5G NR載波聚合部署方案研究

0 前言

為了提供更高的業務速率，3GPP引入了載波聚合技術（CA），它把多個連續或者非連續的載波聚合成更大的帶寬來滿足3GPP 的要求。載波聚合可以充分利用運營商的非連續頻譜資源，提高離散頻譜的利用率。在5G SA 組網中，尤其是在運營商共建共享的大環境下，載波聚合技術能夠充分利用各方的頻譜資源聚合成更大的帶寬，實現用戶的極致體驗，建立競爭優勢，還能利用高低頻組合有效擴展覆蓋范圍，緩解覆蓋瓶頸問題。

1 NR載波聚合基本原理

根據聚合載波所在的頻段，載波聚合可以分為：頻段內（intra-band）載波聚合和頻段間（inter-band）載波聚合。同頻段內的載波聚合，可以分為連續的和非連續的載波聚合。頻段間的載波聚合是聚合2個或以上不同頻段的載波，這會帶來射頻實現的復雜性。如果是不同制式的，比如TDD 和FDD 頻段之間的載波聚合，實現會更為復雜。

載波聚合在協議架構上，每個無線承載只有一個PDCP 和RLC 實體，MAC 層、物理層有多個分量載波；各個分量載波上MAC 層的數據面獨立調度；每個分量載波有各自獨立的Uu 接口傳輸信道以及獨立的HARQ實體和重傳進程（見圖1）。

圖1 載波聚合數據流示意圖

2 NR載波聚合技術方案

2.1 駐留重選方案

小區重選（cell reselection）是指UE 在空閑模式下通過監測鄰區和當前小區的信號質量以選擇一個最好的小區提供服務的過程。在5G SA 組網中，存在Cband 以及中低頻段的多個載波，需要讓終端駐留在業務體驗最優的載波上。讓終端優先駐留某些載波通常是通過設置小區公共重選優先級來完成的。

高頻段、大帶寬的載波作為網絡中容量層，它的公共重選優先級設置成高優先級，這樣終端會優先駐留在容量層，獲得更好的用戶速率和體驗。中低頻、小帶寬的載波作為覆蓋層，小區覆蓋面積更大，公共重選優先級設置為低優先級，用戶會在小區邊緣駐留或重選到這個覆蓋層載波上，保障業務覆蓋和連續。

總體設計原則是，對于帶寬、覆蓋范圍差距大的載波之間，適合采用高低優先級的設置，優先駐留在大帶寬載頻上。對于帶寬、覆蓋差別小的載波之間，比如在容量層或覆蓋層內部的載波之間，建議采用相同優先級，終端可以隨機駐留和分擔負荷。

2.2 載波管理方案

2.2.1 NR主載波管理

CA終端和非CA終端都是基于小區的公共重選優先級優先駐留在高優先級的載波頻點上，這通常是具有大帶寬的載波。CA終端在接入網絡或發起業務后，由于其支持CA 頻段組合的能力不同，可能在其他頻點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的頻點上做主載波。

選擇流程的觸發條件是CA 終端初始接入、重建入、切換入時，基站判斷小區所在頻點不是該終端的最優載波聚合組合的主載波。然后，基站下發A1測量給終端，在基站收到A1測量報告后，開始根據終端的載波聚合組合支持能力，依據一定的算法選擇更優的載波聚合主載波，并嘗試切換到該主載波上。如果切換成功，在最優的主載波上做CA 配置和發起業務，在完成業務后釋放連接時，需要基站給終端下發專用的重選優先級，使終端在空閑態繼續駐留在該最優的載波上，從而保證下次發起業務時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，SCell（輔小區）配置未激活，SCell 配置且激活，SCell 未配置，基站通過主載波上的RRC 信令和MAC 層控制單元進行統一管理。初始接入、切換入或重建入小區時會觸發輔小區的配置，通過測量事件A4或者盲配置來完成。輔小區變更則是基站收到UE 上報A6 事件，即輔小區的同頻鄰區比輔小區的信號質量好，在不改變PCell（主小區）的情況下變更輔小區，以保證輔小區的信號質量（見圖2）。

圖2 輔小區狀態轉移圖

盲配置方案是初始接入、切換入或重建入小區時，系統直接通過RRC 信令消息為終端配置輔小區，在終端接入后直接配好主載波和輔小區資源。其特點是配置時延短，適用于多個成員載波覆蓋相近的場景，可以快速實現NR載波聚合的功能配置。

基于測量的輔小區配置方案是CA 終端需要進行異頻測量，一般采用基于A4或A5事件的測量，gNodeB根據測量報告中候選輔小區的RSRP 信號質量從高到低依次進行嘗試配置輔小區。其特點是配置時延長，適用于多個成員載波不同覆蓋的場景，優點是能夠保證添加輔小區的可靠性，但缺點是需要Gap 測量時間和信令開銷。

2.3 NR載波聚合的移動性管理方案

根據目標輔小區配置時刻的不同，載波聚合的切換可以有3種方案。

a）帶輔小區的切換方案。在切換過程中，在基站下發的RRC 重配消息中添加和配置了目標小區的輔小區，因此在切換完成時，就已經配置好載波組合的輔小區。

b）盲配置的切換方案。在切換過程中會先去配置原輔載波，回退到單載波狀態，切換完成后由目標小區盲配置輔載波。該方案的切換時延較小，切換完成后也可快速恢復數據速率。

c）基于輔載波A4 事件的切換方案。在切換過程中會先去配置原輔載波，回退到單載波狀態，切換完成后由目標小區根據A4 測量結果配置輔小區。該方案相比前2 個方案，增加了測量時間和測量上報的時間，導致時延大大增加，用戶數據速率恢復時間較長。

在5G NR 載波聚合場景下，基站還需要支持基于頻段組合選擇或者基于頻率優先級的切換。在高低頻組合的場景下，當載波聚合終端從小區邊緣向小區中心移動時，原來是以覆蓋更好的低頻小區作為主載波的CA 組合，在靠近小區中心的過程中，會有更多的高頻段組合滿足信號質量的要求，這就要求基站通過配置A1測量事件，當服務小區信號質量高于一定門限后，根據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，通過基站算法判斷終端應該切換到的最佳目標頻點，從而及時切換到相應的頻點完成載波聚合，使用戶獲得更好的業務體驗。

2.4 TDD+FDD頻段間下行載波聚合方案

3.5 GHz TDD 頻段大規模天線的使用，提供了高增益的下行波束賦形能力，其下行業務信道覆蓋能力遠遠大于上行業務信道的覆蓋能力，上行業務信道成為覆蓋的瓶頸。在小區覆蓋的邊緣區域采用以2.1 GHz FDD頻段為主載波的下行載波聚合，利用2.1 GHz的上行有效的增強了覆蓋能力，同時利用2.1 GHz 和3.5 GHz 的下行載波聚合提供下行大帶寬。上行的數據業務和反饋信息都通過2.1 GHz 頻段發送給基站，這樣可以消除3.5 GHz 的上行覆蓋限制，擴展3.5 GHz的下行覆蓋。載波聚合技術在實現下行容量提升的同時，通過主載波的變化，上行也可以在3.5 GHz 和中低頻的上行之間靈活切換，在小區非邊緣區域獲得更大的帶寬和上行速率。

這種高低頻組網載波聚合的容量增強主要體現在：近點用戶可以利用TDD 大帶寬獲得上下行的高容量，同時還可以聚合FDD 的下行容量增強。遠點用戶可以利用FDD 獲得上下行的容量，同時還可以聚合TDD 的下行容量增強，改善了遠點用戶的用戶容量和體驗。

FDD 和TDD 頻段做頻段間載波聚合也面臨一些技術和實現的挑戰。首先，FDD+TDD 做載波聚合時，TDD 作為CA 主載波的情況，相比FDD 頻段做主載波時，上行時隙中對應的PUCCH 反饋和調度更為復雜，實現難度更大，需要更多資源的PUCCH format3 來完成HARQ 反饋，系統的開銷會增加。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，上下行速率優勢更大。

另外的一個重要挑戰來自于在輔載波上做信道估計和波束賦形。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 終端在各個天線上發送Sounding 參考信號，基站通過信道互易性獲得下行信道的較精確的估計，進行波束賦形。另一種是基于PMI 反饋，基站發送CSI-RS 參考信號，終端側反饋PMI 信息，基站選擇量化的碼本進行波束賦形。在下行Massive MIMO 中，信道條件較好時，TDD頻段基于SRS的波束賦形性能遠優于基于PMI的反饋，尤其是對于MU-MIMIO，不需要基于PMI的復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，上行將只通過中低頻段一個小區進行發送，如果SRS 不在3.5 GHz 上發送的話，3.5 GHz TDD的下行信道就無法利用信道互異性基于SRS來進行波束賦型，下行性能會受到較大影響。為了解決這個問題，協議上定義了SRS carrier switching 的方法來對UE進行配置，使得終端天線可以切換到輔小區發送SRS信號。這對終端能力以及基站實現提出了較高的要求。

在下行CA 且無上行CA 場景下，如果終端側不支持SRS carrier switching 的情況下，SCC 上不會建立上行鏈路，基站無法根據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，主小區和輔小區通常不共射頻模塊部署，無法使用主載波上的波束方向，基站需要通過CSI-RS波束掃描獲得終端在輔載波上波束方向，然后再進行基于PMI 的波束賦形?？傊瑸榱酥С挚珙l段的載波聚合并獲得更好的性能，需要基站側支持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，以及終端側需要支持SRS carrier switching的能力。

3 場景部署應用

本節以3個NR 載波的部署場景為例，簡要介紹采用的載波聚合部署方案。3.5 GHz TDD 頻段有2 個100 MHz 帶寬的載波，2.1 GHz FDD 頻段有一個20 MHz 帶寬的載波，目前設備僅支持頻段內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 的公共優先級高于2.1 GHz，非CA終端優先駐留在高容量的3.5 GHz頻段。

（b）配置主載波錨點優先級功能，依據終端CA 組合能力，CA終端優先駐留3.5 GHz做主載波，其次駐留2.1 GHz做主載波。

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

b）載波管理策略（見圖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，采用盲配置另一3.5 GHz輔載波（高優先）和2.1 GHz輔載波；建議主載波為2.1 GHz時，采用基于A4測量事件的輔載波配置方案。

（b）輔載波刪除：開啟基于A2 測量的輔載波刪除功能。

（c）配置A6事件支持SCell變更。

c）移動性管理策略

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

（b）小區邊緣到中心，主載波從2.1 GHz 切換到3.5 GHz時，采用帶輔小區的基于頻率優先級的切換方式，即基于A1 事件（即服務小區信號質量高于某一門限）啟動測量，基于A4 事件切換，盡早返回大帶寬頻點。

（c）配置基于A3測量的同頻切換。

4 結束語

5G SA 組網還處于部署發展初期，NR 頻段間的載波聚合在設備和終端實現上還存在一些挑戰，廠家對于性能提升特性的支持還有待加強。網絡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，保障更優的用戶體驗。目前NR 載波聚合的頻段組合相對有限，但隨著網絡中更多頻段的引入，場景的復雜性的提升，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務，提高整網的容量和性能。