toufik， Matthew Baker. LTE-The UMTS Long Term Evolution： From Theory to Practice， Second Edition[M]. John Wiley&Sons， Ltd. 2011.

[9] 3GPP TS 36.321 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)，Medium Access Control (MAC) protocol specification[S].

[10] 3GPP TS 36.211 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)， Physical channels and modulation[S].

[11] 3GPP TS 36.212 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)， Multiplexing and channel coding[S].

[12] 3GPP TS 36.331 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)， Radio Resource Control (RRC)[S].

[13] 田寶玉. LTE-A中載波聚合關鍵技術研究[D]. 北京：北京郵電大學， 2014.

[14] Zukang Shen， Aris Papasakellariou， Juan Montojo， et al. Overview of 3GPP LTE-Advanced Carrier Aggregation for 4G Wireless communications[J]. IEEE Communications Magazine， 2012(2).

Carrier aggregation features applied research in TD-LTE commercial network

WANG Yang1, LIU Zeng-yi2, ZUO Cheng-hua3, LI Hua-mu4
(1 China Mobile Group Hebei Co., Ltd. Shijiazhuang Branch, Shijiazhuang 050021, China; 2 China Mobile Group Sichuan Co., Ltd. Chengdu Branch, Chengdu 610000, China； 3 China Mobile Group Sichuan Co., Ltd. Panzhihua Branch, Panzhihua 617000, China; 4 China Mobile Group Fujian Co., Ltd. Quanzhou Branch, Quanzhou 362000, China)

AbstractThis paper focuses on the methods of operating CA network in commercial network of China.Three aspects were researched in this paper: spectrum confi guration, status change of componentcarrier and mobility management in carrier aggregation.Practicall results studied in this paper will greatly improve the step of install carrier aggregation network.

KeywordsTD-LTE； carrier aggregation； practicall study

收稿日期：2015-08-01

中圖分類號TN929.5

文獻標識碼A

文章編號1008-5599（2015）11-0037-06