5G NR載波聚合部署方案研究

0 前言

為了提供更高的業(yè)務(wù)速率，3GPP引入了載波聚合技術(shù)（CA），它把多個(gè)連續(xù)或者非連續(xù)的載波聚合成更大的帶寬來(lái)滿足3GPP 的要求。載波聚合可以充分利用運(yùn)營(yíng)商的非連續(xù)頻譜資源，提高離散頻譜的利用率。在5G SA 組網(wǎng)中，尤其是在運(yùn)營(yíng)商共建共享的大環(huán)境下，載波聚合技術(shù)能夠充分利用各方的頻譜資源聚合成更大的帶寬，實(shí)現(xiàn)用戶的極致體驗(yàn)，建立競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，還能利用高低頻組合有效擴(kuò)展覆蓋范圍，緩解覆蓋瓶頸問(wèn)題。

1 NR載波聚合基本原理

根據(jù)聚合載波所在的頻段，載波聚合可以分為：頻段內(nèi)（intra-band）載波聚合和頻段間（inter-band）載波聚合。同頻段內(nèi)的載波聚合，可以分為連續(xù)的和非連續(xù)的載波聚合。頻段間的載波聚合是聚合2個(gè)或以上不同頻段的載波，這會(huì)帶來(lái)射頻實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。如果是不同制式的，比如TDD 和FDD 頻段之間的載波聚合，實(shí)現(xiàn)會(huì)更為復(fù)雜。

載波聚合在協(xié)議架構(gòu)上，每個(gè)無(wú)線承載只有一個(gè)PDCP 和RLC 實(shí)體，MAC 層、物理層有多個(gè)分量載波；各個(gè)分量載波上MAC 層的數(shù)據(jù)面獨(dú)立調(diào)度；每個(gè)分量載波有各自獨(dú)立的Uu 接口傳輸信道以及獨(dú)立的HARQ實(shí)體和重傳進(jìn)程（見(jiàn)圖1）。

圖1 載波聚合數(shù)據(jù)流示意圖

2 NR載波聚合技術(shù)方案

2.1 駐留重選方案

小區(qū)重選（cell reselection）是指UE 在空閑模式下通過(guò)監(jiān)測(cè)鄰區(qū)和當(dāng)前小區(qū)的信號(hào)質(zhì)量以選擇一個(gè)最好的小區(qū)提供服務(wù)的過(guò)程。在5G SA 組網(wǎng)中，存在Cband 以及中低頻段的多個(gè)載波，需要讓終端駐留在業(yè)務(wù)體驗(yàn)最優(yōu)的載波上。讓終端優(yōu)先駐留某些載波通常是通過(guò)設(shè)置小區(qū)公共重選優(yōu)先級(jí)來(lái)完成的。

高頻段、大帶寬的載波作為網(wǎng)絡(luò)中容量層，它的公共重選優(yōu)先級(jí)設(shè)置成高優(yōu)先級(jí)，這樣終端會(huì)優(yōu)先駐留在容量層，獲得更好的用戶速率和體驗(yàn)。中低頻、小帶寬的載波作為覆蓋層，小區(qū)覆蓋面積更大，公共重選優(yōu)先級(jí)設(shè)置為低優(yōu)先級(jí)，用戶會(huì)在小區(qū)邊緣駐留或重選到這個(gè)覆蓋層載波上，保障業(yè)務(wù)覆蓋和連續(xù)。

總體設(shè)計(jì)原則是，對(duì)于帶寬、覆蓋范圍差距大的載波之間，適合采用高低優(yōu)先級(jí)的設(shè)置，優(yōu)先駐留在大帶寬載頻上。對(duì)于帶寬、覆蓋差別小的載波之間，比如在容量層或覆蓋層內(nèi)部的載波之間，建議采用相同優(yōu)先級(jí)，終端可以隨機(jī)駐留和分擔(dān)負(fù)荷。

2.2 載波管理方案

2.2.1 NR主載波管理

CA終端和非CA終端都是基于小區(qū)的公共重選優(yōu)先級(jí)優(yōu)先駐留在高優(yōu)先級(jí)的載波頻點(diǎn)上，這通常是具有大帶寬的載波。CA終端在接入網(wǎng)絡(luò)或發(fā)起業(yè)務(wù)后，由于其支持CA 頻段組合的能力不同，可能在其他頻點(diǎn)上做主載波所獲得的載波聚合帶寬和性能更好，因此為了獲得更好的性能，需要基站把終端切換到更優(yōu)的頻點(diǎn)上做主載波。

選擇流程的觸發(fā)條件是CA 終端初始接入、重建入、切換入時(shí)，基站判斷小區(qū)所在頻點(diǎn)不是該終端的最優(yōu)載波聚合組合的主載波。然后，基站下發(fā)A1測(cè)量給終端，在基站收到A1測(cè)量報(bào)告后，開(kāi)始根據(jù)終端的載波聚合組合支持能力，依據(jù)一定的算法選擇更優(yōu)的載波聚合主載波，并嘗試切換到該主載波上。如果切換成功，在最優(yōu)的主載波上做CA 配置和發(fā)起業(yè)務(wù)，在完成業(yè)務(wù)后釋放連接時(shí)，需要基站給終端下發(fā)專用的重選優(yōu)先級(jí)，使終端在空閑態(tài)繼續(xù)駐留在該最優(yōu)的載波上，從而保證下次發(fā)起業(yè)務(wù)時(shí)不必再重新選擇和切換主載波。

2.2.2 NR輔載波管理

載波聚合終端共有3 種狀態(tài)，SCell（輔小區(qū)）配置未激活，SCell 配置且激活，SCell 未配置，基站通過(guò)主載波上的RRC 信令和MAC 層控制單元進(jìn)行統(tǒng)一管理。初始接入、切換入或重建入小區(qū)時(shí)會(huì)觸發(fā)輔小區(qū)的配置，通過(guò)測(cè)量事件A4或者盲配置來(lái)完成。輔小區(qū)變更則是基站收到UE 上報(bào)A6 事件，即輔小區(qū)的同頻鄰區(qū)比輔小區(qū)的信號(hào)質(zhì)量好，在不改變PCell（主小區(qū)）的情況下變更輔小區(qū)，以保證輔小區(qū)的信號(hào)質(zhì)量（見(jiàn)圖2）。

圖2 輔小區(qū)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

盲配置方案是初始接入、切換入或重建入小區(qū)時(shí)，系統(tǒng)直接通過(guò)RRC 信令消息為終端配置輔小區(qū)，在終端接入后直接配好主載波和輔小區(qū)資源。其特點(diǎn)是配置時(shí)延短，適用于多個(gè)成員載波覆蓋相近的場(chǎng)景，可以快速實(shí)現(xiàn)NR載波聚合的功能配置。

基于測(cè)量的輔小區(qū)配置方案是CA 終端需要進(jìn)行異頻測(cè)量，一般采用基于A4或A5事件的測(cè)量，gNodeB根據(jù)測(cè)量報(bào)告中候選輔小區(qū)的RSRP 信號(hào)質(zhì)量從高到低依次進(jìn)行嘗試配置輔小區(qū)。其特點(diǎn)是配置時(shí)延長(zhǎng)，適用于多個(gè)成員載波不同覆蓋的場(chǎng)景，優(yōu)點(diǎn)是能夠保證添加輔小區(qū)的可靠性，但缺點(diǎn)是需要Gap 測(cè)量時(shí)間和信令開(kāi)銷。

2.3 NR載波聚合的移動(dòng)性管理方案

根據(jù)目標(biāo)輔小區(qū)配置時(shí)刻的不同，載波聚合的切換可以有3種方案。

a）帶輔小區(qū)的切換方案。在切換過(guò)程中，在基站下發(fā)的RRC 重配消息中添加和配置了目標(biāo)小區(qū)的輔小區(qū)，因此在切換完成時(shí)，就已經(jīng)配置好載波組合的輔小區(qū)。

b）盲配置的切換方案。在切換過(guò)程中會(huì)先去配置原輔載波，回退到單載波狀態(tài)，切換完成后由目標(biāo)小區(qū)盲配置輔載波。該方案的切換時(shí)延較小，切換完成后也可快速恢復(fù)數(shù)據(jù)速率。

c）基于輔載波A4 事件的切換方案。在切換過(guò)程中會(huì)先去配置原輔載波，回退到單載波狀態(tài)，切換完成后由目標(biāo)小區(qū)根據(jù)A4 測(cè)量結(jié)果配置輔小區(qū)。該方案相比前2 個(gè)方案，增加了測(cè)量時(shí)間和測(cè)量上報(bào)的時(shí)間，導(dǎo)致時(shí)延大大增加，用戶數(shù)據(jù)速率恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。

在5G NR 載波聚合場(chǎng)景下，基站還需要支持基于頻段組合選擇或者基于頻率優(yōu)先級(jí)的切換。在高低頻組合的場(chǎng)景下，當(dāng)載波聚合終端從小區(qū)邊緣向小區(qū)中心移動(dòng)時(shí)，原來(lái)是以覆蓋更好的低頻小區(qū)作為主載波的CA 組合，在靠近小區(qū)中心的過(guò)程中，會(huì)有更多的高頻段組合滿足信號(hào)質(zhì)量的要求，這就要求基站通過(guò)配置A1測(cè)量事件，當(dāng)服務(wù)小區(qū)信號(hào)質(zhì)量高于一定門(mén)限后，根據(jù)終端支持頻段組合的能力，以及基站自身的載波聚合組合能力，通過(guò)基站算法判斷終端應(yīng)該切換到的最佳目標(biāo)頻點(diǎn)，從而及時(shí)切換到相應(yīng)的頻點(diǎn)完成載波聚合，使用戶獲得更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

2.4 TDD+FDD頻段間下行載波聚合方案

3.5 GHz TDD 頻段大規(guī)模天線的使用，提供了高增益的下行波束賦形能力，其下行業(yè)務(wù)信道覆蓋能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上行業(yè)務(wù)信道的覆蓋能力，上行業(yè)務(wù)信道成為覆蓋的瓶頸。在小區(qū)覆蓋的邊緣區(qū)域采用以2.1 GHz FDD頻段為主載波的下行載波聚合，利用2.1 GHz的上行有效的增強(qiáng)了覆蓋能力，同時(shí)利用2.1 GHz 和3.5 GHz 的下行載波聚合提供下行大帶寬。上行的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和反饋信息都通過(guò)2.1 GHz 頻段發(fā)送給基站，這樣可以消除3.5 GHz 的上行覆蓋限制，擴(kuò)展3.5 GHz的下行覆蓋。載波聚合技術(shù)在實(shí)現(xiàn)下行容量提升的同時(shí)，通過(guò)主載波的變化，上行也可以在3.5 GHz 和中低頻的上行之間靈活切換，在小區(qū)非邊緣區(qū)域獲得更大的帶寬和上行速率。

這種高低頻組網(wǎng)載波聚合的容量增強(qiáng)主要體現(xiàn)在：近點(diǎn)用戶可以利用TDD 大帶寬獲得上下行的高容量，同時(shí)還可以聚合FDD 的下行容量增強(qiáng)。遠(yuǎn)點(diǎn)用戶可以利用FDD 獲得上下行的容量，同時(shí)還可以聚合TDD 的下行容量增強(qiáng)，改善了遠(yuǎn)點(diǎn)用戶的用戶容量和體驗(yàn)。

FDD 和TDD 頻段做頻段間載波聚合也面臨一些技術(shù)和實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)。首先，F(xiàn)DD+TDD 做載波聚合時(shí)，TDD 作為CA 主載波的情況，相比FDD 頻段做主載波時(shí)，上行時(shí)隙中對(duì)應(yīng)的PUCCH 反饋和調(diào)度更為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度更大，需要更多資源的PUCCH format3 來(lái)完成HARQ 反饋，系統(tǒng)的開(kāi)銷會(huì)增加。但相比2.1 GHz做主載波，3.5 GHz做主載波的載波聚合由于上行帶寬和下行波束賦形等原因，上下行速率優(yōu)勢(shì)更大。

另外的一個(gè)重要挑戰(zhàn)來(lái)自于在輔載波上做信道估計(jì)和波束賦形。TDD 頻段由于具有信道互易性，下行波束賦形主要有2 種方式，一種是基于SRS 終端在各個(gè)天線上發(fā)送Sounding 參考信號(hào)，基站通過(guò)信道互易性獲得下行信道的較精確的估計(jì)，進(jìn)行波束賦形。另一種是基于PMI 反饋，基站發(fā)送CSI-RS 參考信號(hào)，終端側(cè)反饋PMI 信息，基站選擇量化的碼本進(jìn)行波束賦形。在下行Massive MIMO 中，信道條件較好時(shí)，TDD頻段基于SRS的波束賦形性能遠(yuǎn)優(yōu)于基于PMI的反饋，尤其是對(duì)于MU-MIMIO，不需要基于PMI的復(fù)雜而性能受限的信道反饋。

在下行載波聚合方案下，如果采用FDD 中低頻段做主載波，上行將只通過(guò)中低頻段一個(gè)小區(qū)進(jìn)行發(fā)送，如果SRS 不在3.5 GHz 上發(fā)送的話，3.5 GHz TDD的下行信道就無(wú)法利用信道互異性基于SRS來(lái)進(jìn)行波束賦型，下行性能會(huì)受到較大影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，協(xié)議上定義了SRS carrier switching 的方法來(lái)對(duì)UE進(jìn)行配置，使得終端天線可以切換到輔小區(qū)發(fā)送SRS信號(hào)。這對(duì)終端能力以及基站實(shí)現(xiàn)提出了較高的要求。

在下行CA 且無(wú)上行CA 場(chǎng)景下，如果終端側(cè)不支持SRS carrier switching 的情況下，SCC 上不會(huì)建立上行鏈路，基站無(wú)法根據(jù)上行鏈路獲取終端在輔載波上的CSI-RS 波束方向；在頻段間載波聚合的情況下，主小區(qū)和輔小區(qū)通常不共射頻模塊部署，無(wú)法使用主載波上的波束方向，基站需要通過(guò)CSI-RS波束掃描獲得終端在輔載波上波束方向，然后再進(jìn)行基于PMI 的波束賦形?？傊?，為了支持跨頻段的載波聚合并獲得更好的性能，需要基站側(cè)支持TDD 和FDD 作為主載波以及TDD 輔載波基于SRS 的下行波束賦形功能，以及終端側(cè)需要支持SRS carrier switching的能力。

3 場(chǎng)景部署應(yīng)用

本節(jié)以3個(gè)NR 載波的部署場(chǎng)景為例，簡(jiǎn)要介紹采用的載波聚合部署方案。3.5 GHz TDD 頻段有2 個(gè)100 MHz 帶寬的載波，2.1 GHz FDD 頻段有一個(gè)20 MHz 帶寬的載波，目前設(shè)備僅支持頻段內(nèi)和頻段間的下行兩載波CA。圖3 給出了駐留重選和載波管理策略的示意圖，圖4給出了移動(dòng)性管理策略的示意圖。

圖3 駐留重選和載波管理策略示意圖

圖4 移動(dòng)性管理策略示意圖

a）駐留重選策略。

（a）配置3.5 GHz 的公共優(yōu)先級(jí)高于2.1 GHz，非CA終端優(yōu)先駐留在高容量的3.5 GHz頻段。

（b）配置主載波錨點(diǎn)優(yōu)先級(jí)功能，依據(jù)終端CA 組合能力，CA終端優(yōu)先駐留3.5 GHz做主載波，其次駐留2.1 GHz做主載波。

（c）配置CA 專用重選優(yōu)先級(jí)，CA 終端連接釋放到其相應(yīng)的主載波上進(jìn)行駐留。

b）載波管理策略（見(jiàn)圖3）。

（a）輔載波配置：考慮到2.1 GHz 覆蓋大于3.5 GHz。建議主載波為3.5 GHz 時(shí)，采用盲配置另一3.5 GHz輔載波（高優(yōu)先）和2.1 GHz輔載波；建議主載波為2.1 GHz時(shí)，采用基于A4測(cè)量事件的輔載波配置方案。

（b）輔載波刪除：開(kāi)啟基于A2 測(cè)量的輔載波刪除功能。

（c）配置A6事件支持SCell變更。

c）移動(dòng)性管理策略

（a）小區(qū)中心到邊緣，主載波從3.5 GHz 切換到2.1 GHz 時(shí)，采用帶輔小區(qū)的基于覆蓋A2 和A4 測(cè)量事件的切換方式。

（b）小區(qū)邊緣到中心，主載波從2.1 GHz 切換到3.5 GHz時(shí)，采用帶輔小區(qū)的基于頻率優(yōu)先級(jí)的切換方式，即基于A1 事件（即服務(wù)小區(qū)信號(hào)質(zhì)量高于某一門(mén)限）啟動(dòng)測(cè)量，基于A4 事件切換，盡早返回大帶寬頻點(diǎn)。

（c）配置基于A3測(cè)量的同頻切換。

4 結(jié)束語(yǔ)

5G SA 組網(wǎng)還處于部署發(fā)展初期，NR 頻段間的載波聚合在設(shè)備和終端實(shí)現(xiàn)上還存在一些挑戰(zhàn)，廠家對(duì)于性能提升特性的支持還有待加強(qiáng)。網(wǎng)絡(luò)部署中存在不同的頻段組合以及不同支持能力的終端，這要求基站能夠支持靈活的切換和駐留策略，保障更優(yōu)的用戶體驗(yàn)。目前NR 載波聚合的頻段組合相對(duì)有限，但隨著網(wǎng)絡(luò)中更多頻段的引入，場(chǎng)景的復(fù)雜性的提升，要求基站具備更智能的主輔載波管理、切換能力，保證用戶在最佳的載波組合下完成業(yè)務(wù)，提高整網(wǎng)的容量和性能。