載波聚合（CA）的概念和設(shè)計(jì)難點(diǎn)詳細(xì)解析

載波聚合（Carrier Aggregation）的概念

圖1、載波聚合（Carrier Aggregation）的概念

在LTE-Advanced中使用載波聚合（Carrier aggregation），以增加信號(hào)帶寬，從而提高傳輸比特速率。

為了滿足LTE-A下行峰速1 Gbps，上行峰速500 Mbps的要求，需要提供最大100 MHz的傳輸帶寬，但由于這么大帶寬的連續(xù)頻譜的稀缺，LTE-A提出了載波聚合的解決方案。

載波聚合（Carrier Aggregation， CA）是將2個(gè)或更多的載波單元（Component Carrier， CC）聚合在一起以支持更大的傳輸帶寬（最大為100MHz）。

每個(gè)CC的最大帶寬為20 MHz

為了高效地利用零碎的頻譜，CA支持不同CC之間的聚合（如圖2）

· 相同或不同帶寬的CCs

· 同一頻帶內(nèi)，鄰接或非鄰接的CCs

· 不同頻帶內(nèi)的CCs

圖2、載波聚合的幾種形式

從基帶（baseband）實(shí)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(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。

每個(gè)CC對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的Cell，在CA場(chǎng)景中可以分為以下幾種類型的Cell：

Primary Cell（PCell）：主小區(qū)是工作在主頻帶上的小區(qū)。UE在該小區(qū)進(jìn)行初始連接建立過程，或開始連接重建立過程。在切換過程中該小區(qū)被指示為主小區(qū)；

Secondary Cell（SCell）：輔小區(qū)是工作在輔頻帶上的小區(qū)。一旦RRC連接建立，輔小區(qū)就可能被配置以提供額外的無線資源；

Serving Cell：處于RRC_CONNECTED態(tài)的UE，如果沒有配置CA，則只有一個(gè)Serving Cell，即PCell；如果配置了CA，則Serving Cell集合是由PCell和SCell組成；

圖3、載波聚合（CA）的幾種Cell

載波聚合的作用：

圖4、CA組合多個(gè)LTE載波信號(hào)以提高數(shù)據(jù)速率并提高網(wǎng)絡(luò)性能

圖5、CA技術(shù)提升了載波的性能

圖6、3GPP數(shù)據(jù)速率的演進(jìn)與CA的關(guān)系

圖7、3GPP發(fā)布協(xié)議時(shí)間表

載波聚合（Carrier Aggregation）的設(shè)計(jì)難點(diǎn)

下行CA的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括：

· 下行鏈路（Downlink）的靈敏度

· 諧波的影響

· 在CA RF射頻設(shè)計(jì)中遇到的desense（靈敏度惡化）挑戰(zhàn)

如果為每個(gè)頻段設(shè)計(jì)獨(dú)立的雙工器，確保下行鏈路頻段不受影響；然而連接兩個(gè)雙工器路徑則可能會(huì)影響兩個(gè)雙工器的濾波器特性，從而導(dǎo)致您失去以系統(tǒng)靈敏度要求運(yùn)行時(shí)所需的傳輸和接收路徑之間的隔離度。

在兩個(gè)頻帶之間具有較大頻率間隔（例如，中頻帶和低頻帶之間的CA組合）的一些CA情況下，可以添加單獨(dú)的雙工器。在天線和兩個(gè)頻帶單獨(dú)的專用雙工器之間插入一個(gè)diplexer（天線共用器或者天線分離濾波器）。

而在CA體系結(jié)構(gòu)中，一些設(shè)計(jì)者正在使用multiplexers（多工器） 和hexiplexers（六工器） 來代替雙工器（duplexers）。如果需要多工器（multiplexer），則設(shè)備內(nèi)的每個(gè)單獨(dú)的濾波器需要復(fù)雜的開發(fā)，因?yàn)樗幌裨谝粋€(gè)封裝中放置兩個(gè)濾波器那樣簡(jiǎn)單，因?yàn)槲覀兤谕鼈儗⒆鳛榻y(tǒng)一的整體在設(shè)備內(nèi)工作。設(shè)計(jì)人員必須確保在多工器（multiplexer）中每個(gè)頻段的濾波器能夠協(xié)同工作。盡管多工器（multiplexer）的開發(fā)更具挑戰(zhàn)性，但它簡(jiǎn)化了RF前端設(shè)計(jì)人員的工作，并增加了可用的PC板面積。下圖描述了一個(gè)簡(jiǎn)單的前端，顯示雙工器（duplexers）和diplexer（天線共用器或者天線分離濾波器）。

圖8、帶有雙工器（duplexers ）和diplexers的RF前端

產(chǎn)生的諧波的影響

諧波是由非線性元器件所產(chǎn)生，如收發(fā)信機(jī)的輸出級(jí)，功率放大器（PA），雙工器和開關(guān)等中所產(chǎn)生的。在元器件組件開發(fā)過程中，設(shè)計(jì)人員必須謹(jǐn)慎地權(quán)衡各種設(shè)備的性能標(biāo)準(zhǔn)，以幫助減少這些設(shè)備產(chǎn)生的諧波和其它互調(diào)產(chǎn)物所造成的影響。

圖9、需要高開關(guān)隔離和諧波濾波來減輕由諧波引起的靈敏度惡化（desense）問題

RF前端設(shè)計(jì)遇到的desense（靈敏度惡化）挑戰(zhàn)

由于濾波器抑制度不足，多個(gè)頻段的無線RF信號(hào)可能會(huì)相互干擾。這意味著如果發(fā)送和接收路徑之間的隔離度或者交叉隔離不足，則CA應(yīng)用中出現(xiàn)靈敏度降低（desense）的概率較高，下面幾個(gè)圖片說明幾種典型的desense現(xiàn)象。

圖10、B17 UL信號(hào)的三次諧波與B4 的DL耦合，造成desense

圖11、PCB板走線隔離不足而引起的諧波問題

圖12、內(nèi)部低頻或中頻頻段開關(guān)路徑之間的隔離不足可能會(huì)引起諧波問題

上行鏈路（Uplink）CA的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

在中國(guó)市場(chǎng)，TDD是上行鏈路（UL）載波聚合的主要驅(qū)動(dòng)力。2014年，中國(guó)電信和諾基亞網(wǎng)絡(luò)宣布推出全球首款FDD-TDD CA設(shè)備芯片組。該開發(fā)使用FDD Band3來改善LTE的覆蓋，同時(shí)支持改善TDD Band 41以提高吞吐量。

上行鏈路帶內(nèi)（Intra‐band ）CA是不同的上行鏈路CA類型中最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)，因此它是大多數(shù)運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)上行CA的第一步。

線性

帶內(nèi)上行鏈路CA信號(hào)為移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)者提供了許多挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兛梢跃哂懈叩姆逯担蟮男盘?hào)帶寬和新的RB配置。即使可以回退信號(hào)功率，也必須調(diào)整PA設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)非常高的線性度。必須考慮相鄰信道泄漏（ACLR），不連續(xù)RB的互調(diào)產(chǎn)物，雜散輻射，噪聲以及對(duì)接收靈敏度的影響。

上行鏈路帶間（Inter‐band）CA組合來自不同頻段的發(fā)射信號(hào)。在這些情況下，從移動(dòng)設(shè)備發(fā)送的最大總功率不增加，因此對(duì)于兩個(gè)發(fā)射頻段，每個(gè)頻段承載正常傳輸?shù)囊话牍β?，或比非CA信號(hào)的發(fā)射功率小3dB。

因?yàn)椴煌腜A用于放大不同頻帶的信號(hào)，并且各自的發(fā)射功率降低了，因此PA的線性度不是問題。其他前端組件，如開關(guān)，必須處理來自不同頻段的高電平信號(hào)，可能會(huì)混合出或者創(chuàng)造出新的互調(diào)產(chǎn)物。這些新信號(hào)可能干擾一個(gè)正在活動(dòng)的蜂窩接收機(jī)，甚至干擾本智能手機(jī)上的其他接收機(jī)，如GPS接收機(jī)。為了管理這些信號(hào)，開關(guān)必須具有非常高的線性度。