LTE-Advanced载波聚合分析与理解

理解LTE-Advanced载波聚合

本理解指南概述了HSPA 和LTE 网络中的载波聚合的演进，讨论了架构的含义。

一开发载波聚合(CA) 的动机

多载波应用理念是随着运营商技术的提升和数据容量方面的运营挑战而产生的。最初的UMTS部署主要重视覆盖面最大化，因此，单一载波容量就足以应付用户需求。

数据用户近一段时间快速增长，原因除HSPA 可用性外，还有更好的宽带多媒体应用程序用户体验、高速Internet 和相对便宜的智能手机的可用性等多种因素。因此，运营商获取了多个频谱许可证并部署使用多载波的HSPA网络，以满足容量需求，在首个部署情形下，这些多载波在L2和L1上独立运作。此类情形需要严格的无线资源管理和层协调，以定义负载平衡标准。

IP数据包的突发性和不可预测性使载波负载平衡的管理效率非常低下。联合载波资源分配的理念随之出现，并产生Release 8 中称为“相邻载波双小区HSDPA 操作”的3GPP 功能。由于降低了存在未用资源的概率，联合资源分配和载波间负载平衡的主要优点是实现了更好的资源利用和频谱效率。这种现象有时也称为“集群效率”。HSPA CA 的演进将在下一章进行介绍。HSPA+ 推出后，载波聚合又被引入3GPP Release 10 中的LTE-Advanced。

一方面，载波聚合的总体目标是通过以下方式提供小区间增强而一致的用户体验：

● 通过结合不同频率下可用的峰值容量和吞吐量性能，最大化峰值数据速率和吞吐量

● 通过减轻相关的低效因素改善移动性，这些低效因素是常常分散在不同频段

的非连续载波的无线部署所固有的

● 凭借跨频率和系统的负载平衡，向用户提供更好且更一致的QoS。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。

● 通过智能资源分配实现干扰管理。

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 HSPA+ 载波聚合

本节将通过3GPP 版本重点介绍HSPA 上的载波聚合的演进。

3GPP HSPA+（演进）概述

双载波DC-HSDPA 是3GPP Release 8 的功能，在全球已有大量商业部署。该DC-HSDPA 限制在5 MHz 的2 个相邻载波。

在Release 9 中，相邻载波限制已经解决，可通过MIMO 提供具有单独频段的双频HSDPA 操作。而且还考虑了上行链路，引入了双载波HSPA。

在随后的版本中，先前在3GPP 多轮多载波标准化过程中开发的标准化框架再次使用，在Release 10 中提供两个独立频段上的4载波HSDPA。

下一步， Release11就是提供最高8载波HSDPA 的支持，聚合高达40 MHz的频谱，以满足ITU 对真正4G/IMT-Advanced 的需求。Release 11 也支持同一频带上非相邻载波的聚合。

图1：HSPA 载波聚合的演进

峰值速率能力随着每次演进显著提升。载波聚合是对网络进行明显能力改善的少数几个功能之一。

如图2 所示，从Release 7 下行链路理论峰值数据速率28 Mbps 开始，每个版本都将该峰值翻倍，到Release 11 时，采用2x2MIMO 可实现336 Mbps 的吞吐量，而结合4x4 MIMO 可实现672 Mbps 的吞吐量。

图2：采用载波聚合后HSPA 吞吐量的演进

HSPA 的演进推动峰值数据速率不断接近LTE-Advanced 性能，使得这一成熟技术在部署LTE 后仍得以延续。下面的章节将详细描述这些演进。然而，UE的复杂性和与W-CDMA 多载波相关的功耗也许会减缓对下一版的需求。

Release 8

相邻载波上的双小区HSDPA 操作

这一版本的载波聚合首先在Release 8 中引入，称为“相邻载波上的双小区HSDPA 操作”功能。这种技术在不使用MIMO 的情况下将峰值速率翻倍（采用64QAM），从21Mbps 提升到42Mbps。此功能结合了相邻5 MHz 带宽的2 个载波。双载波用户可在两个5 MHz 载波之间调度。

与HSDPA 技术无关的信道保持所谓的“主服务小区”，物理层过程也依赖于这个主服务小区。传输信道链是独立的，它们以类似于MIMO 的方式独立执行编码、调制和混合自动重复请求(HARQ) 重传。

此功能在随后章节中详细介绍，它是HSPA 多载波功能所有演进的基础。

Release 9

Rel-9 的HSPA+ 增强功能：双载波HSUPA

容量方面的相同需求推动了对上行链路中的类似双载波的支持。因此，Release 9 中引入了相邻上行链路载波上的双载波HSUPA操作。它依赖与DC-HSDPA

相同的原理：接着采用16QAM 把上行链路速率翻倍，达到23 Mbps。此外，

众所周知，上行链路条件中的UE 通常主要受到带宽而不是上行链路实际发射

功率的限制。因此，DC-HSUPA 在数据速率和可用性方面的优势至关重要。

DC-HSUPA 用户可以在两个E-DCH 2 ms TTI 传输信道上发射数据，每个信道

基于各自的上行链路载波。用户在同一个扇区的两个不同小区上由同一个Node B 提供服务。辅载波可以通过HS-SCCH 指令激活或停用。每个活动的HSUPA 载波机制在很大程度上是相互独立的，分别执行自己的授权信令、功率控制和

软切换。

DC-HSUPA 的一个很大限制是必须通过DC-HSDPA 操作进行配置；只有在辅

助下行链路载波也处于活动状态时，辅助上行链路载波才处于活动状态。主要

原因是辅助下行链路载波信道对上行链路操作（F-DPCH、E-AGCH、E-RGCH、E-HICH）而言必不可少。与此相反，HS-DPCCH 总是映射在主上行链路载波上，因此，辅助上行链路不是辅助下行链路操作的必要条件。

支持DC-HSDPA 的不同频段（双频段DC-HSDPA）

为了提供DC-HSDPA Release 8（其频段必须相邻）之外的操作模式，Release 9 引入了对非相邻频段的支持，通过一项称为双频段DC-HSDPA (DB-DC-HSDPA) 操作的功能来支持MIMO。它扩展了运营商的部署可能性，因为其频谱许可通常分散在几个不同的频段。因为原理相同，与DC-HSDPA 操作相比，可预期的吞吐量改进不多；不过，非并列频段有不同的传播损失和干扰系统，因此可从

中继和频域上获得额外容量增益，性能可能会有提升。

在DB-DC-HSDPA中，上行传输只能在一个载波上进行，上行载波可以被网络配置为2个频段中的任意一个。

在Release 9 中，双频段HSDPA 操作指定用于三个不同的频段组合，每个组合

适用于一个ITU 区域：

● 频段I (2100 MHz) 和频段V (850 MHz)

● 频段I (2100 MHz) 和频段VIII (900 MHz)

● 频段II (1900 MHz) 和频段IV (2100/1700 MHz)

Release 9 保留了在符合Release 9 要求的后续版本中增加额外频段组合的可能性。在Release 10 中，添加了下列新组合：

● 频段I (2100 MHz) 和频段XI (1450 MHz)

● 频段II (1900 MHz) 和频段V (850 MHz)

● In Rel-9 DC-HSDC can be combined together with MIMO

● This allows achieving a peak rate of 84 Mbps in 10 MHz

图3：Rel-9 - 与CA 组合的MIMO 的图形化表示

Release 10

四载波HSDPA

Rel-10 中引入了对四载波非连续HSDPA (4C-HSDPA) 操作的支持。它的原理与

Rel-8 DC-HSDPA 和Rel-9 双频段（withMIMO）相同。4C-HSDPA 允许NodeB 在最多四个5 MHz 载波上同时调度一个用户传输。

● In Rel-10 Four Carriers for HSDPA can be combined

● This allows achieving a peak rate of 84 Mbps in 20 MHz

图4：Rel-10 4C-HSDPA 图形化表示（无MIMO）

利用最高调制方案(64 QAM)，并在每个下行载波上配置下行MIMO 2X2，理论峰值数据速率可达到168 Mbps。性能是(DB)-DC-HSDPA 可获得性能的两倍。

对于4C-HSDPA，载波使用可分散到两个频段上。此结构沿用与Rel-9 DB-DC-HSDPA 操作相似的结构。支持的频段组合如下所列（每个组合适用于一个ITU 区域）：

● 频段I (2100 MHz) 和频段V (850 MHz)：频段I 中一到两个载波，同时频段V 中一到两个载波

● 频段I (2100 MHz) 和频段VIII (900 MHz)：频段I 中两到三个载波，同时在频段V 中配置一个载波

● 频段II (1900 MHz) 和频段IV (2100/1700 MHz)：频段II 中一到两个载波，同

时频段IV 中一到两个载波

也可以仅在频段I (2100 MHz) 中配置三个相邻的载波。

可能的4C-HSDPA Release 10 配置如图5 中所示。

与Release 9 相似，后续版本中可以进一步增加频段组合。

图5 显示Release 10 将载波指定为相邻。选择这一结构的目的是简化接收器整合，减少典型的UE Release 10 兼容设备所需的接收器数量。不过，从协议角度而言，该规格允许非连续频段。

4C-HSDPA 操作的结构在很大程度上重新利用了为Rel-8 DC-HSDPA 和Rel-9 DC-HSDPA（with MIMO）标准化的L1/L2解决方案。

● L1 更改限于对L1 反馈信道(HS-DPCCH) 的更改。更具体而言，为了容纳双倍的L1 反馈信息，此物理信道的扩频系数从256 降为128。

● L2 更改限于UE 缓冲区大小的增加，如RLC AM 和MAC-(e)hs 缓冲区；对于4C-HSDPA 而言，这意味着可以通过总计四个HS-DSCH 传输信道同时在主服务小区和辅助服务小区调度UE。

与以往的多载波功能相同，对于激活的下行载波和流，HARQ 重新传输、编码和调制是独立执行的。服务NodeB 传送的HSSCCH命令也保留了处理辅助载波激活/停用的机制。

在Release 10 中，特别为支持无MIMO 的3 载波做了工作。引入了新的编码簿来支持这些配置，并维持与过往版本中相同的HSDPSCCH上行覆盖范围。

Release 11

载波HSDPA - 8-载波HSDPA - 40 MHz 载波聚合

在Release 11 中，与HSDPA 的载波聚合潜力扩展至最多8 个载波，并可在一个UE 中使用40 MHz 聚合。载波不需要相邻，而且可从多个频段中聚合载波。

与Rel-8 至Rel-10 中标准化的其他多载波功能相似，此功能有望带来类似的吞吐量增益。与Release 10 中的4 载波HSDPA相比，峰值吞吐量理论上翻倍。

8C-HSDPA 部署限于仅一个上行载波。承载CQI 和确认的相关上行信令将通过两个独立的HS-DPCCH 进行传输。Rel-10 中针对4C-HSDPA 标准化的解决方案将重新利用：两路SF128 信道化码用于传输相关的信令。

为支持比特率提升，L2 进行了更改，即增大了MAC-ehs 窗口大小。RLC 层空间也有所增大。MIMO 可以针对每个载波独立配置。STTD 和单流MIMO 移动性将使用与Rel-10 相似的方式进行处理：只基于主载波。

Release 12 及以上

Release 11 中Nokia [R1-111060] 提议了LTE 和HSDPA 的聚合，但推迟到了Release 12。某一称为“LTE 和HSDPA 载波聚合”的研究项目正在作为Release 12 的一部分进行调查研究。

同时利用HSDPA 和LTE 的理念源自运营商可能遇到的难处：既需要并行使用这两种技术，但又面临可用频谱有限的现实。

无论是在HSDPA 还是LTE 中，任何聚合背后的出发点都是为最终用户提供更高的峰值速率，能够动态平衡多个已部署载波之间的负载，尽可能提供最好的频谱利用率。在LTE 和HSPA 系统并存的多无线环境中，也存在着相同的出发点。这种RAT 间载波聚合能够在低/中等负载上提供最高的增强，而且它们也可让小区边缘和小区中心UE 受益。

考虑到极具猝发性的实际网络上典型的用户情况，RAT 间负载平衡切换显然不是解决方案。与RAT 间负载平衡方案相比，利用组合的调度程序可允许动态平衡下行负载（TTI 粒度），并可最大化对现有LTE 和HSDPA 多载波实施的重新利用。载波聚合调度属于MAC 层功能，因此从模型角度而言，联合调度确实需要在LTE 和HSDPA 之间进行MAC 层通信。

从上行角度上看，由于UE 功耗限制和无线覆盖范围的原因，聚合不那么有吸引力。

除了调度灵活性和数据速率增益外，HSPA+LTE 聚合还可能为HSPA 频谱的重新分配策略带来更大的灵活性。

图6：Release 12 及以上：聚合LTE + HSPA（4Gamerica 表示）

HSPA Release 8 及其以上中的多载波原理

本节着重阐述Release 8 中引入的名为DC-HSPDA 的双载波功能，其属于3GPP 多载波演进历程中的一部分。HSPA 中多载波原理的结构从其首次实现基础上演进。

如前面所述，多载波的基本理念是通过联合资源分配和载波间负载平衡获得更好的资源利用率和频谱效率。因此，对于DCHSDPA而言，网络可以捆绑两个相邻的5 MHz 下行载波。具备DC 功能的HSPA UE 可以同时在两个载波上分配资源。双载波是HSDPA 的自然演进，允许用户峰值数据速率在理论上翻倍，使用16QAM 时最高可达42 Mbps。

不过，3GPP Release 8 中的双载波有下列限制：

● 双小区传输仅适用于HSDPA 物理信道；

● 两个小区属于相同的Node-B，并在相邻的载波上；

● 两个小区不使用MIMO 为双小区操作配置的UE 提供服务；

● DC-HSDPA 中配置的UE 不支持发射分集闭环模式1 (CLM1)，仅支持

STTD。

不过，如上一小节中所述，3GPP 版本间的HSPA 演进克服了相应限制，允许非相邻频段的不同组合。

双小区通过动态多重用户提供更高的资源利用效率，改善了负载共享，并且通过将所有码和功率资源分配至TTI 中的单个用户实现瞬时数据速率在理论上翻番。.通过提高传输速度，缩短了回路延迟时间。10 MHz 带宽也用于在信号衰减条件下更高效地调度UE，从联合调度中获得频率选择增益和改善的QoS 增益。

图7演示了如何根据信号衰减条件调度用户。考虑3 个用户，UE1 和UE2 为单载波设备，分别处于载波F1 和F2 上。UE3 是双载波设备。无线资源根据信号衰减条件在UE间共享。

图7：DC Node-B 以及根据信号衰减条件调度用户示例

我们知道NodeB 和UE 调度程序依赖于供应商，而且并不完全由3GPP标准化。

显然演进至多载波也会以UE 和Node B 复杂度为代价，其硬件实施颇有挑战。我们将在测试部分中面临这些挑战。

DC-HSDPA 功能描述

3GPP 在Release 8 中定义了两个载波，如下所示：

● 服务HS-DSCH 小区（或主载波）：UE 的主载波具有包括DPCH/F-DPCH、E-HICH、E-AGCH 和E-RGCH 在内的所有物理信道。这一载波也有一个关联的上行链路；

● 辅助服务HS-DSCH 小区（或增补载波）：在CELL_DCH 状态的双载波操作期间，UE 的增补载波是下行载波，而不是UE的主载波。不过，如上一小节中所述，3GPP 版本间的HSPA 演进克服了相应限制，允许非相邻频段的不同组合。

图8 显示信道DC操作：可以注意到，同一小区既可以是一个UE 的主小区，也可是另一UE 的辅小区。UE 主小区除了DCHSDPA外还要求HSUPA 和F-DPCH，并且同时具有DL 和UL Tx，而辅小区则仅有DL Tx。

图8：DC-HSDPA 中双载波信道映射

辅助服务小区的激活和停用命令通过新的HSSCCH 命令指示，使用一比特比特来指明HS-SCCH 命令是辅助服务HS-DSCH小区激活还是停用命令[25.212]。移动性过程基于HS-DSCH小区进行。这并不会引发问题，因为这两个小区位于相邻的载波上，因此从各种Node-B 上遭遇相同的路径损失。

物理层规格上的工作主要侧重于控制信道设计，以便支持DC-HSDPA 操作。设计选择如下方所述。

HS-SCCH 设计

UE 最多监控总计6 个HS-SCCH（每个载波最多4 个HS-SCCH）。这一数字是在限制UE 复杂度（Rel-8 HSDPA 要求UE 能够在一个载波上最多监控4 个HS-SCCH）和限制堵塞可能性（如数据包由于没有可用的控制信道而无法调度，此可能性会随着HSSCCH数量减少而升高）之间折中而来。另外，也同意HS-SCCH 映射到与其控制的HS-PDSCH 的数据传输相同的载波上。

UE 应该能够同时接收来自服务HS-DSCH 小区的最多一个HS-DSCH 或HS-SCCH 命令，以及来自辅助服务HS-DSCH 小区的最多一个HS-DSCH 或HS-SCCH 命令。

通过HS-SCCH 控制载波的激活/停用和用户映射的主要优点为：

● 改善动态负载平衡：多载波用户可由S-RNC 配置成拥有不同的主服务小区，改善拥塞管理灵活性，并可能提高数据速度。

● UE 电池省电：停用特定的载波可以让UE 关闭对应的接收器链。这可在突发流量情形中大大提高省电能力。

ACK/NACK 和CQI 报告

ACK/NACK 和CQI 报告由单一码HS-DPCCH 承载。这一选择优于双码HS-DPCCH 设计，因为从立方度量角度而言单码方案性能优于后者（即更容易被UE 传输功率放大器处理，并且需要更少的功率裕度），因而提供增强的UL覆

盖范围。

CQI 报告方案重新利用了MIMO 解决方案，即辅助服务小区激活时CQI 为10 个比特（类似于双流MIMO），而不是5 个比特（单流MIMO）。当辅助服务小区激活时，从两个单独的CQI 报告构建复合CQI 报告。ACK/NACK 报告也基于MIMO 使用2码字传输的解决方案。

性能

DC-HSDPA 与[25.825] 中报告的2xSC-HSDPA 的性能比较表明，DC-HSDPA 提高了全缓冲流量的用户和扇区吞吐量，尤其是在低负载情形中。增益在很大程度上基于系统中的负载：随着用户数增长增益会降低，因为每个小区（载波）的多用户多样性也会变大，因而降低了DC- 和SC-HSDPA 之间的性能差异。图9 显示了扇区吞吐量根据每扇区用户数的增益。如我们所看到的，DC-HSDPA 增益在低负载时更为明显。在每扇区2 个用户时，扇区吞吐量中的增益为25%。在每扇区32 个用户时，增益为7%。

图9：DC HSDPA 对2xSC-HSDPA [TS 28.825] 的容量增益

此外，低几何条件用户的吞吐量增益要高于高几何条件用户。

DC 对于Web 浏览或VoIP 等突发流量非常有益。有结果表明，DC-HSDPA 可以在低负载到中负载上实现突发速率翻番。在低负载到中负载时，对于给定的突发速率，DC-HSDPA 可以支持的用户数是2xSC-HSDPA 的两倍多。

三 LTE-Advanced 载波聚合

在3GPP 规格的Release 10 中，DC-HSPA 在Release 8 和Release 9 中进行的基础性工作被引入到LTE-Advanced 规格中。

这一称为载波聚合(CA) 的功能是LTE-Advanced 的核心功能。CA 允许LTE 实现IMT-Advanced 强制实施的目标，同时也保留了对Release 8 和9 LTE 的向后兼容性。Release 10 CA 允许LTE 无线接口配置为具有任意数量（最多五个）载波，使用任何带宽（包括不同带宽），处于任何频段中。载波聚合可用于FDD 和TDD。下列章节中，阐述了Release 10 原理，以及Release 11 中提供的扩展。

载波聚合类型

上行和下行链路以完全独立地配置，唯一的限制是上行载波的数量不可超过下行载波的数量。每一聚合的载波称为分量载波(CC)。分量载波的带宽可以是1.4、3、5、10、15 或20 MHz。最多五个分量载波时，最大聚合带宽为100 MHz。3GPP 中定义了三种类型的分配，以满足不同运营商的频谱状况。

频段内连续

运营商安排聚合的最简单方式是在同一运行频段中使用连续的分量载波（如LTE Rel-8/9 中定义），即频段内连续。在当今频率分配的条件下，大于20 MHz 的连续带宽方案不太可能；但是，等以后世界各地分配了3.5 GHz 等新频谱频段时，它会比较常见。连续聚合的CC 的中心频率间的间隔是300 kHz 的

倍数（与之相比Release 8/9 中是100 kHz 频率间隔），以正交方式保留了15 kHz 间隔的子载波。

频段内和频段间不连续

北美或欧洲的大多数运营商目前面临着频谱碎片化的问题。非连续分配被指定用于应对这种情况，这种分配可以是频段内的，即分量载波属于同一运行频段，但其间存在一或多个间隙；也可以是频段间的，即分量载波属于不同的运行频段。CA 分配的不同类型如下页图中所示：

图10：LTE-Advanced 中CA 分配的不同类型

部署策略

利用多个聚合频段所实现的可能性允许运营商使用许多不同的部署方案。本节中阐述其中一些选择。

频段内连续

● 一种可能的方案是F1 和F2 小区位置相同并且重叠，提供几乎完全相同的覆盖范围。两层都提供重复的覆盖，并在两层都支持移动性。相似的方案是F1 和F2 位于拥有相似路径损失配置文件的同一频段上。

● 另一方案是F1 和F2 位置相同而实现不同覆盖范围：F2 天线导向至F1 的小区边界或者F1 覆盖空洞中，以便改善覆盖范围和/或提高小区边缘吞吐量。

频段间非连续

由于不同的频段传播配置文件和硬件限制，使用非连续频段改变了运营商的方案可能性。

● 当F1（较低频率）提供宏观覆盖并且F2 上的RRH F2（较高频率）用于改善热点上的吞吐量时，可以考虑远程射频头(RRH) 方案。移动性根据F1 覆盖来执行。F1 和F2 处于不同频段时考虑类似的方案。

● 在HetNet 方案中，有望看到许多小型小区和中继在各种频段上工作。

E-UTRA CA 频段表示法

随着Release 10 中CA 的引入，对特定集合的CA 频段指定了频段聚合，这些频段对应于E-UTRA 操作频段的组合。正如我们在表1 和2 中所见，CA 配置主要由根据可能的频率区块许可而专注于其需求的运营商来推动。CA 频段的格式如下所示：