第 2 章 LTE 微蜂窝和小小区技术

2.3　LTE 小小区关键技术

2.3.3　LTE-A CA

除了在空间域不断增加小小区部署的密度，在频域增加系统的工作带宽， 也是增强系统容量的常规有效手段。在低频段，无线频谱资源是比较宝贵且稀 缺的，运营商通常需要支付高额的竞标使用费用，才能购买到几十兆赫兹授权 频谱的独家经营使用权，因此业界长期以来，一直对针对低频段内载波谱效提升的技术非常看中且大力推进，比如，利用低频高维的 MIMO 技术（8×8）和 高阶调制解调技术（256 QAM，1024 QAM）。在中高频段内，比如大于 6 GHz 范围，那里有非常广阔充裕的频谱带宽资源，28 GHz 频段的可用频谱 带宽可达 1 GHz, 而 60 GHz 频段中每个信道的可用信号带宽则分别到 2 GHz, 且有大量免费的非授权载波资源，因此在 5G 时代，运营商们更加看中对这些 中高频段内的载波资源的广泛聚合利用，为了降低技术的复杂度，可适当降低 对高频无线谱效的要求。
载波聚合技术用于通过提高系统工作带宽来增强系统容量，且能同时提高 用户上下行数据传输速率和链路健壮性。为了更好地支持 Rel-8/Rel-9 遗留 终端（Legacy UE），结合“重用性原则”最大限度地重用已有的载波设计， LTE-A Rel-10 载波聚合系统中的各个分量载波（CC，Component Carrier） 均要保持后向兼容性，即任何 Rel-8/Rel-9 遗留终端都可以独立地接入和服务 于这些分量载波上。但在 LTE-A Rel-13 LAA 系统中，工作于非授权载波上 的分量载波不需要具备后向兼容，因此终端不可以独立地接入非授权载波以及 由它们服务，这一设计强化了非授权载波和授权载波之间的耦合绑定关系，传 统蜂窝运营商可以牢牢抓住蜂窝市场的控制权。
TDD 类型的分量载波之间、FDD 类型的分量载波之间，或者 TDD/FDD 类型的分量载波之间都可以使用载波聚合技术彼此聚合起来。各个分量载波可 以具有不同的工作带宽，包括：1.4、3、5、10、15 和 20 MHz。Rel-10 载 波聚合技术最多可支持 5 个分量载波聚合而成，因此最大载波聚合工作带宽为 100 MHz，而 LTE-A Rel-13 eCA 技术则最多可支持 32 个分量载波聚合而成， 因此最大载波聚合工作带宽为 640 MHz，注：5G NR 可支持最大的载波聚合 工作带宽，6 GHz 以下的单 CC 可支持最大 100 MHz 带宽，而 24 GHz 以上的 单 CC 可支持最大 400 MHz 带宽，且最大聚合 CC 个数都为 16，因此最大载 波聚合工作带宽为 6 400 MHz。在 FDD CA 下，上行和下行载波聚合可以有不 同数量的 CC，下行 CC 的个数大于或等于上行 CC 的个数，每一个分量载波也可具 有不同的工作带宽。但在 TDD CA 下，上、下行 CC 的数量和相应的工作带宽 通常是相等的。
对于被聚合的载波对象，最简单的是，将相同工作频段中的相邻分量载波 聚合起来，这种方式称为同频段内连续聚合。由于运营商授权频谱无线资源分 配受限的缘故，这种方式很难实现大规模的载波聚合。因此，相同工作频段内 也需要支持非连续的载波之间聚合，即所有的分量载波同属于同一工作频段， 但是它们之间有频谱间隙存在：Non-Contiguous CA，如图 2-4 所示。进一 步地，当分量载波分属于不同的工作频段时，则称为跨频段聚合：Inter-Band CA。上述三大种载波聚合方式，对基站和终端的 RF 模块有不同的性能要求，但 它们的物理层和空口基本机制都是非常类似的。在 5G NR 中同样存在上述三大 种载波聚合方式，和 LTE-A 系统一样，能聚合在一起的 CC 必须属于同一种 RAT，即 LTE 和 NR 载波之间，或者它们和其他 RAT 制式系统载波之间，不 能进行载波聚合操作，读者后面会看到，异构系统之间可以进行双 / 多连接操作。
从实际工程化应用的角度出发，LTE-A 能实现的载波聚合具体的配置，应 当在 E-UTRA 系统特定的有效工作频段和载波成员数量之间的结合给予标准 化规定，例如，通过 RAN4 工作组。为了区分不同的载波聚合方式或不同载波 聚合组合，3GPP 给出了以下新定义。

（1）聚合传输带宽配置（ATBC，Aggregated Transmission Bandwidth Configuration）：定义了物理信道频域资源块聚合的总数量。
（2）载波聚合带宽等级（CBC，CA Bandwidth Class）：定义了结合最大 聚合传输带宽配置和最大连续的分量载波数量，例如分下面几种等级。

• Class A：ATBC ≤ 100MHz，最大连续的分量载波数量 CC = 1。
• Class B：25 MHz
• Class C：100 MHz ＜ ATBC ≤ 200 MHz，最大连续的分量载波数量 CC = 2。
• Class D：200 MHz ＜ ATBC ≤ 300 MHz，最大连续的分量载波数量 CC = 3。

（3）载波聚合配置：定义了 E-UTRA 特定的有效工作频段和载波聚合等级 的组合，例如，CA_1C 配置定义了，在 E-UTRA 工作频段 1 内的连续载波聚合， 载波聚合等级为 C。CA_1A_1A 配置定义了在 E-UTRA 工作频段 1 内有两个 CC 的非连续载波聚合，载波聚合等级都为 A。CA_1A_5B 配置定义了在 E-UTRA 工 作频段 1 上等级 A 的分量载波集合，同时在工作频段 5 上的等级 B 的分量载波集合，因此是跨频段载波聚合。因此，通过当前 3GPP RAN4 协议中规定的具 体载波聚合配置，可得知实际工程应用已能支持的载波聚合有效实际配置。
载波聚合中每一个分量载波，都对应着一个服务小区，这些服务小区的覆 盖范围可以不同，但对于特定处于载波聚合工作模式的终端，总处于它们的覆 盖重叠区域之内。如图 2-5 所示，RRC 连接信令承载 SRB 通常只由一个锚点 服务小区来承载，这个锚点服务小区称为主服务小区（PSC，Primary Serving Cell），相对应的分量载波为主分量载波（PCC）。而其他分量载波都称为辅分 量载波（SCC），对应着其他一般的辅服务小区（SSC，Secondary Serving Cell）。上行物理反馈信道 PUCCH 的反馈信息 UCI 必须通过 PSC 承载，而辅 分量载波或辅服务小区，可以根据业务数据传输的需求，在不影响当前 RRC 连 接状态的情况下，来进行增加、修改和删减，但只有主分量载波或主服务小区 发生变化，才意味着终端切换。PSC 上的无线链路状态决定了终端的 RRC 状态， 当 PSC 发生无线链路失败（RLF，Radio Link Failure）的时候，终端才被触 发 RRC 重建，SSC 上发生 RLF 不会触发 RRC 重建和终端 RRC 状态的改变， 只会影响到SSC上的数据传输。PSC的切换改变必然会影响到SSC的工作状态。 反之则不然，因此现网部署中，通常选择无线覆盖较大的宏小区作为 PSC，作 为信令控制面，而覆盖较小的小区作为 SSC，作为增强的数据用户面，如此可 保持终端的 RRC 连接和数据传输的连续性。

对于跨频段载波聚合，不同分量载波通常会经历不同的路径衰落以及传播 散射、折射、反射。相同发射功率下，当工作载波的频段越高时，路径衰落就 越快，无线覆盖范围通常就越小。如图 2-5 所示，载波聚合集合中的 3 个分量载波，只有黑色终端用户才可完全利用，由于白色终端用户并不在虚线的分量 载波的覆盖范围内，因此仅能使用载波聚合集合中的两个分量载波。这意味着 终端的移动，通常会触发载波聚合集合的改变和重配。需要注意的是，当有多 个用户利用相同的载波聚合集合时，每个用户可利用不同的分量载波作为其主 分量载波（PCC），这样可以获得物理控制信道的负载均衡。
载波聚合对于终端是一种可选的能力，需要有额外的基带射频能力支持， 为了能最大限度地后向兼容，支持遗留终端和 Rel-10 版本后不支持载波聚合 能力的终端，所有分量载波上的上下行数据传输都可支持 Rel-8 的物理层基本 机制。空口 RRC 专有消息必然要引入对辅分量载波辅服务小区的配置操作，而 MAC 实体必须能完成对多个分量载波的协同调度和资源管理。对于物理层，最 大的变动是在下行，单子帧内的 PDCCP DCI 调度命令需同时处理对多个分量 载波的调度，而对于上行 PUCCH 反馈，单子帧内 PUCCH UCI 反馈需能联合 传输所有分量载波上 HARQ 进程对应的 ACK/NACK 和 CSI。
载波聚合支持非跨载波调度（自调度）和跨载波调度两种调度方式，若一个终 端配置为非跨载波调度方式，该终端需在每个激活的分量载波上都检测对应于本载 波的 DCI，因此需同时监听多个 PDCCH 信道。终端若配置为跨载波调度方式，可 根据跨载波调度的高层信令配置，仅在一部分分量载波上监听 PDCCH 信道，检测 相应的联合调度信息。
在载波聚合多个服务小区处于同基站内的场景下，由于面向同一个上行信 号接收节点，终端在各个载波聚合服务小区的上行时间超前值（TA，Timing Advance）通常都相同，即上行时间同步统一；而在异构微蜂窝网络中，如图 2-6 所示，在 LPN 节点光纤射频拉远的场景下，终端可能面向不同的上行接收 节点，因此终端在 PCC 和 SCC 上可能存在不同 TA 的情况，即上行同步时间 不对齐。在 Rel-11 中，这种异构微蜂窝部署下的载波聚合场景已被支持。在 LTE-A Rel-15 中，伴随着 euCA 功能的引入，Scell 还可以支持新的状态， eNB 基站可通过 MAC CE 命令进行状态转移的控制，从而使得终端既可省电， 还可使该 Scell 更快地恢复到工作激活态。

LTE CA 工作架构和基本机制也适用于 5G NR，LTE CA 一系列增强技 术中的各个问题和增强设计也普遍适用于 5G NR CA 的设计。在后面相关章 节中还可看到：5G NR 还引入了补充上行（SUL，Supplementary UL）的 载波聚合增强机制，即单个 NR 服务小区可同时和两个跨频段上行载波和一 个下行载波进行关联，其中一个是传统的主上行载波，具备上行信道的全配 置；另一个是 SUL 辅上行载波，具备部分信道配置，用于上行覆盖增强，比 如深度室内覆盖场景。在 SUL 配置中，DUSCH 信道可被配置在两个 UL 载 波上，但 PUCCH 信道只能被配置在一个 UL 载波上。终端在 SUL 和 Normal UL 上不能同时被调度和发送数据包。此外，单个 NR 分量载波，还可进一步 切分为多个部分子带宽（BWP，Bandwidth Part），各个 BWP 可配置不同的 Numerology，但在单个 NR 分量载波上，终端某时刻只能在它的某一个激活 的 BWP 上工作，gNB 基站可通过 DCI 命令，控制终端在单分量载波内的不同 BWP 之间切换工作，这些称为带宽自适应技术。
2.3.4　LTE-A 协作多点传输