基于認(rèn)知無線電的載波聚合技術(shù)

郭　璐，龍　飛，張文杰

(貴州大學(xué) a.大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院；b.智能信息處理研究所，貴州 貴陽 550025)

基于認(rèn)知無線電的載波聚合技術(shù)

郭璐a,b，龍飛a,b，張文杰a,b

(貴州大學(xué)a.大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院；b.智能信息處理研究所，貴州 貴陽 550025)

摘要:為了取得高達(dá)1 Gbit/s的峰值數(shù)據(jù)速率，3GPP LTE版本10引入載波聚合技術(shù)來擴(kuò)展系統(tǒng)帶寬，使其高達(dá)100 MHz。同時(shí)，認(rèn)知無線電技術(shù)的發(fā)展也將促進(jìn)各種新興應(yīng)用程序的發(fā)展，例如，公共安全、智能電網(wǎng)、寬帶蜂窩網(wǎng)絡(luò)等。因此，提出將載波聚合技術(shù)與認(rèn)知無線電技術(shù)有效結(jié)合，利用載波聚合技術(shù)將使用認(rèn)知無線電技術(shù)探測(cè)到的空閑頻譜進(jìn)行聚合，并將這兩種技術(shù)協(xié)作得到的帶寬資源按比例公平算法進(jìn)行分配，通過仿真結(jié)果驗(yàn)證此項(xiàng)結(jié)合帶來的帶寬與傳輸速率的提高。毋庸置疑，此項(xiàng)創(chuàng)新將使未來無線通信發(fā)生革命性的變化。

關(guān)鍵詞:LTE-A；載波聚合；認(rèn)知無線電；資源分配；無線寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)

近年來，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展和移動(dòng)通信用戶的快速增長(zhǎng)，對(duì)無線寬帶服務(wù)的需求快速增長(zhǎng)。為了克服這種矛盾，峰值數(shù)據(jù)速率的目標(biāo)建立為低移動(dòng)性下1Gbit/s和高移動(dòng)性下100Mbit/s。為了獲取如此高的峰值數(shù)據(jù)速率，第三代合作伙伴計(jì)劃(the3rdGenerationPartnershipProject，3GPP)LTE版本10引入載波聚合技術(shù)[1-2]來擴(kuò)展系統(tǒng)帶寬，使其高達(dá)100MHz。實(shí)際上，如此寬的連續(xù)頻譜是罕見的。載波聚合技術(shù)[3-5]最多可以同時(shí)聚合5個(gè)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(wù)質(zhì)量(QualityofService，QoS)。

當(dāng)前的頻譜分配基于控制哲學(xué)，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(rèn)知無線電技術(shù)被認(rèn)為是一項(xiàng)可以提高無線電頻譜利用率的關(guān)鍵技術(shù)[6-7]。CR技術(shù)[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(zhǎng)的新興無線應(yīng)用程序的帶寬需求，例如將電視廣播頻段用于智能電網(wǎng)、公共安全、寬帶蜂窩網(wǎng)絡(luò)，2 360～2 400MHz的醫(yī)學(xué)身體域網(wǎng)絡(luò)用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用[12]。

本文的創(chuàng)新之處在于載波聚合[13]與認(rèn)知無線電[14]這兩項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合。CA技術(shù)允許用戶終端使用通過多個(gè)載波聚合而獲得的有效帶寬。當(dāng)授權(quán)用戶沒有占用帶寬時(shí)，CR技術(shù)允許用戶使用授權(quán)頻譜。因此，CA技術(shù)可以聚合那部分利用CR技術(shù)檢測(cè)到的頻譜空洞。通過有效地結(jié)合兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)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(shù)據(jù)傳輸速率，并運(yùn)用MATLAB仿真軟件進(jìn)行了驗(yàn)證。

1CA與CR的結(jié)合

1.1載波聚合技術(shù)(CA)

由于無線頻譜資源短缺以及不可再生，世界各國(guó)都很難再找到連續(xù)的大帶寬，LTE-A演進(jìn)過程中引入了載波聚合這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，載波聚合是一種可以幫助運(yùn)營(yíng)商充分利用零散頻譜資源、使單個(gè)用戶帶寬達(dá)到最大的創(chuàng)新技術(shù)。這就從技術(shù)上解決了LTE-A系統(tǒng)對(duì)100MHz大帶寬的需求，同時(shí)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(gè)或多個(gè)連續(xù)或不連續(xù)的頻譜聚合起來，提供高達(dá)100MHz的帶寬。

一般來說，載波聚合有3種不同的頻譜場(chǎng)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(gè)分量載波最大為20MHz，最多可聚合5個(gè)載波。

圖1　載波聚合類型

1.2認(rèn)知無線電技術(shù)(CR)

固定頻譜分配將射頻頻譜分為兩種類型：非授權(quán)頻段(UnauthorizedFrequencyBand，UFB)和授權(quán)頻段。與非授權(quán)頻段相比，授權(quán)頻段的頻譜資源要多很多，可是相當(dāng)大數(shù)量的授權(quán)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(duì)較少但其上承載的業(yè)務(wù)量卻很大，而另外一些已授權(quán)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(duì)較寬的頻帶，運(yùn)行相對(duì)較多的業(yè)務(wù)，或者相對(duì)空閑的頻帶，運(yùn)行相對(duì)較多的業(yè)務(wù)。

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(quán)用戶在對(duì)主用戶不構(gòu)成干擾的前提下使用已分配的授權(quán)頻段，于是就提出了認(rèn)知無線電的概念。認(rèn)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(hào)處理的角度來講，他認(rèn)為認(rèn)知無線電技術(shù)就是一個(gè)智能的認(rèn)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(jìn)行學(xué)習(xí)，并自適應(yīng)地改變某些參數(shù)(例如發(fā)射功率、調(diào)制方式等)來取得以下目標(biāo)：人們可以在任何時(shí)間任何地點(diǎn)有效地利用頻譜資源來進(jìn)行可靠的通信。

1.3CA與CR的結(jié)合

載波聚合與認(rèn)知無線電技術(shù)是兩個(gè)非常重要的技術(shù)，它們的結(jié)合將為未來無線寬帶移動(dòng)通信以及通信技術(shù)帶來歷史性的變化。CR技術(shù)被稱為無線通信領(lǐng)域的下一個(gè)大事件,它將有廣闊的應(yīng)用前景。從LTE到LTE-A系統(tǒng)的演進(jìn)過程中，影響演進(jìn)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(shù)據(jù)速率。因此，3GPP提出了載波聚合技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)可以有效地聚合多個(gè)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(shí)上，CR技術(shù)是將頻譜從時(shí)間、空間和頻率層面上的重新利用和共享。使用CR技術(shù)的終端在特定的頻段進(jìn)行檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的頻譜沒有被占用，那么非授權(quán)用戶可以使用該授權(quán)頻段，前提是不影響授權(quán)用戶。認(rèn)知無線電技術(shù)的基本出發(fā)點(diǎn)就是：為了提高現(xiàn)有頻譜的利用率，具有認(rèn)知功能的無線電通信設(shè)備可以按照某種特定的方式工作在已授權(quán)的頻段內(nèi)，也就是說該無線通信設(shè)備是在授權(quán)頻段中“邊等待邊檢測(cè)”。當(dāng)然，前提是要保證已授權(quán)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(wù)在進(jìn)行。這種在時(shí)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(rèn)知無線電的核心思想就是賦予無線電通信設(shè)備一種能力，使它們能夠發(fā)現(xiàn)“頻譜空洞”并對(duì)其進(jìn)行合理利用，提高頻譜利用率。

基于上述描述，當(dāng)需要聚合兩個(gè)或兩個(gè)以上的載波時(shí)，該如何去選擇要聚合的載波是需要考慮的問題。CR技術(shù)可以檢測(cè)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(yīng)該合理而充分地使用。CA與CR技術(shù)的創(chuàng)新結(jié)合將支持高數(shù)據(jù)速率并有效利用頻譜碎片。這一結(jié)合也將為未來通信行業(yè)的發(fā)展提供契機(jī)，尤其是對(duì)通信設(shè)備制造商。

2仿真結(jié)果與分析

本文中假設(shè)基站對(duì)6名移動(dòng)用戶分配帶寬資源，根據(jù)用戶設(shè)備運(yùn)行的應(yīng)用程序?qū)?名用戶分為兩類：實(shí)時(shí)應(yīng)用用戶和延遲容忍用戶。根據(jù)比例公平分配算法，優(yōu)先對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)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(shè)聚合了兩個(gè)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(duì)應(yīng)于用戶i的數(shù)據(jù)傳輸速率，C1和C2分別表示第1、第2個(gè)載波，仿真結(jié)果如圖3至圖7所示。圖2中描述的是分別用不同的函數(shù)以及不同的參數(shù)來表示6名用戶，其中，通過設(shè)置Sigmoid函數(shù)中參數(shù)a與參數(shù)b的值來表示3名運(yùn)行實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的用戶，類似地，通過設(shè)置Log函數(shù)中參數(shù)k的值來表示3名運(yùn)行延遲容忍應(yīng)用的用戶。

圖2　用戶模型

圖3與圖4描述的是兩個(gè)載波依次為3名用戶分配資源時(shí)，實(shí)時(shí)應(yīng)用用戶所獲得的速率性能。其中，橫軸代表迭代次數(shù)，而縱軸代表運(yùn)行實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的用戶速率，無論是第1個(gè)載波分配資源還是第2個(gè)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(gè)載波分配時(shí)，用戶獲得的速率較高。

圖3　第1個(gè)載波分配時(shí)，實(shí)時(shí)應(yīng)用用戶的速率性能

圖4　第2個(gè)載波分配時(shí)，實(shí)時(shí)應(yīng)用用戶的速率性能

圖5與圖6描述的是兩個(gè)載波依次為3名用戶分配資源時(shí)，延遲容忍用戶所獲得的速率性能。其中，橫軸代表迭代次數(shù)，而縱軸代表運(yùn)行延遲容忍應(yīng)用程序的用戶所獲得的速率，與實(shí)時(shí)應(yīng)用用戶不同，第1個(gè)載波分配資源時(shí)，3名用戶的速率都是先下降后趨于平緩，這是因?yàn)榈?個(gè)載波優(yōu)先對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用用戶分配資源；而第2個(gè)載波分配資源時(shí)，延遲容忍用戶的速率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，這是因?yàn)閷?shí)時(shí)應(yīng)用用戶的速率已達(dá)到最大。

圖5　第1個(gè)載波分配時(shí)，延遲容忍用戶的速率性能

圖6　第2個(gè)載波分配時(shí)，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(shí)時(shí)應(yīng)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(gè)載波分配時(shí)的速率性能，可以看出實(shí)時(shí)應(yīng)用用戶的速率大約是呈增長(zhǎng)狀態(tài)再趨于平穩(wěn)，而圖4與圖6描述的是第2個(gè)載波分配時(shí)的速率性能，可以看出延遲容忍用戶的速率是呈增長(zhǎng)狀態(tài)，這與本文應(yīng)用的比例公平算法優(yōu)先對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用用戶分配帶寬資源是相互對(duì)應(yīng)的。圖7描述了載波聚合的真正目的和作用，因?yàn)橛脩舻目偹俾蕿閮蓚€(gè)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(diǎn)正驗(yàn)證了結(jié)論。

3開放性研究問題

對(duì)于一個(gè)頻段間，非連續(xù)的LTE-A系統(tǒng)，需要考慮的第一個(gè)問題是LTE-A系統(tǒng)中的終端設(shè)備天線設(shè)計(jì)。在給定的LTE-A網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備設(shè)計(jì)者必須事先知道CA技術(shù)聚合了哪些載波，以便設(shè)計(jì)用戶設(shè)備天線系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度和終端設(shè)備復(fù)雜度必須要考慮。

第二個(gè)問題是“掉話”問題。CR成為無線通信研究的一個(gè)熱門話題，世界各地的學(xué)者都在進(jìn)行相關(guān)研究。但CR技術(shù)僅僅處于開始階段，有許多缺點(diǎn)需要克服。因?yàn)楫?dāng)使用CR技術(shù)時(shí)，首先應(yīng)該維護(hù)授權(quán)用戶的優(yōu)先級(jí)，也就是說，任何時(shí)候，當(dāng)授權(quán)用戶接入時(shí)，CR用戶要隨時(shí)準(zhǔn)備釋放正在占用的頻譜，這將導(dǎo)致“掉話”問題。無線通信行業(yè)當(dāng)然應(yīng)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(gè)問題是建立實(shí)現(xiàn)多個(gè)CR網(wǎng)絡(luò)共存的頻譜共享機(jī)制。當(dāng)多個(gè)CR網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)到相同的頻譜機(jī)會(huì)并且存在重疊覆蓋區(qū)域時(shí)，就要考慮頻譜機(jī)會(huì)的共享問題。如果每個(gè)CR網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)地使用頻譜機(jī)會(huì)，CR網(wǎng)絡(luò)之間一定會(huì)相互干擾，用戶的通話質(zhì)量等將受到嚴(yán)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(jī)會(huì)并實(shí)現(xiàn)CR網(wǎng)絡(luò)之間的共存是一個(gè)值得關(guān)注的研究方向。

4結(jié)論

本文介紹了無線通信領(lǐng)域中兩個(gè)非常重要的技術(shù)，分別是載波聚合和認(rèn)知無線電技術(shù)。載波聚合仍將是下一代通信系統(tǒng)中最重要的技術(shù)之一。認(rèn)知無線電是無線電技術(shù)發(fā)展的下一個(gè)里程碑，該技術(shù)的應(yīng)用將給無線通信技術(shù)帶來歷史性變化。隨著頻譜控制政策的開放、硬件平臺(tái)和認(rèn)知無線電關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，認(rèn)知無線電技術(shù)在不久的將來會(huì)得到突破。本文提出的CA與CR的結(jié)合將會(huì)提高頻譜效率，也會(huì)給無線資源管理和無線接入市場(chǎng)帶來新的發(fā)展機(jī)遇和動(dòng)機(jī)。最后，通過仿真結(jié)果證實(shí)了這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的結(jié)合的確可以為用戶提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更好的用戶體驗(yàn)。

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郭璐(1990— )，女，碩士研究生，主研LTE-A系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)、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(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與智能信息處理；

張文杰(1987— )，碩士研究生，主研通信信號(hào)處理，雷達(dá)信號(hào)處理。

責(zé)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(hào):TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

DOI：10.16280/j.videoe.2016.04.013

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61263005)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(NCET-12-0657)；貴州大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2015080)

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015-07-10

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

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