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LTE载波聚合


首先介绍几个基本概念
Primary Cell(PCell):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(见 36.331 的 3.1 节) Secondary Cell(SCell):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(见 36.331 的 3.1 节) 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(见 36.331 的 3.1 节) CC:Component Carrier;载波单元 DL PCC :Downlink Primary Component Carrier;下行主载波单元 UL PCC :Uplink Primary Component Carrier;上行主载波单元 DL SCC :Downlink Secondary Component Carrier;下行辅载波单元 UL SCC :Uplink Secondary Component Carrier;上行辅载波单元

一. 简介
为了满足 LTE-A 下行峰速 1 Gbps,上行峰速 500 Mbps 的要求,需要提供最大 100 MHz 的传输带宽,但由于这么大带宽的连续频谱的 稀缺,LTE-A 提出了载波聚合的解决方案。 载波聚合(Carrier Aggregation, CA)是将 2 个或更多的载波单元(Component Carrier, CC)聚合在一起以支持更大的传输带宽(最 大为 100MHz)。 每个 CC 的最大带宽为 20 MHz。 为了高效地利用零碎的频谱,CA 支持不同 CC 之间的聚合(如图 1) · 相同或不同带宽的 CCs · 同一频带内,邻接或非邻接的 CCs · 不同频带内的 CCs

图 1:载波聚合 从基带(baseband)实现角度来看,这几种情况是没有区别的。这主要影响 RF 实现的复杂性。 CA 的另一个动力来自与对异构网络(heterogeneous network)的支持。后续会在跨承载调度(cross-carrier scheduling)中对异构 网络进行介绍。 Rel-10 中的所有 CC 都是后向兼容的(backward-compatible),即同时支持 Rel-8 的 UE。

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R10 版本 UE 支持 CA,能够同时发送和接收来自多个 CC(对应多个 serving cell)的数据 R8 版本 UE 只支持在一个 serving cell 内,从一个 CC 接收数据以及在一个 CC 发送数据

简单地做个比较:原本只能在一条大道(cell 或 cc)上运输的某批货物(某 UE 的数据),现在通过 CA 能够在多条大道上同时运 输。这样,某个时刻可以运输的货物量(throughput)就得到了明显提升。每条大道的路况可能不同(频点、带宽等),路况好的 就多运点,路况差的就少运点。

二. PCell / SCell / Serving Cell / CC

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(见 36.331 的 6.4 节的 maxSCell-r10)。某 UE 的 PCell 和所有 SCell 组成了该 UE 的 Serving Cell 集合(至多 5 个,见 36.331 的 6.4 节的 maxServCell-r10)。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 (见 36.331 的 6.2.2 节的 sCellIndex-r10)。 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。

图 2:CA 配置举例(“P”代表 PCC) 与非 CA 的场景类似,通过 SystemInformationBlockType2 的 ul-CarrierFreq 和 ul-Bandwidth 字段,可以指定下行 primary carrier 对应的上行 primary carrier(仅 FDD 需配置该字段)。这样做的目的是无需明确指定,就知道通过下行传输的某个 UL grant 与哪个一 上行 CC 相关。 CC 的配置需要满足如下要求: Ø DL CCs 的个数根据该 UE 的 DL 聚合能力来配置 Ø UL CCs 的个数根据该 UE 的 UL 聚合能力来配置 Ø 对于某个 UE 而言,配置的 UL CCs 数不能大于 DL CCs 数 Ø 在典型的 TDD 部署中,UL 和 DL 的 CC 个数是一样的,并且不同的 CC 之间的 uplink-downlink configuration 也应该是一样 的。但是特殊帧配置(special subframe configuration)可以不同。(见 36.211 的 4.2 节) CA 支持的频带见 36.101 的 Table 5.5A-1 和 Table 5.5A-2。对应 RRC 消息中如下字段: BandParameters-r10 ::= SEQUENCE { bandEUTRA-r10 INTEGER (1..64), bandParametersUL-r10 BandParametersUL-r10 OPTIONAL, bandParametersDL-r10 BandParametersDL-r10 OPTIONAL } 每个 CC 能够支持的带宽见 36.101 的 Table 5.6-1。对应 RRC 消息 RadioResourceConfigCommonSCell-r10 的 dl-Bandwidth-r10 和 ul-Bandwidth-r10 字段。 CA 带宽类型(CA Bandwidth Class)见 36.101 的 Table 5.6A-1。对应 RRC 消息中如下字段: CA-MIMO-ParametersDL-r10 ::= SEQUENCE { ca-BandwidthClassDL-r10 CA-BandwidthClass-r10, supportedMIMO-CapabilityDL-r10 MIMO-CapabilityDL-r10 OPTIONAL } CA-BandwidthClass-r10 ::= ENUMERATED {a, b, c, d, e, f, ...} 连续的 CCs 之间的中心频率间隔必须是 300 kHz 的整数倍。这是为了兼容 Rel-8 的 100 kHz frequency raster,并保证子载波的 15 kHz spacing,从而取的最小公倍数(详见 36.300 的 5.5 节)。

图 3:不同 CC 间中心频率的间隔 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)。

在 LTE-A 中,跨承载调度的主要作用是在异构网络中为 PDCCH 提供 ICIC(Inter-Cell Interference Coordination)支持。一个典型异构网络场景如下: 一个 macro cell 和一个 small cell 共享 2 个下行 CC:CC1 和 CC2。small cell 的 2 个 CC 都在低传输功 率下工作,macro cell 的 CC1 在高传输功率工作,CC2 在低传输功率工作。macro cell 在 CC1 上的传输对 small cell 的 CC1 有很大的干扰。因此,在 small cell 上,使用 CC2 上的 PDCCH 来跨承载调度传输在 CC1 上的数据是有好处的。
三. 跨承载调度(cross-carrier scheduling)

图 4:一个典型的异构网络部署:macro cell 和 small cell 共享 2 个 CCs

这里仅简单的介绍跨承载调度提出的原因,后续会在各个章节中详细介绍跨承载调度对协议的影响。
四. 对下行 L1/L2 控制信号的影响 每个 CC 有独立的物理层(physical layer),包括控制信令(control signaling)、调度 (scheduling)和 HARQ 重传。 每个 CC 有一个独立的 control region。 每个 CC 有一个独立的 DL-SCH 或 UL-SCH。 1. PDCCH 如果不支持跨承载调度,与 Rel-8 一样,每个下行 CC 上的 PDCCH 携带的信息对应同一个 CC 的下行资源分配(DCI) 或上行资源分配(UCI)。 如果支持跨承载调度,则允许一个 CC 上的 PDCCH 调度在另一个 CC 上传输的资源。即 PDCCH 在一个 CC 上传输,而对应的 PDSCH 或 PUSCH 在另一个 CC 上传输。

图 5:非跨承载调度与跨承载调度

跨承载调度是通过 RRC 信令(是否存在 crossCarrierSchedulingConfig-r10 字段)并基于 UE 的每个 CC 配置的(即每个 CC 可独立 地配置是否使能跨承载调度以及在其它哪个 CC 上调度)。 如果支持跨承载调度,会在 PDCCH 的起始处插入一个 CIF 字段,用于指定该 PDCCH 对应哪个 CC。是否存在 CFI 字段是通过 CrossCarrierSchedulingConfig-r10 的 cif-Presence-r10 字段来控制的。 注意:(1)CIF 只存在于 UE-specific 搜索空间的 PDCCH 中,公共搜索空间的 PDCCH 是不存在 CIF 的。 (2)支持跨承载调度与否,会导致 DCI 格式有所不同,UE 盲检时应根据具体的情况予以区分。 在某一 CC 上传输的数据,UE 仅会在一个 CC(同一个 CC 或跨承载调度时不同的 CC)上收到对应的 PDCCH。 如果支持跨承载调度,UE 通过接收到的 RRC 消息 CrossCarrierSchedulingConfig-r10 的 schedulingCellId-r10 字段,知道需要在 schedulingCellId-r10 对应的 CC 上盲检另一 SCell 的 PDCCH。 为了简单,CIF 的值与 RRC 消息 SCellToAddMod-r10 中的 sCellIndex-r10 值是一致的。 如果没有配置 CIF,则在某一 serving cell 收到的 PDCCH 对应同一 serving cell 的 PUSCH 和 PDSCH 传输。

CrossCarrierSchedulingConfig-r10 ::= schedulingCellInfo-r10 own-r10 cif-Presence-r10 }, other-r10 schedulingCellId-r10 pdsch-Start-r10 } } }

SEQUENCE {

对应某一 SCell

CHOICE { SEQUENCE { BOOLEAN

-- No cross carrier scheduling 是否存在 cross-carrier

SEQUENCE { -- Cross carrier scheduling ServCellIndex-r10, 在该 Cell 上接收本 SCell 的 PDCCH INTEGER (1..4) 指定在该 SCell 传输的 PDSCH 的起始 symbol

至此(RRCConnectionReconfiguration 配置之后),UE 已经知道应该在哪些 CC 上盲检 PDCCH,以及这些 PDCCH 对应哪些 CC。 当配置 CA,UE 需要进行的盲检次数最多为 44 + 32 * numOfSCell(PCell 需要 44 次盲检,而 SCell 不需要盲检公共搜索空间, 因此只需要做 32 次盲检)。 如果没有配置跨承载调度,每个 Serving Cell 的搜索空间与 Rel-8 是一致的。 如果配置了跨承载调度,搜索空间的定义如下:

与 Rel-8 相比可以看出,对于跨承载调度的 CC 而言,计算时增加了偏移量 的 9.1.1 节)

。其中 c 的值与 CIF 相同。(详见 36.213

图 6:多 CCs 的用户特定搜索空间(UE-speci?c search space for multiple CCs)

关于搜索空间的详细介绍,可见我的博文《CCE 介绍》和 36.213 的 9.1.1 节。

2. PCFICH 对于支持 CA 的 UE 而言,每个 CC 都有各自的 PCFICH,即不同的 CC 可能有不同大小的 control region,也即 PDSCH 的起始 symbol 可能不同。因此,原则上 UE 需要在它被调度的每个 CC 上接收 PCFICH。 与 PDCCH 一样,PCFICH 也是在 control region 传输的,因此,跨承载调度场景中影响 PDCCH 的 inter-cell interference 对于 PCFICH 也同样存在。为了解决这个问题,Rel-10 通过 CrossCarrierSchedulingConfig 的 pdsch-Start-r10 字段指定任意跨承载调度的 PDSCH 的起始 OFDM symbol,而不是通过解码对应 CC 上的 PCFICH 获得。 该机制并不妨碍 eNodeB 动态改变每个 CC 的 control region 的大小(虽然在许多异构网络场景中,为了实现 ICIC,通常会配置一 个相对静态的 control region 大小)。 越短的 control region,就有越多的 OFDM symbol 用于数据传输,反之亦然。 3. PHICH 原则:PHICH 与对应的上行数据传输的 UL Grant 在同一个下行 CC 上传输。 因此在 CA 中,一个 DL CC 可能要携带多个 PHICH,从而增大了 PHICH 冲突的可能性(因为 PHICH 索引是由对用的 PUSCH 的最 低 PRB 决定的,对于多个 UL CC 可能是相同的)。 为了缓解这个问题,可以通过配置与 PHICH 在同一个 DL control region 传输的各个上行 CC 的 DMRS 参考信号的不同循环移位 (cyclic shift)来偏移 PHICH 索引。 另外,eNodeB 也可以通过在调度时让不同 CC 选择不同的上行资源起始 PRB,从而避免冲突。 五、激活/去激活机制(Activation/Deactivation)(详见 36.300 的 11.2 节、36.321 的 5.13 节以及 36.213 的 4.3 节) 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。 MAC 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。(见 36.213 的 4.3 节)


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