基于认知无线电的载波聚合技术

郭　璐，龙　飞，张文杰

(贵州大学 a.大数据与信息工程学院；b.智能信息处理研究所，贵州 贵阳 550025)

基于认知无线电的载波聚合技术

郭璐a,b，龙飞a,b，张文杰a,b

(贵州大学a.大数据与信息工程学院；b.智能信息处理研究所，贵州 贵阳 550025)

摘要:为了取得高达1 Gbit/s的峰值数据速率，3GPP LTE版本10引入载波聚合技术来扩展系统带宽，使其高达100 MHz。同时，认知无线电技术的发展也将促进各种新兴应用程序的发展，例如，公共安全、智能电网、宽带蜂窝网络等。因此，提出将载波聚合技术与认知无线电技术有效结合，利用载波聚合技术将使用认知无线电技术探测到的空闲频谱进行聚合，并将这两种技术协作得到的带宽资源按比例公平算法进行分配，通过仿真结果验证此项结合带来的带宽与传输速率的提高。毋庸置疑，此项创新将使未来无线通信发生革命性的变化。

关键词:LTE-A；载波聚合；认知无线电；资源分配；无线宽带移动通信系统

近年来，随着移动通信技术的快速发展和移动通信用户的快速增长，对无线宽带服务的需求快速增长。为了克服这种矛盾，峰值数据速率的目标建立为低移动性下1Gbit/s和高移动性下100Mbit/s。为了获取如此高的峰值数据速率，第三代合作伙伴计划(the3rdGenerationPartnershipProject，3GPP)LTE版本10引入载波聚合技术[1-2]来扩展系统带宽，使其高达100MHz。实际上，如此宽的连续频谱是罕见的。载波聚合技术[3-5]最多可以同时聚合5个带宽为20MHz的分量载波(ComponentCarriers，CC)来提供更高的频谱效率和更好的服务质量(QualityofService，QoS)。

当前的频谱分配基于控制哲学，也就是说频谱的利用并不是任意的。然而，一些固定分配的频谱(如电视广播频段)利用率非常低。认知无线电技术被认为是一项可以提高无线电频谱利用率的关键技术[6-7]。CR技术[8-11]在充分利用稀缺频谱方面发挥了重要作用。它可以支持快速增长的新兴无线应用程序的带宽需求，例如将电视广播频段用于智能电网、公共安全、宽带蜂窝网络，2 360～2 400MHz的医学身体域网络用于医学应用[12]。

本文的创新之处在于载波聚合[13]与认知无线电[14]这两项技术的结合。CA技术允许用户终端使用通过多个载波聚合而获得的有效带宽。当授权用户没有占用带宽时，CR技术允许用户使用授权频谱。因此，CA技术可以聚合那部分利用CR技术检测到的频谱空洞。通过有效地结合两项关键技术，并对由此得到的带宽资源按照比例公平算法分配给用户，可以有效地提高用户的数据传输速率，并运用MATLAB仿真软件进行了验证。

1CA与CR的结合

1.1载波聚合技术(CA)

由于无线频谱资源短缺以及不可再生，世界各国都很难再找到连续的大带宽，LTE-A演进过程中引入了载波聚合这项关键技术，载波聚合是一种可以帮助运营商充分利用零散频谱资源、使单个用户带宽达到最大的创新技术。这就从技术上解决了LTE-A系统对100MHz大带宽的需求，同时也提高了无线频带中零散频谱的利用率。

载波聚合，顾名思义，就是将两个或多个连续或不连续的频谱聚合起来，提供高达100MHz的带宽。

一般来说，载波聚合有3种不同的频谱场景，如图1所示[15-16]，被聚合的载波可以位于相邻频带，也可位于不同的频带，由离散频带组成。被聚合的分量载波可以是大小相同的，也可以是大小不同的，但3GPP规定了分量载波大小的上限，聚合起来的每个分量载波最大为20MHz，最多可聚合5个载波。

图1　载波聚合类型

1.2认知无线电技术(CR)

固定频谱分配将射频频谱分为两种类型：非授权频段(UnauthorizedFrequencyBand，UFB)和授权频段。与非授权频段相比，授权频段的频谱资源要多很多，可是相当大数量的授权频谱资源的利用率却非常低。于是就出现了这样的矛盾：某些部分的频谱资源相对较少但其上承载的业务量却很大，而另外一些已授权的频谱资源利用率非常低，频谱资源的利用非常不平衡，因此考虑是否能够像“注水定理”那样，均衡利用频谱资源，使相对较宽的频带，运行相对较多的业务，或者相对空闲的频带，运行相对较多的业务。

由于频谱资源不可再生，为了解决频谱资源匮乏的问题，基本思路就是在频谱资源不可增加的前提下尽可能提高现有频谱的利用率。因此，人们开始考虑允许未授权用户在对主用户不构成干扰的前提下使用已分配的授权频段，于是就提出了认知无线电的概念。认知无线电有几种概念，其中一种比较典型的概念来自SiminHaykin教授，从信号处理的角度来讲，他认为认知无线电技术就是一个智能的认知无线电系统，所谓智能，就是它可以感知外界的环境并从环境中进行学习，并自适应地改变某些参数(例如发射功率、调制方式等)来取得以下目标：人们可以在任何时间任何地点有效地利用频谱资源来进行可靠的通信。

1.3CA与CR的结合

载波聚合与认知无线电技术是两个非常重要的技术，它们的结合将为未来无线宽带移动通信以及通信技术带来历史性的变化。CR技术被称为无线通信领域的下一个大事件,它将有广阔的应用前景。从LTE到LTE-A系统的演进过程中，影响演进最重要的因素是需要更宽的频谱来提供更大的带宽，从而提高数据速率。因此，3GPP提出了载波聚合技术，此项技术可以有效地聚合多个载波来获取更大的带宽，也可以将一些离散的频谱或频谱碎片聚合在一起。

事实上，CR技术是将频谱从时间、空间和频率层面上的重新利用和共享。使用CR技术的终端在特定的频段进行检测，如果发现当前的频谱没有被占用，那么非授权用户可以使用该授权频段，前提是不影响授权用户。认知无线电技术的基本出发点就是：为了提高现有频谱的利用率，具有认知功能的无线电通信设备可以按照某种特定的方式工作在已授权的频段内，也就是说该无线通信设备是在授权频段中“边等待边检测”。当然，前提是要保证已授权频段是空闲的，这种情况比较少，或者只有很少的通信业务在进行。这种在时域、频域和空域中出现的可以被利用的频谱资源被称为“频谱空洞”。“频谱空洞”是可以使用的，认知无线电的核心思想就是赋予无线电通信设备一种能力，使它们能够发现“频谱空洞”并对其进行合理利用，提高频谱利用率。

基于上述描述，当需要聚合两个或两个以上的载波时，该如何去选择要聚合的载波是需要考虑的问题。CR技术可以检测到“频谱空洞”，而CA又可以聚合CR发现的频谱，这是本篇文章的中心思想。众所周知，频谱资源是有限的、不可再生的，应该合理而充分地使用。CA与CR技术的创新结合将支持高数据速率并有效利用频谱碎片。这一结合也将为未来通信行业的发展提供契机，尤其是对通信设备制造商。

2仿真结果与分析

本文中假设基站对6名移动用户分配带宽资源，根据用户设备运行的应用程序将6名用户分为两类：实时应用用户和延迟容忍用户。根据比例公平分配算法，优先对实时应用用户分配带宽资源。图2所示为6名通信用户的性能曲线，本文中假设聚合了两个载波的资源并将其分配给6名用户，并且用i表示用户，ri表示对应于用户i的数据传输速率，C1和C2分别表示第1、第2个载波，仿真结果如图3至图7所示。图2中描述的是分别用不同的函数以及不同的参数来表示6名用户，其中，通过设置Sigmoid函数中参数a与参数b的值来表示3名运行实时应用程序的用户，类似地，通过设置Log函数中参数k的值来表示3名运行延迟容忍应用的用户。

图2　用户模型

图3与图4描述的是两个载波依次为3名用户分配资源时，实时应用用户所获得的速率性能。其中，横轴代表迭代次数，而纵轴代表运行实时应用程序的用户速率，无论是第1个载波分配资源还是第2个载波分配资源，3名用户的速率都是先增大后趋于平缓，不同的是第1个载波分配时，用户获得的速率较高。

图3　第1个载波分配时，实时应用用户的速率性能

图4　第2个载波分配时，实时应用用户的速率性能

图5与图6描述的是两个载波依次为3名用户分配资源时，延迟容忍用户所获得的速率性能。其中，横轴代表迭代次数，而纵轴代表运行延迟容忍应用程序的用户所获得的速率，与实时应用用户不同，第1个载波分配资源时，3名用户的速率都是先下降后趋于平缓，这是因为第1个载波优先对实时应用用户分配资源；而第2个载波分配资源时，延迟容忍用户的速率呈增长趋势，这是因为实时应用用户的速率已达到最大。

图5　第1个载波分配时，延迟容忍用户的速率性能

图6　第2个载波分配时，延迟容忍用户的速率性能

图7　总速率性能

图3与图4表示了实时应用用户的速率性能，图5与图6表示了延迟容忍用户的速率性能，而图7表示的是6名用户的总速率性能。其中，图3与图5描述的是第1个载波分配时的速率性能，可以看出实时应用用户的速率大约是呈增长状态再趋于平稳，而图4与图6描述的是第2个载波分配时的速率性能，可以看出延迟容忍用户的速率是呈增长状态，这与本文应用的比例公平算法优先对实时应用用户分配带宽资源是相互对应的。图7描述了载波聚合的真正目的和作用，因为用户的总速率为两个载波分别分配速率的加和，用户的速率得到了明显的提高，这一点正验证了结论。

3开放性研究问题

对于一个频段间，非连续的LTE-A系统，需要考虑的第一个问题是LTE-A系统中的终端设备天线设计。在给定的LTE-A网络中，终端设备设计者必须事先知道CA技术聚合了哪些载波，以便设计用户设备天线系统。因此，系统实现难度和终端设备复杂度必须要考虑。

第二个问题是“掉话”问题。CR成为无线通信研究的一个热门话题，世界各地的学者都在进行相关研究。但CR技术仅仅处于开始阶段，有许多缺点需要克服。因为当使用CR技术时，首先应该维护授权用户的优先级，也就是说，任何时候，当授权用户接入时，CR用户要随时准备释放正在占用的频谱，这将导致“掉话”问题。无线通信行业当然应该将用户满意度放在首位，所以这也是需要解决的问题。

此外，另一个问题是建立实现多个CR网络共存的频谱共享机制。当多个CR网络检测到相同的频谱机会并且存在重叠覆盖区域时，就要考虑频谱机会的共享问题。如果每个CR网络随机地使用频谱机会，CR网络之间一定会相互干扰，用户的通话质量等将受到严重影响。在这种情况下，如何消除CR系统之间的干扰，最大限度地利用频谱机会并实现CR网络之间的共存是一个值得关注的研究方向。

4结论

本文介绍了无线通信领域中两个非常重要的技术，分别是载波聚合和认知无线电技术。载波聚合仍将是下一代通信系统中最重要的技术之一。认知无线电是无线电技术发展的下一个里程碑，该技术的应用将给无线通信技术带来历史性变化。随着频谱控制政策的开放、硬件平台和认知无线电关键技术的发展，认知无线电技术在不久的将来会得到突破。本文提出的CA与CR的结合将会提高频谱效率，也会给无线资源管理和无线接入市场带来新的发展机遇和动机。最后，通过仿真结果证实了这两项关键技术的结合的确可以为用户提供更高的数据传输速率和更好的用户体验。

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郭璐(1990— )，女，硕士研究生，主研LTE-A系统中的关键技术、载波聚合、无线通信与智能信息处理；

龙飞(1973— )，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为复杂系统神经网络控制与智能信息处理；

张文杰(1987— )，硕士研究生，主研通信信号处理，雷达信号处理。

责任编辑：许盈

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

中图分类号:TN929.5

文献标志码:B

DOI：10.16280/j.videoe.2016.04.013

基金项目：国家自然科学基金项目(61263005)；教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-12-0657)；贵州大学研究生创新基金项目(2015080)

作者简介：

收稿日期：2015-07-10

文献引用格式：郭璐，龙飞，张文杰. 基于认知无线电的载波聚合技术[J].电视技术，2016，40(4)：60-64.

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