移动测试终端载波聚合技术的开发与实现

郭兰

摘  要：随着业界5G技术的兴起，越来越多的公司、机构加入5G技术的开发与研究中。移动测试终端（TM500）作为基站对端可以辅助基站进行通信系统集成测试，也积极投入5G产品的研发中。该文详细地分析了5G NR载波聚合技术的背景、技术原理及发展情况，并从移动测试终端的角度对该特性的系统设计与实现方案进行了详细的分析。根据系统的扩展性及对协议特性的兼容性提出了改进方案。最后，通过测试终端与基站的互联互通测试，证明了产品对该特性支持的有效性和可行性。

关键词：移动测试终端;载波聚合（CA）;子载波间隔

中图分类号：TN929.5         文献标志码：A

0 引言

随着移动互联网业务的飞速发展和终端设备的智能化，用户对于数据速率提出了更高的要求。目前大力发展的5G正是由多种新型无线接入技术和现有无线接入技术集成后的解决方案，其核心技术主要包括载波聚合技术、中继技术、协作多点传输技术以及增强多天线技术。其中载波聚合（Carrier Aggregation， 简称CA）功能针对运营商可能没有完整频谱资源，以及运营商频谱大于协议定义的单载波带宽能力的场景，通过将多个连续或非连续的分量载波（Component Carrier， 简称CC）聚合成更大的带宽，满足了协议关于NR用户支持最大带宽到1 GHz的要求，提升用户的上下行峰值速率体验。

1 载波聚合技术

1.1 载波聚合基本过程

载波聚合系统中，主小区（PCell， Primary Cell）是UE进行初始连接建立的小区，或进行RRC连接重建的小区，或是在 Hand Over过程中指定的主小区。PCell 负责与 UE 之间的 RRC 通信。辅小区（SCell， Secondary Cell）是在RRC重配置时添加的，用于提供额外的无线资源，SCell与 UE 之间不存在任何 RRC 通信，PCell 是在连接建立时确定的。

SCell 是在初始安全激活流程后，通过RRC连接重配置消息添加/修改/释放的。在SCell配置成功后，当用户对速率和带宽有需求时，系统根据不同的激活策略激活辅小区，并且能够在用户完成业务后，根据相应的策略对辅小区进行激活，避免资源不必要的浪费，保证资源的最大化利用。

当部署了CA时，聚合的多个小区之间的帧timing、SFN、TDD 配置必须是对齐的。每个载波单元有独立的物理层，包括控制信令、调度和HARQ重传。每个载波单元有一个独立的Control Region。每个载波单元有一个独立的DL-SCH或UL-SCH[1]。

1.2 载波聚合基本原理

载波聚合有多种方式，支持相同或不同频带之间的载波聚合，载波之间可以是相同或不同的带宽，同频带内支持相邻或非相邻的载波聚合。从基带实现角度来看，这几种情况是没有区别的，这主要影响RF实现的复杂性。

载波聚合技术在MAC层聚合，数据的聚合发生在 MAC 层，MAC 层负责将数据划分到不同的载波单元上。每个用户在每个载波上使用独立的HARQ实体，每个传输块只能映射到特定的一个载波上。MAC层聚合有诸多方面的优势，每个载波独立设计，维持其原来的物理结构，包括特殊载波的位置，链路自适应和HARQ性能。

每个载波上的PDCCH信道相互独立，可以使用每个载波的PDCCH为每个载波的PDSCH和PUSCH信道分配资源，也可以使用CIF域利用一个载波上的PDCCH信道调度多个载波的上下行资源分配。各個载波使用独立的链路自适应技术，可根据自身的链路状况使用不同的调制解码方案。

2 载波聚合设计实现

2.1 系统架构

移动测试终端（TM500）作为专业基站测试仪表，可以支持全协议栈多模式测试，其架构设计具有高度灵活性。

移动测试终端主要由3个部分构成。1）高层服务器。主要是使用Dell R630，相关的高层协议栈及对脚本解析单元，同时可以进行多小区业务处理。2）基带服务器。只要使用Dell R730，携带2块协处理器负责上下行物理信道的编解码，每个基带服务器只针对一个小区。3）射频单元，每个射频单元支持2发2收，100 M带宽。

采用这种设计使得系统具有良好的扩展性，当系统支持多小区测试时，可以扩展相应的基带服务器和射频单元，进行相应小区的基带物理信道处理，使用同一个高层服务器协调处理多小区业务，可以进行高层数据及信令的汇聚处理。

2.2 载波聚合的功能映射调整

移动测试终端，高层处理器上一个重要的模块DL MAC处理下行数据。UL MAC由基带处理器发送的上行调度信息触发，根据上行调度信息准备上行数据，进行SR、SRS、CSI 及RACH调度。基带处理服务器分为上行信道处理及下行信道处理2个部分，共6个处理模块，其中DL CTRL 模块负责下行配置信息处理、PDCCH 信道调度信息的解析、HARQ 结果的反馈、 下行信道质量的测量、上行调度信息反馈。UL CTRL模块负责根据上行调度进行UCI的PUCCH 资源选择或PUSCH复用，为编码及符号级转换提供调度信息。

支持载波聚合技术的过程中，根据载波聚合的要求对各个功能模块进行了3种分析。1）由于数据的聚合发生在 MAC 层，对于目前一个HLS 控制多小区的系统架构，正好适合各个小区之间下行数据的汇聚。2）每个载波上面的PDCCH信道相互独立，为每个载波的PDSCH和PUSCH信道分配资源。 在当前系统架构中，直接扩展多个基带处理服务器，分别负责不同载波的下行信道处理，可以满足业务需求。3）载波聚合的上行控制信息（UCI）可以与特定载波上PUSCH一起传输，或者在主小区的PUCCH上单独传输。对于单小区架构，在单小区的业务场景中，下行的HARQ 反馈及信道质量测量结果CSI，由DL CTRL模块转给UL CTRL模块，由UL CTRL模块进行资源的选择复用及相应的编码。为了支持载波聚合有2种方案。1）复用目前单小区功能映射，由主小区UL CTRL 模块判决UCI复用或PUCCH信道资源选择。在当前的功能映射下，需要将辅小区的UCI信息转发给主小区的UL CTRL模块，主校区需要协调同步所有小区的上行调度信息及UCI信息。2）重新调整功能映射，将影响上行控制信息复用和资源选择的相应功能，由基带服务器的UL CTRL模块上调至高层服务器上的UL MAC模块，UCI信息由DL CTRL模块发送至UL MAC模块汇聚，UL MAC进行相应的HARQ codebook选择、HARQ结果的汇聚，同时可以提交组好HARQ 结果及CSI信息的数据流，并将相应的结果转发到目标小区。

经过对比发现，方案A增加了主小区UL CTRL负担，这样的功能映射增加了基带板之间的信息交互，使得各个载波的基带板之间严重耦合。方案B中经过功能映射的调整，目标小区的基带处理器有明确的调度信息，逻辑简化，其解除了载波间基带处理的耦合性，使基带处理独立。但这一方案增加了MAC 处理的复杂度和负载。当载波数达到一定数量时，需要对UL MAC进行优化调整。最终选定方案B，方案B对于系统的扩容、基带板的简单独立有很大的帮助。

2.3 设计优化

2.3.1 增强载波聚合数

当前系统的扩容性需求逐渐增强，目前整体系统需要支持8CC 高频段的需求，但经过了功能映射的调整，各载波间的信息汇聚，UCI载波选择、UCI信道及复用选择都集中在MAC。UL MAC在R630服务器目前只是单线程工作，对多小区之间需要靠上行调度信息统一顺序执行，提升 MAC的处理能力成为整个系统的关键。

高层服务器MAC的系统优化从以下3个方面进行考虑。 1）UL MAC 代码重构，进行代码级优化。2）重用多线程分担UL MAC业务，达到各载波间独立的业务并行执行。3）考虑将一些周期计算，辅助功能移除处理时延的关键路径。

2.3.2 支持小区间不同子载波间隔

随着5G NR的发展，对于载波聚合有了更多的灵活配置，5G NR支持不同子载波间隔的小区之间进行载波聚合。如子载波间隔30 kHz和子载波间隔120 kHz的小区之间进行载波聚合。对于这种方式的载波聚合，存在技术难点。

首先，调度信息所在的载波和数据传输及HARQ反馈的子载波间隔不同，导致物理信道的目标时隙的决定不同。以下面2种HARQ反馈的分析为例。1）下行的子载波间隔是上行载波间隔2倍。对于时隙2n 及2n+1 上接收到的PDSCH，此时HARQ 上报的PUCCH 的目标时隙为上行载波的n+k1。2）上行的子载波间隔是下行的2倍。对于时隙n 上接收到的PDSCH，此时HARQ上报的PUCCH 的目标时隙为上行载波的 （2n+1）+k1。

其次，系统中的UL MAC模块的工作机制需要改变。UL MAC模块基于每个时隙从基带获得的调度信息，来准备相应的上行时隙的发送信息。 但由于载波间隔不同，导致每个小区基带发送的调度信息时间上不能对齐。此时的解决方案为以最大的子载波间隔为系统始终，根据小区之间的时隙映射关系，决定UL MAC在每个系统始终时隙上期待的小区调度信息消息数。以载波间隔分别为15K和30K的场景为例，载波间隔时隙2 n只需要从载波间隔小的小区获得信息，时隙2n+1 需要在2 个小区获取调度信息，对每个系统时隙都设置期待值，可以保证对每个独立的小区基带板的处理不变，而且保证了调度信息及相应的PUSCH和PUCCH信道时钟的映射关系。

经过功能映射的调整及后续的不断优化，目前整个测试系统可以达到在最低时延的基础上，同时支持8个小区，同时支持各小区不同子载波的载波聚合技术，在与用户基站的互联互通测试中，满足客户的测试需求，为用户提供了完美的测试验证方案。

3 结语

随着应用场景的不断增多，载波聚合得到了大力应用。在不同场景下，载波聚合采用不同的部署方案。应用载波聚合技术，可以多方面提升网络性能。首先提供更高的速率，显著提升用户体验，通过载波聚合，UE可以基于实时的业务和QoS需求，在时隙级别上，分享各成员载波的無线资源。其次通过对用户的业务特性以及QoS、小区负荷、不同BAND之间的覆盖差异等因素进行判断，获得最大增益，负载均衡效率更高，减少切换，减低掉话率。相信在日后的发展中，载波聚合技术会得到更多的应用。

参考文献

[1]张慧.CA与MLB技术对比与应用场景研究[J].信息通信，2018（6）：250-254.