首先介绍几个基本概念

Primary Cell(PCell): The cell, operating on the primary frequency, in which the UE either performs the initial connection establishment procedure or initiates the connection re-establishment procedure, or the cell indicated as the primary cell in the handover procedure. 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):A cell, operating on a secondary frequency, which may be configured once an RRC connection is established and which may be used to provide additional radio resources. Except for the case of EN-DC, the PSCell is considered to be an 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:For a UE in RRC_CONNECTED not configured with CA/ DC there is only one serving cell comprising of the primary cell. For a UE in RRC_CONNECTED configured with CA/ DC the term 'serving cells' is used to denote the set of one or more cells comprising of the primary cell and all secondary cells. 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。

  • 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SystemInformationBlockType2ul-CarrierFrequl-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:

  • DL CCs的个数根据该UE的DL聚合能力来配置
  • UL CCs的个数根据该UE的UL聚合能力来配置
  • 对于某个UE而言,配置的UL CCs数不能大于DL CCs数
  • 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)。

3. Benifits

  1. Maximize the total peak data rate and throughput performance
    • different frequencies have different propagation behavior
  2. Provide a higher quality of experience to end users by load-balancing traffic across carriers
    • A UE experiencing congestion in one band can access unused capacity available in another carrier
  3. Minimize inefficiencies inherent in wireless deployment in non-contiguous or narrow (5 MHZ or less) channel bandwidths
    • One spectrum band may be fully utilized while another is under-utilized, aggregation allow use of the under-utilized spectrum when needed.
    • carriers benefits from more cost effective use of licensed spectrum

4. 例子

Scenario: Carrier is licensed for two bands

参考文档