Carrier Aggregation

1. Wprowadzenie: Łączenie nośnych LTE

Agregacja Nośnych (Carrier Aggregation, CA) jest funkcją wprowadzoną w LTE-Advanced od Release 10. Pozwala urządzeniu mobilnemu korzystać z wielu bloków częstotliwości, czyli nośnych składowych, w ramach jednej konfiguracji połączenia. Połączone zasoby mogą zwiększyć dostępną przepływność oraz wykorzystać fragmenty widma znajdujące się w różnych pasmach.

Dostępne widmo można porównać do drogi z kilkoma pasami. We wczesnych konfiguracjach LTE jedna sesja korzystała z jednej nośnej składowej, niezależnie od innych bloków posiadanych przez operatora. Wąski albo obciążony blok ograniczał przepływność tej sesji. Agregacja Nośnych pozwala schedulerowi rozdzielić dane między kilka skonfigurowanych nośnych. Suma ich zasobów wyznacza potencjalną przepływność agregowaną, lecz wynik użytkownika zależy od warunków radiowych, narzutu i dostępnych możliwości UE. Mechanizm pomaga wykorzystać pofragmentowane zasoby widma.

2. Problem, który Rozwiązuje Agregacja Nośnych: Niedobór i Fragmentacja Widma

Agregacja Nośnych zarządza fragmentami widma radiowego, dlatego najpierw trzeba rozróżnić ograniczenie zasobu od sposobu jego przydziału.

Skończony i Cenny Zasób

Widmo radiowe nie jest nieskończone. Jest to ograniczony zasób naturalny, który muszą współdzielić wszystkie formy komunikacji bezprzewodowej, od radia AM po nawigację satelitarną i telefony komórkowe. Z powodu jego niedoboru i wysokiego popytu, rządy ściśle regulują ten zasób, sprzedając na aukcjach licencje na wyłączne korzystanie z określonych pasm częstotliwości operatorom komórkowym. Aukcje te są niezwykle konkurencyjne, a operatorzy często wydają miliardy złotych na pozyskanie widma niezbędnego do budowy swoich sieci.

Wyzwanie Fragmentacji

Zasoby widma operatora komórkowego rzadko stanowią jeden duży, ciągły blok. Na przestrzeni wielu lat i licznych aukcji operator może zgromadzić portfolio licencji rozproszonych w różnych pasmach częstotliwości. Jako scenariusz edukacyjny można rozważyć portfolio obejmujące:

• Pasmie niskich częstotliwości 800 MHz (doskonałym do zasięgu na dużych obszarach).
• Pasmach średnich częstotliwości 1800 MHz i 2100 MHz (dobry kompromis między pojemnością a zasięgiem).
• Pasmie wysokich częstotliwości 2600 MHz (doskonałym do dużej pojemności w gęsto zaludnionych obszarach miejskich).

Przed wprowadzeniem LTE-Advanced jedna konfiguracja LTE korzystała z jednej nośnej składowej. Przy połączeniu z blokiem 1800 MHz urządzenie nie dodawało do tej samej konfiguracji zasobów bloku 2600 MHz. Powstawało wąskie gardło. Nawet gdy operator miał łącznie 50 MHz widma, podział na osobne bloki ograniczał szczytową przepływność do szerokości używanego bloku, na przykład 10 albo 20 MHz. Agregacja Nośnych pozwala połączyć takie bloki w jedną konfigurację radiową, jeśli obsługują ją sieć i UE.

3. Jak Działa Agregacja Nośnych: Podstawy Techniczne

Agregacja Nośnych to funkcja zdefiniowana w standardach 3GPP, począwszy od Release 10 (LTE-Advanced). Kompatybilne UE i eNodeB utrzymują jedną RRC connection, a sieć może skonfigurować kilka nośnych składowych w różnych blokach częstotliwości.

Nośne Składowe (CC)

Każdy pojedynczy blok częstotliwości używany w Agregacji Nośnych jest określany jako Nośna Składowa (Component Carrier - CC). W standardzie LTE pojedyncza Nośna Składowa może mieć szerokość pasma 1.4, 3, 5, 10, 15 lub 20 MHz. Z perspektywy protokołów radiowych niższych warstw telefonu, każda CC wygląda jak normalna, niezależna nośna LTE.

Koordynacja odbywa się w warstwie MAC (Medium Access Control). Warstwa MAC telefonu i eNodeB uwzględnia dostępne Nośne Składowe. Scheduler może rozdzielać pakiety między skonfigurowane nośne, traktując ich zasoby jako wspólną pulę. Suma przepływności poszczególnych nośnych jest górnym przybliżeniem przepływności agregowanej. Narzut, harmonogramowanie i warunki radiowe obniżają wynik rzeczywisty.

4. Role Nośnych Składowych: PCell i SCell

Aby zarządzać złożonością jednoczesnych połączeń i utrzymać stabilność, Agregacja Nośnych definiuje dwie odrębne role dla używanych Nośnych Składowych.

5. Typy agregacji nośnych i ich konfiguracja

Agregacja Nośnych jest klasyfikowana na trzy główne typy, które określają sposób łączenia Nośnych Składowych. Klasyfikacja opisuje relację pasm, natomiast przepływność zależy od konfiguracji i warunków radiowych.

Typ 1: Agregacja Nośnych Wewnątrz-pasmowa Ciągła

Ta forma wykorzystuje sąsiadujące Nośne Składowe w obrębie tego samego operacyjnego pasma częstotliwości, dlatego wymaga prostszego układu częstotliwości niż warianty nieciągłe.

Jako ćwiczenie można przyjąć licencję od $1850$ MHz do $1870$ MHz w Paśmie 3. Taki zakres obejmuje dwa ciągłe bloki po 10 MHz. Kompatybilne urządzenie może wtedy traktować konfigurację jako logiczny kanał 20 MHz, jeśli odpowiada ona tablicom pasma i capability UE. Z perspektywy sprzętowej jest to zwykle prostszy scenariusz, ponieważ szerokopasmowy transceiver RF może obsłużyć cały zagregowany zakres.

Typ 2: Agregacja Nośnych Wewnątrz-pasmowa Nieciągła

Ten typ polega na agregowaniu dwóch lub więcej Nośnych Składowych, które znajdują się w tym samym paśmie operacyjnym, ale są rozdzielone przerwą częstotliwościową.

Taki scenariusz może mieć miejsce, jeśli operator nabył widmo w tym samym paśmie na różnych aukcjach, a licencja innego operatora znajduje się pomiędzy nimi. Na przykład w paśmie 2.6 GHz (Pasmo 7) operator może posiadać blok w dolnej części pasma i drugi w górnej części. Agregacja Nośnych pozwala mu połączyć te dwa oddzielne bloki. Jest to bardziej wymagające dla sprzętu radiowego urządzenia, ponieważ musi być ono w stanie jednocześnie dostroić się do dwóch różnych częstotliwości w tym samym paśmie, co często wymaga bardziej złożonych transceiverów RF.

Typ 3: Agregacja Nośnych Między-pasmowa Nieciągła

Ta forma pozwala łączyć Nośne Składowe z różnych pasm częstotliwości i wymaga obsługi odpowiedniej kombinacji po stronie UE oraz sieci.

Relacja między pasmami wpływa na właściwości propagacyjne i dostępną szerokość pasma.

• Pasma niskich częstotliwości (np. poniżej 1 GHz, jak 800 MHz czy 900 MHz) zapewniają korzystne warunki propagacji. Ich fale radiowe docierają na duże odległości i skutecznie przenikają przez budynki, okna i ściany. Są użyteczne przy zapewnianiu szerokiego zasięgu i niezawodnej obsługi wewnątrz budynków.
• Pasma wysokich częstotliwości (np. powyżej 1.7 GHz, jak 1800 MHz, 2100 MHz czy 2600 MHz) mają większe tłumienie i są łatwiej blokowane przez przeszkody. Jednak zazwyczaj oferują większą dostępną szerokość pasma i mogą wspierać znacznie wyższe prędkości i pojemność. Są użyteczne przy zapewnianiu wysokiej wydajności w gęstych środowiskach miejskich.

Agregacja między-pasmowa pozwala urządzeniu połączyć się jednocześnie z niskim i wysokim pasmem. Konfiguracja może łączyć zasięg niskiego pasma, często używanego dla PCell, z dodatkowymi zasobami wysokiego pasma używanego jako SCell. Wymaga to modułu radiowego z obsługą konkretnej kombinacji pasm, torów nadawczo-odbiorczych i anten.

6. Agregacja nośnych w działaniu sieci

W rzeczywistym wdrożeniu sieciowym Agregacja Nośnych jest dynamicznym procesem zarządzanym przez eNodeB. Sieć uwzględnia warunki sygnałowe użytkownika, zapotrzebowanie na dane, capability UE oraz obciążenie poszczególnych nośnych.

Agregacja Symetryczna a Asymetryczna

Agregacja Nośnych nie musi być taka sama w obu kierunkach: w górę i w dół.

• Agregacja Asymetryczna: Jest to częsty scenariusz, w którym pobieranie wymaga większych zasobów niż wysyłanie. Operator może skonfigurować trzy nośne dla łącza w dół, na przykład 20+20+10 = 50 MHz szerokości zasobów, a jedną nośną 20 MHz dla łącza w górę. To obliczenie szerokości nie jest gwarantowaną przepływnością użytkownika.
• Agregacja Nośnych w Łączu w Górę: Release 10 zdefiniował podstawy CA, a kolejne wydania rozszerzały kombinacje i możliwości agregacji w łączu w górę. Funkcja może wspierać aplikacje wymagające większych prędkości wysyłania, takie jak transmisje wideo na żywo, wysyłanie zdjęć i filmów w wysokiej rozdzielczości czy wideokonferencje.

Wymagania i Wsparcie Urządzeń

Możliwość korzystania z Agregacji Nośnych zależy zarówno od sieci, jak i od urządzenia.

• Kategoria UE:Urządzenia użytkownika są klasyfikowane według maksymalnych możliwości. Kategoria UE określa między innymi liczbę obsługiwanych nośnych składowych, schemat modulacji i liczbę warstw MIMO, lecz konkretna kombinacja zależy od capability i konfiguracji. Przykładowe urządzenie "Kategorii 6" może wspierać agregację 2 nośnych z kanałami 20 MHz, a urządzenie "Kategorii 18" może obsługiwać do 5 nośnych, 256-QAM i 4x4 MIMO. Wartości te opisują możliwości kategorii, a gigabitowa przepływność wymaga odpowiednich warunków radiowych i zasobów.
• Implementacja w Sieci: Operator musi wdrożyć niezbędny sprzęt i oprogramowanie na swoich eNodeB, aby wspierać i zarządzać CA. Obejmuje to zdolność schedulera do zarządzania zasobami na wielu nośnych oraz zdolność stacji bazowych do skutecznej komunikacji i koordynacji.