LTE載波聚合研究

頡 斌　北京中網(wǎng)華通設(shè)計(jì)咨詢有限公司第一設(shè)計(jì)院副總工程師

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LTE載波聚合研究

頡 斌北京中網(wǎng)華通設(shè)計(jì)咨詢有限公司第一設(shè)計(jì)院副總工程師

隨著4G用戶高速增長(zhǎng)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)高速發(fā)展，帶來高峰值速率、大帶寬需求。通過引入載波聚合技術(shù)，將運(yùn)營(yíng)商分散頻譜聚合為大的通信帶寬，增加頻譜應(yīng)用的靈活性，提高頻譜利用效率。載波聚合技術(shù)適用于多種場(chǎng)景、存在多種頻段組合方式，最多同時(shí)使用5個(gè)載波，單個(gè)載波最大帶寬為20MHz，可達(dá)到最高100MHz的帶寬，最高峰值速率達(dá)到下行1Gbit/s、上行500Mbit/s。現(xiàn)網(wǎng)目前主要是兩載波、三載波聚合。

頻譜；載波聚合；峰值速率；應(yīng)用場(chǎng)景；組合方式

1　引言

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展、智能終端的普及和大量網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的出現(xiàn)，以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主的移動(dòng)寬帶通信成為未來移動(dòng)通信發(fā)展的趨勢(shì)。從應(yīng)對(duì)未來數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)高速發(fā)展的角度，特別是應(yīng)對(duì)峰值速率需求和帶寬需求的角度，需要通信系統(tǒng)提供更大的通信帶寬。

根據(jù)工業(yè)和信息化部2016年1月通信業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在4G移動(dòng)電話用戶高速增長(zhǎng)、4G套餐資費(fèi)不斷下調(diào)等因素帶動(dòng)下，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入流量爆發(fā)式增長(zhǎng)。2016年1月，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入流量累計(jì)達(dá)5.4億G，同比增長(zhǎng)120.9%。

2　載波聚合基礎(chǔ)知識(shí)

為了滿足LTE-A下行峰值速率1Gbit/s，上行峰值速率500Mbit/s的要求，需要提供最大100MHz的傳輸帶寬，基于大帶寬、連續(xù)頻譜的稀缺，提出了載波聚合的解決方案。載波聚合顧名思義，就是將多個(gè)載波聚合為一個(gè)大的傳輸帶寬，該技術(shù)要求后向兼容R8/9系統(tǒng)。

3GPP在R10引入載波聚合基本概念，支持最大5載波聚合，引入部分CA頻段組合，包括帶內(nèi)和帶間；R11協(xié)議完善，針對(duì)運(yùn)營(yíng)商需求引入更多不同的頻段聚合；R12支持FDD+TDD載波聚合，CA頻段組合進(jìn)一步完善。

中國(guó)用于移動(dòng)通信的頻譜分散于800、900、1800、2100、2400、2600MHz。可以通過載波聚合技術(shù)將分散頻譜聚合為大的通信帶寬，增加頻譜應(yīng)用的靈活性，提高頻譜利用效率。

2.1載波聚合基本理論

LTE中，一個(gè)UE只使用一個(gè)載波，帶寬可以選擇1.4、3、5、10、15和20MHz。在LTE-A中，一個(gè)UE支持最多同時(shí)使用5個(gè)載波，每個(gè)載波的帶寬范圍和LTE相同，即單個(gè)載波最大帶寬為20MHz，以達(dá)到最高100MHz的帶寬。

LTE-A的載波聚合技術(shù)在每個(gè)載波上的處理盡量和LTE相同，每個(gè)載波所采用的幀結(jié)構(gòu)參數(shù)與LTE （LTER8）中的相同，并允許把所有載波配置成與LTE標(biāo)準(zhǔn)兼容的載波，即使若干載波被某些具有載波聚合能力的LTE-A終端聚合使用，LTE終端仍可以在其中一個(gè)載波上發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。

2.2載波聚合組合方式

從載波組合方式上，載波聚合可以分為3種情況，即帶內(nèi)連續(xù)載波聚合、帶內(nèi)非連續(xù)載波聚合和帶間非連續(xù)載波聚合。各組合方式在射頻要求上有不同，但是在信令面和用戶面都將采用相同的解決方案。

通過這樣的設(shè)計(jì)，不僅能滿足LTE-A系統(tǒng)在聚合帶寬上的需求，而且可以很好地保持對(duì)LTE系統(tǒng)的后向兼容性，便于支持各種帶寬能力的終端，非常有利于LTE系統(tǒng)到LTE-A系統(tǒng)的平滑過渡。

3　應(yīng)用場(chǎng)景

載波聚合有多種應(yīng)用場(chǎng)景，可以在宏小區(qū)之間組合、也可實(shí)現(xiàn)宏微組合，下面以兩載波（F1、F2）聚合為例，介紹主要的4種應(yīng)用場(chǎng)景，

（1）宏宏組合

F1和F2共站并覆蓋區(qū)域重疊，并且F1和F2提供基本相當(dāng)?shù)母采w。該場(chǎng)景要求F1和F2在相同的頻段內(nèi)，比如同為2GHz或800MHz等。對(duì)于F1和F2小區(qū)覆蓋重疊的區(qū)域可以進(jìn)行載波聚合。

（2）宏宏組合

F1和F2共站并覆蓋區(qū)域重疊，但由于較大的路徑損耗F2的覆蓋區(qū)域較小。只有F1提供足夠的覆蓋，F(xiàn)2用來提高吞吐量。該場(chǎng)景F1和F2應(yīng)在不同的頻段，例如F1=｛800MHz，2GHz｝and F2=｛2.6GHz｝等。對(duì)于F1和F2小區(qū)覆蓋重疊的區(qū)域可以進(jìn)行載波聚合。

（3）宏宏組合

F1和F2共站，但是F2天線指向F1覆蓋邊界來提供小區(qū)邊緣的吞吐量。F1提供足夠的覆蓋，但F2由于較大的路徑損耗可能會(huì)有覆蓋盲區(qū)。該場(chǎng)景是F1和F2應(yīng)在不同的頻段，例如F1=｛800MHz，2GHz｝and F2=｛2.6GHz｝。同一個(gè)基站的F1和F2小區(qū)在覆蓋重疊區(qū)域可以進(jìn)行載波聚合。

（4）宏微組合

F1提供宏小區(qū)覆蓋，F(xiàn)2為微基站用來提高熱點(diǎn)區(qū)域的吞吐量。在F1覆蓋范圍內(nèi)，可涵蓋多個(gè)微基站。該場(chǎng)景F1和F2處在不同的頻段，例如F1=｛800MHz，2GHz｝and F2=｛2.6GHz｝。對(duì)于F2微小區(qū)覆蓋內(nèi)可以進(jìn)行載波聚合。

基于R10標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于下行載波聚合，支持上述的所有場(chǎng)景。上行載波聚合研究集中在支持頻段內(nèi)的載波聚合。

4　目前支持情況

從載波聚合技術(shù)產(chǎn)業(yè)進(jìn)展方面：

（1）設(shè)備廠家

目前，載波聚合只能在同廠商共BBU情況下使用。2CCCA單用戶速率可以達(dá)到300Mbit/s，3CCCA單用戶速率可以達(dá)到450Mbit/s。主要系統(tǒng)廠商已支持頻段內(nèi)下行40M載波聚合，部分廠商支持頻段內(nèi)上行40M載波聚合及跨頻段下行40M載波聚合。

（2）終端芯片

從2014年開始，主要芯片將CA作為標(biāo)準(zhǔn)配置。2015年開始，陸續(xù)具備3CC載波聚合、UL 2CC載波聚合、T+F載波聚合能力。高通、Marvell芯片已具備40M下行載波聚合能力（頻段內(nèi)與跨頻段），Marvell即將具備頻段內(nèi)上行40M載波聚合能力。

5　中國(guó)聯(lián)通LTE載波聚合應(yīng)用建議

根據(jù)中國(guó)聯(lián)通總部安排，目前已經(jīng)開始在自有營(yíng)業(yè)廳、一類校園、機(jī)場(chǎng)、高鐵站、地鐵等重點(diǎn)區(qū)域部署載波聚合，預(yù)計(jì)在2016年會(huì)規(guī)模性部署。下面從中國(guó)聯(lián)通頻譜資源、聚合方式等方面進(jìn)行分析。

5.1中國(guó)聯(lián)通目前頻譜資源

從表1可看出，目前中國(guó)聯(lián)通現(xiàn)階段可行的兩載波聚合存在4種組合方式：1.8G+1.8G、1.8G+2.1G、1.8G+2.3G、1.8G+2.6G。從中國(guó)聯(lián)通實(shí)際網(wǎng)絡(luò)建設(shè)來分析，TDD-LTE目前基本沒有建設(shè)，目前真正可實(shí)現(xiàn)的載波聚合方式僅有前面兩種。

表1　中國(guó)聯(lián)通目前頻譜資源表

5.2建議的載波聚合方式

（1）頻率使用情況分析

采用 1.8G+ 1.8G、1.8G+2.1G兩種載波聚合方式，都存在清頻、退頻的問題。

●1.8G+1.8G

該方式目前使用的頻段為：1830～1860MHz，共30M頻段，為20M+10M。但目前1830～1840 MHz為GSM 1800使用頻段，如采用該方式，需清頻。

目前，GSM 1800網(wǎng)絡(luò)主要分布在市區(qū)、縣城，從承載業(yè)務(wù)角度分析，基本為主力承載網(wǎng)。這是某省2015 年8月底數(shù)據(jù)，“移動(dòng)網(wǎng)2G承載話務(wù)量占比68.2%，依然維持在較高水平，全網(wǎng)單站日均話務(wù)量69.5Erl，遠(yuǎn)高于3G單站日均25.3Erl”。從數(shù)據(jù)來看，目前基本不存在退頻的可能。所以，采用這種方式，退頻是一個(gè)難點(diǎn)，大面積、連片使用存在困難。

●1.8G+2.1G

該方式目前使用的頻段為：1840～1860MHz，共20M頻段，以及2130～2170 MHz。目前，2145～2170 MHz，屬于聯(lián)通4G潛在頻率資源，并未真正獲批。2130～2145MHz目前為WCDMA使用，載波聚合占用帶寬需根據(jù)WCDMA退頻情況確定。采用這種方式，如考慮使用潛在頻率資源，基本能做到20M+20M。

（2）設(shè)備及終端支持情況分析

表2為兩種載波聚合方式，基站設(shè)備改造及終端支持情況。

從表2對(duì)比來看，在能對(duì)G1800清頻的前提下，建議優(yōu)選1.8G帶內(nèi)聚合。

5.3案例

下面通過案例，介紹載波聚合方式的選擇過程。

某大學(xué)城涵蓋10所高校、15萬師生，歸屬于一類校園場(chǎng)景，計(jì)劃實(shí)施載波聚合方案。

（1）使用頻段分析

目前，大學(xué)城區(qū)域內(nèi)共有1.8G LTE基站36個(gè)、雙載波WCDMA基站36個(gè)，均為同址建設(shè)，全部采用愛立信設(shè)備。園區(qū)內(nèi)還有4個(gè)GSM900基站，沒有GSM1800基站。園區(qū)內(nèi)共建設(shè)7套室內(nèi)分布系統(tǒng)，支持2、3、4G，其中2G信源采用GSM 1800基站。

表2　載波聚合方式對(duì)比表

通過話務(wù)分析：

●大學(xué)城內(nèi)3G流量占比達(dá)到77%，這與4G終端占比低關(guān)系很大，目前3G退頻不存在可能，如做20M+20M帶外載波聚合，需要使用潛在頻率資源。

●2G話務(wù)量占比23%，分析室分GSM1800基站承載話務(wù)量數(shù)據(jù)，忙時(shí)僅為1Erl左右，非常低，所以可判斷絕大部分話務(wù)承載在GSM 900網(wǎng)絡(luò)上。與分公司溝通，可將室分GSM1800基站停掉，騰出1800M頻段。而且大學(xué)城周邊1km之內(nèi)沒有GSM 1800基站。所以大學(xué)城具備采用1.8G帶內(nèi)載波聚合的條件。

（2）基站升級(jí)分析

如果采用1.8G+2.1G帶外聚合，在基站設(shè)備方面，有3種實(shí)現(xiàn)方式：

●擴(kuò)容現(xiàn)有LTE基站BBU，并在天面增加2.1GRRU，實(shí)現(xiàn)20M+20M帶外聚合。

●升級(jí)現(xiàn)網(wǎng)3G基站為UL雙模基站，但愛立信目前3G基站，IBW僅支持30M且為單通道基站，所以這種方式，最終能實(shí)現(xiàn)20M+10M載波聚合，并由于2.1G是單通道，最終峰值速率會(huì)打折扣。

●替換現(xiàn)有3G基站為IBW40M、雙通道基站，可實(shí)現(xiàn)20+15M帶外聚合。

（3）天面空間分析

大學(xué)城基站，天線掛放全部為美化單管塔，目前已有2/3/4G三套系統(tǒng)，天面資源緊張，不具備增加RRU的掛放條件。

根據(jù)上述分析，目前可行的載波聚合方式為：

●關(guān)閉室分1800M基站，采用1.8G+1.8G（20M+ 10M），帶內(nèi)載波聚合。

●替換現(xiàn)有3G基站為IBW40M、雙通道基站，采用1.8G+2.1G（20M+20M），帶外載波聚合。

最終考慮工程進(jìn)度、實(shí)現(xiàn)難易以及終端支持等多方面，最終確定采用1.8G+1.8G（20M+10M），帶內(nèi)載波聚合，峰值速率可達(dá)到225M。

［1］程鴻雁，等.LTEFDD網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)［M］.北京：人民郵電出版社，2013，07.

［2］汪丁鼎，景建新，尚清華.LTEFDD/EPC網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)與優(yōu)化（4G叢書）［M］.北京：人民郵電出版社，2014.

［3］中國(guó)聯(lián)通2015年LTE無線網(wǎng)絡(luò)載波聚合（CA）建設(shè)指導(dǎo)意見（討論稿）_v1.1.2015.10.

［4］E-UTRAN載波聚合（CA）技術(shù)研究報(bào)告，2014.