载波聚合技术如何实现上下行传输速率的有效提升？
近日，中国移动研究院联合中兴通讯和联发科技率先完成基于3GPP R16标准的载波聚合（Carrier Aggregation, CA）速率提升能力验证，从带宽容量和时延性能等方面进一步激发5G潜能，为5G R16标准商用奠定了基础。
那么，什么是载波聚合？载波聚合技术如何实现上下行传输速率的有效提升？
“由于每个运营商能分到的频段有限，且不一定连续，如果每个终端都只能用其中一部分频段的话，那么资源的潜力就无法充分释放。”近日，中兴通讯无线方案总监白炜在接受《通信产业报》全媒体记者采访时表示，载波聚合技术就是针对这类情况，把相同频段或者不同频段的频谱资源聚合起来给终端使用，从而大幅提升整网资源利用率，改善用户体验。
记者了解到，在这个领域，中兴通讯依据多年的成熟商用经验，早在2019年就提出了创新的时频双聚合方案。该方案基于成熟的载波聚合框架，创新性地引入上行TDM调度技术，深化多个频谱之间的聚合能力，达到同时利用多个载波的带宽和覆盖优势，使得频谱效率最大化利用的目标。通过深度融合多个5G频谱，例如：中低频段的FDD-NR频谱和TDD-NR频谱（包括700MHz+2.6GHz，或者2.1GHz+3.5GHz），或者多个TDD-NR频谱（包括2.6GHz和4.9GHz），该方案不仅能有效弥补上行覆盖的不足、缩短时延，还是业界唯一能同时能提升上行和下行容量、实现容量覆盖双增强的方案。
5G R15:继续引用扩容载波聚合
载波聚合并不是5G全新的概念，实际上在3GPP发布的4G标准Release 10阶段就已经引入，并在全球成熟商用。尽管在5G部署初期，运营商重点关注的是单载波的性能。随着5G商用化进程的推进，运营商可用于5G网络的频谱将会不断增多（例如：可以获取新频谱，或者通过动态频谱共享技术和4G共用频谱等方式），那么多个频段之间的聚合需求将会持续获得关注和应用。
因此，3GPP在制定5G标准时，就继承和延续了4G载波聚合的概念，在R15中已经同时包括了下行载波聚合（DL CA）和上行载波聚合技术（UL CA）。其主要目标就是能把多个载波的带宽叠加起来给终端使用，比如两个载波分别是30MHz和100MHz，那么用户就能获得约为130MHz带宽的数据速率。
5G R16:增强载波聚合功能
作为5G eMBB（增强移动带宽）的关键技术，以上是载波聚合在R15中引入的初衷。同时，在R16标准中，又对载波聚合功能进行了增强，主要体现在：
在DL CA方面，主要是针对可以进行载波聚合的频段组合进行了扩展，并将载波聚合的载波数量进行了提升。
在UL CA方面，考虑到天线设计复杂性、发射功率限制等因素，5G商用终端上行普遍为2个发射通道（2Tx），理想情况下采用上行双流方式传输，等效带宽翻倍。然而，由于通道数量的限制，使得在多频段组网时性能没有得到最佳利用，如果采用带内载波聚合技术，吞吐量可以实现线性叠加。但如果需要进行带外载波聚合，则其中每个载波都只能使用1个发射通道，TDD-NR载波的上行无法使用双流传输，聚合后的上行容量可能反而不如不激活载波聚合。
因此在3GPP R16标准中引入上行发射通道切换的机制（Uplink Tx Switching），即一个发射通道固定给载波2使用，另一个发射通道在载波1和载波2之间切换，采用时分模式来解决上述问题、达到最大化利用多个频谱资源的目标。
白炜认为，载波聚合技术在引入Uplink Tx Switching后，克服了基于3GPP R15 UL CA中不能同时使用TDD-NR频段上两个发射通道导致容量损失的问题，从时域和频域两个方面对频谱利用率进行了增强，同时引入功率提升，达到提升上行吞吐量和覆盖的目标。
目前的主流5G商用载波都是时分双工制式（TDD），如果运营商有多个TDD频段（例如2.6GHz和4.9GHz），并且使用不同的帧结构，那么在这个情况下如何最大程度提升上行吞吐量呢？这就是引入TDD帧头错开的主要原因。如果把两个不同TDD频段的上行时隙设计为全错开的方式，终端与这两个频段载波同时连接时就可以大大提升上行时隙占比。以DDDDDDSUU帧结构和DSUUU帧结构为例，两个上行占比分别为20%和60%的载波聚合后，终端可以利用两个载波交替发上行数据，互不冲突，上行可以用时隙提升到80%。
载波聚合：5G速率飙升利器
载波聚合技术不仅可以充分发挥频段间的协同优势，为用户提供更为优质的网络保障，基于R16的5G载波聚合技术还将进一步助推VR/AR、4K/8K高清直播、工业数据采集等大上行场景的业务发展，载波聚合场景可以同时应用于To C和To B行业。
针对To C行业，可以提升单用户体验，主要表现在上下行吞吐量的提升。另外，还提升了上下行的覆盖，一方面是可以克服现有主流TDD频段上行覆盖受限的瓶颈，延长下行TDD大带宽的优势；另一方面可以通过高低频互补的方式延伸上行覆盖。
目前，5G商用频谱主要是中高频段，相对于4G网络普遍使用的1.8GHz、2.1GHz等FDD频段，由于具有路损较高、穿透损耗较高、上行占空比较低等特点，其上行覆盖能力存在一定的劣势，特别是在室外基站覆盖室内的场景，表现为5G信号差、用户体验差。那么采用载波聚合的方式，深化高低频之间的优势互补（TDD频段的大带宽+FDD的覆盖优势），强强联合，提升5G覆盖和用户体验。
针对To B行业，目前主要焦点在于针对远程遥控、视频监控、机器视觉，云化AGV等多个应用，需要满足上行覆盖和超大带宽需求，并且这些业务对单点、单小区的容量需求都远高于To C。不仅可以采用大上行占比的帧结构，而且还可以通过多个载波之间的深度融合，以及各种帧结构之间的灵活融合，充分满足目前大行业的上行大带宽需求。例如，2.6GHz和4.9GHz采用帧头错开的方式，可以提升上行吞吐量到900Mbps以上，满足目前5G大上行的需求。
时频双聚合方案完全遵循R15/R16的载波聚合技术，并可以灵活融合多种频段、多种类型的帧结构、可以适应共站部署/跨站部署等场景，是兼顾ToC和ToB需求的综合解决方案。中兴通讯持续推动该方案的商用化。
2019年10月，中兴通讯与中国电信就对时频双聚合的原型机进行了验证，测试结果显示，在信道良好的环境下，采用时分复用CA时单用户上行速率相对3.5GHz单载波提升最大可达40%，采用并发CA时最大提升可达60%。同时，通过高低频聚合的方式，两方案的下行用户体验速率相对于3.5GHz单载波提升可达20%。
2020年11月，中兴通讯又联合联发科技和四川电信在成都商用网络中对时频双聚合方案进行了充分的测试验证，其结果显示，采用时频双聚合技术，在小区中远点的单用户上行速率明显提升，相对于3.5GHz单载波提升2~3倍。
2020年12月，山东联通、中兴通讯和联发科技对时频双聚合的性能提升能力进行了充分的验证，在3.5GHz覆盖中远点位置的单用户上行速率提升显著，最大可达三倍以上。
今年8月份，中国联通集团研究院和辽宁分公司携手中兴通讯和联发科技，在大连成功完成了时频双聚合方案（FAST）的商用验证，网络性能提升效果显著。该方案深化“3.5GHz+2.1GHz”双频战略，是3GPP R16上行载波聚合特性的首次验证，积极推动R16产业链的成熟。
此外，安徽电信率先将时频双结合方案与行业To B业务应用相结合，并在芜湖智慧港口进行了充分的测试验证。基于港口的视频监控大数据业务，采用时频双聚合技术能够提升用户的业务体验，远点用户上行速率相比3.5GHz单载波提升2倍以上，上行时延降低20%左右，边缘覆盖距离提升25%，能够较好满足视频监控大数据业务的大上行、低时延需求。
采写：胡媛
编辑：胡媛
指导：新文