达成32载波组件聚合 LTE-A CA新规范制订脚步加快

作者:魏嘉宏/简均哲/汪海瀚 (本文作者皆任职于资策会智通所)

第三代合作伙伴计画(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)自版本(Release)10开始展开载波聚合(Carrier Aggregation, CA)标准化的工作。

随著长程演进计画(Long Term Evolution, LTE)系统支援基础载波聚合的功能,使用者装置得以至多聚合五个同样讯框架构(Frame Structure)的载波组件(Component Carrier, CC)。后续更延伸了基础载波聚合的讯框,以促使在版本11时支援不同频段(Inter-band)分时双工的聚合与多重上行时序前进(Timing Advance),在版本12时支援了不同讯框结构的载波组件的聚合。

但随著讯务需求不断增长,系统需要更大的频宽,电信业者开始希望聚合更多的载波,并订下在版本13中支援三十二个载波组件聚合的目标。不过,事实上并非全部既有之功能与程序皆可直接随著载波组件的数量成长而线性地放大运作。

首当其衝的问题会是,当使用者装置(UE)聚合的载波数量增加时,其上行控制讯令(Control Signaling)量也会随之上升。这将会使原先配置在主要载波组件(Primary Component Carrier, PCC)上的实体上行控制通道(Physical Uplink Control Channel, PUCCH)过载。针对这个问题,3GPP在标准上,倾向透过在次载波组件(Secondary Component Carrier, SCC)上额外建置一个实体层(Physical Layer)上行控制通道以分流讯令的方式来解决此问题。

为实现聚合三十二个载波组件与在次载波组件上建置一个实体上行控制通道。LTE系统实体层与介面存取控制层(MAC Layer)皆须增强相对应的功能与程序。目前正值标准讨论阶段。接下来将针对实体层通道设计与介面存取控制层受影响的功能与程序做介绍。

针对载波聚合 实体层分两阶段设计

实体层中针对载波聚合的设计可分为两阶段,第一阶段是以目前版本12的载波聚合的组态方法为基础,以强化上行载波聚合的传输,因此载波数仍维持为至多五个载波组件。第二阶段则是扩充载波组件数量至三十二个,此时须提出新的设计方式来支援如此高数量的下行及上行载波聚合,此部分并不会局限于现有标准内容。

以下将针对此两阶段的设计对于实体下行控制通道(Physical Downlink Control Channel, PDCCH)与实体上行控制通道的影响进行探讨。

下行控制通道

针对三十二个载波组件聚合的实体下行控制通道的设计方面,此处讨论关于如何加强使用者装置端识别下行链结控制讯息(Downlink Control Information, DCI)的能力,以支援三十二个载波组件的载波聚合,包含载波自我排程(Self Scheduling)方式与跨载波排程(Cross Scheduling)方式,其中跨载波排程方式须能提升其跨载波排程能力以超越现有五个载波组件。

现阶段会议讨论结果针对下行控制讯息支援传送多达三十二个载波组件的能力,达成协议的内容主要有三。

第一,藉由上层讯令传输的协助来让使用者装置端能识别至多三十二个载波组件;第二,扩充原来跨载波排程的能力于多达三十二个载波组件,包含每个载波的个别排程与搜索空间的指定,且不支援使用者装置在实体上行控制通道型次细胞(PUCCH SCell)上进行共用控制空间(Common Control Channel)的搜寻;第三,上行混合式自动重送请求回报通道的设计方式,维持先前在版本10载波聚合所制定的方法。

对于跨载波排程的设计方式仅可适用于细胞群组(Cell Group, CG)内的跨载波排程,对于跨细胞群组的排程方式则未被考虑,即不支援跨细胞群组之跨载波排程方式于实体上行控制通道型次细胞。

上行控制通道

以提升既有版本12载波聚合效能的能力于至多五个载波组件聚合方面,主要以目前版本12的载波聚合的组态方法为基础,提出于次细胞(Secondary Cell, SCell)承载实体层承载上行控制通道的方法,即开发新的实体上行控制通道设计于次细胞,然其设计方法须遵循既有标准内容,设计条件为:上行控制讯息(Uplink Control Information, UCI)的设计机制基于现有版本12的双连结(Dual Connectivity, DC)上传应用;于实体上行控制通道传送的上行控制资讯讯号传输模式,须符合现有版本12载波聚合的组态方式。

关于上行控制讯息的传送,可分为实体上行控制通道与实体层上行共用通道(Physical Uplink Shared Channel, PUSCH),现阶段3GPP会议达成的共识如下:于个别细胞群组内,可将上行控制讯息负载于上行共用通道以进行多工传送;支援功率控制于实体上行控制通道型次细胞;支援实体上行控制通道型次细胞的排程请求(Scheduling Request, SR)。 针对上行控制讯息支援传送三十二个载波组件的回报能力可分为两类。第一类是支援传送上行控制通道的主细胞(Primary Cell, PCell)能够扩充其能力,以支援多达三十二个载波组件的上行控制讯息回报能力;亦即使其能传送三十二个载波组件的上行控制讯息于上行共用通道中。

第二类为支援两个上行控制通道的细胞群组来组态多达三十二个载波组件,其中一个包含主细胞的细胞群组负责协助其他次细胞传送上行控制讯息,另一个群组则会选择一个次细胞来帮助其他次细胞传送上行控制讯息,此被选定的次细胞定义为实体上行控制通道型次细胞。 基于以上两类回报方式的内容,可知使用者装置端可在不使用细胞群组的架构下,支援上行共用通道与上行控制通道能进行三十二个载波组件的上行控制讯息回报,亦可在两个细胞群组架构下来降低传送三十二个载波组件的上行控制讯息的负担。

关于使用者装置在传输功率受限情况下,如何进行上行控制讯息类别的取捨以决定优先顺序,乃是依照现有双连结的上行传输功率控制方式,即当使用者装置同时连接两个增强型基地台(eNB),且每个增强型基地台皆有载波聚合的使用情境。

在排程请求设计方面,支援使用者装置于实体上行控制通道型次细胞进行排程请求,并会对于实体上行控制通道型次细胞的上行功率进行量测回报。针对多达三十二个载波组件的混合式自动重送请求-认可回报方式,因为总回报位元(Bit)数会大于二十二个位元的关系,故将採用多达八个位元的循环冗馀校验码来确保无误传输,传输的通道可为上行控制通道或上行共用通道,三十二个载波组件的总传送位元数将多达128位元。

至于週期性的通道状态(Periodic CSI)回报方式,主要的考量为降低回报遗失的机率,因此须能提出强化多工传输的方法。

规范介面存取控制层

针对介面存取控制层的挑战,以下从启用(Activation)/停用(Deactivation)、功率馀裕回报(Power Headroom Report)、无线电资源管理(Radio Resource Management)三方面来加以探讨。

启用/停用介面存取控制层控制元素

在现行长程演进计画网路中次细胞的启用与停用,是藉由增强型基地台向使用者装置传送介面存取控制层的控制元素(Control Element, CE),并且配上启用/停用的逻辑通道辨识(Logical Channel ID, LCID)来进行通知。现行长程演进计画版本12中启用/停用的介面存取控制层控制元素的大小为一个位元组(Byte)。扣除掉其中一个保留的位元,剩馀七个位元皆各自对应到一个次细胞。

如图1所示,其中R为保留的位元,设为0。Ci为用来启用或停用次细胞序号(SCell Index)为i的次细胞的位元,若使用者装置有被配置次细胞序号为i的次细胞,则基地台可藉由将Ci设为1以指示使用者装置将次细胞序号为i的次细胞启用,反之,将Ci设为0以指示停用。

图1 启用/停用的介面存取控制层控制元素

若维持现有控制元素形式,则当聚合超过八个载波组件后,将无法透过单一控制元素来进行所有次细胞的启用/停用。因此,3GPP决议将启用/停用的介面存取控制层控制元素的大小扩充为4个位元组(包含一保留位元),以支援一次三十一个次细胞的启用/停用。

现行LTE载波聚合中次细胞的停用除了上述增强型基地台传送介面存取控制层控制元素的方法外,也有由使用者装置端自行停用次细胞的机制。此机制是由介面存取控制层对每个被配置的次细胞维持一次细胞停用计时器(SCell Deactivation Timer),每个次细胞停用计时器的初始值皆相同,其值由增强型基地台藉由无线资源控制(Radio Resource Control, RRC)层配置。若次细胞停用计时器到期(Expired)则停用对应之次细胞,而若使用者装置收到一次细胞的上行允诺(Uplink Grant)或下行配置(Downlink Assignment)则重启将该次细胞停用计时器。

由于版本13除了在主细胞上配置实体上行控制通道外,使用者装置被配置的次细胞中,会有一个次细胞也被配置实体上行控制通道,此实体上行控制通道型次细胞的实体上行控制通道会被用来传送属于次实体上行控制通道群体(Secondary PUCCH Group)的次细胞的上行控制讯息。而该实体上行控制通道型次细胞的停用将会影响同个实体上行控制通道群体(PUCCH Group)中其馀次细胞的上行控制讯息传送。若未妥善的排程,实体上行控制通道型次细胞的次细胞停用计时器到期,将会导致上行控制通道型次细胞过早停用,而使同个实体上行控制通道群体中的其馀次细胞无法做上行控制讯息的回报。

有鑑于此,3GPP决议将实体上行控制通道型次细胞的次细胞停用计时器关闭(Disable),且增强型基地台要负责控制各次细胞的启用/停用状态,若实体上行控制通道型次细胞为停用状态时,同个实体上行控制通道群体中的其他次细胞不能被启用。例如在停用实体上行控制通道型次细胞前要先停用其他属于同个实体上行控制通道群体中的次细胞;若将一次细胞从主实体上行控制通道群体(Primary PUCCH Group)重新配置到次实体上行控制通道群体中且实体上行控制通道型次细胞为停用状态时,需将该次细胞停用。因此在使用者装置端不需要额外的机制来控制次细胞的启用/停用状态。

功率馀裕回报

为了支援载波聚合,版本10制定了增长型功率馀裕回报的介面存取控制层控制元素(Extended Power Headroom MAC Control Element)。增长型功率馀裕回报提供使用者装置的各个被启用的载波组件传送上行资料和上行控制讯息的最大功率(Nominal UE Maximum Transmit Power)和估测传送功率(Estimated Power)间的差异给增强型基地台,以利增强型基地台做传输功率的控制。如图2,其中Ci为用来指示次细胞序号为i的次细胞的功率馀裕回报栏(PH field)是否被回报。

图2 增长型功率馀裕回报的介面存取控制层控制元素

现有的增长型功率馀裕回报的介面存取控制层控制元素形式,无法支援同时回报超过八个载波的功率馀裕回报。因此3GPP决议将增长型功率馀裕回报的介面存取控制层控制元素中的Ci栏位增为4位元组,即与启用/停用的介面存取控制层控制元素形式中的Ci栏位相同,以支援同时回报三十二个载波组件的功率馀裕回报。

主细胞因为要承载实体上行控制通道,因此除了Type 1功率馀裕外,还要包含主细胞的Type 2功率馀裕在增长型功率馀裕回报中,用来表示若同时承载实体层上行共用通道和承载实体上行控制通道时的功率馀裕。

由于版本13的载波聚合中会有一次细胞为实体上行控制通道型次细胞,因此增长型功率馀裕回报的介面存取控制层控制元素中会须要加入实体上行控制通道型次细胞的Type 2功率馀裕栏位。针对此项更动,3GPP在之后的会议会再讨论。

无线电资源管理

使用者装置在RRC连线状态(RRC_CONNECTED state)下须要对主细胞进行无线电连结监测(Radio Link Monitoring),评估主细胞下行连结品质以决定使用者装置和主细胞为同步(In-sync)或非同步(Out-of-sync)。若决定为非同步且持续一段时间(T310计时器归零)则发生无线电连结失效(Radio Link Failure),使用者装置即停止上行传送。此一机制可避免因为下行连结品质不良造成的上行控制讯息回报,如此可降低对整体网路的干扰。

在版本13载波聚合中,实体上行控制通道型次细胞上会承载上行控制讯息,因此3GPP会议对于是否要对实体上行控制通道型次细胞进行无线电连结监测。考量到使用者複杂度且增强型基地台,可根据上行控制讯息回报或无线电资源管理量测(RRM Measurement)回报,来决定是否该重新配置适当的次细胞以承载实体上行控制通道。最终,决议使用者装置不须对实体上行控制通道型次细胞进行无线电连结监测。

无线电资源控制子层(RRC Sublayer)负责控制使用者装置的无线电资源管理量测与回报,处于RRC连线状态下的使用者装置是根据收到的无线电资源控制讯息(RRC Message)中的量测组态(Measurement Configuration)资讯元素(Information Element, IE)来进行无线电资源管理量测与回报。

量测组态资讯元素中包含的资讯元素有量测物件(Measurement Objects)、回报组态(Report Configurations)、量测身分(Measurement Identities)和量测间隙(Measurement Gaps)等等。而量测物件包含的资讯元素有载波频率、允许量测频宽(Allowed Measurement Bandwidth)、细胞列表(Cell List)等等。回报组态包含的资讯元素有触发类型,有事件触发或週期性触发。若为事件触发,以量测相同LTE网路的细胞参考讯号(Cell-Specific Reference Signal)为基础的事件有下列几种:

.事件A1:服务细胞讯号品质比一临界值(Threshold)高。
.事件A2:服务细胞讯号品质比一临界值低。
.事件A3:邻近细胞讯号品质比主细胞高一差值(Offset)。
.事件A4:邻近细胞讯号品质比一临界值高。
.事件A5:主细胞讯号品质比一临界值低且邻近细胞讯号品质比另一临界值高。
.事件A6:邻近细胞(同频率)讯号品质比次细胞高一差值。

回报组态还包含资讯元素如触发量(Trigger Quantity),用来指示使用接收参考讯号功率(Reference Signal Received Power, RSRP)或接收参考讯号品质(Reference Signal Received Quality, RSRQ)来评估事件。一个量测身分包含一量测物件和回报组态的组合,也就是包含量测的频率和触发的事件。使用者装置在载波聚合的情境下,可能被配置了多个量测身分以量测不同的载波和事件组合,以利于重新配置适当的主细胞或次细胞。

于版本中,3GPP对最大量测物件数量和最大量测身分数量的大小做讨论。考量到版本13的使用情境下可选择的载波数目较多,因此决议将最大量测物件数量从32提升到64,但是维持最大量测身分数量64。

现有的量测事件A1和A2可以被运用来做为次细胞是否该被启用/停用或释放(Release)的判断依据。事件A6可以被用来做为是否该进行同频(Intra-frequency)次细胞变换的判断依据。利用现有的量测事件,无法依据单一事件来做为是否该进行不同频(Inter-frequency)次细胞的变换的判断依据,只能利用可能发生在不同时间点的多种事件来判断,例如事件A4和A2的组合。

由于版本13中与实体上行控制通道型次细胞同属一个实体上行控制通道群体的次细胞会将上行控制讯息会承载在该次细胞上,因此须要对量测事件A3和A5做修改以支援实体上行控制通道型次细胞,以利于使用单一事件的发生来做为是否变换实体上行控制通道型次细胞的判断依据,如图3中虚线表示部分。3GPP目前对此议题还没有共识,部分公司认为这对使用者装置的複杂度影响不大,并认为要真的有显著的效益才对量测事件A3/A5做更动。

图3 对PUCCH SCell定义事件A3/A5

初步架构预估年底定调

行动通讯正面对著频宽需求日益成长但连续频带取得不易的挑战。自2015年初开始,第三代合作伙伴基于既有之载波聚合技术,著手讨论与设计如何同时从授权与免授权频段上,聚合更多数目的载波组件。

随著多数目载波组件式的载波聚合技术被实现,将可使无线宽频通讯系统于免授权频段运作上获得更高的弹性。但在实体层与介面存取控制层所衍伸的问题,仍处于讨论与标准化的阶段,初步架构会在2015年底议程结束后定调。

来源:新通讯