载波聚合背景中的混合频谱分配研究

江莎 江晓华 熊载禹

【摘要】 随着无线通信的发展，研究提高频谱利用率的方法是必然趋势。本文研究载波聚合环境下的联合频谱分配。对分配前的频谱可用性进行了详细的评估分。实现了容量满足下的载波聚合联合频谱分配。用MATLAB仿真工具验证其优越性。

【关键词】 载波聚合 分配算法

近来，无线网络的快速发展刺激着人们对各种网络应用的需求呈现爆炸式的增长，对传输带宽和频段提出了更高的要求。到2025 年，移动通信频谱缺口将达到900MHz，频谱资源十分紧张[1]。这些数据都说明必须不断地寻求新的无线频谱资源或新的能提高频谱利用率的方法才能满足日益增长的业务量需求。

2005年国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）发起了下一代无线通信系统的研究，并命名为IMT-Advance或4G移动系统[2]。按照标准制定， LTE-A在确保后向兼容性的同时，于 R10版本提出了对R8中设定的子载波（carrier components，CC）进行载波聚合（Carrier Aggregation，CA）方案。

利用载波聚合技术，可以把系统原有的和新得到的各种固定频谱资源聚合在一起。这些新得到的资源，不仅可以来自于系统新分配的，也可来源自其他通信系统。

与此同时，认知无线技术（Cognitive radio，CR）在不同的网络中发挥着重要作用。它为次用户提供了动态频谱接入（dynamic spectrum access ，DSA），有效的利用了主用户的空白使用时间[3]。（图1）

（a）是频段内连续CA，（b）是频段内非连续CA，（c）是频段间非连续CA，（d）是频段内连续的机会载波聚合OCA（Opportunity carrier components），（e）是频段内非连续OCA，（f）是频段间非连续OCA。

如图所示，在LTE-A系统中，不论是连续的还是非连续的子载波CC都可以和由认知无线电发现的机会载波CCC一起聚合成大带宽完成具体的信息传输。因此，R10版本以后，大多文献的研究重点都集中在将认知无线电CR和载波聚合技术结合起来，共同开发更有效率的频谱利用空间[4]。

但是由认知无线电CR和载波聚合CA带来资源有效利用的同时，也带来了无线资源频谱复杂度的问题。从目前实际使用和研究来看，在频谱资源利用方式上，主要有三种：静态，即由国家固定分配所得或属于未分配的共享频段；半动态，即竞拍所得；动态：即动态感知所得。为了获得更大的传输带宽必然面临着将3种资源联合。如果在载波聚合时采用频谱资源联合的使用方式，考并虑到业务需求、分析频谱资源特征进行全网最优化的分配。则通信具备以下创新优点：获取更多的频谱资源；使得系统的总容量具有自适应调节能力，从而控制成本；提高业务的服务质量；环境适应性更强、频谱评价更加科学；频谱分配更优化更实用。

综上所述，目前针对这三种频谱资源的研究基本上都是单独进行的，并且研究内容相对分散。只是很少考虑共存情况下的相关技术，尤其是联合固定资源与竞拍资源、联合固定资源与动态频谱资源、联合三种资源下的关键技术研究。因此考虑联合频谱的共存机制，尤其是对频谱的共有特性进行分析就变得尤为重要。

其中考虑参数信噪比SNR，带宽Width，容量Capacity，主用户到达率PAR，可用时长Time以及价格Price。具体而言，信噪比SNR和无线电传播环境密切相关，为了比较方便在静态、动态、竞拍资源上的取值有所偏重，体现频谱质量。其次带宽的取值满足载波聚合技术的基本子载波带宽要求即1.4MHz，3.5MHz，5MHz，10MHz，15MHz[6]。在MIMO机制中由信噪比和带宽共同决定信号的容量Capacity，此处MIMO_chantype_Capacity满足瑞利分布下的MIMO容量求解。可用时长Time是频谱在一个调度周期中即10ms表现出来的相对时间，在公式中显示的是比例，所以反应的也是主用户的到达率PAR。

而静态频谱和竞拍频谱由于不会涉及到切换，故而它们的主用户到达率均为0。价格函数Price中，由于通过感知“频谱空洞”伺机接入使用，不需要向主用户支付费用，即动态频谱的价格函数为0。静态频谱分配的价格参数一般由国家按照行政审批的方式分配给用户。若Si表示一个无线通信系统每年向国家支付的单位频谱金额，其使用周期为T，那么其周期内的使用价格Cclient为[5]：

竞拍价格函数参照文献[7]进行改进。由于在竞价系统中存在惩罚性收费原则，用户获得的频谱资源增多，其单位频谱的价格也会随之增高。因此加入非线性递增后，重新定义频谱价格。式中Pi表示单位频谱的价格，fi则表示用户i获得的频谱资源，f0表示频谱数量，则竞拍价格可以表示为[6]：

由此完成对混合频谱池的建模。

分配过程由下概括：

1）通过可用性判别公式得到频谱的优劣Kn，其中参数满足，并按照大小排序，表达式中可直观体现衡量频谱可用性的思路。相对而言，信噪比大的，带宽更宽的，可用时长长的，竞价因子小的频谱具有更高的可用性。

2）在可行性排序的基础上进行载波的选择，在不考虑连续性的基础上通过以下要求，进行多元线性规划，即在满足已有排序的频谱池里依次选取载波w1，w2，…wn直到他们的和满足聚合带宽，同时为了提高效率避免频谱浪费函数即要求选择初始频谱时，容量恰好满足需求，T≥0.1意味着可用时长满足最基本的调度周期10ms，以此完成分配。

依据以上两点流程对频谱分配进行具体的仿真如下：

用容量来考察具体的分配成功与否，仿真如下，和随机分配相比大大减少了失败次数。虽然分配方法相对简单，但是考虑到多种频谱共存的分配环境，综合考量之下，该分配方法能够提供宽带无线系统的容量。

参 考 文 献

[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]飞象网，德勤：移动数据飙升将导致频谱短缺及网速放缓，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