載波聚合背景中的混合頻譜分配研究

江莎 江曉華 熊載禹

【摘要】 隨著無線通信的發展，研究提高頻譜利用率的方法是必然趨勢。本文研究載波聚合環境下的聯合頻譜分配。對分配前的頻譜可用性進行了詳細的評估分。實現了容量滿足下的載波聚合聯合頻譜分配。用MATLAB仿真工具驗證其優越性。

【關鍵詞】 載波聚合 分配算法

近來，無線網絡的快速發展刺激著人們對各種網絡應用的需求呈現爆炸式的增長，對傳輸帶寬和頻段提出了更高的要求。到2025 年，移動通信頻譜缺口將達到900MHz，頻譜資源十分緊張[1]。這些數據都說明必須不斷地尋求新的無線頻譜資源或新的能提高頻譜利用率的方法才能滿足日益增長的業務量需求。

2005年國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）發起了下一代無線通信系統的研究，并命名為IMT-Advance或4G移動系統[2]。按照標準制定， LTE-A在確保后向兼容性的同時，于 R10版本提出了對R8中設定的子載波（carrier components，CC）進行載波聚合（Carrier Aggregation，CA）方案。

利用載波聚合技術，可以把系統原有的和新得到的各種固定頻譜資源聚合在一起。這些新得到的資源，不僅可以來自于系統新分配的，也可來源自其他通信系統。

與此同時，認知無線技術（Cognitive radio，CR）在不同的網絡中發揮著重要作用。它為次用戶提供了動態頻譜接入（dynamic spectrum access ，DSA），有效的利用了主用戶的空白使用時間[3]。（圖1）

（a）是頻段內連續CA，（b）是頻段內非連續CA，（c）是頻段間非連續CA，（d）是頻段內連續的機會載波聚合OCA（Opportunity carrier components），（e）是頻段內非連續OCA，（f）是頻段間非連續OCA。

如圖所示，在LTE-A系統中，不論是連續的還是非連續的子載波CC都可以和由認知無線電發現的機會載波CCC一起聚合成大帶寬完成具體的信息傳輸。因此，R10版本以后，大多文獻的研究重點都集中在將認知無線電CR和載波聚合技術結合起來，共同開發更有效率的頻譜利用空間[4]。

但是由認知無線電CR和載波聚合CA帶來資源有效利用的同時，也帶來了無線資源頻譜復雜度的問題。從目前實際使用和研究來看，在頻譜資源利用方式上，主要有三種：靜態，即由國家固定分配所得或屬于未分配的共享頻段；半動態，即競拍所得；動態：即動態感知所得。為了獲得更大的傳輸帶寬必然面臨著將3種資源聯合。如果在載波聚合時采用頻譜資源聯合的使用方式，考并慮到業務需求、分析頻譜資源特征進行全網最優化的分配。則通信具備以下創新優點：獲取更多的頻譜資源；使得系統的總容量具有自適應調節能力，從而控制成本；提高業務的服務質量；環境適應性更強、頻譜評價更加科學；頻譜分配更優化更實用。

綜上所述，目前針對這三種頻譜資源的研究基本上都是單獨進行的，并且研究內容相對分散。只是很少考慮共存情況下的相關技術，尤其是聯合固定資源與競拍資源、聯合固定資源與動態頻譜資源、聯合三種資源下的關鍵技術研究。因此考慮聯合頻譜的共存機制，尤其是對頻譜的共有特性進行分析就變得尤為重要。

其中考慮參數信噪比SNR，帶寬Width，容量Capacity，主用戶到達率PAR，可用時長Time以及價格Price。具體而言，信噪比SNR和無線電傳播環境密切相關，為了比較方便在靜態、動態、競拍資源上的取值有所偏重，體現頻譜質量。其次帶寬的取值滿足載波聚合技術的基本子載波帶寬要求即1.4MHz，3.5MHz，5MHz，10MHz，15MHz[6]。在MIMO機制中由信噪比和帶寬共同決定信號的容量Capacity，此處MIMO_chantype_Capacity滿足瑞利分布下的MIMO容量求解。可用時長Time是頻譜在一個調度周期中即10ms表現出來的相對時間，在公式中顯示的是比例，所以反應的也是主用戶的到達率PAR。

而靜態頻譜和競拍頻譜由于不會涉及到切換，故而它們的主用戶到達率均為0。價格函數Price中，由于通過感知“頻譜空洞”伺機接入使用，不需要向主用戶支付費用，即動態頻譜的價格函數為0。靜態頻譜分配的價格參數一般由國家按照行政審批的方式分配給用戶。若Si表示一個無線通信系統每年向國家支付的單位頻譜金額，其使用周期為T，那么其周期內的使用價格Cclient為[5]：

競拍價格函數參照文獻[7]進行改進。由于在競價系統中存在懲罰性收費原則，用戶獲得的頻譜資源增多，其單位頻譜的價格也會隨之增高。因此加入非線性遞增后，重新定義頻譜價格。式中Pi表示單位頻譜的價格，fi則表示用戶i獲得的頻譜資源，f0表示頻譜數量，則競拍價格可以表示為[6]：

由此完成對混合頻譜池的建模。

分配過程由下概括：

1）通過可用性判別公式得到頻譜的優劣Kn，其中參數滿足，并按照大小排序，表達式中可直觀體現衡量頻譜可用性的思路。相對而言，信噪比大的，帶寬更寬的，可用時長長的，競價因子小的頻譜具有更高的可用性。

2）在可行性排序的基礎上進行載波的選擇，在不考慮連續性的基礎上通過以下要求，進行多元線性規劃，即在滿足已有排序的頻譜池里依次選取載波w1，w2，…wn直到他們的和滿足聚合帶寬，同時為了提高效率避免頻譜浪費函數即要求選擇初始頻譜時，容量恰好滿足需求，T≥0.1意味著可用時長滿足最基本的調度周期10ms，以此完成分配。

依據以上兩點流程對頻譜分配進行具體的仿真如下：

用容量來考察具體的分配成功與否，仿真如下，和隨機分配相比大大減少了失敗次數。雖然分配方法相對簡單，但是考慮到多種頻譜共存的分配環境，綜合考量之下，該分配方法能夠提供寬帶無線系統的容量。

參 考 文 獻

[1]Cisco，Mobile internet devices 'will outnumber humans this year， http：//www.guardian.co.uk/technology/2013/feb/07/mobile-internet-outnumber-people，2013

[2]飛象網，德勤：移動數據飆升將導致頻譜短缺及網速放緩，http：//labs.chinamobile.com/news/lte/89195，2013

[3]Yongju XIAN*，Wei DEND，Wen LI，Xueliang LIU.A Cooperative Game-Based Spectrum Allocation Approach in Cognitive Radio Networks，Journal of Computational Information Systems，Vol.9 （7），2013（FIRE： Future Internet Research and Experimentation [EB/OL].

[4]Shiwei Huang， Hongbin Chen， Feng zhao，et al.Aggregation Node selection for Cooperative Spectrum Sensing in Cognitive Radio Networks，pp.201-202，Feb.2013

[5]Guangxiang Yuan， Xiang Zhang ，Wenbo Wang. Carrier Aggregation for LTE-AdvancedMobile Communication Systems[J]. Communications Magazine， pp：88-93，February 2010

[6]Haeyoung Lee， Seiamak Vahid， and Klaus Moessner. A Survey of Radio Resource Management forSpectrum Aggregation in LTE-Advanced[J]. COMMUNICATIONS SURVEYS & TUTORIALS，ACCEPTED FOR PUBLICATION，2013，pp：1-16