5G（NR）网络中载波聚合（CA）

载波聚合是一种聚合多个分量载波(CC)的技术;这些载波可以共同用于单个设备(UE)之间的传输;载波聚合是将两个或多个载波组合到一个数据通道中,以增强网络数据容量。载波聚合利用现有频谱资源可为移动运营商(MNO)提供更高的上行(UL)和下行(DL)数据速率。部署载波聚合时,帧时隙和SFN都在可聚合小区之间对齐。

5G(NR)网络在FR1和FR2中都可使用CA,支持多个分量载波。在R15版本中可用于终端(UE)的分量载波聚合最大数目上/下行都是16个。

5G载波聚合特点

• 最多可聚合

16个载波(连续和不连续）;

• 载波可使用不同参数集（SCS）; • 传输块按单载波映射; • 支持跨载波调度和联合反馈; • 运营商可灵活使用任何一种

CA类型(带内连续,带内不连续或带

间不连续)来部署其频谱.

载波聚合由来

载波聚合是LTE在R10中引入增强LTE频谱灵活应用,支持更高带宽和碎片频谱的技术。此版本中最多可聚合5个载波(每个载波带宽可不同),允许最大100MHz的带宽。所有分量载波都必须具有相同双工方案，其中在TDD模式中上行和下行必须具有相同链路配置。

载波聚合引入后MAC和物理层协议进行了变更,同时也引入了一些新RRC的消息。为保持对R8/R9兼容性协议变更保持最低限度，原则上每个分量载波都被视为R8载波，增加了使用新的RRC消息来处理SCC，并且MAC必须能够处理多个CC上的调度。物理层主要变化是在下行(DL)信道上提供有关CC上进行调度的信令信息,在上行(UL)和下行(DL)上传递每个CC的HARQ ACK/NACK；具体参见下图：

3GPP R13版标志着LTE Advanced Pro开始,其中包括载波聚合的各种增强功能;考虑到8层空间复用和256 QAM,下行(DL)链路中可

聚合分量载波数量增加到32,总带宽达0MHz;理论峰值数据速率约为25 Gbit/s。增加副载波数量主要动机是启用未授权频谱中的很大带宽。

LTE R13版本还引入了许可辅助接入,其中载波聚合框架用于5GHz范围内的非授权频段中的下行链路载波与授权频段中载波聚合。其中要求高服务质量的移动性，关键控制信令和服务依赖于授权频谱中的载波，而要求较低的流量部分可由运营商使用未经授权的频谱来处理。

LTE R14版本中许可证辅助访问也得到了增强,以解决上行链路传输问题。

5G(NR)载波聚合

像LTE一样多个NR载波可以聚合到同一设备或从同一设备并行发送,从而允许总体上更大带宽及更高数据速率。载波不必在频域中是连续的，而是可以分散在相同频带以及不同频带中；载波聚合共有三种不同情况：

• 频率连续分量载波的带内聚合； • 频率不连续分量载波的带内聚合； • 非连续分量载波的带间聚合。

载波聚合类型

尽管这三种载波聚合整体结构都相同，但RF复杂度可能相差很大。R15版本中聚合多达16个载波,这些载波具有不同带宽和不同双工方案,从而允许高达00MHz(16x400MHz)=6.4 GHz的总带宽,这比典型频谱分配要大很多。

具有CA能力的终端设备可在多个分量载波上同时接收或发送,而没有CA能力的设备可以访问其中一个分量载波。值得注意的是在多个半双工(TDD)载波的带间载波聚合情况下,不同载波上的传输方向不一定必须相同。这意味着具有载波聚合能力的TDD设备可能需要双工滤波器,这与非载波聚合设备的典型情况不同。

3GPP在规范中使用专用术语小区来描述载波聚合,即具有载波聚合能力的设备可从多个小区接收和向多个小区发送;这些小区之一被称为主小区(PCell),它就是终端设备(UE)最初访问并连接的小区；此后一

旦设备处于连接模式便可以配置一个或多个辅助小区(SCell)。辅小区可被快速激活或满足业务模式变化。不同设备可能选用不同小区作为其主小区-也就是主小区配置是特定于设备。此外在上行(UL)和下行(DL)中载波(或小区)数量不必相同。实际上典型情况是在下行(DL)中聚合的载波比在上行(UL)中聚合的载波更多。原因是：

• 下行(DL)通常比上行(UL)流量更多; • 多个同时活动上行链路载波

RF复杂度通常大于下行链路的复杂

度。

载波聚合使用L1/L2控制信令的原因与使用单个载波时相同。作为基准所有反馈都是在需要在主小区上传输,其中设备所支持下行链路载波的数量可与上行链路载波的数量不同。对于许多下行链路分量载波单个上行链路载波可以携带大量确认。为了避免单个载波过载可以配置两个PUCCH组,其中在PCell上行链路中发送与第一组有关的反馈,而在主要第二小区(PSCell)上发送与另一组载波有关反馈。

如果使用载波聚合，则设备可以在多个载波上进行接收和发送，但是通常仅对于最高数据速率才需要在多个载波上进行接收。因此有利的是在保持配置完整的同时,停止接收未使用的载波;可通过包含位图的MAC信令来完成分量载波激活和去激活，其中每个位指示配置的SCell是应该被激活还是被去激活。

自调度与跨载波调度

如下图所示调度授权和调度分配既可以在与对应数据相同的小区上传输,这称为自调度；也可以在与对应数据不同的小区上传输，称为跨载波调度。

每个载波都有相应的调度决策,每个载波分别发送调度分配;也就是说被调度为从多个载波接收数据的设备会同时接收多个PDCCH。接收到的PDCCH可以指向同一载波(--自调度),也可指向另一个载波(--跨载波调度或跨调度)。如果跨载波调度载波与PDCCH的编号不同,则在PDSCH编号中调度分配中的定时偏移(如分配所涉及的时隙--而不是 PDCCH参数集）。

MAC层对载波聚合支持

当使用载波聚合时,MAC层负责跨多个分量载波进行数据复用/解复用。对于载波聚合(CA),它负责在不同的分量载波或小区之间分配来自每个流的数据。

载波聚合基本原理是对物理层中的组成载波进行处理,其中包括控制信令,调度和HARQ重传;而载波聚合在MAC层之上是不可见的。因此载波聚合主要在MAC层中呈现,其中包括任何MAC控制单元的逻辑信道被多路复用以形成每个分量载波的传输块,每个分量载波具有其自己的HARQ实体。

注:在载波聚合中终端设备看到每个分量载波只有一个DL-SCH(或UL-SCH）

载波聚合优点

• 更好网络性能:载波聚合提供了更可靠,更强大服务,同时减轻单网

络压力;

• 充分利用未利用频谱:CA

使运营商能够利用未使用和非授权频谱,

从而将5G(NR)优势扩展到这些频段;

• 上行和下行数据速率提高:带宽越宽，数据速率越高;

• 频谱有效利用:运营商可以将碎片化,较小频谱合并为更大,更有用

的频谱，并且可创建比单个分量载波可能产生的更大聚合带宽;

• 网络运营商负载平衡:使用实时网络负载数据,实现智能和动态负

载平衡;

• 更高容量:CA

可将用户数据速率提高了一倍,同时大大减少延迟； 支持跨分量载波(CC)进行动态数据流交换；

通过更高峰值数据速率(尤其在小区边缘),更高

• 可扩展性:扩展的覆盖范围使运营商可以迅速扩展其网络; • 动态转换:CA

• 更佳用户体验:CA

的用户数据速率和更低延迟及更高容量(如Web浏览和流视频)来提供更好的用户体验;

• 启用新移动服务:提供更好用户体验，为运营商提供创新和提供

新的高带宽/高数据速率移动服务机会;

• 可以与双(重)连接功能结合使用。

载波聚合劣势及挑战

• 带内上行链路CA信号使用更多带宽,具有更高峰均功率比(PAPR)； • 资源块(RB)可能配置存在多个分量载波(CC)中,信号可能在其中

混频并产生虚假带外问题;

• 带内

CA信号给终端设备设计带来许多挑战,因为它们可能具有更

高的峰值,更多的信号带宽和新的RB配置。这会使信号功率可能会降低,功率放大器的设计也必须调整为非常高的线性度。另外须考虑相邻信道泄漏,非连续RB互调产物,杂散发射,噪声和灵敏度;而线性度的折衷是以效率和热效应为代价的。

• 频带间

CA合并了来自不同频带的发射信号。在这些情况下从移

动设备发送的最大总功率不会增加;因此对于两个发送频段每个频段承载的功率是正常功率的一半,比非CA信号下降3dB。由于使用了不同功率放大器来放大不同频带中信号,每个功率放大器发射功率都降低了;其他前端组件(如开关)必须处理来自不同频带的高电平信号,这些信号可能会混合并产生互调产物。这些新信号也可能会干扰一个活动的蜂窝接收器，甚至会干扰电话上的另一个接收器(如GPS接收器)。