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LTE的载波聚合技术CA
LTE的载波聚合技术
人们对数据速率的要求越来越高,载波聚合(CarrierAggregation,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-band40MHz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-bandCA(contiguous)中心频点间隔要满足300kHz的整数倍,即Nx300kHz。
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。
3GPPRel-10定义了bands1(FDD)和band40(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。
3GPPRel-11定义了更多CA配置,如下图:
3GPPRel-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(PhysicalResourceBlocks,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AggregatedTransmissionBandwidthConfiguration,指聚合的PRB的总数量。
保护带宽(Guardbands)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200RBs。
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100-200RBs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RRHF2(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/ServingCell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ServingCell集合。
ServingCell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(connectionestablishment)时确定的;SCell是在初始安全激活流程(initialsecurityactivationprocedure)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,primaryCC索引固定为0,而每个UE的secondaryCC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ServingCell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ServingCell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(UECapability)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(UECapability)。
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Release10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-lossreferenceformeasurementsforuplinkpowercontrol,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servingcell的SCell初始为“deactivated”;而原本就在servingcell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MACcontrolelement和deactivationtimers的结合。
基于MACCE的SCell激活/去激活操作是由eNodeB控制的,基于deactivationtimer的SCell激活/去激活操作是由UE控制。
ACCE的格式:
LCID为11011,见下图:
Bit设置为1,表示对应的SCell被激活;设置为0,表示对应的SCell被去激活。
每个SCell有一个deactivationtimer,但是对应某个UE的所有SCell,deactivationtimer是相同的,并通过sCellDeactivationTimer字段配置(由eNodeB配置)。
该值可以配置成“infinity”,即去使能基于timer的deactivation。
当在deactivationtimer指定的时间内,UE没有在某个CC上收到数据或PDCCH消息,则对应的SCell将去激活。
这也是UE可以自动将某SCell去激活的唯一情况。
当UE在子帧n收到激活命令时,对应的操作将在n+8子帧启动。
当UE在子帧n收到去激活命令或某个SCell的deactivationtimer超时,除了CSI报告对应的操作(停止上报)在n+8子帧完成外,其它操作必须在n+8子帧内完成。
SCell添加与删除
载波聚合新增SCell无法在RRC建立时立即激活。
因此,RRC连接设置过程中没有针对SCell的配置。
SCell通过RRC连接重新配置过程在服务小区集合中添加和删除。
请注意,由于LTE间切换视为RRC连接重新配置,SCell“切换”受到支持。
SCell添加与删除,涉及A4、A2事件的具体原理和计算公式。
SCell添加
添加SCell的预置条件
基站目前仅仅支持同一基站的小区作为CA小区,即主辅小区必须属于同一基站。
UE接入或者切入后的服务小区即为PCell,要将某小区配置为SCell需满足如下条件:
1>UE的CA能力及协议定义的频段组合,支持PCell与该小区之间进行CA;
2>该小区与PCell互为邻区;
3>该小区与PCell互为CA协同小区;
两种SCell添加方式
1)附着或切入后基站主动为UE添加SCell
2)基站收到添加辅载波的A4报告后为UE添加
两种添加方式都需满足上述配置SCell的3个预置条件,差别仅在邻区关系,邻区关系在网管可配,若为“同覆盖”或“邻区包含本小区”则基站主动添加,其它邻区关系基站会在初始接入下发针对该邻区所在频点的A4测量,UE上报A4报告后,基站配置该邻区为UE的SCell。
A4事件下发信令
添加SCell
RRC重配消息配置SCell:
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
删除SCell
切换
Release10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
更新SCell
RRC重配消息携带删除原辅小区、增加新辅小区的配置:
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