载波聚合（CA）的概念和设计难点详细解析

载波聚合（Carrier Aggregation）的概念

图1、载波聚合（Carrier Aggregation）的概念

在LTE-Advanced中使用载波聚合（Carrier aggregation），以增加信号带宽，从而提高传输比特速率。

为了满足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的传输带宽，但由于这么大带宽的连续频谱的稀缺，LTE-A提出了载波聚合的解决方案。

载波聚合（Carrier Aggregation， CA）是将2个或更多的载波单元（Component Carrier， CC）聚合在一起以支持更大的传输带宽（最大为100MHz）。

每个CC的最大带宽为20 MHz

为了高效地利用零碎的频谱，CA支持不同CC之间的聚合（如图2）

· 相同或不同带宽的CCs

· 同一频带内，邻接或非邻接的CCs

· 不同频带内的CCs

图2、载波聚合的几种形式

从基带（baseband）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。

每个CC对应一个独立的Cell，在CA场景中可以分为以下几种类型的Cell：

Primary Cell（PCell）：主小区是工作在主频带上的小区。UE在该小区进行初始连接建立过程，或开始连接重建立过程。在切换过程中该小区被指示为主小区；

Secondary Cell（SCell）：辅小区是工作在辅频带上的小区。一旦RRC连接建立，辅小区就可能被配置以提供额外的无线资源；

Serving Cell：处于RRC_CONNECTED态的UE，如果没有配置CA，则只有一个Serving Cell，即PCell；如果配置了CA，则Serving Cell集合是由PCell和SCell组成；

图3、载波聚合（CA）的几种Cell

载波聚合的作用：

图4、CA组合多个LTE载波信号以提高数据速率并提高网络性能

图5、CA技术提升了载波的性能

图6、3GPP数据速率的演进与CA的关系

图7、3GPP发布协议时间表

载波聚合（Carrier Aggregation）的设计难点

下行CA的设计挑战包括：

· 下行链路（Downlink）的灵敏度

· 谐波的影响

· 在CA RF射频设计中遇到的desense（灵敏度恶化）挑战

如果为每个频段设计独立的双工器，确保下行链路频段不受影响；然而连接两个双工器路径则可能会影响两个双工器的滤波器特性，从而导致您失去以系统灵敏度要求运行时所需的传输和接收路径之间的隔离度。

在两个频带之间具有较大频率间隔（例如，中频带和低频带之间的CA组合）的一些CA情况下，可以添加单独的双工器。在天线和两个频带单独的专用双工器之间插入一个diplexer（天线共用器或者天线分离滤波器）。

而在CA体系结构中，一些设计者正在使用multiplexers（多工器） 和hexiplexers（六工器） 来代替双工器（duplexers）。如果需要多工器（multiplexer），则设备内的每个单独的滤波器需要复杂的开发，因为它不像在一个封装中放置两个滤波器那样简单，因为我们期望它们将作为统一的整体在设备内工作。设计人员必须确保在多工器（multiplexer）中每个频段的滤波器能够协同工作。尽管多工器（multiplexer）的开发更具挑战性，但它简化了RF前端设计人员的工作，并增加了可用的PC板面积。下图描述了一个简单的前端，显示双工器（duplexers）和diplexer（天线共用器或者天线分离滤波器）。

图8、带有双工器（duplexers ）和diplexers的RF前端

产生的谐波的影响

谐波是由非线性元器件所产生，如收发信机的输出级，功率放大器（PA），双工器和开关等中所产生的。在元器件组件开发过程中，设计人员必须谨慎地权衡各种设备的性能标准，以帮助减少这些设备产生的谐波和其它互调产物所造成的影响。

图9、需要高开关隔离和谐波滤波来减轻由谐波引起的灵敏度恶化（desense）问题

RF前端设计遇到的desense（灵敏度恶化）挑战

由于滤波器抑制度不足，多个频段的无线RF信号可能会相互干扰。这意味着如果发送和接收路径之间的隔离度或者交叉隔离不足，则CA应用中出现灵敏度降低（desense）的概率较高，下面几个图片说明几种典型的desense现象。

图10、B17 UL信号的三次谐波与B4 的DL耦合，造成desense

图11、PCB板走线隔离不足而引起的谐波问题

图12、内部低频或中频频段开关路径之间的隔离不足可能会引起谐波问题

上行链路（Uplink）CA的设计挑战

在中国市场，TDD是上行链路（UL）载波聚合的主要驱动力。2014年，中国电信和诺基亚网络宣布推出全球首款FDD-TDD CA设备芯片组。该开发使用FDD Band3来改善LTE的覆盖，同时支持改善TDD Band 41以提高吞吐量。

上行链路带内（Intra‐band ）CA是不同的上行链路CA类型中最简单的实现，因此它是大多数运营商实现上行CA的第一步。

线性

带内上行链路CA信号为移动设备设计者提供了许多挑战，因为它们可以具有更高的峰值，更大的信号带宽和新的RB配置。即使可以回退信号功率，也必须调整PA设计以实现非常高的线性度。必须考虑相邻信道泄漏（ACLR），不连续RB的互调产物，杂散辐射，噪声以及对接收灵敏度的影响。

上行链路带间（Inter‐band）CA组合来自不同频段的发射信号。在这些情况下，从移动设备发送的最大总功率不增加，因此对于两个发射频段，每个频段承载正常传输的一半功率，或比非CA信号的发射功率小3dB。

因为不同的PA用于放大不同频带的信号，并且各自的发射功率降低了，因此PA的线性度不是问题。其他前端组件，如开关，必须处理来自不同频段的高电平信号，可能会混合出或者创造出新的互调产物。这些新信号可能干扰一个正在活动的蜂窝接收机，甚至干扰本智能手机上的其他接收机，如GPS接收机。为了管理这些信号，开关必须具有非常高的线性度。