几幅草图说透了“载波聚合”

iyangxin

什么是载波聚合？

（上面这是道路和车子^_^ 别再问了.....）

自从4G建网后，大家最关心的就是手机上网速度，也开始认识到一个新的名词—-载波聚合。

那么什么是载波聚合？

技术宅滚粗，来点一听就懂的！

载波聚合，即Carrier Aggregation）。

每次被问到这个问题，我就会用以下例子说明：

（对不起，我画画就是这样…烂）

今天有两条道路，车流往同一方向，两条道路分别为5米宽，同一时间一条道路最多只能有一台车通过。（假设这辆车很宽嘛别找我麻烦！）

因此两条道路同一时间可以有两台车通过。

但是！！人生就是有很多但是，

这两条道路上的车子不允许切换车道！！（可能中间是深沟或小溪之类的）

这就是没有载波聚合的情况！

如果今天其中一条道路A塞满了车，道路B却一辆车也没有，那么同一时间内可以通过的车辆就只有一台，道路A上的车子并不允许切换到道路B上去，所以只能继续塞在道路A（就是这么蠢）。

这时载波聚合就发挥作用了!

载波聚合就是把两条道路合并在一起，让两条5米宽的道路合并成一条10米宽的道路，

5+5=10

让原本两条道路上的车子可以自由的切换车道~（普天同庆~）

那么同一时间点可以通过的车子数量就是稳定的2台了，没有道路会被空着而导致浪费。

如果非要套用回正常技术面，

上面说的道路宽度就是频率带宽（Bandwidth),而道路就是载波（Carrier）。

既然已经回到正常技术面，

现在，技术宅又滚回来了！

继续谈谈为什么要使用载波聚合？

为什么要用载波聚合？

原因一：

提高峰值速率。LTE R8这种信号能使用的最大带宽是20MHz，最低1.4MHz。载波聚合将能使用的所有载波/信道绑在一起，用竟可能大的带宽达到更高的峰值速率。

载波聚合可以使用连续的带宽和不连续的带宽，带宽灵活性很大。载波聚合中单个载波称为CC（component carrier），每个CC可以使用LTE R8规定的任何带宽 (1.4, 3, 5, 10, 15, 和 20 MHz)。

香农定理是载波聚合的理论基础，香农定理告诉我们系统的峰值速率和系统带宽呈线性关系，所以最简单的获得更高峰值速率的办法就是增加带宽。在LTE中，没有定义更高的系统带宽去达到峰值速率的要求，而是采用了CA的方式前向兼容，可以从R8，R9平滑过渡到LTE-A。

原因二：

让运营商在已有的不同带宽的系统中，提供一个统一的更高峰值速率的解决方案。例如运营商想要重耕2G、3G频率并使用4G技术，CA可以灵活的实现这一目标。

原因三：

在宏站中部署微站时管理频率资源的灵活性。

微站是满足热点区域服务要求的重要手段，但是在宏站中部署微站有一个严峻的问题，就是控制信道的干扰问题，如PDCCH。通常的小区间干扰协调都是针对PDSCH的，但是宏站对微站PDCCH的干扰更为严重。CA可以很好的解决这个问题，将宏站和微站的PDCCH放在不同的CC上，数据传输可以智能合并不同频率的CA容量，如下图所示：

图 : 跨载波调度

补脑几个基本概念：

Primary Cell（PCC）：主小区，是工作在主频带上的小区。UE在该小区进行初始连接建立过程，或开始连接重建立过程。在切换过程中该小区被指示为主小区。

Secondary Cell（SCC）：辅小区，是工作在辅频带上的小区。一旦RRC连接建立，辅小区就可能被配置以提供额外的无线资源。

Serving Cell：处于RRC_CONNECTED态的UE，如果没有配置CA，则只有一个Serving Cell，即PCell；如果配置了CA，则Serving Cell集合是由PCell和SCell组成。

CC：Component Carrier；载波单元

载波聚合的应用场景

载波聚合的类型

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)。

注：协议规定，连续两个CC的载波间隔必须为300kHz的整数倍，以保证子载波的正交性；若非连续载波，没有要求。

引入载波聚合后空口协议的变化

载波聚合对网元的要求

Evolved packet core (EPC)

在MIMO 2x2 配置下，核心网需要能够支持单用户下行峰值速率300Mbps。

eNodeB

eNodeB要能够支持一个独立的RLC实体、每载波各自独立的MAC实体、以及LBBP板间通信。

RRU/RFU

根据3GPP 36.104 6.5.3要求：

1）intra-band CA (contiguous)两频点采用不同RRU/RFU，同步时延需在130ns以下；

2）intra-band CA (non-contiguous)两频点采用不用RRU/RFU，同步时延需在260ns以下；

3）inter-band CA两频点采用不同RRU/RFU，同步时延需在1.3us以下。

根据3GPP 36.808 5.7要求，intra-band CA (contiguous)中心频点间隔要满足300khz的整数倍：

连续的20MHz+20MHz，中心频点间隔为19.8MHz；20MHz+10MHz，中心频点间隔为14.4MHz。计算公式如下：

以某运营商为例，CA演示选用频段及频点为：

1.8G：下行频率——1860MHz 频点——1750

2.6G：下行频率——2640MHz 频点——2950

说明：BWchanne(1)、BWchannel(2)分别为两个载波的带宽。

UE

需要UE支持CA功能，以及相关的频段及带宽组合。3GPP TS 36.306 规定，如果UE支持CA，需要上报“supportedBandCombination”，eNodeB根据UE支持的频段及带宽组合进行载波聚合。

载波管理

载波聚合状态

CA UE共有三种状态：SCell（Secondary Cell）配置未激活、SCell配置并激活、SCell未配置。

通过RRC信令配置或去配置SCC,通过MAC信令激活或去激活SCC。

通常通过A4事件配置SCC,通过A2事件去配置SCC。

SCell配置

CA UE将满足A4测量门限值的小区上报给eNodeB，如果该小区与PCell（Primary Cell）属于同一个CA Group，那么eNodeB下发 RRC Connection Reconfiguration 将其配置为该CA UE的SCell。

基站会下发RRC Connection Reconfiguration消息，下发A4配置测量，对SCell进行测量。

A4事件下发信令:

满足A4事件时，UE上报Meas Report，包含SCell的测量信息。基站下发RRC Connection Reconfiguration消息，将其配置为Scell。

RRC重配消息配置SCell：

SCell去配置

当CA UE上报SCell的CaMgtCfg.CarrAggrA2ThdRsrp，通过 RRC Connection Reconfiguration 将该CA UE的SCell删除。

基站在配置某个邻区为UE的SCell的同时，会下发针对该SCell的A2事件，用来监控SCell的信号质量，当SCell的信号质量小于A2事件的门限，UE上报A2报告，基站通过RRC重配通知UE删除该SCell。

A2事件下发:

SCell去配置:

SCell切换

Release 10 引入了一个新的测量事件：事件A6。当相邻小区的强度比SCell强一个偏移量时，便会发生事件A6。

对于频段内SCell，此事件没那么有用，因为PCell 和SCell 的强度通常极为相似。然而，对于频段间服务小区，相邻PCell 的强度可能会与服务SCell 的大不相同。根据网络状况（如流量负载分布），切换至事件A6 标识的小区可能会很有利。

基站在配置某个邻区为UE的SCell的同时，如果这个SCell有同频邻区，且该邻区与PCell为邻区（非同覆盖关系）、CA协同小区，基站会下发用于SCell更新的A6事件，当邻区信号质量减去SCell信号质量大于A6事件门限，UE上报A6，基站通过RRC重配通知UE删除原SCell并添加测量报告中质量更好的邻区为SCell。

A6事件下发：

A6事件测量报告：

更新SCell

RRC重配消息携带删除原SCell、增加新SCell的配置：

Scell激活与去激活

SCC激活一般条件：

– RLC buffer长度高于门限

– RLC包时延超限

SCC去激活一般条件：

– RLC速率低于门限

– RLC buffer长度低于门限

如果打开载波管理开关CaMgtCfg.CarrierMgtSwitch（亦即设为ON），在CA UE数据量不大的情况下可以去激活SCell从而节省UE在SCell的盲检、收发数据的能耗，以及上行CSI反馈。

当CA UE数据量大于一定门限时，则可以快速激活SCell，以提升CA UE的数据量吞吐能力。如下图所示。

业务量触发的SCell激活：

当CA UE已配置SCell但未激活，满足如下条件：

● RLC缓存数据量 > max (RLC出口速率 * CaMgtCfg.ActiveBufferDelayThd, CaMgtCfg.ActiveBufferLenThd)

● 并且RLC 首包时延 > CaMgtCfg.ActiveBufferDelayThd

eNodeB将下发MAC CE（MAC Control Element），快速激活该CA UE的SCell：

●如果是GBR承载（此时业务已经在PCell上建立了），此时先判决该GBR业务满意率是否满足，如果满足就不激活；如果不满足则尝试激活。

●如果是non GBR承载，需要判决当前是否已经达到了UE的AMBR，若已达到就不激活，否则激活该SCell。

为了保持eNodeB和UE侧能够同步，在UE正确接收到MAC层激活信令之后的第x个子帧(n为下发MAC信令时子帧号，n+x子帧为真正激活的时间)上，eNodeB和UE同时激活；这个x由物理层协议来确定（FDD：x为8）。

业务量触发的SCell去激活：

当CA UE每个承载都满足：

●RLC出口速率 < CaMgtCfg.DeactiveThroughputThd

●并且 RLC缓存 < CaMgtCfg.DeactiveBufferLenThd

eNodeB将下发MAC CE，去激活该CA UE的SCell。

R10/R11/R12中的载波聚合都谈了些什么？

R10

• 能够最多聚合5个成员载波;

• 支持PDCCH跨载波资源调度PDSCH和PUSCH资源;

• 主载波的选择在终端建立RRC连接时确定,并根据情况对辅助载波进行增加/删除;

• 载波聚合只对处于RRC连接态的UE有意义,且只对单个RRC连接,对空闲态没影响。

R11

R11对载波聚合主要增强:

• 上行发送提前的调整:允许不同成员载波上行的发送提前有不同值;

• 频段段间TD-LTE聚合能力支持:允许不同频段的不同时隙配比的TD-LTE成员载波的聚合;

R11增强后可更好的支持异构网（HetNet）场景下的载波聚合(场景4和场景5）。

R12

• R12载波聚合主要研究TDD和FDD的载波聚合,从而实现两网资源的融合。

• 标准增强主要讨论在TDD和FDD分别作主载波的场景中,对于R11版本物理层和MAC层的增强。

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