載波聚合（CA）的概念和設計難點詳細解析

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，鄰接或非鄰接的CCs

· 不同頻帶內的CCs

圖2、載波聚合的幾種形式

從基帶（baseband）實現角度來看，這幾種情況是沒有區別的。這主要影響RF實現的復雜性。

每個CC對應一個獨立的Cell，在CA場景中可以分為以下幾種類型的Cell：

Primary Cell（PCell）：主小區是工作在主頻帶上的小區。UE在該小區進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被指示為主小區；

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

Serving Cell：處于RRC_CONNECTED態的UE，如果沒有配置CA，則只有一個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LTE載波信號以提高數據速率并提高網絡性能

圖5、CA技術提升了載波的性能

圖6、3GPP數據速率的演進與CA的關系

圖7、3GPP發布協議時間表

載波聚合（Carrier Aggregation）的設計難點

下行CA的設計挑戰包括：

· 下行鏈路（Downlink）的靈敏度

· 諧波的影響

· 在CA RF射頻設計中遇到的desense（靈敏度惡化）挑戰

如果為每個頻段設計獨立的雙工器，確保下行鏈路頻段不受影響；然而連接兩個雙工器路徑則可能會影響兩個雙工器的濾波器特性，從而導致您失去以系統靈敏度要求運行時所需的傳輸和接收路徑之間的隔離度。

在兩個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，可以添加單獨的雙工器。在天線和兩個頻帶單獨的專用雙工器之間插入一個diplexer（天線共用器或者天線分離濾波器）。

而在CA體系結構中，一些設計者正在使用multiplexers（多工器） 和hexiplexers（六工器） 來代替雙工器（duplexers）。如果需要多工器（multiplexer），則設備內的每個單獨的濾波器需要復雜的開發，因為它不像在一個封裝中放置兩個濾波器那樣簡單，因為我們期望它們將作為統一的整體在設備內工作。設計人員必須確保在多工器（multiplexer）中每個頻段的濾波器能夠協同工作。盡管多工器（multiplexer）的開發更具挑戰性，但它簡化了RF前端設計人員的工作，并增加了可用的PC板面積。下圖描述了一個簡單的前端，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

產生的諧波的影響

諧波是由非線性元器件所產生，如收發信機的輸出級，功率放大器（PA），雙工器和開關等中所產生的。在元器件組件開發過程中，設計人員必須謹慎地權衡各種設備的性能標準，以幫助減少這些設備產生的諧波和其它互調產物所造成的影響。

圖9、需要高開關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前端設計遇到的desense（靈敏度惡化）挑戰

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

圖10、B17 UL信號的三次諧波與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、內部低頻或中頻頻段開關路徑之間的隔離不足可能會引起諧波問題

上行鏈路（Uplink）CA的設計挑戰

在中國市場，TDD是上行鏈路（UL）載波聚合的主要驅動力。2014年，中國電信和諾基亞網絡宣布推出全球首款FDD-TDD CA設備芯片組。該開發使用FDD Band3來改善LTE的覆蓋，同時支持改善TDD Band 41以提高吞吐量。

上行鏈路帶內（Intra‐band ）CA是不同的上行鏈路CA類型中最簡單的實現，因此它是大多數運營商實現上行CA的第一步。

線性

帶內上行鏈路CA信號為移動設備設計者提供了許多挑戰，因為它們可以具有更高的峰值，更大的信號帶寬和新的RB配置。即使可以回退信號功率，也必須調整PA設計以實現非常高的線性度。必須考慮相鄰信道泄漏（ACLR），不連續RB的互調產物，雜散輻射，噪聲以及對接收靈敏度的影響。

上行鏈路帶間（Inter‐band）CA組合來自不同頻段的發射信號。在這些情況下，從移動設備發送的最大總功率不增加，因此對于兩個發射頻段，每個頻段承載正常傳輸的一半功率，或比非CA信號的發射功率小3dB。

因為不同的PA用于放大不同頻帶的信號，并且各自的發射功率降低了，因此PA的線性度不是問題。其他前端組件，如開關，必須處理來自不同頻段的高電平信號，可能會混合出或者創造出新的互調產物。這些新信號可能干擾一個正在活動的蜂窩接收機，甚至干擾本智能手機上的其他接收機，如GPS接收機。為了管理這些信號，開關必須具有非常高的線性度。