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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；技术应用
引言
随着移动通信的发展，用户对数据业务速率的要求越来越高，载波聚合（CA，Carrier Aggregation）成为移动通信运营商面向未来的必然选择。对于同时拥有TDD和FDD频谱资源的运营商，TDD-FDD的载波聚合技术使TDD频谱和FDD频谱结合起来，提供更高的峰值速率和更大的跨网络应用覆盖，并确保频谱的有效利用，满足TDD-FDD融合组网的覆盖和容量需求，帮助运营商以TDD的成本效益部署配合FDD 网络。
一、载波聚合技术的引入
1.载波聚合技术的引入
多载波应用是随着无线网络技术进步以及用户对网络容量的需求而产生的，最初的UMTS部署主要重视广覆盖，因此单载波容量即可满足用户需求。但是随着用户的快速增长以及多种多样数据业务需求的爆发，为了提高载波负荷均衡的管理效率，3GPP R8中引入了“相邻载波双小区HSDPA操作”的功能，即联合载波资源分配的理念，其主要优点是通过载波间的负荷均衡降低存在未用资源的概率，实现了更好的资源利用及频谱效率。推出HSPA+后，在3GPP R10的LTE-A中引入了载波聚合技术。
载波聚合即把零碎的LTE频段合并成一个虚拟的更宽的频段，以提高数据速率。如图1所示，从载波组合方式上，载波聚合可以分为频带内连续载波聚合（Intra-Band Contiguous）、频带内非连续载波聚合（Intra-Band Non-contiguous）和频带间非连续载波聚合（Inter-Band Non-contiguous）3类，TDD-FDD载波聚合属于频段间载波聚合。.png)
载波聚合的总体目标是通过以下方式提供小区间更好且一致的用户体验，具体如下：
（1）结合不同频率下可用的峰值容量和吞吐量性能，将峰值数据速率和吞吐量最大化。
（2）减轻分散在不同频段非连续载波的低效因素，改善移动性。
（3）跨频率和系统的负载平衡，向用户提供更好且更一致的Qo S。在一个频段遇到阻塞的用户可以无缝调度，以访问在另一个频率或系统下可用的未用容量。
（4）智能资源调配实现干扰管理。另一方面，它向运营商提供了一种低成本的解决方案，以增加其现有网络的吞吐量和容量，只需对已经使用多个频率的站点进行少量软件升级即可。
二、载波聚合分类
（1）Intra-band CA：将同频带内的多个载波聚合，使一个用户在同频带的多个载波进行上下行数据传输。同频带内的载波聚合分为连续和非连续的载波聚合，如图2中场景A与场景B所示。
（2）Inter-band CA：将不同频带的多个载波聚合，使一个用户在不同频带的多个载波进行下行数据传输。如图2中场景C所示：
三、载波聚合技术原理
1.应用场景
CA的主要应用场景如图3所示，协议R10版本支持S1、S2、S3（Flex CA灵活的载波聚合小区选择）3种场景，对于S4和S5场景，需要考虑多个CC的TA同步问题，在R11版本支持。.png)
2.协议原理
载波聚合实现架构如图4所示，载波聚合只在MAC层及以下可见，而MAC层之上看不见载波聚合。
◆ 每个无线承载只有一个PDCP和RLC实体，RLC层上看不到物理层有多少个分量载波。
◆各个分量载波上MAC层的数据面独立调度。
◆每个分量载波有各自独立的传输信道，每TTI一个TB（Transport Block）以及独立的HARQ实体和重传进程。
四、载波聚合价值
（1）用户体验及品牌效应单用户多载波直接带来速率的翻倍。
（2）小区吞吐量提升因为CA的聚合，实现了多小区联合调度，基站的频率选择性调度可以有更大的灵活性，从而采用更高的编码方式，提升小区的平均吞吐量。根据仿真结果，小区提升小区平均吞吐量5.6%，提升边缘用户吞吐量15.3%。
（3）边缘用户速率提升
◆两个载波同时给用户发数据，即便频谱率效率不变，速率直接翻倍。
◆基站的频率选择性增益，提成单小区对用户的发送速率。
（4）突发业务快速响应
MBB的Burst突发业务通过CA宽管道带来瞬时容量增益100%及业务响应时延缩短。
（5）毫秒级的负载均衡
CA用户同时驻留在2个载波上，每个TTI上调度的数据量都可变化，天然实现了TTI级的负载均衡，效率更高，节省信令，对业务的影响完全不可见。.png)
3.频段内载波聚合
通过相同band频段内多个连续或非连续的载波聚合增加带宽，从而满足LTE-A系统的带宽需求，提高频谱碎片利用率。
载波聚合后，上层数据流在MAC层映射到各个载波。在每个TTI中，基站在每个载波构筑一个传输块（空间复用场景下2个或多个传输块）。每个载波分配一个单独的HARQ实体并使用一个独立的链路自适应机制。频段内载波聚合示意图如图5所示。.png)
五、载波聚合的实现意义
由于无线频谱资源短缺，世界各国都很难再找到连续的大带宽，因此为了实现LTE系统的大带宽需求，LTE演进过程中引入了载波聚合技术，把多个连续（频段内D1+D2）或不连续（跨频段D+F）的频谱聚合使用。
（1）LTE重要技术之一，通过载波聚合可以提供成倍的数据速率和更好的用户体验；（2）CA是目前主流运营商现关注的重点之一；（3）由于频谱资源的稀缺，跨频段的载波聚合在未来有更大的应用空间和实际意义；
六、TDD-FDD载波聚合关键技术特点
TDD - FDD载波聚合技术关键在于主载波的选择上，从资源利用率、信令开销、辅小区进程RTT时间以及终端设计架构方面来看，选择FDD做主载波的优势如下：
（1）目前无线网中对上行载波聚合的产业化进程相对缓慢，且大多数终端仅支持下行方向的载波聚合，此类终端无论使用TDD还是FDD，辅载波上行子帧均不做聚合。
在TD-LTE采用下行和上行3：1的时隙配置情况下，当配置TDD做主载波、FDD做辅载波时，FDD无线帧上所有上行子帧不做聚合，上行子帧损失较大；当配置FDD做主载波，TDD做辅载波时，仅损失TDD 2 0 % 的上行子帧。因此从频率使用效率上看，TDD做主载波上行效率相对较低。
在跨载波调度场景中，FDD做主载波可以调度所有的TDD下行子帧，反之TDD做主载波时部分FDD下行子帧无法调度。
相同的无线环境下，TDD做主载波FDD做辅载波会使得上行控制信道负担增加，可能导致上行速率受限，实际网络业务中TDD和FDD的速率存在一定的关联，上行速率受限对下行速率也会造成一定影响。因此从资源利用率来看，FDD做主载波的优势更大。
（2）FDD相对于TDD频段较低，相同组网条件下FDD覆盖更广更连续，在TDD-FDD载波聚合场景下，配置FDD做主载波可以减少因为切换主载波带来的信令开销，且时延低。
（3）辅小区进程RTT时间上，FDD做主载波时，TDD（3：1时隙配比为例）的RTT时间可维持8ms，而TDD做主载波时，FDD最大的RTT为12ms，即FDD做主载波时最大RTT时间可减少4ms。
（4）TDD做主载波时，终端参考设计构建与FDD 做主载波时的构架不同，会导致终端发射功率以及灵敏度的回退，会严重影响网络性能；FDD做主载波时，仅考虑TDD接收滤波器的设计，而TDD做主载波时，需要对TDD发射和接收滤波器同时提出设计要求。
七、结论
载波聚合是LTE的核心技术，可以把相同或不同频段下的两个以上的载波合并为一个信道，以便成倍提高LTE小区的峰值速率。载波聚合（CA）亦能有效规避邻区同频干扰，进一步提升网络性能，还能灵活地实现主辅小区间的负载均衡，进而提升整体网络容量。载波聚合技术在现网中的广泛推广应用，让运营商不仅能用户提供更高速、更丰富的业务体验，还能更好地应对数据业务流量的爆发增长，提高TD-LTE网络的竞争力。
参考文献：
[1]赵训.3GPP长期演进（LTE）系统架构与技术规范[M].北京：人民邮电出版社，2010.
[2]沈嘉.3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2008.
[3]胡宏林，徐景.3GPP LTE无线链路关键技术[M].北京：电子工业出版社，2008.
论文作者:陈小浪,郑文斌,谢宏才
论文发表刊物:《基层建设》2016年14期
论文发表时间:2016/11/2
标签：载波论文; 频段论文; 速率论文; 频谱论文; 多个论文; 频带论文; 用户论文; 《基层建设》2016年14期论文;