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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（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。
AC CE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deactivation timer，但是对应某个UE的所有SCell，deactivation timer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deactivation timer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deactivation timer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
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

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：