移動測試終端載波聚合技術的開發(fā)與實現(xiàn)

郭蘭

摘 ?要：隨著業(yè)界5G技術的興起，越來越多的公司、機構加入5G技術的開發(fā)與研究中。移動測試終端（TM500）作為基站對端可以輔助基站進行通信系統(tǒng)集成測試，也積極投入5G產品的研發(fā)中。該文詳細地分析了5G NR載波聚合技術的背景、技術原理及發(fā)展情況，并從移動測試終端的角度對該特性的系統(tǒng)設計與實現(xiàn)方案進行了詳細的分析。根據(jù)系統(tǒng)的擴展性及對協(xié)議特性的兼容性提出了改進方案。最后，通過測試終端與基站的互聯(lián)互通測試，證明了產品對該特性支持的有效性和可行性。

關鍵詞：移動測試終端;載波聚合（CA）;子載波間隔

中圖分類號：TN929.5 ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的飛速發(fā)展和終端設備的智能化，用戶對于數(shù)據(jù)速率提出了更高的要求。目前大力發(fā)展的5G正是由多種新型無線接入技術和現(xiàn)有無線接入技術集成后的解決方案，其核心技術主要包括載波聚合技術、中繼技術、協(xié)作多點傳輸技術以及增強多天線技術。其中載波聚合（Carrier Aggregation， 簡稱CA）功能針對運營商可能沒有完整頻譜資源，以及運營商頻譜大于協(xié)議定義的單載波帶寬能力的場景，通過將多個連續(xù)或非連續(xù)的分量載波（Component Carrier， 簡稱CC）聚合成更大的帶寬，滿足了協(xié)議關于NR用戶支持最大帶寬到1 GHz的要求，提升用戶的上下行峰值速率體驗。

1 載波聚合技術

1.1 載波聚合基本過程

載波聚合系統(tǒng)中，主小區(qū)（PCell， Primary Cell）是UE進行初始連接建立的小區(qū)，或進行RRC連接重建的小區(qū)，或是在 Hand Over過程中指定的主小區(qū)。PCell 負責與 UE 之間的 RRC 通信。輔小區(qū)（SCell， Secondary Cell）是在RRC重配置時添加的，用于提供額外的無線資源，SCell與 UE 之間不存在任何 RRC 通信，PCell 是在連接建立時確定的。

SCell 是在初始安全激活流程后，通過RRC連接重配置消息添加/修改/釋放的。在SCell配置成功后，當用戶對速率和帶寬有需求時，系統(tǒng)根據(jù)不同的激活策略激活輔小區(qū)，并且能夠在用戶完成業(yè)務后，根據(jù)相應的策略對輔小區(qū)進行激活，避免資源不必要的浪費，保證資源的最大化利用。

當部署了CA時，聚合的多個小區(qū)之間的幀timing、SFN、TDD 配置必須是對齊的。每個載波單元有獨立的物理層，包括控制信令、調度和HARQ重傳。每個載波單元有一個獨立的Control Region。每個載波單元有一個獨立的DL-SCH或UL-SCH[1]。

1.2 載波聚合基本原理

載波聚合有多種方式，支持相同或不同頻帶之間的載波聚合，載波之間可以是相同或不同的帶寬，同頻帶內支持相鄰或非相鄰的載波聚合。從基帶實現(xiàn)角度來看，這幾種情況是沒有區(qū)別的，這主要影響RF實現(xiàn)的復雜性。

載波聚合技術在MAC層聚合，數(shù)據(jù)的聚合發(fā)生在 MAC 層，MAC 層負責將數(shù)據(jù)劃分到不同的載波單元上。每個用戶在每個載波上使用獨立的HARQ實體，每個傳輸塊只能映射到特定的一個載波上。MAC層聚合有諸多方面的優(yōu)勢，每個載波獨立設計，維持其原來的物理結構，包括特殊載波的位置，鏈路自適應和HARQ性能。

每個載波上的PDCCH信道相互獨立，可以使用每個載波的PDCCH為每個載波的PDSCH和PUSCH信道分配資源，也可以使用CIF域利用一個載波上的PDCCH信道調度多個載波的上下行資源分配。各個載波使用獨立的鏈路自適應技術，可根據(jù)自身的鏈路狀況使用不同的調制解碼方案。

2 載波聚合設計實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)架構

移動測試終端（TM500）作為專業(yè)基站測試儀表，可以支持全協(xié)議棧多模式測試，其架構設計具有高度靈活性。

移動測試終端主要由3個部分構成。1）高層服務器。主要是使用Dell R630，相關的高層協(xié)議棧及對腳本解析單元，同時可以進行多小區(qū)業(yè)務處理。2）基帶服務器。只要使用Dell R730，攜帶2塊協(xié)處理器負責上下行物理信道的編解碼，每個基帶服務器只針對一個小區(qū)。3）射頻單元，每個射頻單元支持2發(fā)2收，100 M帶寬。

采用這種設計使得系統(tǒng)具有良好的擴展性，當系統(tǒng)支持多小區(qū)測試時，可以擴展相應的基帶服務器和射頻單元，進行相應小區(qū)的基帶物理信道處理，使用同一個高層服務器協(xié)調處理多小區(qū)業(yè)務，可以進行高層數(shù)據(jù)及信令的匯聚處理。

2.2 載波聚合的功能映射調整

移動測試終端，高層處理器上一個重要的模塊DL MAC處理下行數(shù)據(jù)。UL MAC由基帶處理器發(fā)送的上行調度信息觸發(fā)，根據(jù)上行調度信息準備上行數(shù)據(jù)，進行SR、SRS、CSI 及RACH調度。基帶處理服務器分為上行信道處理及下行信道處理2個部分，共6個處理模塊，其中DL CTRL 模塊負責下行配置信息處理、PDCCH 信道調度信息的解析、HARQ 結果的反饋、 下行信道質量的測量、上行調度信息反饋。UL CTRL模塊負責根據(jù)上行調度進行UCI的PUCCH 資源選擇或PUSCH復用，為編碼及符號級轉換提供調度信息。

支持載波聚合技術的過程中，根據(jù)載波聚合的要求對各個功能模塊進行了3種分析。1）由于數(shù)據(jù)的聚合發(fā)生在 MAC 層，對于目前一個HLS 控制多小區(qū)的系統(tǒng)架構，正好適合各個小區(qū)之間下行數(shù)據(jù)的匯聚。2）每個載波上面的PDCCH信道相互獨立，為每個載波的PDSCH和PUSCH信道分配資源。 在當前系統(tǒng)架構中，直接擴展多個基帶處理服務器，分別負責不同載波的下行信道處理，可以滿足業(yè)務需求。3）載波聚合的上行控制信息（UCI）可以與特定載波上PUSCH一起傳輸，或者在主小區(qū)的PUCCH上單獨傳輸。對于單小區(qū)架構，在單小區(qū)的業(yè)務場景中，下行的HARQ 反饋及信道質量測量結果CSI，由DL CTRL模塊轉給UL CTRL模塊，由UL CTRL模塊進行資源的選擇復用及相應的編碼。為了支持載波聚合有2種方案。1）復用目前單小區(qū)功能映射，由主小區(qū)UL CTRL 模塊判決UCI復用或PUCCH信道資源選擇。在當前的功能映射下，需要將輔小區(qū)的UCI信息轉發(fā)給主小區(qū)的UL CTRL模塊，主校區(qū)需要協(xié)調同步所有小區(qū)的上行調度信息及UCI信息。2）重新調整功能映射，將影響上行控制信息復用和資源選擇的相應功能，由基帶服務器的UL CTRL模塊上調至高層服務器上的UL MAC模塊，UCI信息由DL CTRL模塊發(fā)送至UL MAC模塊匯聚，UL MAC進行相應的HARQ codebook選擇、HARQ結果的匯聚，同時可以提交組好HARQ 結果及CSI信息的數(shù)據(jù)流，并將相應的結果轉發(fā)到目標小區(qū)。

經過對比發(fā)現(xiàn)，方案A增加了主小區(qū)UL CTRL負擔，這樣的功能映射增加了基帶板之間的信息交互，使得各個載波的基帶板之間嚴重耦合。方案B中經過功能映射的調整，目標小區(qū)的基帶處理器有明確的調度信息，邏輯簡化，其解除了載波間基帶處理的耦合性，使基帶處理獨立。但這一方案增加了MAC 處理的復雜度和負載。當載波數(shù)達到一定數(shù)量時，需要對UL MAC進行優(yōu)化調整。最終選定方案B，方案B對于系統(tǒng)的擴容、基帶板的簡單獨立有很大的幫助。

2.3 設計優(yōu)化

2.3.1 增強載波聚合數(shù)

當前系統(tǒng)的擴容性需求逐漸增強，目前整體系統(tǒng)需要支持8CC 高頻段的需求，但經過了功能映射的調整，各載波間的信息匯聚，UCI載波選擇、UCI信道及復用選擇都集中在MAC。UL MAC在R630服務器目前只是單線程工作，對多小區(qū)之間需要靠上行調度信息統(tǒng)一順序執(zhí)行，提升 MAC的處理能力成為整個系統(tǒng)的關鍵。

高層服務器MAC的系統(tǒng)優(yōu)化從以下3個方面進行考慮。 1）UL MAC 代碼重構，進行代碼級優(yōu)化。2）重用多線程分擔UL MAC業(yè)務，達到各載波間獨立的業(yè)務并行執(zhí)行。3）考慮將一些周期計算，輔助功能移除處理時延的關鍵路徑。

2.3.2 支持小區(qū)間不同子載波間隔

隨著5G NR的發(fā)展，對于載波聚合有了更多的靈活配置，5G NR支持不同子載波間隔的小區(qū)之間進行載波聚合。如子載波間隔30 kHz和子載波間隔120 kHz的小區(qū)之間進行載波聚合。對于這種方式的載波聚合，存在技術難點。

首先，調度信息所在的載波和數(shù)據(jù)傳輸及HARQ反饋的子載波間隔不同，導致物理信道的目標時隙的決定不同。以下面2種HARQ反饋的分析為例。1）下行的子載波間隔是上行載波間隔2倍。對于時隙2n 及2n+1 上接收到的PDSCH，此時HARQ 上報的PUCCH 的目標時隙為上行載波的n+k1。2）上行的子載波間隔是下行的2倍。對于時隙n 上接收到的PDSCH，此時HARQ上報的PUCCH 的目標時隙為上行載波的 （2n+1）+k1。

其次，系統(tǒng)中的UL MAC模塊的工作機制需要改變。UL MAC模塊基于每個時隙從基帶獲得的調度信息，來準備相應的上行時隙的發(fā)送信息。 但由于載波間隔不同，導致每個小區(qū)基帶發(fā)送的調度信息時間上不能對齊。此時的解決方案為以最大的子載波間隔為系統(tǒng)始終，根據(jù)小區(qū)之間的時隙映射關系，決定UL MAC在每個系統(tǒng)始終時隙上期待的小區(qū)調度信息消息數(shù)。以載波間隔分別為15K和30K的場景為例，載波間隔時隙2 n只需要從載波間隔小的小區(qū)獲得信息，時隙2n+1 需要在2 個小區(qū)獲取調度信息，對每個系統(tǒng)時隙都設置期待值，可以保證對每個獨立的小區(qū)基帶板的處理不變，而且保證了調度信息及相應的PUSCH和PUCCH信道時鐘的映射關系。

經過功能映射的調整及后續(xù)的不斷優(yōu)化，目前整個測試系統(tǒng)可以達到在最低時延的基礎上，同時支持8個小區(qū)，同時支持各小區(qū)不同子載波的載波聚合技術，在與用戶基站的互聯(lián)互通測試中，滿足客戶的測試需求，為用戶提供了完美的測試驗證方案。

3 結語

隨著應用場景的不斷增多，載波聚合得到了大力應用。在不同場景下，載波聚合采用不同的部署方案。應用載波聚合技術，可以多方面提升網(wǎng)絡性能。首先提供更高的速率，顯著提升用戶體驗，通過載波聚合，UE可以基于實時的業(yè)務和QoS需求，在時隙級別上，分享各成員載波的無線資源。其次通過對用戶的業(yè)務特性以及QoS、小區(qū)負荷、不同BAND之間的覆蓋差異等因素進行判斷，獲得最大增益，負載均衡效率更高，減少切換，減低掉話率。相信在日后的發(fā)展中，載波聚合技術會得到更多的應用。

參考文獻

[1]張慧.CA與MLB技術對比與應用場景研究[J].信息通信，2018（6）：250-254.