基于認知無線電的載波聚合技術

郭　璐，龍　飛，張文杰

(貴州大學 a.大數據與信息工程學院；b.智能信息處理研究所，貴州 貴陽 550025)

基于認知無線電的載波聚合技術

郭璐a,b，龍飛a,b，張文杰a,b

(貴州大學a.大數據與信息工程學院；b.智能信息處理研究所，貴州 貴陽 550025)

摘要:為了取得高達1 Gbit/s的峰值數據速率，3GPP LTE版本10引入載波聚合技術來擴展系統(tǒng)帶寬，使其高達100 MHz。同時，認知無線電技術的發(fā)展也將促進各種新興應用程序的發(fā)展，例如，公共安全、智能電網、寬帶蜂窩網絡等。因此，提出將載波聚合技術與認知無線電技術有效結合，利用載波聚合技術將使用認知無線電技術探測到的空閑頻譜進行聚合，并將這兩種技術協(xié)作得到的帶寬資源按比例公平算法進行分配，通過仿真結果驗證此項結合帶來的帶寬與傳輸速率的提高。毋庸置疑，此項創(chuàng)新將使未來無線通信發(fā)生革命性的變化。

關鍵詞:LTE-A；載波聚合；認知無線電；資源分配；無線寬帶移動通信系統(tǒng)

近年來，隨著移動通信技術的快速發(fā)展和移動通信用戶的快速增長，對無線寬帶服務的需求快速增長。為了克服這種矛盾，峰值數據速率的目標建立為低移動性下1Gbit/s和高移動性下100Mbit/s。為了獲取如此高的峰值數據速率，第三代合作伙伴計劃(the3rdGenerationPartnershipProject，3GPP)LTE版本10引入載波聚合技術[1-2]來擴展系統(tǒng)帶寬，使其高達100MHz。實際上，如此寬的連續(xù)頻譜是罕見的。載波聚合技術[3-5]最多可以同時聚合5個帶寬為20MHz的分量載波(ComponentCarriers，CC)來提供更高的頻譜效率和更好的服務質量(QualityofService，QoS)。

當前的頻譜分配基于控制哲學，也就是說頻譜的利用并不是任意的。然而，一些固定分配的頻譜(如電視廣播頻段)利用率非常低。認知無線電技術被認為是一項可以提高無線電頻譜利用率的關鍵技術[6-7]。CR技術[8-11]在充分利用稀缺頻譜方面發(fā)揮了重要作用。它可以支持快速增長的新興無線應用程序的帶寬需求，例如將電視廣播頻段用于智能電網、公共安全、寬帶蜂窩網絡，2 360～2 400MHz的醫(yī)學身體域網絡用于醫(yī)學應用[12]。

本文的創(chuàng)新之處在于載波聚合[13]與認知無線電[14]這兩項技術的結合。CA技術允許用戶終端使用通過多個載波聚合而獲得的有效帶寬。當授權用戶沒有占用帶寬時，CR技術允許用戶使用授權頻譜。因此，CA技術可以聚合那部分利用CR技術檢測到的頻譜空洞。通過有效地結合兩項關鍵技術，并對由此得到的帶寬資源按照比例公平算法分配給用戶，可以有效地提高用戶的數據傳輸速率，并運用MATLAB仿真軟件進行了驗證。

1CA與CR的結合

1.1載波聚合技術(CA)

由于無線頻譜資源短缺以及不可再生，世界各國都很難再找到連續(xù)的大帶寬，LTE-A演進過程中引入了載波聚合這項關鍵技術，載波聚合是一種可以幫助運營商充分利用零散頻譜資源、使單個用戶帶寬達到最大的創(chuàng)新技術。這就從技術上解決了LTE-A系統(tǒng)對100MHz大帶寬的需求，同時也提高了無線頻帶中零散頻譜的利用率。

載波聚合，顧名思義，就是將兩個或多個連續(xù)或不連續(xù)的頻譜聚合起來，提供高達100MHz的帶寬。

一般來說，載波聚合有3種不同的頻譜場景，如圖1所示[15-16]，被聚合的載波可以位于相鄰頻帶，也可位于不同的頻帶，由離散頻帶組成。被聚合的分量載波可以是大小相同的，也可以是大小不同的，但3GPP規(guī)定了分量載波大小的上限，聚合起來的每個分量載波最大為20MHz，最多可聚合5個載波。

圖1　載波聚合類型

1.2認知無線電技術(CR)

固定頻譜分配將射頻頻譜分為兩種類型：非授權頻段(UnauthorizedFrequencyBand，UFB)和授權頻段。與非授權頻段相比，授權頻段的頻譜資源要多很多，可是相當大數量的授權頻譜資源的利用率卻非常低。于是就出現(xiàn)了這樣的矛盾：某些部分的頻譜資源相對較少但其上承載的業(yè)務量卻很大，而另外一些已授權的頻譜資源利用率非常低，頻譜資源的利用非常不平衡，因此考慮是否能夠像“注水定理”那樣，均衡利用頻譜資源，使相對較寬的頻帶，運行相對較多的業(yè)務，或者相對空閑的頻帶，運行相對較多的業(yè)務。

由于頻譜資源不可再生，為了解決頻譜資源匱乏的問題，基本思路就是在頻譜資源不可增加的前提下盡可能提高現(xiàn)有頻譜的利用率。因此，人們開始考慮允許未授權用戶在對主用戶不構成干擾的前提下使用已分配的授權頻段，于是就提出了認知無線電的概念。認知無線電有幾種概念，其中一種比較典型的概念來自SiminHaykin教授，從信號處理的角度來講，他認為認知無線電技術就是一個智能的認知無線電系統(tǒng)，所謂智能，就是它可以感知外界的環(huán)境并從環(huán)境中進行學習，并自適應地改變某些參數(例如發(fā)射功率、調制方式等)來取得以下目標：人們可以在任何時間任何地點有效地利用頻譜資源來進行可靠的通信。

1.3CA與CR的結合

載波聚合與認知無線電技術是兩個非常重要的技術，它們的結合將為未來無線寬帶移動通信以及通信技術帶來歷史性的變化。CR技術被稱為無線通信領域的下一個大事件,它將有廣闊的應用前景。從LTE到LTE-A系統(tǒng)的演進過程中，影響演進最重要的因素是需要更寬的頻譜來提供更大的帶寬，從而提高數據速率。因此，3GPP提出了載波聚合技術，此項技術可以有效地聚合多個載波來獲取更大的帶寬，也可以將一些離散的頻譜或頻譜碎片聚合在一起。

事實上，CR技術是將頻譜從時間、空間和頻率層面上的重新利用和共享。使用CR技術的終端在特定的頻段進行檢測，如果發(fā)現(xiàn)當前的頻譜沒有被占用，那么非授權用戶可以使用該授權頻段，前提是不影響授權用戶。認知無線電技術的基本出發(fā)點就是：為了提高現(xiàn)有頻譜的利用率，具有認知功能的無線電通信設備可以按照某種特定的方式工作在已授權的頻段內，也就是說該無線通信設備是在授權頻段中“邊等待邊檢測”。當然，前提是要保證已授權頻段是空閑的，這種情況比較少，或者只有很少的通信業(yè)務在進行。這種在時域、頻域和空域中出現(xiàn)的可以被利用的頻譜資源被稱為“頻譜空洞”。“頻譜空洞”是可以使用的，認知無線電的核心思想就是賦予無線電通信設備一種能力，使它們能夠發(fā)現(xiàn)“頻譜空洞”并對其進行合理利用，提高頻譜利用率。

基于上述描述，當需要聚合兩個或兩個以上的載波時，該如何去選擇要聚合的載波是需要考慮的問題。CR技術可以檢測到“頻譜空洞”，而CA又可以聚合CR發(fā)現(xiàn)的頻譜，這是本篇文章的中心思想。眾所周知，頻譜資源是有限的、不可再生的，應該合理而充分地使用。CA與CR技術的創(chuàng)新結合將支持高數據速率并有效利用頻譜碎片。這一結合也將為未來通信行業(yè)的發(fā)展提供契機，尤其是對通信設備制造商。

2仿真結果與分析

本文中假設基站對6名移動用戶分配帶寬資源，根據用戶設備運行的應用程序將6名用戶分為兩類：實時應用用戶和延遲容忍用戶。根據比例公平分配算法，優(yōu)先對實時應用用戶分配帶寬資源。圖2所示為6名通信用戶的性能曲線，本文中假設聚合了兩個載波的資源并將其分配給6名用戶，并且用i表示用戶，ri表示對應于用戶i的數據傳輸速率，C1和C2分別表示第1、第2個載波，仿真結果如圖3至圖7所示。圖2中描述的是分別用不同的函數以及不同的參數來表示6名用戶，其中，通過設置Sigmoid函數中參數a與參數b的值來表示3名運行實時應用程序的用戶，類似地，通過設置Log函數中參數k的值來表示3名運行延遲容忍應用的用戶。

圖2　用戶模型

圖3與圖4描述的是兩個載波依次為3名用戶分配資源時，實時應用用戶所獲得的速率性能。其中，橫軸代表迭代次數，而縱軸代表運行實時應用程序的用戶速率，無論是第1個載波分配資源還是第2個載波分配資源，3名用戶的速率都是先增大后趨于平緩，不同的是第1個載波分配時，用戶獲得的速率較高。

圖3　第1個載波分配時，實時應用用戶的速率性能

圖4　第2個載波分配時，實時應用用戶的速率性能

圖5與圖6描述的是兩個載波依次為3名用戶分配資源時，延遲容忍用戶所獲得的速率性能。其中，橫軸代表迭代次數，而縱軸代表運行延遲容忍應用程序的用戶所獲得的速率，與實時應用用戶不同，第1個載波分配資源時，3名用戶的速率都是先下降后趨于平緩，這是因為第1個載波優(yōu)先對實時應用用戶分配資源；而第2個載波分配資源時，延遲容忍用戶的速率呈增長趨勢，這是因為實時應用用戶的速率已達到最大。

圖5　第1個載波分配時，延遲容忍用戶的速率性能

圖6　第2個載波分配時，延遲容忍用戶的速率性能

圖7　總速率性能

圖3與圖4表示了實時應用用戶的速率性能，圖5與圖6表示了延遲容忍用戶的速率性能，而圖7表示的是6名用戶的總速率性能。其中，圖3與圖5描述的是第1個載波分配時的速率性能，可以看出實時應用用戶的速率大約是呈增長狀態(tài)再趨于平穩(wěn)，而圖4與圖6描述的是第2個載波分配時的速率性能，可以看出延遲容忍用戶的速率是呈增長狀態(tài)，這與本文應用的比例公平算法優(yōu)先對實時應用用戶分配帶寬資源是相互對應的。圖7描述了載波聚合的真正目的和作用，因為用戶的總速率為兩個載波分別分配速率的加和，用戶的速率得到了明顯的提高，這一點正驗證了結論。

3開放性研究問題

對于一個頻段間，非連續(xù)的LTE-A系統(tǒng)，需要考慮的第一個問題是LTE-A系統(tǒng)中的終端設備天線設計。在給定的LTE-A網絡中，終端設備設計者必須事先知道CA技術聚合了哪些載波，以便設計用戶設備天線系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)實現(xiàn)難度和終端設備復雜度必須要考慮。

第二個問題是“掉話”問題。CR成為無線通信研究的一個熱門話題，世界各地的學者都在進行相關研究。但CR技術僅僅處于開始階段，有許多缺點需要克服。因為當使用CR技術時，首先應該維護授權用戶的優(yōu)先級，也就是說，任何時候，當授權用戶接入時，CR用戶要隨時準備釋放正在占用的頻譜，這將導致“掉話”問題。無線通信行業(yè)當然應該將用戶滿意度放在首位，所以這也是需要解決的問題。

此外，另一個問題是建立實現(xiàn)多個CR網絡共存的頻譜共享機制。當多個CR網絡檢測到相同的頻譜機會并且存在重疊覆蓋區(qū)域時，就要考慮頻譜機會的共享問題。如果每個CR網絡隨機地使用頻譜機會，CR網絡之間一定會相互干擾，用戶的通話質量等將受到嚴重影響。在這種情況下，如何消除CR系統(tǒng)之間的干擾，最大限度地利用頻譜機會并實現(xiàn)CR網絡之間的共存是一個值得關注的研究方向。

4結論

本文介紹了無線通信領域中兩個非常重要的技術，分別是載波聚合和認知無線電技術。載波聚合仍將是下一代通信系統(tǒng)中最重要的技術之一。認知無線電是無線電技術發(fā)展的下一個里程碑，該技術的應用將給無線通信技術帶來歷史性變化。隨著頻譜控制政策的開放、硬件平臺和認知無線電關鍵技術的發(fā)展，認知無線電技術在不久的將來會得到突破。本文提出的CA與CR的結合將會提高頻譜效率，也會給無線資源管理和無線接入市場帶來新的發(fā)展機遇和動機。最后，通過仿真結果證實了這兩項關鍵技術的結合的確可以為用戶提供更高的數據傳輸速率和更好的用戶體驗。

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郭璐(1990— )，女，碩士研究生，主研LTE-A系統(tǒng)中的關鍵技術、載波聚合、無線通信與智能信息處理；

龍飛(1973— )，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為復雜系統(tǒng)神經網絡控制與智能信息處理；

張文杰(1987— )，碩士研究生，主研通信信號處理，雷達信號處理。

責任編輯：許盈

Carrieraggregationtechnologybasedoncognitiveradio

GUOLua,b,LONGFeia,b,ZHANGWenjiea,b

(a.College of Big Data and Information Engineering;b.Institute of Intelligent Information Processing, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

Abstract:In order to achieve up to 1 Gbit/s peak data rate, 3GPP LTE Release 10 has introduced carrier aggregation (CA) to scale the system bandwidth up to 100 MHz as discussed elsewhere. Besides, the developments of cognitive radio (CR) will support various emerging applications. For example, public safety, smart grid, broadband cellular and so forth. So the effective combination of the carrier aggregation technology and cognitive radio technology is presented. The carrier aggregation technology is used to aggregate the free spectrum detected by cognitive radio technology. Then allocate the bandwidths got by the two technologies based on the proportional fair algorithm and the increased bandwidths and transmission rates are shown through the simulation results. There is no doubt that the innovation will make revolutionary change in the future wireless communication.

Key words:long term evolution-advanced；carrier aggregation；cognitive radio；resource allocation；wireless broadband mobile communications system

中圖分類號:TN929.5

文獻標志碼:B

DOI：10.16280/j.videoe.2016.04.013

基金項目：國家自然科學基金項目(61263005)；教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目(NCET-12-0657)；貴州大學研究生創(chuàng)新基金項目(2015080)

作者簡介：

收稿日期：2015-07-10

文獻引用格式：郭璐，龍飛，張文杰. 基于認知無線電的載波聚合技術[J].電視技術，2016，40(4)：60-64.

GUOL，LONGF，ZHANGWJ.Carrieraggregationtechnologybasedoncognitiveradio[J].Videoengineering，2016，40(4)：60-64.