载波聚合技术是怎么提高下行速率的？

中科院半导体所 前天

以下文章来源于无线深海 ，作者蜉蝣采采

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来源：5G深海

话说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？
有一种技术，可以让5G的下载速率达到倍增，甚至数倍增的效果。那就是“载波聚合”。
载波聚合到底是怎样实现速率飙升的呢？ 
双连接技术又是怎样在载波聚合的基础上锦上添花的？
高通骁龙888芯片又到底怎样达到下行7.5Gbps的速率呢？
下文即将揭晓。

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。
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。
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。
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！
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。

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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）。
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。
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。
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。
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。
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。

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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。
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！
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）。


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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高通骁龙888集成的X60基带，下载速率是怎样达到7.5Gbps的？

话说近期高通发布了骁龙888芯片，这个名字确实非常吉利，其内部集成的X60基带也是非常牛逼的，号称能达到7.5Gbps的最大下载速度。
我们且先看看X60主要都支持哪些高级能力：
频段支持：Sub6G（FR1）和mmWave（FR2）都支持，在Sub6G还支持4G和5G的动态频谱共享（Dynamic Spectrum Sharing，简称DSS）。
Sub6G能力：支持200M带宽，4x4 MIMO。也就是说，可以在这200M带宽（2个100M载波）上，同时接收4路不同的下载数据，也叫做4流。
mmWave能力：支持800M带宽，8个载波，2x2 MIMO。也就是说，这800M带宽被划分为了8个载波，每个100M，它们可聚合起来，同时接收2路不同的下载数据，也叫做2流。
载波聚合能力：Sub6G载波聚合（FDD+TDD，FDD+FDD，TDD+TDD），以及Sub6G和mmWave之间的载波聚合。
那么，7.5Gbps的下载速率是怎么实现的呢？
由于没有详细资料，蜉蝣君大概通过各种组合的拼凑，大概猜测了一下，这个速率可能是在NSA模式下，由一个5G Sub6G 100M载波加上7个mmWave 100M载波聚合起来， 再和4G的一个20MHz载波做了双连接而得来的。
当然，这只是芯片的上限能力，具体能把这些潜能发挥到多少，还要看手机厂家的具体实现。让我们拭目以待。
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编辑：须臾