LTE―Advance载波聚合技术的原理及应用场景分析

摘 要：文章简要阐述了载波聚合的特点及基本原理，从而针对TD-LTE载波聚合技术的频率部署情景及应用场景进行了分析，以供同行参考。

关键词：LTE-Advance；载波聚合技术；聚合方式；应用场景

为了提供数据传输速率，满足用户的业务需求，3GPP组织启动了LTE后续演进项目LTE-Advance（LTE-A）。在演进过程中，更宽频谱的需求将成为影响演进的关键因素。目前来说，LTE-A系统有6个候选频点，若考虑到现有的频谱分配方式，难以满足承载LTE-A系统100MHz带宽的连续频谱的要求。因此，3GPP提出使用载波聚合技术来解决LTE-A系统对频带资源和峰值速率的需求。

1 载波聚合技术概述

在无线资源日益稀缺的今天，从LTE目前的频谱中很难找到一段超宽带的频谱供LTE-Advanced使用。3GPP提出的频谱聚合技术可以将多个不同的频段整合使用，能够灵活地从连续或非连续频谱将带宽扩展到LTE Advanced要求的100MHz。在聚合后的载波上，LTE 终端可以接入其中的一个载波单元，而LTE Advanced终端可以同时接入多个载波单元，这样不仅满足了LTE和 LTE-Advanced的频谱兼容性需求，并且能减小比特开销，完成超过 1Gbps的峰值速率的要求――这恰好迎合了LTE向LTE-Advanced演进的需求。载波聚合不需要对LTE物理层进行大的改动，提高了对现有系统的再利用，缩短了LTE-Advanced系统的商用时间。

2 载波聚合方式

载波聚合中，每个被聚合的载波被称作一个分量载波（Component Carriers，CC）。分量载波的带宽可以是1.4 MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz 或20MHz。由于3GPP协议中规定最多5个分量载波进行聚合，因此最大的聚合带宽是100MHz。在FDD系统中，上下行被聚合的分量载波数可以数量不同，并且每个被聚合分量载波的带宽也可以不同，但是为了满足上/下行流量的不对称需求，要求上行被聚合的分量载波数量总是等于或低于下行被聚合的分量载波数量。另在，在TDD系统中，由于上下行同频时分传输的固有特性，上下行分量载波数量以及带宽一般是相等的，上/下行流量的不对称需求靠适当的上/下行时隙数目来做调整。

根据实际的应用需求，载波聚合方式可分为三类：频带内相邻载波聚合（intra-band，contiguous）、频带内不相邻载波聚合（intra-band，non-contiguous）、频带间不相邻载波聚合（inter-band，non-contiguous），见图1。

图1 载波聚合方式

3 频率部署情景

最初载波聚合仅针对E-UTRA中少量工作频段中的部分载波进行聚合。随着应用需求场景的增加，出现了更多的频率聚合部署情景，为简洁、清晰有效的表述出不同频率部署情景下的载波聚合，3GPP提出了聚合传输带宽（Aggregated Transmission Bandwidth Configuration，ATBC）、聚合带宽等级（CAbandwidth class）和载波聚合配置（CA configuration）三个概念。

ATBC标识了被聚合物理资源块的总数量；CA bandwidth class指示被聚合ATBC的最大数和分量载波的最大数。目前在3GPP定义确定了三个载波聚合带宽等级：

等级A：ATBC≤100，分量载波最大数量=1；

等级B：ATBC≤100，分量载波最大数量=2；

等级C：100

载波聚合配置指示出聚合载波所在的E-UTRA工作频段和聚合载波带宽等级，从而表述出是在何种频率部署场景下的载波聚合。

载波聚合配置标识方法见图 2：

图2 载波聚合情景标识

CA_1C表示E-UTRA工作频段1中两个连续子载波聚合，载波聚合带宽等级为C的载波聚合情景；CA_25A_25A，表示频段25内两个不连续的分量载波聚合，分量载波带宽等级为 A的载波聚合情景；CA_1A-5A表示频段1和频段5内频段间成份波带聚合，分量载波带宽等级为A的聚合载波聚合情景。

在3GPP R10版本中载波聚合定义了以下三种频率部署情景见表1。

4 应用场景

为了支持载波聚合，3GPP R10 中引入了主小区（Primary Serving Cell，PSC）和辅助小区 （Secondary Serving Cells，SSC）的区别。主小区是UE与之通信的主要小区，完成RRC连接控制，一个主小区始终在RRC连接控制模式中处于活动状态，同时可能有一个或多个辅助小区处于活动状态。其他的辅助小区仅可在连接建立后配置为连接模式，以提供额外的无线资源。所有主小区和辅助小区统称为服务小区。为主小区提供覆盖的分量载波被称作主分量载波（Primary component carrier，PCC），为辅助小区提供覆盖的分量载波被称作辅助分量载波（Secondary component carriers，SCC）。图3显示了载波聚合小区覆盖情况。黑色UE有3个分量载波可供聚合使用，白色UE不在红色分量载波覆盖范围内，仅有2个分量载波可供聚合使用。针对分量载波的以上特点，载波聚合技术有具有不同的应用场景。

图3 载波聚合小区覆盖情况

为了简化考虑，我们只研究2个分量载波（CC：Component Carrier）的情况，如图4所示，两个分量载波分别为CC1和CC2。

图4 载波聚合应用场景

场景1（Scenario 1）是一种非常典型的应用场景，CC1和CC2处在同一频段或者频谱相距较近，并且不同分量载波对应的天线并列摆放，指向的角度相同，提供的覆盖范围一致。

场景2（Scenario 2）中两个分量载波处在不同的频段上，频谱上相隔较远，频率较高的分量载波经历的路径损耗较大，提供的覆盖范围则较小。在小区边缘，只有一个分量载波覆盖，对于小区中心区域，两个分量载波相互重叠，可以提供更大的吞吐量。

场景3（Scenario 3）中不同分量载波对应的eNodeB（Evolved Node B）的发射天线的指向角度不同，CC1的扇区边缘与CC2的扇区中心相重叠，通过这种方式可以提高扇区边缘的吞吐量。

场景4（Scenario 4）中一个分量载波保证宏小区的覆盖，在热点区域，放置一个远端发射单元（RRH：Remote Radio Header），使用另一个分量载波进一步提高该区域的吞吐量。在RRH和eNodeB之间可以通过光纤连接，通过协作实现宏小区和RRH小区的频谱聚合。

5 结束语

综上所述，本文主要针对LTE-Advanced载波聚合技术的基本原理及应用场景进行分析。载波聚合技术作为LTEAdvanced中提升无线传输速率的重要手段，近年来，随着无线宽带通信领域对传输速率的不断提升，载波聚合技术必将更加完善，引领我们进入一个更加丰富多彩的无线宽带移动互联网世界。