几幅草图说透了“载波聚合”

作者 电子工程专辑 2017-4-1
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本文部分转自网优雇佣军

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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