载波聚合技术详解

载波聚合技术详解
载波聚合技术详解
人们对数据速率的要求越来越高，载波聚合（Carrier Aggregation ，CA) 成为运营商面向未来的必然选择。

什么是载波聚合？简单一点说，就是把零碎的LTE频段合并成一个“虚拟”的更宽的频段，以提高数据速率。

我们先来看看全球CA发展历程。

1）2013年，韩国SK电信首次商用CA，其将800MHZ频段和1.8GHZ频段聚合为一个20MHZ频段，以获得下行峰值速率150Mbps。

LGU+一个月后跟进。

2）2013年11月，英国运营商EE宣布完成inter-band 40 MHz 载波聚合，理论速率可达300Mpbs。

3）2013年12月，澳大利亚运营商Optus首次完成在TD-LTE上载波聚合。

紧随其后，日本软银、香港CSL、澳大利亚Telstra等也相继部署或商用载波聚合。

刚开始，载波聚合部署仅限于2载波。

2014年，韩国SK电信、LGU+成功演示了3载波聚合。

随着技术的不断演进，相信未来还有更多CC的载波聚合。

当然还包括TDD和FDD、LTE和WiFi之间的载波聚合。

中国电信在2014年9月成功演示了FDD和TDD的载波聚
合，这也是载波聚合路上一个新的里程碑。

为了说清楚载波聚合，我们首先来了解一下LTE的频段分配。

载波聚合的分类
载波聚合主要分为intra-band 和inter-band载波聚合，其中intra-band载波聚合又分为连续(contiguous)和非连续(non-contiguous)。

对于intra-band CA (contiguous)中心频点间隔要满足300kHz 的整数倍，即Nx300 kHz。

对于intra-band 非连续载波聚合，该间隔为一个或多个GAP （s）。

3GPP关于载波聚合的定义
下图是3GPP关于载波聚合从Re-10到Re-12的定义历程。

3GPP Rel-10定义了bands 1 (FDD) 和band 40 (TDD)的intra-band 连续载波，分别命名为CA_1C 和CA_40C。

同时还定义band1和5的inter-band载波聚合，命名为CA_1A-5A。

3GPP Rel-11定义了更多CA配置，如下图：
3GPP Rel-12包含了TDD和FDD的载波聚合，同时还定义了支持上行2CC和下行3CC载波聚合等等。

连续CA带宽等级和保护带宽
对于频段内连续载波聚合，CA 带宽等级根据其支持的CC 数量和物理资源块(Physical Resource Blocks ，PRBs)) 的数量来定义。

CA 带宽等级表示最大ATBC和最大CC 数量。

ATBC，即Aggregated Transmission Bandwidth Configuration，指聚合的PRB的总数量。

保护带宽（Guard bands）专门定义于连续CA，指连续CC之间需有一定的保护带宽。

下表列出了CA带宽等级和相应保护带宽。

另外，对于带内连续CA，PCell和SCell频段相同，频点间隔为300kHz整数倍，且满足如下公式：
明白了上面关于带宽等级的定义，我们就很容易理解载波聚合的命名规则了。

比如，以CA_1C 为例，它表示在band1上的intra-band连续载波聚合，2个CC，带宽等级为C，即最大200 RBs。

对应于带宽等级为C，每CC的RB分配也可以是不同的组合，不过范围在100-200 RBs之间。

带内连续intra-band（contiguous）载波聚合
有两种方案：
●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
●当F1（较低频率）提供广覆盖并且F2 上的RRH F2（较高频率）用于改善热点上的吞吐量时，可以考虑射频拉远(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。

PCell / SCell / Serving Cell 概念
每个CC对应一个独立的Cell。

配置了CA的UE与1个PCell和至多4个SCell 相连。

某UE的PCell和所有SCell组成了该UE的Serving Cell集合。

Serving Cell可指代PCell也可以指代SCell。

PCell是UE初始接入时的cell，负责与UE之间的RRC通信。

SCell是在RRC 重配置时添加的，用于提供额外的无线资源。

PCell是在连接建立（connection establishment）时确定的；SCell是在初始安全激活流程（initial security activation procedure）之后，通过RRC连接重配置消息RRCConnectionReconfiguration添加/修改/释放的。

每个CC都有一个对应的索引，primary CC索引固定为0，而每个UE的secondary CC索引是通过UE特定的RRC信令发给UE的。

某个UE聚合的CC通常来自同一个eNodeB且这些CC是同步的。

当配置了CA的UE在所有的Serving Cell内使用相同的C-RNTI。

CA是UE级的特性，不同的UE可能有不同的PCell以及Serving Cell集合。

Pcell是UE与之通信的主要小区，被定义为用来传输RRC信令的小区，或者相当于存在物理上行控制信道（PUCCH）的小区，这个信道在一个指定的UE中只能有一个。

一个PCell 始终在RRC_CONNECTED 模式中处于活动状态，同时可能有一个或多个SCell 处于活动状态。

其他的SCells 仅可在连接建立后配置为CONNECTED 模式，以提供额外的无线资源。

所有PCell 和SCell 统称为服务小区。

PCell 和SCell 以此为基础的分量载波分别为主分量载波(PCC) 和辅助分量载波(SCC)。

●一个PCell 配有一个物理下行控制信道(PDCCH) 和一个物理上行控制信道(PUCCH)。

- 测量和移动性过程基于PCell
- 随机接入过程在PCell 上进行
- PCell 不可被去激活。

●一个SCell 可能配有一个物理下行控制信道(PDCCH)，也可能不，具体取决于UE 功能。

SCell 绝没有PUCCH。

- SCell 支持以MAC 层为基础的激活/去激活过程，以便UE节省电池电量。

简单地做个比较：还以上面的运输做类比，PCell相当于主干道，主干道只有一条，不仅运输货物，还负责与接收端进行交流，根据接收端的能力（UE Capability）以及有多少货物要发（负载）等告诉接收端要在哪几条干道上收货以及这些干道的基本情况等（PCell负责RRC连接）。

SCell相当于辅干道，只负责运输货物。

接收端需要告诉发货端自己的能力，比如能不能同时从多条干道
接收货物，在每条干道上一次能接收多少货物等（UE Capability）。

发货端（eNodeB）才好按照对端（UE）的能力调度发货，否则接收端处理不过来也是白费！（这里只是以下行为例，UE也可能为发货端）。

因为不同的干道还可能运输另一批货物（其它UE的数据），不同的货物需要区分开，所以在不同的干道上传输的同一批货物（属于同一个UE）有一个相同的标记（C-RNTI）。

跨载波调度
跨载波调度是Release 10 中为UE 引入的可选功能，它可以在UE 能力传输过程中通过RRC 激活。

此功能的目的是减少使用了大型小区、小型小区和中继的异构网络(HetNet) 方案中对载波聚合的干扰。

跨载波调度仅用于在没有PDCCH 的SCell 上调度资源。

负责在跨载波调度上下文中提供调度信息的载波通过下行控制信息(DCI) 中的载波指示符字段(CIF) 指明。

此调度也支持HetNet 和不对称配置。

激活与去激活
为了更好地管理配置了CA的UE的电池消耗，LTE提供了SCell 的激活/去激活机制（不支持PCell的激活/去激活）。

当SCell激活时，UE在该CC内1）发送SRS；2）上报CQI/PMI/RI/PTI；3）检测用于该SCell和在该SCell上传输的PDCCH。

当SCell去激活时，UE在该CC内1）不发送SRS；2）不上报CQI/PMI/RI/PTI；3）不传输上行数据（包含pending的重传数据）；
4）不检测用于该SCell和在该SCell上传输的PDCCH；5）可以用于path-loss reference for measurements for uplink power control，但是测量的频率降低，以便降低功率消耗。

重配消息中不带mobility控制信息时，新添加到serving cell的SCell初始为“deactivated”；而原本就在serving cell集合中SCell （未变化或重配置），不改变他们原有的激活状态。

重配消息中带mobility控制信息时（例如handover），所有的SCell均为“deactivated”态。

UE的激活/去激活机制基于MAC control element和deactivation timers的结合。

基于MAC CE的SCell激活/去激活操作是由eNodeB控制的，基于deactivation timer的SCell激活/去激活操作是由UE控制。