載波聚合(CA)測試案例

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1 MBATC-004 載波聚合 (CA) 測詴案例 版本 1.0 財團法人電信技術中心

2 目錄 1 範圍 參考文件 名詞解釋 功能說明 功能描述 載波聚合之演進與優點 頻帶彈性分配 同頻連續 (Intra-band contiguous) 同頻非連續 (intra-band non-contiguous) 同異頻載波 (inter-band) 載波聚合之功能介紹 Physical Layer MAC(Medium Access Control)layer RRC(Radio Resource Control) layer 載波聚合移動換手 (handover) 管理 PCC 與 SCC 功能整理 載波聚合環境架構 通訊協議流程 用戶 category 與載波聚和組合判定 Carrier Aggregation 流程 測詴環境 架構說明 設備需求 測詴環境 測詴參數 測詴方法說明 效能與功能測詴案例 問題查測 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 目錄第 i 頁

3 圖目錄 圖 1 連續載波下用戶頻帶配置示意圖... 5 圖 2 載波聚合之演進發展... 6 圖 3 載波聚合之下行覆蓋範圍擴充示意圖... 7 圖 4 載波聚合之三種載波配置示意圖... 8 圖 5 載波聚和頻帶與層級之表示方式... 9 圖 6 載波特性與用戶位子造成載波聚合組合不同示意圖 圖 7 移動中用戶 SCC 彈性激活與去激活 圖 8 載波聚合下實體層通道規劃 圖 9 異質網路之交錯排程 圖 10 異質網路載波聚合對 TA 影響示意圖 圖 11 MAC 層 HARQ 傳送與反饋示意圖 圖 12 載波聚合下換手機制範例 圖 13 用戶 capability 傳輸示意圖 圖 14 RRC 建立機制與流程圖 圖 15 RRC Connection Reconfiguration process 圖 16 換手機制下之載波聚合流程圖 圖 17 CA 換手到 CA 環境下之流程圖 圖 18 實際網路測詴環境示意圖 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 目錄第 ii 頁

4 表目錄 表 1 LTE 單載波頻寬大小 ( Table [2] )... 4 表 2 台灣 LTE 頻帶支援傳輸頻寬大小 ( Table [2])... 4 表 3 載波聚合之組合頻帶層級 ( Table5.6A-1 [2])... 9 表 4 3GPP 定義之同頻連續載波聚合頻帶 ( R.12 Table 5.6A.1-1 [2]) 表 5 3GPP 定義之同頻非連續載波聚合頻帶 ( R.12 Table 5.6A.1-3 [2]) 表 6 台灣兩載波異頻載波聚和之組合( R.13 Table 5.6A.1-2 [2]) 表 7 台灣三載波異頻載波聚和之組合( R.13 Table 5.6A.1-2a [2]) 表 8 針對 HARQ 之 PUCCH 格式整理 [14] 表 9 換手之觸發事件( [6]) 表 10 用戶類別之下行傳輸最大速率( Table [5]) 表 11 不同用戶類別下之載波聚合數量[10] 表 12 測詴設備需求總表 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 目錄第 iii 頁

5 1 範圍該測詴案例針對 LTE 4G 之載波聚合實網測詴案例與測詴方式開發, 將依案例需求記錄相關數據並記錄載波聚合之網路狀態與性能 2 參考文件本案例開發除特別標示, 皆以 3GPP R.11 之相關標準規範為基準 [1] 3GPP TR : "Vocabulary for 3GPP Specifications". [2] 3GPP TS : "User Equipment (UE) radio transmission and reception". [3] 3GPP TS : "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation". [4] 3GPP TS : "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Physical layer procedures". [5] 3GPP TS : "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);User Equipment (UE) radio access capabilities". [6] 3GPP TS : "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Radio Resource Control (RRC);Protocol specification". [7] 3GPP TSG-RAN #47 RP Carrier Aggregation deployment scenario requiring multiple Timing Advance per UE [8] 3GPP TSG-RAN WG2 #69bis Tdoc-R CA deployment scenarios. [9] qqkp [10] LTE carrier aggregation technology development and deployment worldwide [11] LTE-Advanced Carrier Aggregation Optimization, Nokia. [12] [13] LTE-Advanced Design and Test Challenges - Carrier Aggregation Agilent Tech [14] [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 1 頁

6 3 名詞解釋 以下縮寫為該測詴案例之簡稱總列表 縮寫 英文全名稱 中文名稱 ACK Acknowledgement 確認信號 CA Carrier Aggregation 載波聚合 CC Component Carrier 載波單元 CQI Channel Quality Indicator 通道品質指標 DCI Downlink Control Information 下行控制訊息 DL Downlink 下行傳輸 FDD Frequency Division Duplex 分頻多工 HARQ Hybrid Automatic Repeat Request 混和式自動重送請求 LTE Long Term Evolution 長期演化 MAC Medium Access Control 媒體存取控制 MIMO Multiple Input Multiple Output 多重輸入多重輸出 MME Mobility Management Entity 行動管理裝置 NACK Non-Acknowledgement 非確認訊號 NAS Non Access Stratum 非存取層 NW Network 網路端 PCC Primary Component Carrier 主載波單元 PCell Primary Cell 主載波細胞 PCI Physical Cell Identity 實體層細胞標識 PDCCH Physical Downlink Control Channel 實體層下行控制通道 PDSCH Physical Downlink Shared Channel 實體層下行傳輸通道 PHICH Physical Hybrid-ARQ Indicator Channel 實體層混和 ARQ 通道 PUCCH Physical Uplink Control Channel 實體層上行控制通道 PUSCH Physical Uplink Shared Channel 實體層上行傳輸通道 RACH Random Access Channel 隨機存取通道 RAN2 Radio Access Network 無線存取網路 RAT Radio Access Technology 無線網路存取技術 RB Resource Block 資源區塊 RI Rank Indicator 秩指標 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 2 頁

7 縮寫 英文全名稱 中文名稱 RRC Radio Resource Control 無限資源控制層 RRH Remote Radio Heads 遠端射頻端頭 RSRP Reference Signal Received Power 參考信號接收功率 RSRQ Reference Signal Received Quality 參考信號接收品質 RLC Radio Link Control 無線連結控制 SCC Secondary Component Carrier 輔載波單元 SCell Secondary Cell 輔載波細胞 SR Scheduling Request 調度請求 TA Timing Advance 時序調整 TB Transport Block 傳輸區塊 TDD Time Division Duplex 分時多工 UE User Equipment 用戶終端 UL Uplink 上行傳輸 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 3 頁

8 4 功能說明為了提供用戶更高的傳輸速率, 最直接的解決方式為提供更多載波資源給用戶, 將這些無線載波資源合併分配使用, 即為載波聚合 (Carrier Aggregation, CA) 概念 由於各家網路營運商現存的頻帶配置, 常常分散於不同頻帶, 即使在相同頻帶,LTE 最大提供單載波頻寬也限制為 20MHz, 為了提供更大的使用頻寬, 載波聚合技術提供能彈性的載波組合, 達到吞吐量的大幅提升 LTE 中定義了六種單載波頻寬大小, 分別為 1.4M 3M 5M 10M 15M 20M, 如表 1 所示, 不同載波頻寬大小提供不同的資源區塊數量 (Resource block number), 以頻寬 20MHz 為例, 能支援 100 個資源區塊, 於下行 2 2 MIMO 能提供最大 150Mbps 吞吐量 但並非所有頻帶皆支援這六種傳輸速率, 如 3GPP 中定義不同頻帶支援之頻寬, 如表 2 所示 ( 擷取台灣 LTE 使用頻帶 ), 如頻帶 8 最大能只支援 10M 頻寬傳輸, 假設頻帶 3 與 8 各取 10MHz 做載波聚合, 下行 2 2 MIMO 最大也能提供 150Mbps 吞吐量, 與單載波 20MHz 有一樣的效果, 因此載波聚合使頻帶使用上更加有彈性 LTE 中載波聚合技術稱載波為載波元件 CC (Component Carrier), 其中包括一個主載波元件 (Primary Component Carrier, PCC) 與至多四個輔載波元件 (Secondary Component Carrier, SCC), 假設每個載波元件皆提供最大 20MHz 頻寬, 則用戶最大可使用頻寬則為 100MHz,LTE-A R.10 中載波聚合必須能夠向下支援 R.8/9, 意即每一個載波元件必須符合 R.8/9 單載波規範, 能彈性使用單載波傳送或載波聚合技術 基地台能針對不同用戶需求與狀況, 彈性分配頻帶資源給不同用戶, 由於載波聚合必須由同基地台來配置, 但受到用戶位子以及不同頻率通道特性與涵蓋範圍能力不盡相同之特性, 即使為同一基地台服務之用戶, 可選用之載波聚和組合也不盡相同, 如圖 1 所示, 不同用戶被服務之頻寬和頻帶皆可能不同 表 1 LTE 單載波頻寬大小 ( Table [2] ) Channel bandwidth BW Channel [MHz] Transmission bandwidth configuration NRB 表 2 台灣 LTE 頻帶支援傳輸頻寬大小 ( Table [2] ) E-UTRA band / Channel bandwidth E-UTRA Band 1.4 MHz 3 MHz 5 MHz 10 MHz 15 MHz 20 MHz 3 Yes Yes Yes Yes Yes Yes 7 Yes Yes Yes Yes 8 Yes Yes Yes Yes 28 Yes Yes Yes Yes Yes 38 Yes Yes Yes Yes [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 4 頁

9 [9] 圖 1 連續載波下用戶頻帶配置示意圖 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 5 頁

10 4.1 功能描述 1.1 載波聚合之演進與優點載波聚合之相似概念最早被定義於 3G 網路, 在 R.8 時定義了 DC-HSDPA(Dual Carrier High Speed Downlink Packet Access) 技術, 意即將相同頻帶之 5MHz 頻寬做合併, 結合兩個 5M 頻寬後, 吞吐量由 21Mbps 提升到 42Mbps, 更於 R.9 進ㄧ步定義了 BD-DC-HSDPA(Dual Band Dual Carrier High Speed Downlink Packet Access) 技術, 將頻譜合併擴充到不同頻帶上之組合 隨著用戶需求提升與 4G LTE 技術成熟,3G 之載波合併概念於 R.10 定義了使用於 LTE 網路下之聚合概念, 稱為載波聚合技術, 提供了更大的頻寬組合以及更高的傳輸速率, 來滿足用戶未來之使用需求 載波聚合之演進可由圖 2 所示,R.10 定義了下行同頻連續組合與異頻載波組合, 且最大能支援兩個載波組合,R.11 新增了同頻分連續之載波組合, 於 R.12 時, 定義了最大三個下行載波組合以及兩個上行載波組合, 在 LTE FDD 系統中,DL 與 UL 載波聚和可以使用不同頻寬組合, 但上行必須小餘等於下行頻寬, 但 LTE TDD 系統下,DL 與 UL 頻寬則必須對稱,R.12 亦制定了 TDD 與 FDD 不同技術規劃之載波組合, 以及未來倍受屬目之異質網路 (HetNet) 環境下, 不同基地台雙連技術 (dual connectivity),r.12 以上之規格, 更定義到四個下行載波組合以及結合 LAA (License assisted Access) 之載波聚合技術 載波聚合目前為相當成熟之技術, 各國也將該技術商業化, 值得注意為上行載波聚合部分, 雖然 R.12 已定義該相關規範, 但由於用戶對於上行需求並不大, 因此上行載波聚合部分較少討論, 本測詴案例文件也主要針對下行載波聚合做討論 [10] 圖 2 載波聚合之演進發展 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 6 頁

11 載波聚合之動機與優點能整理為下列幾點 : 提供更高峰值傳輸速率 能動態調整不同載波之資源分配, 以對抗變異之通道環境 能有效的結合分散之頻譜 下行服務覆蓋範圍之擴充 未來將提供異質網路以及非許可頻譜 (unlicence spectrum) 之載波組合 其中優點 4 之下行覆蓋範圍擴充將以圖 3 來說明, 由於不同頻率之特性, 造成覆蓋範圍不ㄧ致, 如圖 3 頻率 1800 與 800, 其中上下行覆蓋範圍也不ㄧ致, 原因為基地台與終端用戶射頻發射功率不同, 終端用戶發射功率較低, 因此上行覆蓋範圍較下行小, ㄧ個用戶能成功與基地台做連接, 必須位於上下行皆能覆蓋之範圍內 假設ㄧ用戶位於接收訊號強度於 -120dBm 到 -130dBm 間且使用載波聚合技術時, 當用戶連接至 1800 做主載波 (PCC) 且 800 做輔載波 (SCC) 時, 由於主載波並無上行覆蓋範圍, 因此用戶並無法與基地台做連接, 值得注意為輔載波雖提供上行覆蓋範圍, 但輔載波並無實體層上行控制通道 (PUCCH), 因此無法協助發送上行控制訊息 ; 反之, 當用戶位於相同位子且連接 800 為主載波和 1800 為輔載波時, 用戶卻能與基地台做連接, 雖然輔載波並無上行覆蓋範圍, 但輔載波可以單純做傳送資料之角色, 且輔載波上行訊號可由主載波協助傳送, 因此並不影響 由此例得之, 於載波聚合技術下, 不同主載波之選擇, 將可能提供覆蓋範圍之延伸 [11] 圖 3 載波聚合之下行覆蓋範圍擴充示意圖 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 7 頁

12 4.2 頻帶彈性分配載波聚合可依頻譜配置方式, 區分為同頻連續 (Intra-band contiguous) 同頻非連續(intra-band non-contiguous) 與異頻載波 (inter-band) 分配三種, 如圖 4 所示, 其中連續載波聚和中, 為了向下支援符合 Rel.8 的 100K Frequency raster 並保證 OFDM 15KHz spacing 載波正交性, 中心頻率必須間格為 300KHz 倍數 Table 5.6A-1 中定義了載波聚合之載波層級 (Class), 由 中載波組合之 CA configuration 可以看出組合頻帶與層級, 以圖 5 為例, 數字為頻帶, 組合載波層級由英文字母代表, 其對應之涵義則由 之表 5.6A-1 所定義, 如表 3 所示 以同頻非連續 CA_25A_25A 為例子, 說明該裝置在頻帶 25 能夠接收兩個層級為 A 且不連續之載波, 每一個載波最大提供 100RB, 假如為同頻連續載波組合, 則表示為 CA_25C, 頻寬 Class C 定義為一個聚合傳輸總資源區塊在 100RB 和 200RB 之間, 由兩個元件載波元件所組成 以下小節將針對不同配置方式做詳細說明 [9] 圖 4 載波聚合之三種載波配置示意圖 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 8 頁

13 CA Bandwidth Class [10] 圖 5 載波聚和頻帶與層級之表示方式 表 3 載波聚合之組合頻帶層級 ( Table5.6A-1 [2] ) Aggregated Transmission Bandwidth Configuration Number of contiguous CC A N RB,agg B 25 < N RB,agg C 100 < N RB,agg D 200 < N RB,agg E 300 < N RB,agg F 400 < N RB,agg 同頻連續 (Intra-band contiguous) 同頻連續載波元件之組合, 必須滿足兩載波中心頻率間距為 300kHz 倍數之條件,3GPP 定義 同頻連續載波組合如表 4 所示, 其中藍色標示為台灣目前開放頻帶, 以目前台灣 LTE 開放頻 帶中, 只有頻帶 3 能使用連續載波聚合, 在台灣電信業者, 中華電信有 C2 與 C5, 不屬於連 續載波, 而雖然遠傳有兩個連續載波 C3 與 C4, 但各為 10MHz, 加總為 20MHz, 可以直接 使用 20MHz 做傳輸即可, 因為載波聚合會因為增加控制訊號降低頻譜使用效率, 因此目前台 灣並無同頻連續載波組合 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 9 頁

14 表 4 3GPP 定義之同頻連續載波聚合頻帶 ( R.12 Table 5.6A.1-1 [2] ) E-UTRA CA configuration Maximum aggregated bandwidth [MHz] CA_1C 40 CA_2C 40 CA_3C 40 CA_7C 40 CA_12B 15 CA_23B 20 CA_27B 13 CA_38C 40 CA_39C 35 CA_40C 40 CA_40D 60 CA_41C 40 CA_41D 60 CA_42C 同頻非連續 (intra-band non-contiguous) 3GPP 定義同頻非連續載波之組合如表 5 所示, 其中藍色標示為台灣目前開放頻帶, 台 灣目前只有中華能於頻帶 3 和頻帶 7 中使用同頻非連續之載波聚合, 中華電信將能使用頻帶 3 之 C2 與 C5 做載波聚合, 以 10MHz+15MHz 達到 25MHz 之傳輸頻帶, 於頻帶 7 使用 D2 與 D4 做載波聚合, 以 20MHz+10MHz 達到 30MHz 之傳輸頻帶 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 10 頁

15 表 5 3GPP 定義之同頻非連續載波聚合頻帶 ( R.12 Table 5.6A.1-3 [2] ) E-UTRACA configuration Maximum aggregated bandwidth [MHz] CA_2A-2A 40 CA_3A-3A 40 CA_4A-4A 40 CA_7A-7A 40 CA_23A-23A 15 CA_25A-25A 20 CA_41A-41A 40 CA_41A-41C 60 CA_41C-41A 60 CA_42A-42A 同異頻載波 (inter-band) 異頻載波聚合為各國常用之組合方式, 中提供相當多的組合方式,R.12 中也定義三載 波聚合,R.13 則有四個載波聚合組合 台灣能使用之雙載波異頻載波聚合組合整理如表 6, 目前中華能使用 3+7 和 3+8 之組合, 台灣大哥大能使用 3+28 之組合, 遠傳能提供 和 7+28 之組合, 其中 3+38 為 FDD 與 TDD 之組合, 台灣之星則能使用 7+8 之組合 此 外業者中, 中華與遠傳能提供三載波聚合組合, 如表 7 所示, 中華為 3+7+8, 遠傳為 之組合, 值得注意為以上提供之組合必須基地台與終端手機互相支援, 才能成功提供載波聚 合相關技術 表 6 台灣兩載波異頻載波聚和之組合( R.13 Table 5.6A.1-2 [2] ) E-UTRA CA Configuration Maximum aggregated bandwidth [MHz] CA_3A-7A 60 CA_3A-8A 50 CA_3A-28A 40 CA_3A-38A 40 CA_7A-8A 30 CA_7A-28A 40 表 7 台灣三載波異頻載波聚和之組合( R.13 Table 5.6A.1-2a [2] ) E-UTRA CA Configuration Maximum aggregated bandwidth [MHz] CA_3A-7A-8A 50 CA_3A-7A-28A 60 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 11 頁

16 4.3 載波聚合之功能介紹載波聚合技術必須滿足一個主載波元件與至少一個輔載波元件組成, 主輔元件加總不得大於 5 個載波元件為原則, 但在多載波組合下, 每一載波元件可能所屬不同頻帶, 造成涵蓋範圍不一致, 即使用戶被相同基地台服務情況下, 也可能因為位子不同, 有不同的載波元件組合, 如圖 6 所示 由基地台的觀點而言, 他可能有多個載波元件能提供用戶使用, 但在用戶角度上, 並非所屬基地台提供載波元件皆能使用 能被該用戶選擇的候選載波稱為服務 (Activity) 載波元件, 不被該用戶所候選使用之載波稱為非服務 (inactivity) 載波元件, 不同用戶將可能有不同的服務載波元件 服務載波元件又能區分為激活 (Activation) 載波元件與去激活 (Deactivation) 載波元件, 用戶將在激活載波元件上做傳送, 去激活載波元件不傳送資料, 也不提供大量資料量測, 如 CQI 等, 但也不像非服務載波元件不做相關量測 對用戶之激活載波元件中, 一定要存在一個主載波元件, 主載波元件在該技術上扮演相當重要之角色, 且無法被去激活, 輔載波元件則可由主載波元件 RRC 層 Reconfiguration 分配規劃, 可為激活或去激活狀態 舉例來說圖 6 存在兩個用戶, ㄧ個較靠近基地台, ㄧ個較遠, 較近之用戶將有三個服務載波, 較遠則只被兩個服務載波元件所覆蓋, 此範例中兩用戶皆使用相同主載波, 但輔載波並不一樣 載波聚合激活與去激活可由圖 7 說明, 一個主載波元件範圍下, 有兩個輔載波元件, 用戶在這個主載波範圍內移動, 用戶在位子一時有大量資料需求, 且系統支援下, 觸發載波聚合傳輸, 移動到位子二時, 來源 SCC 訊號越來越弱, 並準備做 SCC 切換, 移動到位子三時, 觸發 SCC 移動管理事件, 因此藉由 reconfiguration 激活目標 (Target) 輔載波與去激活來源 (Source) SCC, 用戶來到位子四時, 則因為用戶無大量資料傳輸, 去激活 SCC, 由此例子得知,SCC 能動態的配置激活與去激活 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 12 頁

17 [12] 圖 6 載波特性與用戶位子造成載波聚合組合不同示意圖 [11] 圖 7 移動中用戶 SCC 彈性激活與去激活 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 13 頁

18 由於載波聚合技術必須與 R.8 相容, 因此載波聚合對於系統架構上之改變主要為 RRC MAC 與 PHY 層, 其他部分並無更改, 以下小節將分別詳細討論之, 此外, 以下小節亦包括 PCC 與 SCC 之功能整理 移動換手管理與其他相關功能描述 1.1 Physical Layer 載波聚合在實體層通道規劃上, 有一些特別的限制, 如圖 8 所示, 在下行方向上, 主輔載波能藉 PDSCH 傳送資料以及 PDCCH 傳送控制訊號 下行控制訊號在 SCC 上可以選擇不被傳送, 而藉由 PCC 之 PDCCH 來一併傳送各輔載波之下行控制訊號, 但需要加入ㄧ個新的指標來區分該控制訊號屬於哪個載波, 該指標稱為 CIF (Carrier Indicator Field) 在上行方向上, SCC 只能藉由 PUSCH(Physical Uplink Shared Channel) 輔助傳送資料, 並無法傳送任何控制訊號,PCC 則能藉由 PUSCH 與 PUCCH 傳送資料或相關資訊, 其中 PCC 之 PUCCH 必須協助輔載波上行控制訊號傳送, 亦藉由 CIF 來區分各載波控制訊號 除了實體層通道上之改變外, 其他相關之實體層變化分別說明如下 [9] 圖 8 載波聚合下實體層通道規劃 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 14 頁

19 Physic 交錯排程 (cross carrier scheduling) PCC 在載波聚和上扮演相當重要之角色, 下行載波聚和中 PCC 可傳送控制訊號, 但 SCC 可選擇不需要傳送控制訊號, 此時 SCC 控制訊號可由 PCC 協助傳送, 此方式稱為交錯排程 (cross carrier scheduling), 反之 PCC 和 SCC 同時傳輸各自控制訊號, 則稱為非交錯排程 (no cross carrier scheduling) 其中交錯排程功能是為了異質網路 (heterogeneous networks) 做設計,PCC 控制訊號將同時排程 PCC 與 SCC 之無限資源分配, 可藉由使用 PDCCH 中 3 位元 CIF 值來分辨該 PDCCH 資訊屬於哪個載波之資源分配 載波聚合技術中, 在 R.11 提出多階層 (multi-site) 網路環境來組成載波聚合, 未來在 Macro 細胞環境下, 將可能存在多個覆蓋範圍 (Coverage) 較小之小細胞 (small cell), 假如在 Macro 細胞層中使用 CC1 頻率傳送 PDCCH 訊號, 組成 PCC 為 CC1 與 SCC 為 CC2 之載波聚合環境, 反之在 Pico 細胞層上, 則使用 CC2 傳送 PDCCH 控制訊號, 組成 PCC 為 CC2 與 SCC 為 CC1 之載波聚合環境, 如圖 9 所示, 藉由此交錯排程方式能避免異質網路中 PDCCH 之間的碰撞產生 [13] 圖 9 異質網路之交錯排程 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 15 頁

20 Timing Advanced LTE 系統上, 為了保證用戶上行訊號之間的正交性, 必須保證基地台在接收端時間的一致性, LTE 透過 TA(Timing Advance) 來控制不同用戶間的傳送時間, 距離較遠用戶較早傳送, 反之, 距離較近用戶則較晚傳送, 由於 R.8 每個用戶只有一個載波傳送, 因此只需要一個 TA 時間來控制 但在 LTE-A 中, 用戶可能有多個載波元件傳送, 每個載波元件特性也不同, 因此需要多個 TA 訊號來控制,R.11 中提出異質網路組成載波聚和, 如圖 10 所示, 將必須採用不同的 TA 來做上行時間控制 [12] 圖 10 異質網路載波聚合對 TA 影響示意圖 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 16 頁

21 2.1 MAC(Medium Access Control)layer MAC 層於載波聚合技術下, 主要變更功能主要為兩個, 其ㄧ為 HARQ 之反饋變更, 另一個重要的功能為控制 SCC 之激活與去激活, 以下將針對不同功能說明 HARQ (Hybrid automatic repeat request) 由 MAC 觀點而言, 載波聚合可由多工實體 (multiplexing entity) 去提供多載波服務, 由於 LTE 中提供 HARQ ( Hybrid automatic repeat request ) ACK/NACK (acknowledgement/nonacknowledgements) 反饋機制, 來做為資料是否重傳依據, 為了支援既有 Rel.8 終端設備, 載波聚合中每一個元件載波皆要能被設置為支援 Rel.8 載波, 因此對於一個多載波用戶而言, 只會有一個 RLC (Radio Link Control) 連結, 多載波之排程則由 MAC 與 PHY 層來處理, 如圖 11 所示, 存在 UE1(R.10) 與 UE2(R.8) 用戶, 皆只有一個 RLC 連結, 但 UE1 再 MAC 與 PHY 層則能區分為 PCC 與 SCC,PCC 與 SCC 皆有各自的 HARQ 回報機制, 且能各別支援最大兩個 TB 傳輸 HARQ 之反饋可分為上行與下行, 在下行資料中, 藉由用戶在 PUCCH(Physical uplink control channel) 中回傳 HARQ 資訊來判定下行是否需要重送,Rel.8 定義了 PUCCH 不同格式 (1a/1b/2/2a/2b) 來支援 HARQ 傳送, 但 Rel.10 載波聚和每個元件載波皆需要 HARQ 反饋, 因此新增了提升了格式 1b 與新增格式 3 來支持多載波 HARQ 反饋, 整理如表 8, 其中 1b 最大能支援兩個載波, 格式 3 則能支援最大 5CC, 假設 LTE FDD 中每個載波都是 2x2 MIMO, 最多有五個載波允許 ACK/NACK 傳送, 以每個載波兩個位元碼, 求得需要 10 ACK/NACK 位元 在上行資料中, 基地台藉由 PHICH( Physical Hybrid-ARQ Indicator Channel) 傳送 ACK/NACK 來判定上行資料是否需要重送 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 17 頁

22 [12] 圖 11 MAC 層 HARQ 傳送與反饋示意圖 [14] 表 8 針對 HARQ 之 PUCCH 格式整理 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 18 頁

23 SCC 激活與去激活條件 (Activated and Deactivated) MAC 必須依據不同情況來控制各 SCC 之激活與去激活, 必須注意的是 PCC 無法被 MAC 層去激活,SCC 則能由 MAC 彈性控制, 並使用邏輯通道辨識碼 (Logical Channel ID = 11011) 來控制不同輔載波 當下面兩個條件同時成立時, 則輔載波滿足激活條件 : 當用戶所有的 queues 超過ㄧ鄰界值 (threshold) 時, 亦即有大量資料傳輸需要傳輸 大量資料傳輸需求需持續一段時間, 該條件為避免乒乓 (ping-pong) 效應 當滿足下列其中一條件且持續一段時間後, 則輔載波滿足去激活條件 : 當用戶所有的 queues 低於ㄧ鄰界值 (threshold) 時, 亦即有無大量資料傳輸需要傳輸 SCC 之通道訊號品質低於定義之鄰界值時 藉由上述條件,eNodeB 會發送激活或去激活需求 (Activation/Deactivation Request) 給 MAC 層,MAC 將依據該資訊對不同輔載波進行對應配置 3.1 RRC(Radio Resource Control) layer RRC 層為 LTE 網路之主要溝通角色, 各種連結之建立 釋放或更改, 皆需要於 RRC 做溝通與配置 在載波聚合技術下,PCC 之配置則與ㄧ般支援 R.8 版本相似, 可視為無載波聚合之 RRC 控制流程, 主要最大差異為 SCC 之配置, 需要依靠 RRC Reconfiguration 機制來完成, 在進行 RRC Reconfiguration 機制前, 必須先完成用戶能力 (User capability) 確認, 確保該終端用戶硬體能支援載波聚合技術, 並於基地台端確認聚合頻帶雙方是否ㄧ致, 除此之外,RRC 層也負責移動管理機制, 載波聚合中新增了 SCC 移動切換事件, 詳細說明於 於 RRC 層中, 與載波聚合相關之差異整理如下 : 用戶能力確認流程 SCC 移動管理 RRC 層重新配置 (Reconfiguration) [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 19 頁

24 4.1 載波聚合移動換手 (handover) 管理在 LTE 下統中, 移動用戶基於事件觸發量測 (event-triggered measurements) 來管理切換基地台動作, 意即換手 (handover) R.11 定義了不同的觸發條件, 整理如表 9 所示, 事件 A1 與 A2 為當服務細胞訊號大於或小餘預先定義之臨界值時, 做換手動作, 事件 A3 為鄰近細胞訊號強度大於服務細胞強度加上補償 (offset),a4 為鄰近細胞訊號大於臨界值, 事件 A5 為 PCell 強度小於臨界值且鄰近細胞強度大於臨界值, 事件 A6 為鄰近細胞訊號強度大於 SCell 加上補償後之訊號強度, 此事件為選擇較佳之訊號為 SCell, 能有效提升 CA 效能, 與載波聚合比較直接相關的事件為針對 PCell 之 A3 與 A5 事件, 和針對 SCell 之 A6 事件, 此外事件 B1 與 B2 為不同 RAT(radio access technology) 之間的切換, 與載波聚合較無關連 表 9 換手之觸發事件( [6] ) Event A1 Event A2 Event A3 Event A4 Event A5 Event A6 Event B1 Event B2 Serving becomes better than threshold Serving becomes worse than threshold Neighbour becomes offset better than PCell Neighbour becomes better than threshold PCell becomes worse than threshold1 and neighbour becomes better than threshold2 Neighbour becomes offset better than SCell Inter RAT neighbour becomes better than threshold PCell becomes worse than threshold1 and inter RAT neighbour becomes better than threshold2 載波聚合在移動管理上主要將根據 PCell 的覆蓋範圍以及上述觸發事件來做規劃 載波聚合技術中,PCell 的切換幾乎需要依靠換手機制, 但 SCell 變換, 則只需透過 RRC 層 reconfiguration 過程即可執行 於 PCell 執行換手過程, 所屬 SCell 必須先執行取消配置 (de-configured) 動作, 新的 SCell 會在換手到目標基地台後, 重新配置 (configured), 該新舊 SCell 的配置也將透過 RRC 層 reconfiguration 過程來處理 舉例來說, 如圖 12 所示, 考慮兩個支援載波聚合且頻帶 1 與頻帶 2 基地台下, 移動用戶之載波聚合變化, 敘述如下 : 用戶裝置支援 CA 且載波聚合配置為 PCC 為 B1,SCC 為 B2 用戶移動至 B1 覆蓋範圍較弱區域, 此時異頻量測 (inter-frequency measurements) 開始執行, 且 PCC 換手至 B2,B1 不在服務範圍內, 則根據基地台排程設計, 可能配置為 SCC 為 B1 亦或是不被配置使用, 即使 B1 配置成功, 也可能因為訊號狀況差, 不被激活使用 用戶移動至位子 3 時, 執行同頻 (intra-frequency) 換手, 此時 PCC 保持為 B2 移動至位子 4 後,B1 會根據基地台排程可能被分配為 SCC, 並可能激活載波聚合功能 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 20 頁

25 [10] 圖 12 載波聚合下換手機制範例 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 21 頁

26 5.1 PCC 與 SCC 功能整理本小節將整理 PCC 與 SCC 於 LTE 載波聚合技術下之功能整理 : PCC (Primary Component Carrier) 執行 NAS 層安全機制 提供 NAS 移動 (mobility) 管理功能 MAC 層提供 HARQ 反饋機制 上行鏈路能在 PUCCH 與 PUSCH 上傳輸 下行鏈路能在 PDSCH 與 PDCCH 上傳輸 處理 RRC 建立連線 (connection establishment) 與重連 (connection re-establishment) 機制 只能藉由換手 (handover) 切換 PCC 不能被去激活 (Deactivation) 能對 SCC 使用交錯排程 (cross carrier scheduling), 反之不能使用 SCC 交錯排程來分配 PCC 支援 CIF 指標來協助 SCC 控制訊號之發送 能向下相容 R.8/R.9 SCC (Secondary Component Carrier) 根據用戶能力 (capability) 由基地台配置 (configured) 最大能支援 4 個 SCC MAC 層提供 HARQ 反饋機制 由於上下行並不需要對稱進行載波聚合, 上行鏈路 PUSCH 可以彈性選擇是否傳送資料 無 PUCCH 來上傳控制訊號, 上行控制訊號由 PCC 協助傳送 下行鏈路能在 PDSCH 上傳輸,PDCCH 可以彈性選擇是否傳送, 假如否, 將依靠 PCC 協助傳送控制訊號 必須藉由 RRC 層 reconfiguration 來配置 (configured) 與去配置 (de-configured) 由 MAC 層來控制激活 (activation) 與去激活 (Deactivation) 上下行皆能被去激活 只能在用戶 connection 模式下被激活 藉由 RRC 層 reconfiguration 來獲得 SCell 系統資訊 能由 PCC 使用交錯排程來分配資源 能向下相容 R.8/R.9 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 22 頁

27 4.4 載波聚合環境架構 Scenario #1: 載波元件 F1 與 F2 在相同位子且近似重疊 類似 F1 與 F2 在相同頻率之環境 Scenario #2: 載波元件 F1 與 F2 在相同位子, 但 F2 覆蓋範圍較小 只有 F1 提供足夠的覆蓋範圍,F2 用來增加系統吞吐量 類似 F1 與 F2 在不同頻率之環境 Scenario #3: 載波元件 F1 與 F2 在相同位子, 但 F2 方向指向 F1 細胞邊緣處, 因此能提升細胞邊緣吞吐量 F1 提供足夠的覆蓋範圍提供移動性, 但 F2 仍存在覆蓋空洞 類似 F1 與 F2 在不同頻率之環境 Scenario #4: F1 提供 Macro 覆蓋範圍,F2 則使用 RRH(Remote Radio Heads) 佈建在熱點提升吞吐量 類似 F1 與 F2 在不同頻率之環境 Scenario #5: 類似環境 2, 使用 repeater 來增加覆蓋範圍 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 23 頁

28 5 通訊協議流程本章節將對載波聚合建立時之 call flow 做描述, 首先先介紹在建立載波聚合前所需之訊息交換與條件, 包括用戶能力 (capability) 頻帶支援與載波組合等, 並由 RRC 層來解析相關資訊 接下來針對移動用戶與非移動用戶之 call flow 流程做描述 載波聚合的建立, 將須滿足許多條件, 整理描述如下 : 一 用戶對網路有較大的需求二 該用戶終端機是否支援 CA (CA-capable device) 三 假設支援 CA, 則須再考慮該終端支援之 CA 組合是否與電信商能提供之頻帶組合相同, 假如符合, 則基地台將配置 (configured) 該用戶為 CA 用戶四 被配置之用戶, 基地台依據用戶需求 用戶通道狀況與基地台目前有效資源多寡等, 來決定是否提供 CA 之服務, 假如皆滿足需求, 則基地台會激活 (Activation) 該用戶 SCell, 提供 CA 服務功能 5.1 用戶 category 與載波聚和組合判定 3GPP 定義了多種用戶類別, 中定義不同的用戶類別, 如表 10 所示為下行用戶類別, 其中第三欄為單載波 20M 最大傳輸速率, 該值乘上 1000 即為 1 個 TTI 區間內能傳送的最大位元數, 該表提供之用戶類別, 只能代表用戶硬體支援最高下載傳輸能力, 但與最大服務載波數量無直接的相關性, 舉例而言, 標準並無限制 Cat.1 用戶不能使用 5 個 CC 做傳輸, 表 11 列出了不同用戶類別下, 典型的載波聚合數量, 基本上 Cat.4 即能提供 CA 之服務, 但 Cat.4 只能提供對稱頻譜之 CA, 因此台灣電信商大多不支援, 因此需要使用 Cat.6 之終端機, 則能提供非對稱載波聚合 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 24 頁

29 Maximum number of DL-SCH transport block UE Category bits received within a TTI 表 10 用戶類別之下行傳輸最大速率 ( Table [5] ) Maximum number of bits of a DL-SCH Total number of soft transport block received channel bits within a TTI Maximum number of supported layers for spatial multiplexing in DL Category Category Category Category Category Category Category (4 layers) 75376(2 layers) (4 layers) 75376(2 layers) or or 4 Category Category Category Category Category (4 layers) 75376(2 layers) (4 layers) 75376(2 layers) (4 layers) 75376(2 layers) (4 layers) 75376(2 layers) or or or or 4 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 25 頁

30 UE Category [10] 表 11 不同用戶類別下之載波聚合數量 Possible number of aggregated DL CCs Typical number of aggregated DL CCs Possible number of aggregated UL CCs Typical number of aggregated UL Category Category Category , Category , Category Category Category Category Category Category 基地台與用戶建立通訊時, 基地回會要求用戶回報其用戶能力, 過程稱為 UE capability enquiry, 用戶接收到該資訊後, 則回報其能力相關資訊, 稱為 UE capability information, 流程如圖 13 所示 其中用戶類別資訊以及用戶終端支援的載波聚合相關能力皆包含在該回報訊息中 用 戶終端機是否支援 CA, 基地台能由用戶 RRC 訊息中來做初步判定, 參考 3GPP 中的 ue-category-v1020 來判定該用戶之 Category, 基本上使用 Cat.6 之終端機, 則能提供非對稱載 波聚合, 此外 Cat.6 也支援 MIMO, 因此能達到最大下行 300Mbps 與上行 50Mbps 之速率, 回報資訊也包括了該用戶交錯排程 crosscarrierscheduling-r10 支援與否 UE-EUTRA-Capability-v1020-IEs ::= SEQUENCE { ue-category-v1020 INTEGER (6..8) OPTIONAL, } PhyLayerParameters-v1020 ::= SEQUENCE { UE-EUTRA-Capability information element CCs crosscarrierscheduling-r10 ENUMERATED {supported} OPTIONAL, } UE EUTRAN UECapabilityEnquiry UECapabilityInformation 圖 13 用戶 capability 傳輸示意圖 ( Figure [6] ) [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 26 頁

31 假設該終端機支援 CA 之功能, 接下來將判斷該終端機之頻帶組合是否符和電信商提供之頻帶, 該訊息也能由 RRC 信息中得知, 由 中 bandeutra-r10 能判定該終端機能支援之所有單載波頻帶, 假設終端機欲使用 intra-band 或 inter-band CA, 則 PCC 與 SCC 使用頻帶必須在該支援 band list 中 即使個別單載波皆為聚合之頻帶, 但還需要這些單載波實際組合之清單, 才代表支援載波聚合之組合, 意即並非所有在 Band list 中之頻率皆能任意組合使用 CA 假設用戶提供之 supportbandcombinnation-r10 與基地台提供之 CA 組合一致, 則基地台將判定該用戶為成功配置 (Configured) 之載波聚合用戶 UE-EUTRA-Capability information element BandParameters-r10 ::= SEQUENCE { bandeutra-r10 FreqBandIndicator, } RF-Parameters-v1020 ::= SEQUENCE { supportedbandcombination-r10 SupportedBandCombination-r10 } 由於 CA 最多能提供四個 SCC 同時服務, 我們也能由 RRC 訊息中之 ca-bandwidthclassul/dl 判定上行或下行能支援多少個 CC 同時傳輸, 以及由 supportedmimo-capability 判斷是否支援 MIMO 假設 ca-bandwidthclass 該值為 a, 則表示該頻率最大提供 20M 傳輸, 若該值為 c, 則代表該頻率最多支援兩個 SCC 載波 CA, 可參考表 3 UE-EUTRA-Capability information element CA-MIMO-ParametersUL-r10 ::= SEQUENCE { ca-bandwidthclassul-r10 CA-BandwidthClass-r10, supportedmimo-capabilityul-r10 MIMO-CapabilityUL-r10 OPTIONAL } CA-MIMO-ParametersDL-r10 ::= SEQUENCE { ca-bandwidthclassdl-r10 CA-BandwidthClass-r10, supportedmimo-capabilitydl-r10 MIMO-CapabilityDL-r10 OPTIONAL } 10.1 Carrier Aggregation 流程載波聚合流程 (Call Flow) 大至上能區分為非移動用戶與移動用戶, 非移動用戶在固定基地台進行載波聚合服務, 此狀況 PCell 決定後, 就不會再更換, 但 SCell 則可藉由 RRCConnectionReconfiguration 來妥善分配 移動用戶的 PCell 與 SCell 可能會因換手 (handover) 更換,PCell 與 SCell 切換資訊需依靠量測報告 (Measurement report) 來判斷, 移動用戶可再細分為 4 種不同的換手環境 : 一 CA 換手到 CA 環境 二 CA 換手到 Non-CA 環境 三 Non-CA 換手到 CA 環境 四 Non-CA 換手到 non-ca 環境 以下將針對不同系統環境流程介紹其載波聚合流程 (call flow) 與相關 RRC 資訊 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 27 頁

32 無換手之載波聚合流程考慮在載波聚和下, 主要區分為 PCC 與 SCC 兩個部分, 其中 PCC 則是在 Connection Establishment 即確定完成, 與一般無 CA 之建立流程相同, PCC 在 RRC Setup 建立完成後, 進行 Authentication 的步驟確認用戶是否為合法用戶, 確認 UE 是合法用戶後, 基地台向用戶要求終端機能力確認, 回報完成後, 進行加密動作, 接下來再由 RRCConnectionReconfiguration 來做 SCC 添加 修改或釋放的動作, 建置流程可由圖 14 所示 [5] 圖 14 RRC 建立機制與流程圖 載波聚合環境下,PCell 流程與一般無載波聚合環境類似, 但 SCell 則需要依靠 RRC Reconfiguration 來完成配置 (Configured), 圖 14 將針對重新配置流程做較細部的流程解釋, 其中 SCell 相關的 RRC 訊息則使用 中定義的 RRCConnectionReconfiguration 欄位來控 制 SCell 增加 (scelltoaddmod-r10) 或移除 (scelltoreleaselist), 其中亦包含 SCell 相關系 統資訊 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 28 頁

33 RRCConnectionReconfiguration message RRCConnectionReconfiguration-v1020-IEs ::= SEQUENCE { scelltoreleaselist-r10 SCellToReleaseList-r10 OPTIONAL, -- Need ON scelltoaddmodlist-r10 SCellToAddModList-r10 OPTIONAL, -- Need ON } SCellToAddMod-r10 ::= SEQUENCE { scellindex-r10 SCellIndex-r10, cellidentification-r10 SEQUENCE { physcellid-r10 dl-carrierfreq-r10 PhysCellId, ARFCN-ValueEUTRA } SCellToReleaseList-r10 ::= SEQUENCE (SIZE (1..maxSCell-r10)) OF SCellIndex-r10 在不執行換手用戶環境下,SCC 被基地台配置 (Configured) 後, 可能會因為訊號變差或鄰近有較好的載波, 而執行 SCC 的重新配置動作 ( 即為 Event 6), 其相關訊息也記錄在 RRC 中, 假設尚未激活 (Activation) 該 SCC 載波, 因此不需要交換大量且詳細之載波訊息, 如 CQI RI 等, 但使用簡單之 RSRP 或 RSRQ 等訊息來維護各 SCC 之狀況, 並在 MeasResultServFreq-r10 中記錄, 並選出最佳之 SCC 載波 (measresultbestneighcell) 且重新配置 SCell,RRC 相關訊息如下 MeasResults information element MeasResultServFreq-r10 ::= SEQUENCE { servfreqid-r10 ServCellIndex-r10, measresultscell-r10 SEQUENCE { rsrpresultscell-r10 RSRP-Range, rsrqresultscell-r10 RSRQ-Range } measresultbestneighcell-r10 SEQUENCE { physcellid-r10 rsrpresultncell-r10 rsrqresultncell-r10 PhysCellId, RSRP-Range, RSRQ-Range } } 詳細 RRC Connection Reconfiguration 流程如圖 15 所示 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 29 頁

34 圖 15 RRC Connection Reconfiguration process [14] (1) PCC 建立完成且基地台確認用戶能力支援載波聚合功能後, 發送 Reconfiguration 訊息給 用戶, 準備建立 SCC 的配置 (Configured) (2) 用戶回報基地台他收到 Connection Reconfiguration 訊息 (3) 基地台與用戶分別各自設定 CA 相關訊息 (4) 用戶向基地台傳送 SR 要求基地台分配 UL PUSCH 資源, 準備回傳 Reconfiguration Complete 訊息 (5) 基地台透過 DCI 0 分配上行資源給用戶 (6) 用戶回報基地台 RRC Connection Reconfiguration Complete 訊息, 此階段只完成 SCC 之 RRC 層配置, 為配置 (Configured) 成功狀態, 但 MAC 層尚未激活 SCC (7) 當有大量資料需求時, 基地台回報用戶 MAC 已準備完成, 並激活 SCC 做 CA 傳輸 (8) SCC PHY/MAC 皆激活, 能開始使用載波聚合功能, 並在 PDSCH 上傳輸 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 30 頁

35 換手之載波聚合流程當移動用戶移至細胞邊緣或訊號變差時, 即可能啟動換手機制, 觸發事件和條件如表九所示, 換手前用戶會回報量測報告 (Measurement report) 通知基地台目前用戶可接收到的通道狀態, 為基地台做換手的重要依據,LTE 中換手過程也將由 RRCConnectionReconfiguration 來控制 PCell 與 SCell 的添加 修改或釋放 載波聚合環境下,PCell 必須啟動換手流程才會變更, SCell 則較無限制, 能由基地台來判定, 並觸發 RRC Reconfiguration 來處理, 在載波聚合技術下, 換手機制又可區分為四種環境, 分別為 : 一 CA 換手到 CA 環境 二 CA 換手到 non-ca 環境 三 non-ca 換手到 CA 環境 四 non-ca 換手到 non-ca 環境 但四種環境的流程並無太大差別, 主要皆參考用戶回報資訊來做換手時 PCell 與 SCell 選擇, 其共同流程如圖 16 圖 16 換手機制下之載波聚合流程圖 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 31 頁

36 (1) PCC 與 RRC 建立 (Setup) 連線 (2) 進行 Authentication 的步驟確認用戶是否為合法用戶 (3) 建立用戶與 MME 之間傳送 NAS 訊號保密措施 (4) NW 像個別用戶發送 Capability Enquiry 來確認用戶終端機能力 (5) 個別用戶回報 capability information 給 NW, 做為 NW 規劃 (6) 建立用戶與基地台之間傳輸 RRC 訊息的保密措施 (7) 用戶支援 CA 能力確定完成後,NW 發送 RRC radio connection reconfiguration 配置 (configured)scc 給用戶做為 CA 之輔載波 (8) 用戶收到該資訊後, 將 SCC 相關功能配置完成, 做為未來大量資料需求時激活 SCC, 並回報 reconfiguration complete 給 NW (9) NW 有大量資料要傳送時, 基地台通知用戶 MAC 已經啟用, 並激活 (activation)scc 做載波聚合資料傳輸 (10) 傳輸過程中, 假設 PCC 訊號變差, 或其他滿足表九之換手 (handover) 條件時, 用戶回報量測報告給 NW, 做為基地台換手之重要依據 (11) 準備換手,NW 先中斷目前傳輸, 並停止 MAC 層, 此時 SCC 為去激活 (de-activation) 狀態 (12) NW 換手前, 再次發送 reconfiguration 做為取消 SCC 配置 (deconfigured) 動作 (13) 用戶取消 SCC 配置完成, 並回報訊息給 NW (14) NW 再次發送 reconfiguration 給用戶, 包含了許多換手相關資訊 (15) 進行換手相關程序 (RACH), 由舊的 PCC 切換到新的 PCC (16) 換手完成後, 用戶回報 reconfiguration Complete 給新的 PCC, 即 PCC 換手成功 (17) NW 再次發送 reconfiguration, 目的為重新配置 SCC 給用戶 (18) 用戶收到配置 SCC 相關訊息後,SCC 配置 (configured) 完成後, 回報給 NW (19) 重新建立 MAC 連線, 並激活新的 SCC 做載波聚合傳輸 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 32 頁

37 用戶回報之量測報告, 紀錄在 的 MeasResults information element 中, 其中包括了服務中的 PCell 與 SCell 之 RSRP 與 RSRQ 值, 以及鄰近細胞的 PCI RSRP 和 RSRQ 量測值, 藉由此資訊基地台能在換手後判斷 PCell 與 SCell 由誰來配置, 假設為 non-ca 換手到 CA 與 non-ca 換手到 non-ca 環境下, 則該回報資訊則不會包含 SCell 的相關訊息, 但鄰近細胞的訊息在四種載波聚合環境下皆存在, 做為換手基地台候選名單 MeasResults information element MeasResults ::= SEQUENCE { measresultpcell SEQUENCE { rsrpresult RSRP-Range, rsrqresult RSRQ-Range}, measresultneighcells CHOICE { measresultlisteutra MeasResultListEUTRA, }, MeasResultEUTRA ::= SEQUENCE { physcellid PhysCellId, measresult SEQUENCE { rsrpresult RSRP-Range OPTIONAL, rsrqresult RSRQ-Range OPTIONAL,}} MeasResultServFreq-r10 ::= SEQUENCE { servfreqid-r10 ServCellIndex-r10, measresultscell-r10 SEQUENCE { rsrpresultscell-r10 RSRP-Range, rsrqresultscell-r10 RSRQ-Range } 基地台收到用戶回報通道狀態資訊後, 也藉由 RRC Reconfiguration 來夾帶換手相關訊息, 主要參考資訊為 mobilitycontrolinfo securityconfigho 與 scelltoaddmodlist, 由 中的 MobilityControlInfo information element 資訊, 可以知道要換手之目標基地台, 包括該目標基地台之 PCI 頻率 頻寬等資訊, 且由 handovertype 得知將換手到哪一個通訊技術 (RAT) 和相關安全保密資訊,sCellToAddModList 則記錄目標 SCell 相關訊息, 若換手至 non-ca 環境, 則無該 scelltoaddmodlist 資訊 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 33 頁

38 RRCConnectionReconfiguration message RRCConnectionReconfiguration-r8-IEs ::= SEQUENCE { mobilitycontrolinfo MobilityControlInfo OPTIONAL, -- Cond HO securityconfigho SecurityConfigHO OPTIONAL, -- Cond HO} SecurityConfigHO ::= SEQUENCE { handovertype CHOICE { intralte SEQUENCE { securityalgorithmconfig SecurityAlgorithmConfig OPTIONAL, -- Cond fullconfig keychangeindicator BOOLEAN, nexthopchainingcount NextHopChainingCount }, interrat SEQUENCE { securityalgorithmconfig SecurityAlgorithmConfig, nas-securityparamtoeutra OCTET STRING (SIZE(6))}}, RRCConnectionReconfiguration-v1020-IEs ::= SEQUENCE { scelltoaddmodlist-r10 SCellToAddModList-r10 OPTIONAL, -- Need ON } SCellToAddMod-r10 ::= SEQUENCE { scellindex-r10 SCellIndex-r10, cellidentification-r10 SEQUENCE { physcellid-r10 PhysCellId, dl-carrierfreq-r10 ARFCN-ValueEUTRA } MobilityControlInfo information element MobilityControlInfo ::= SEQUENCE { targetphyscellid PhysCellId, carrierfreq CarrierFreqEUTRA OPTIONAL, -- Cond HO-toEUTRA2 carrierbandwidth CarrierBandwidthEUTRA OPTIONAL, -- Cond HO-toEUTRA } 在基地台收到用戶報告後, 必須藉由 RRC Reconfiguration 來處理換手與相關之 PCell 與 SCell 切換, 圖 17 為 CA 換手到 CA 環境下之流程圖, 且敘述如下 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 34 頁

39 [14] 圖 17 CA 換手到 CA 環境下之流程圖 (1) 用戶使用載波聚合技術且基地台收到用戶回報通道訊息 (2) 準備做換手,MAC 對 SCC 做去激活 (Deactivation) 動作 (3) PCC1 對用戶傳送 RRC connection reconfiguation 準備取消 SCC1 的配置 (deconfigured) (4) 用戶回覆 reconfiguration complete 代表 SCC1 被釋放 (releasing) 完成 (5) PCC1 再發送 RRC connection reconfiguation 準備做 PCell 換手 (6) 使用 RACH 流程與 PCC2 完成換手動作 (7) 用戶回覆對新的 PCC2 回報 reconfiguration complete, 此時換手完成 (8) PCC2 基地台與用戶分別各自設定 CA 相關訊息 (9) PCC2 發送 RRC connection reconfiguation 準備配置 (configured)scc1 給用戶 (10) 用戶回覆 reconfiguration complete 代表配置完成 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 35 頁

40 (11) PCC2 MAC 層重新激活 (activation)scc1, 並準備傳輸 (12) 使用 PCC2 與 SCC1 做載波聚合傳輸 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 36 頁

41 6 測詴環境 6.1 架構說明該測詴案例為實際 4G 網路功能與效能測詴, 除非特殊測詴環境或實驗室測詴外, 皆已商用實際網路運作為基準, 不需另行控制網路參數或更改配置, 測詴架構如圖 18 所示 本測詴案例將在實際網路下測詴到不同之網路狀態, 如圖 18 所示, 實際網路下, 用戶可能座落於不同位子而造成不同載波聚合情境, 如 UE3 位於不支援載波聚合之基地台,UE1 與 UE2 位於支援載波聚合之基地台, 但由於位子或其他因素影響, 基地台可能無法提供載波聚合功能給用戶, 如用戶 1 位於支援載波聚合之基地台但卻無法使用載波聚合功能, 本測詴案例將測詴在實際網路下之載波聚合相關功能與效能 圖 18 實際網路測詴環境示意圖 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 37 頁

42 6.2 設備需求 下表 12 為此測詴設備需求總表, 做為傳輸環境實驗室分析與實網路測分析使用 表 12 測詴設備需求總表 項次儀器名稱廠牌型號使用目的 1 協定分析儀 ACTIX ONE 分析 LTE Protocl 2 路測設備 Anite NEMO INVEX 2 用於量測及分析 CSFB, TM, CA 等功能及效能 3 各家業者測詴門號 各家業者門號 比對各業者網路狀況 4 GPS 設備用於定位終端機位子 7 PC ㄧ台用於分析資料 8 終端接收設備 Samsung Note4 用於量測網路相關資訊 6.3 測詴環境本測詴案例將針對實際網路測詴, 採用路測儀器收集各營運商之實際實網測詴資料, 由於該資料為用戶實際使用經驗與基地台排程紀錄, 具實際參考價值, 但路測紀錄資料種類相當多, 本案例將截取與載波聚合相關之數據做為分析基準, 比較各家業者之實際網路效能 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 38 頁

43 7 測詴參數載波聚合採用實網測詴分析, 因此並無參數可設定, 皆以實際量測之資料做分析與檢測 8 測詴方法說明使用路測設備進行各家業者之載波聚合效能分析, 並收集路測儀器之量測結果, 做為後續統計與分析各業者之載波聚合效能 9 效能與功能測詴案例載波聚合測詴案例, 將針對實際網路狀況, 對不同業者進行功能與效能分析, 其測詴檢測內容與方法描述如下 : 測詴編號 MBATC :Carrier aggregation 激活流程測詴編號 MBATC :Carrier aggregation 下 Handover 流程 MBATC : Non-CA handover Non-CA 流程 MBATC : Non-CA handover CA 流程 MBATC : CA handover Non-CA 流程 MBATC : CA handover CA 流程 測詴編號 MBATC :Carrier aggregation 涵蓋率 測詴編號 MBATC :Carrier aggregation 激活率 測詴編號 MBATC :Carrier aggregation 頻譜使用效率 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 39 頁

44 測詴分類 : 效能測詴 功能測詴 其他驗證測詴編號 :MBATC 測詴項目 : CA 測詴分項 :Carrier aggregation 激活流程一 測詴目的測詴載波聚合之激活流程 二 測詴條件 DUT 支援載波聚合功能 (Cat.6) 三 測詴步驟 1. 將 DUT 置於提供載波聚合之基地台覆蓋範圍下 2. 基地台與用戶完成配置 (Configured) 3. DUT 利用 UDP 或 TCP 滿載來觸發 CA 功能, 並觀察其激活流程 四 數據紀錄 L1 Message(M) L3 Message(M) PCC RRC Message(M) throughput enable duration UE category PCC/SCC:RSRP RSRQ SINR MCS TM mode RSSI CQI RI PRB 五 數據紀錄與分析數據紀錄與處理 : 觀察 DUT 之 L1 L3 Message 與 RRC 訊息, 觀察載波聚合激活流程 六 預期結果藉由此測詴方式, 能成功激活載波聚合功能 七 檢查點觀察 L3 與 RRC 訊息, 檢測各步驟訊息發送與接收是否完整 八 判斷方式藉由協定分析儀來確認各訊息之內容是否正確 備註或其他補充 L1 L3 Message 需要對應之軟體和硬體才能擷取該部分訊息 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 40 頁

45 測詴分類 : 效能測詴 功能測詴 其他驗證測詴編號 :MBATC 測詴項目 :CA-Carrier aggregation 下 Handover 流程測詴分項 :Non-CA handover Non-CA 流程一 測詴目的觀察不支援載波聚合下之換手流程 二 測詴條件 DUT 支援載波聚合功能 (Cat.6) 以及兩個不支援載波聚合功能之基地台三 測詴步驟 1. 將 DUT 置於 Non-CA 基地台 1 2. 將 DUT 利用 UDP 或 TCP 滿載 3. 將 DUT 慢慢移動至 Non-CA 基地台 2 並觀察其 Handover 流程 四 數據紀錄 L1 Message(M) L3 Message(M) PCC RRC Message(M) throughput enable duration UE category PCC/SCC:RSRP RSRQ SINR MCS TM mode RSSI CQI RI PRB 五 數據紀錄與分析數據紀錄與處理 : 觀察 DUT 之 L1 L3 Message 與 RRC 訊息, 觀察皆無支援載波聚合功能下之 Handover 流程 六 預期結果藉由此測詴方式, 能成功由 Non-CA 換手至 Non-CA 基地台 七 檢查點觀察 L3 與 RRC 訊息, 檢測各步驟訊息發送與接收是否完整 八 判斷方式藉由協定分析儀來確認各訊息之內容是否正確 備註或其他補充 L1 L3 Message 需要對應之軟體和硬體才能擷取該部分訊息 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 41 頁

46 測詴分類 : 效能測詴 功能測詴 其他驗證測詴編號 :MBATC 測詴項目 :CA-Carrier aggregation 下 Handover 流程測詴分項 :Non-CA handover CA 流程一 測詴目的觀察用戶於無載波聚合下之基地台換手至支援載波聚合功能之基地台流程 二 測詴條件 DUT 支援載波聚合功能 (Cat.6) 以及支援 / 不支援載波聚合功能之基地台各一三 測詴步驟 1. 將 DUT 置於 Non-CA 基地台 1 2. 將 DUT 利用 UDP 或 TCP 滿載 3. 將 DUT 慢慢移動至 CA 基地台 2 並觀察其 Handover 流程 四 數據紀錄 L1 Message(M) L3 Message(M) PCC RRC Message(M) throughput enable duration UE category PCC/SCC:RSRP RSRQ SINR MCS TM mode RSSI CQI RI PRB 五 數據紀錄與分析數據紀錄與處理 : 觀察 DUT 之 L1 L3 Message 與 RRC 訊息, 觀察由 Non-CA 至 CA 基地台之 Handover 流程 六 預期結果藉由此測詴方式, 能成功由 Non-CA 換手至 CA 基地台 七 檢查點觀察 L3 與 RRC 訊息, 檢測各步驟訊息發送與接收是否完整 八 判斷方式藉由協定分析儀來確認各訊息之內容是否正確 備註或其他補充 L1 L3 Message 需要對應之軟體和硬體才能擷取該部分訊息 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 42 頁

47 測詴分類 : 效能測詴 功能測詴 其他驗證測詴編號 :MBATC 測詴項目 :Carrier aggregation 下 Handover 流程測詴分項 :CA handover Non-CA 流程一 測詴目的觀察用戶於支援載波聚合下之基地台換手至無載波聚合功能之基地台流程 二 測詴條件 DUT 支援載波聚合功能 (Cat.6) 以及支援 / 不支援載波聚合功能之基地台各一三 測詴步驟 1. 將 DUT 置於 CA 基地台 1 2. 將 DUT 利用 UDP 或 TCP 滿載 3. 將 DUT 慢慢移動至 Non-CA 基地台 2 並觀察其 Handover 流程 四 數據紀錄 L1 Message(M) L3 Message(M) PCC RRC Message(M) throughput enable duration UE category PCC/SCC:RSRP RSRQ SINR MCS TM mode RSSI CQI RI PRB 五 數據紀錄與分析數據紀錄與處理 : 觀察 DUT 之 L1 L3 Message 與 RRC 訊息, 觀察由 CA 至 Non-CA 基地台之 Handover 流程 六 預期結果藉由此測詴方式, 能成功由 CA 換手至 Non-CA 基地台 七 檢查點觀察 L3 與 RRC 訊息, 檢測各步驟訊息發送與接收是否完整 八 判斷方式藉由協定分析儀來確認各訊息之內容是否正確 備註或其他補充 L1 L3 Message 需要對應之軟體和硬體才能擷取該部分訊息 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 43 頁

48 測詴分類 : 效能測詴 功能測詴 其他驗證測詴編號 :MBATC 測詴項目 :Carrier aggregation 下 Handover 流程測詴分項 :CA handover CA 流程一 測詴目的觀察用戶於提供波聚合下之基地台換手流程 二 測詴條件 DUT 支援載波聚合功能 (Cat.6) 以及兩個支援載波聚合功能之基地台三 測詴步驟 1. 將 DUT 置於 CA 基地台 1 2. 將 DUT 利用 UDP 或 TCP 滿載 3. 將 DUT 慢慢移動至 CA 基地台 2 並觀察其 Handover 流程 四 數據紀錄 L1 Message(M) L3 Message(M) PCC RRC Message(M) throughput enable duration UE category PCC/SCC:RSRP RSRQ SINR MCS TM mode RSSI CQI RI PRB 五 數據紀錄與分析數據紀錄與處理 : 觀察 DUT 之 L1 L3 Message 與 RRC 訊息, 觀察皆提供載波聚合功能下之 Handover 流程 六 預期結果藉由此測詴方式, 能成功由 CA 換手至 CA 基地台 七 檢查點觀察 L3 與 RRC 訊息, 檢測各步驟訊息發送與接收是否完整 八 判斷方式藉由協定分析儀來確認各訊息之內容是否正確 備註或其他補充 L1 L3 Message 需要對應之軟體和硬體才能擷取該部分訊息 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 44 頁

49 測詴分類 : 效能測詴 功能測詴 其他驗證測詴編號 :MBATC 測詴項目 : CA 測詴分項 :Carrier aggregation 涵蓋率一 測詴目的比較各業者各區域之 CA 服務涵蓋範圍 二 測詴條件 DUT 支援載波聚合功能 (Cat.6) 三 測詴步驟 4. 利用 UDP 或 TCP 滿載來觸發 CA 功能 5. 利用 DT 來測詴各區域之 CA 觸發率 四 數據紀錄 GPS(M) PCC RRC(M) MNC(M) throughput(m) enable duration UE category PCC/SCC:RSRP RSRQ SINR MCS TM mode RSSI CQI RI PRB 五 數據紀錄與分析數據紀錄與處理 : 1. 資料收集圖表 DUT 區域 GPS PCC RRC (Configuration) 台北市 2. 記錄各縣市之 CA 涵蓋率及分佈圖 各業者 CA 涵蓋率 (%) = CA_Configured 之有效資料筆數所有有效資料數 100% 六 預期結果藉由此測詴方式來比較各業者與各縣市之載波聚合覆蓋率 七 檢查點檢查由路測設備紀錄之 CA_Configed 訊息來判斷該用戶於某地點是否配置成功 八 判斷方式觀察該欄位是否配置成功, 若成功該欄位則標記為 1 備註或其他補充無 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 45 頁

50 測詴分類 : 效能測詴 功能測詴 其他驗證測詴編號 :MBATC 測詴項目 : CA 測詴分項 :Carrier aggregation 激活率一 測詴目的比較各業者各區域之 CA 服務激活比率 二 測詴條件 DUT 支援載波聚合功能 (Cat.6) 三 測詴步驟 1. 利用 UDP 或 TCP 滿載來觸發 CA 功能 2. 利用 DT 來測詴各區域之 CA 激活率 四 數據紀錄 GPS(M) PCC RRC(M) MNC(M) throughput(m) enable duration UE category PCC/SCC:RSRP RSRQ SINR MCS TM mode RSSI CQI RI PRB 五 數據紀錄與分析數據紀錄與處理 : 1. 資料收集圖表 DUT 區域 GPS PCC RRC (Activation) 台北市 2. 記錄各縣市之 CA 激活率及分佈圖 各業者 CA 激活率 (%) = LTE_UE_Carrier_Num_DL 之有效資料筆數所有有效資料數 100% 六 預期結果藉由此測詴方式來比較各業者與各縣市之載波聚合激活率 七 檢查點檢查由路測設備紀錄之 LTE_UE_Carrier_Num_DL 訊息來判斷該用戶使用之載波單元 (CC) 數量八 判斷方式該載波單元值為 2, 則代表有激活載波聚合, 為 1 則為無激活之狀態 備註或其他補充無 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 46 頁

51 測詴分類 : 效能測詴 功能測詴 其他驗證測詴編號 :MBATC 測詴項目 : CA 測詴分項 :Carrier aggregation 頻譜使用效率一 測詴目的比較各業者於有 CA 和無 CA 之頻譜使用效率二 測詴條件 DUT 支援載波聚合功能 (Cat.6) 三 測詴步驟 1. 利用 UDP 或 TCP 滿載來觸發 CA 功能 2. 利用 DT 來測詴各區域之 CA 功能, 並紀錄其吞吐量 四 數據紀錄 GPS(M) PCC RRC(M) MNC(M) throughput(m) PRB(M) UE category PCC/SCC: RSRP RSRQ SINR MCS TM mode RSSI CQI RI 五 數據紀錄與分析數據紀錄與處理 : 1. 資料收集圖表 DUT 區域 GPS Throughput Total PRB 台北市 2. 計算頻譜效率 (PDSCH scheduled throughput/prb) 六 預期結果 with CA 頻譜效率 (bps/prb) = bps 1 + bps 1 PRB 1 + PRB 2 without CA 頻譜效率 (bps/prb) = bps PRB 1. With/Without CA 其頻譜使用效率在 MCS 相同下, 差距應該不大 2. 實際測量上, 則可能會有不同 MCS 之分配, 造成不同之頻譜效率 七 檢查點 紀錄 with/without 載波聚合下之各載波單元使用之 MCS, 並計算頻譜使用效率 八 判斷方式 藉由此方式能判斷載波聚合功能是否為一高頻譜效率之功能 備註或其他補充 無 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 47 頁

52 10. 問題查測載波聚合功能為一增加用戶吞吐量之功能, 為了提高用戶吞吐量, 載波聚合會佔用網路較多之頻譜資源, 如 PRB 等 假如網路中無法提供載波聚合之功能, 可能原因如下 : 用戶端 : 一. 該用戶並無足夠的資料需求量 二. 該用戶之終端設備不能與基地台之載波聚組合成功配置 (Configed) 三. 即使基地台有載波聚合功能, 但因不同頻率覆蓋範圍不一樣, 用戶不在雙載波皆覆蓋範圍下, 亦不能使用載波聚合功能, 因此載波聚合成功與否可能取決於用戶位子 業者基地台端 : 一. 業者基地台本身並無載波聚合功能 二. 業者並無雙載波頻段來提供聚合功能 三. 用戶與基地台配置失敗 四. SCC 訊號太差導致無法激活載波聚合功能 五. 基地台會控制載波聚合之用戶數, 來確保該站基地台資源不會被部分使用者佔用, 導致整體服務用戶大幅減少, 因此不激活符合載波聚合條件之用戶 [MBATC-004] 4G 網路服務品質驗證測詴案例 - 載波聚合 (CA) 第 48 頁

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