基于动态频谱接入的载波聚合技术研究与实现*

周 娟,葛万成,汪亮友,林佳燕

(1.同济大学，上海 200092；2.上海中科联芯物联网技术有限公司，上海 201210)

基于动态频谱接入的载波聚合技术研究与实现*

周 娟1,葛万成1,汪亮友1,林佳燕2

(1.同济大学，上海 200092；2.上海中科联芯物联网技术有限公司，上海 201210)

以LTE-Advanced系统为研究背景，提出了一种基于动态频谱接入技术的载波聚合方案(DSA-CA)。该方案的主要思想是使支持载波聚合技术的eNB根据小区的平均负载自适应地调节聚合的载波数量，从而达到合理利用频谱的目的。通过对基于动态频谱接入技术的载波聚合方案在LTE-Advanced 系统中的性能进行仿真研究，结果表明:DSA-CA方案与传统载波聚合方案(CA)相比，可使系统性能在一定程度上得到提高，尤其当一个小区处于高负载、另一个小区处于低负载时，DSA-CA方案的优势更加明显，此时高负载小区系统吞吐量得到明显提高，低负载小区的频谱效率也显著上升。

动态频谱接入(DSA);载波聚合(CA);吞吐量;频谱效率

0 引 言

LTE-Advanced(Long Term Evolution-Advanced[1]作为3GPP LTE技术标准的增强版本，它能够提供更大的系统带宽，可获得更高的峰值数据速率和用户频谱效率。为了支持更多的用户业务，也为了满足第四代移动通信系统的性能要求，LTE-Advanced提出了载波聚合CA(Carrier Aggregation)技术，即将若干个带宽满足一定要求的载波聚合成100M的传输带宽，从而可以实现上行500Mbit/s、下行1Gbit/s的峰值数据速率。然而，目前无线频谱的静态管理策略将某些频谱固定分配给某些特定的通信系统，不支持多个通信系统的频谱动态调配，使得系统的可用带宽固定且有限，只能在其授权频谱上进行载波聚合，限制了载波聚合技术的优势。而基于认知无线电的动态频谱接入技术[2][3]的最大特点是能够自动搜寻并利用授权频段中的频谱空穴，根据一定的学习和决策算法，实时自适应地改变工作参数，能够将大量已分配但利用率较低的频谱动态合理地利用，解决频谱资源分配不均及匮乏的问题。

Qingzhan Zeng等[4]在2011年对LTE-A中基于动态频谱接入技术的载波聚合进行了深刻的分析讨论，并指出该场景下控制信令信道的设计至关重要，为了避免冲突和对主用户的干扰，该系统的不同成分载波CC(Component Carrier)上的控制信令在同一个专用的CC上进行联合编码传输，次用户从LTE-A授权CC中读取控制信息，并据此在机会接入的CC上进行数据传输。Vicente Osa等[5]在2012年首次将动态频谱接入技术应用到载波聚合中，但他并没有给出一个确切的概念来定义这种场景。而本文以 LTE-Advanced 系统为研究背景，针对提高系统吞吐量、提高频谱效率等问题提出了基于动态频谱接入技术的载波聚合方案。该方案的主要思想是使支持载波聚合技术的eNB根据小区的平均负载自适应地调节聚合的载波数量，从而达到合理利用频谱的目的。本文基于由宏小区macrocell以及微微小区picocell组成的异构网络场景，对基于动态频谱接入技术的载波聚合方案在LTE-Advanced 系统中的性能进行了仿真分析，结果表明：DSA-CA方案与传统载波聚合方案CA相比，能使系统性能在一定程度上得到提高。当一个小区处于高负载，另一个小区低负载时，DSA-CA方案的优势更加明显，此时高负载小区系统吞吐量得到明显提高，低负载小区的频谱效率也显著上升。

1 基于动态频谱接入的载波聚合方案(DSA-CA)

DSA-CA方案主要应用于支持载波聚合技术的LTE-Advanced系统。首先小区将进行带外频谱检测以获取可用频谱资源的信息，通过频谱空洞感知检测相邻某段授权频谱，判断该授权频谱的授权用户PU(Primary User)是否占用该频段，如果检测出该频段为空闲可用状态，则将其放入由频谱策略管理器SPS (Spectrum Policy Server)统一调度管理的载波池中，小区中的用户可从载波池中选取空闲成分载波作为激活CC与该小区的其他载波一起进行资源分配。为避免资源抢占以及死锁现象，小区将优先选择自身小区所拥有的频段。

如果小区配置了其他小区或者其他通信系统所拥有的频段，则用户在该频段建立通信后，还要在该载波上进行频带内的周期性频谱检测。如果出现属于该成分载波所属的通信系统的用户出现在该载波上，那么小区必须释放该成分载波，以免影响到这些用户。小区释放该成分载波之后，将根据需求从频谱池中选取其他可用载波进行聚合。

成分载波的激活以及解除均由媒体访问控制MAC(Media Access Control)层控制，响应时间在几个毫秒的范围内。在激活或者解除成分载波之后，SPS将会更新频谱池。DSA-CA方案的具体流程如图1所示。

图1 DSA-CA方案具体流程

DSA-CA方案能够使基站在小区负载较低时释放空闲的频谱资源，以便其他需要额外频谱资源的系统能够共享这些空闲频谱；在小区负载较高时，DSA-CA将允许基站在有不属于自身的频谱资源出现空闲时也能够将其加以利用。因此，DSA-CA方案将非常适用于两个或者多个运营商同时提供服务的地域。

2 基于动态频谱接入的载波聚合方案仿真实现

DSA-CA方案适合多运营商应用场景。运营商之间通过共享频谱资源，能够到达提高频谱利用率的目的。为了实现对DSA-CA方案在LTE-Advanced系统中的性能评估，本文使用了基于Matlab R2011b的LTE-Advanced系统级仿真平台[8]进行仿真。

本文的仿真基于由macrocell以及picocell组成的异构网络场景，Macrocell提供基本的网络覆盖，Picocell则提供高容量以及高数据传输速率。仿真采用7个宏小区拓扑结构，每个宏小区分为3个扇区，假设扇区天线的方向都是理想状态，不会发生扇区泄露。此外还有7个picocell分布在不同的宏小区内。为了模拟多运营商场景，macrocell和picocell所处频段不同。假设macrocell和picocell各自3个载波用于载波聚合。出于频谱资源安全性考虑，双方共享其中2个载波，用于支持DSA-CA方案。

3 仿真结果与分析

为了对DSA-CA方案在LTE-Advanced系统中的系统性能进行评估，本节将在满负荷Full Buffer业务模式[11]下，对各picocell中分别均匀分布10、20、30、40、50、60、70个用户的情况进行仿真。并将结果与一般情况下的CA，即不使用动态载波数量调整，固定在picocell中使用3个CC进行载波聚合的情况进行比对。

表1 信道模型基本参数

如图2所示，CA方案在用户数量不同时，picocell固定激活3个CC。与之相比，DSA-CA方案根据其原理，在用户数量较少，即小区负载相对较低时，激活的CC数量减少，在小区负载较高时，激活更多的CC，以满足用户的需求。

图2 激活的载波数量

如图3所示，在CA方案下，小区负载随着用户数量增加而增加，在用户达到一定数量时，小区负载增速放缓并逐渐接近1。当小区用户数量较少时，小区负载只有不到0.2，因此该小区中会存在大量空闲资源没有被使用。在DSA-CA方案下，picocell根据小区的负载高低动态改变激活的CC数量，因此小区负载基本保持在0.8左右。由于无论如何picocell中会至少激活一个CC，因此当小区用户数很低时，小区负载也会较低。

图3 小区负载

如图4所示，相对于CA方案，DSA-CA在小区用户数量较多时，能够显著地提高系统的吞吐量。此时由于小区负载较高，picocell将会激活更多的CC，提高了系统的带宽，因此系统吞吐量得到了提高。当小区用户数量较少时，激活的CC数量将会减少，所以在此情况下，DSA-CA方案的系统吞吐量与CA相比会有减小，但是从仿真结果可以看出，减小的数量并不明显，而在高负载情况下，系统吞吐量能够得到显著提高。

图4 系统吞吐量

如图5所示，在小区用户数较多即小区负载较高时，相对于CA方案，DSA-CA方案下的频谱效率存在一定程度的降低，这是由于小区负载较高时，DSA-CA方案激活了相对于CA方案更多的CC，使得接入带宽增加，虽然根据图4，此时DSA-CA系统的吞吐量比CA更高，但是整体而言频谱效率还是降低了。在小区用户数较低时，由于接入的CC数量减少，因此频谱效率得到了明显地提高，此时空闲的资源能够提供给需要更多资源的小区使用。

图5 频谱效率

4 结 语

由仿真结果可知，在DSA-CA方案下，对于负载高的小区，SPS将激活更多的CC，此时小区带宽也得到提高。在这种情况下，一个时隙内分配给该小区的资源块数量增加，因此系统的吞吐量随之得到显著提高。但是由于系统接入带宽增加的程度比吞吐量提高的程度要明显，所以与之同时，频谱效率有一定程度的降低。对于负载较低的小区，激活的CC数量少于CA方案，因此系统的吞吐量相对于CA有所下降，但从图4可以看出下降的程度并不明显。并且由于此时接入带宽明显下降，DSA-CA在负载较低的情况下使得频谱效率得到极大提高，多余的空闲资源还能够共享给其他需要更多资源的小区利用。因此，DSA-CA方案与CA相比较是吞吐量与频谱效率之间的互换，在高负载时牺牲频谱效率换取系统吞吐量，在低负载时牺牲吞吐量换取频谱效率。但是从仿真结果可以看出，高负载时吞吐量的增加明显大于低负载时吞吐量的减少，高负载时频谱效率的下降也没有低负载频谱效率的提高明显。除此之外，DSA-CA更加重要的一个优点就是当系统负载低时，多余的资源能够共享给有需求的小区。因此，总体而言，DSA-CA与CA相比较性能上还是有一定程度的提高。

[1] 万彭, 杜志敏. LTE和LTE-Advanced关键技术综述[J]. 现代电信科技, 2009, 39(9):33-36.DOI:10.3969/j.issn.1002-5316.2009.09.008. WAN Peng, DU Zhi-min. The Key Technologies of LTE and LTE-Advanced [J].Modern Telecommunications Technology, 2009, 39(9):33-36. DOI:10.3969/j.issn.1002-5316.2009.09.008.

[2] GAO Hu-ping， ZHANG Ji-nan．Semi-JUS Method for Carrier Aggregation in LTE-Advanced Systems. IEEE IC-NIDC 2012，Beijing，2012：631-635.

[3] YUAN Guang-xiang，ZHANG Xiang，WANG Wen-bo．Carrier Aggregation for LTE-Advanced Mobile Communication Systems[J]．Beijing Univ. of Posts & Telecommun.，Beijing, China-Communications Magazine，2010，48(2)：88-93.

[4] ZENG Qing-zhan， SHI Zhi-ping，WANG Wen-tao, et al. Analyses of Interferences Between Component Carriers in Carrier Aggregation. 2011 Third International Conference on Communications and Mobile Computing, April 2011:420-423.

[5] Vicente O，Carlos H，Jose F. Implementing Opportunistic Spectrum Access in LTE-advanced.EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking 2012.2012，99：1-17.

[6] Naranjo J，Viering I．A Cognitive Radio based Dynamic Spectrum Access Scheme for LTE Heterogeneous Networks. Wireless Telecommunications Symposium (WTS).2012：1-7.

[7] 刘元，彭端，陈楚.认知无线电的关键技术和应用研究[J].通信技术.2007,40(07):50-52. LIU Yuan，PENG Duan，CHEN Chu. Critical Technology and Applied Research of Cognitive Radio [J].Communications Technology.2007,40(07):50-52.

[8] 蒙玎, 张祖凡, 温林海. LTE-advanced系统级仿真方法与实现[J]. 重庆邮电大学学报：自然科学版, 2011, 23(6):654-660.DOI:10.3979/j.issn.1673-825X.2011.06.002. MENG Ding, ZHANG Zu-fan, WEN Lin-hai.LTE-Advanced System-Level Simulation and Implementation[J]. Academic Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications：Natural Science, 2011,23(6):654-660.DOI:10.3979/j.issn.1673-825X.2011.06.002.

[9] 聂明明. 基于极端学习机的MIMO-OFDM系统信道均衡方法研究[D]. 兰州大学, 2014. NIE Ming-ming.Equalization Methods of MIMO-OFDM System Channel based on Extreme Learning Machine. Lanzhou University, 2014.

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.09.014

Research and Implementation of Carrier Aggregation Technology based on Dynamic Spectrum Access

ZHOU Juan1, GE Wan-cheng1, WANG Liang-you1, LIN Jia-yan2

(1.Tongji University,Shanghai 200092,China; 2.Shanghai Unicore Technology of IOT Co.,Ltd,Shanghai 201210,China)

With LTE-Advanced system as the research background, a DSA-CA (Carrier Aggregation based on Dynamic Spectrum Access) scheme is proposed. The main idea of this scheme is to adaptively adjust polymerized carriers amount in accordance with the average load of the cells at eNB in support of carrier aggregation technology, thus to achieve rational utilization of spectrum. The performance of carrier aggregation scheme based on DSA-CA in LTE-Advanced system is simulated and researched, and the experiment result indicates that compared with traditional CA scheme, DSA-CA improves system performance to a certain degree. Especially on the condition that one cell is at high loads and the other at low loads, DSA-CA scheme enjoys more obvious superiority, and the throughput of the high-loaded cell is obviously enhanced, while spectral efficiency of the low-loaded cell significantly raised.

DSA (Dynamic Spectrum Access);CA (Carrier Aggregation);throughput;spectral efficiency

2015-04-11；

2015-07-11 Received date:2015-04-11；Revised date：2015-07-11

上海市科学技术委员会科研项目(No.14DZ1101400)

Foundation Item:Shanghai Science and Technology Committce Scientifiz Research Project(No.14DZ1101400)

TN919.3

A

1002-0802(2015)09-1053-05

江坤. 低轮廓天线尺寸缩减技术研究[D]. 杭州电子科技大学.2011.

10.7666/d.y2064965. JIANG Kun. Research of Low Profile Antenna Size Reduction Technology [D]. Hangzhou University of Electronic Science and Technology. 2011.DOI:10.7666/d.y2064965.

周 娟(1992—)，女，硕士研究生，主要研究方向为信号与信息处理；

葛万成(1964—)，男，博士，教授，主要研究方向为信号与信息处理。

[11] 郑立芝. LTE-A下行链路干扰抑制的研究[D]. 北京邮电大学, 2011. ZHENG Li-zhi. Research of LTE-A Downlink Interference Suppression [D]. Beijing University of Posts and Telecommunications, 2011.