科普|谈谈载波聚合

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随着智能手机的普及和移动互联网的发展,各种各样的手机和平板对网速和流量的需求是越来越强烈,甚至到了如饥似渴的地步。那么怎样才能满足人民日益增长的网速需求和网络容量有限之间的矛盾呢?本文来聊一聊让 5G 的下载速率达到倍增的技术-载波聚合。

载波聚合到底是怎样实现速率倍增,甚至数倍增的效果的呢? 双连接技术又是怎样在载波聚合的基础上锦上添花的?
 
1. 为什么需要载波聚合?
 
一般来说,要提升网速或者容量,有下面几个思路:
 
建更多的基站:这样一来同一个基站下抢资源的人就少了,网速自然就上去了。但缺点是投入太大了,运营商肯定不会做亏本的买卖。
 
提升频谱效率:从 2G 到 5G,有多少专家潜心钻研,一头青丝变华发,就是为了提升效率,在每赫兹的频谱上传更多的数据!可见这项工作是真的很艰难。
 
增加频谱带宽:这是提升容量最简单粗暴的办法了,从 2G 到 5G,单个载波的带宽不断增长,从 2G 的 200K,再到 3G 的 5M,4G 的 20M,在 5G 时代甚至达到了 100M(Sub6G 频段)乃至 400M(毫米波频段)!
 
然而,这一切努力在汹汹流量面前还是杯水车薪,这可怎么办?
 
只能再增加频谱带宽了!4G 的做法主要是把 2G 和 3G,乃至 Wifi 的频段抢过来用,5G 的做法主要是扩展新频段,从传统的低频向带宽更大的高频发起冲击。
 
频谱千方百计搞到了,但载波的带宽却已经由协议定好了,不容再改,这又咋办?
 
说起来要实现也简单,人多力量大是永恒的真理,一个载波容量不够,我就再加一个一起传数据,不信速度上不去。什么,还不够?那就继续增加载波!
 
这种技术就叫做:载波聚合。
 
话说 LTE 的第一个版本因为容量有限,虽然被广泛宣传为 4G 技术,但实际上达不到国际电联的 4G 标准,业内也就称之为 3.9G。
 
后来 LTE 演进到 LTE-Advanced 时,引入了 5 载波聚合,把单用户可用的带宽从 20MHz 扩大到了 100MHz,这才坐稳了 4G 的头把交椅。
 
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后面的 5G,自然是继承了 4G 的衣钵,把载波聚合作为提升容量的利器。
 
 
2.载波聚合的分类及发展史
 
话说频谱资源是稀缺的,每个频段就那么一小段,因此载波聚合需要支持多种方式,以两载波聚合为例:
 
如果两个载波的频段相同,还相互紧挨着,频谱连续,就称作频段内连续的载波聚合。
 
如果两个载波的频段相同,但频谱不连续,中间隔了一段,就称作频段内不连续的载波聚合。
 
如果两个载波的频段不同,则称作频段间的载波聚合。
 
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这三种方式包含了所有的情况,可谓任你几路来,都只一路去,再多的载波,也能给拧成一股绳。
 
参与载波聚合的每一个载波,又都叫做分量载波(Component Carrier,简称 CC)。因此,3 载波聚合也可称之为 3CC。
 
这些载波在一起工作,需要相互协同,就总得有个主辅载波之分。
 
所谓主载波,就是承载信令,并管理其他载波的载波,也叫 Pcell(Primary cell)。
 
辅载波也叫 Scell(Secondary cell),用来扩展带宽增强速率,可由主载波来决定何时增加和删除。
 
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主辅载波是相对终端来说的,对于不同终端,工作的主辅载波可以不同。并且,参与聚合的多个载波不限于同一个基站,也可以来自相邻的基站。
 
从 4G 的 LTE-Advanced 协议引入载波聚合之后,该技术就如脱缰的野马一样狂奔,从最初的 5 载波聚合,总带宽 100MHz,再到后面的 32 载波聚合,总带宽可达 640MHz!
 
到了 5G 时代,虽说可聚合的载波数量仅为 16 个,但架不住 5G 的载波带宽大啊。
 
Sub6G 的单载波带宽最大 100MHz,16 个载波聚合一共就 1.6GHz 带宽了;毫米波频段更夸张,单载波带宽最大 400MHz,16 个载波聚合一共就有 6.4GHz 带宽!
 
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时代的车轮就这样滚滚向前。前浪以为自己已经很牛逼了,但回头一看,后浪简直就是滔天巨浪啊,然后还没反应过来就已经被拍在了沙滩上摩擦。
 
 
3.5G 的载波聚合技术
 
话说 5G 的载波聚合,相比 4G 来说更复杂一些。
 
首先 5G 的频段分为两类,FR1 和 FR2,也就是俗称的 6GHz 以下的频段(Sub6G),以及高频,也就毫米波(mmWave)。
 
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FR1 包含了众多从 2G,3G 和 4G 传承下来的频段,有些是 FDD 的,有些是 TDD 的。
 
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这样一来,在 FR1 内部就存在 FDD+FDD 频段间的载波聚合,FDD+TDD 频段间的载波聚合,以及 TDD+TDD 频段间的载波聚合。
 
在上述的每个 FDD 或者 TDD 的频段内部,还可以由多个带内连续的载波聚合而成。3GPP 定义了多种的聚合等级,对应于不同的聚合带宽和连续载波数。
 
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比如上图中的 FR1 频段内载波聚合等级 C,就表示 2 个带内连续的载波聚合,且总带宽在 100MHz 到 200MHz 之间。
 
不同于 FR1,FR2 是全新定义毫米波频段,双工方式全部都是 TDD。
 
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跟 FR1 类似,3GPP 也为 FR2 频段定义了带内连续的多种的聚合等级,对应于不同的聚合带宽和连续载波数。
 
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比如上图中的 FR2 频段内载波聚合等级 M,就表示 8 个带内连续的载波聚合,且总带宽在 700MHz 到 800MHz 之间。
 
有了上述的定义,我们就可以在 FR1 内部频段内,频段间进行载波聚合,还能和 FR2 进行聚合,并且载波数量,以及每个载波的带宽也都可以不同,它们之间的排列组合非常多。
 
举个例子,“CA_n78A-n258M”这个组合,就代表 n78(又称 3.5GHz 或者 C-Band)和 n258(毫米波 26GHz)这两个频段间的聚合,其中 n78 的频段内聚合等级为 A,也就是单载波,n258 的频段内聚合等级为 M,也就是有 8 个载波且总带宽小于 800MHz。
 
 
4.NSA 组网下的双连接技术
 
且说上面的 5G 内部载波聚合已经很强悍了,但这还只是带宽扩展的冰山一角。
 
5G 在 NSA 架构下引入了双连接(Dual Connection,简称 DC)技术,手机可以同时连接到 4G 基站和 5G 基站。
 
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在双连接的基础上,4G 部分和 5G 部分还都可以在其内部进行载波聚合,这就相当于把 4G 的带宽也加进来,可进一步增强下行传输速率!
 
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在双连接下,手机同时接入 4G 基站和 5G 基站,这两基站也要分个主辅,一般情况下 Option3 系列架构中,4G 基站作为控制面锚点,称之为主节点(Master Node),5G 基站称之为辅节点(Secondary Node)。
 
主节点和辅节点都可以进行载波聚合。其中主节点的主载波和辅载波称为 Pcell 和 Scell,辅节点的主载波和辅载波称为 PScell 和 Scell。
 
带载波聚合的主节点和辅节点又可以被称作 MCG(Master Cell Group,主小区组)和 SCG(Secondary Cell Group,辅小区组)。
 
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虽说 NSA 架构的初衷并不是提升速率,而是想着藉由 4G 来做控制面锚点,这样一来不但现网的 4G 核心网 EPC 可以利旧,还能使用成熟的 4G 覆盖来庇护 5G 这个初生的孩童。
 
但是客观上来讲,通过双连接技术,手机可同时连接 4G 和 5G 这两张网络,获取到的频谱资源更多,理论上的峰值下载速率可能要高于 SA 组网架构,除非以后把 4G 载波全部重耕到 5G。
 
这些双连接加载波聚合的组合,也都是由协议定义的。
 
如果看到这串字符:DC_1A_n78A-n257M,我们先按照下划线“_”把它拆解为三个部分,DC,1A,和 n78A-n257M。
 
DC 就表示双连接,1A 表示 LTE band1(2100MHz)单载波,后面的 n78A-n257M 见前文的解释,这串字符综合起来就是 5G FR1 和 FR2 多个载波聚合后,在和一个 4G 载波进行了双连接。

 

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