基于動態(tài)頻譜接入的載波聚合技術(shù)研究與實現(xiàn)*

周 娟,葛萬成,汪亮友,林佳燕

(1.同濟大學，上海 200092；2.上海中科聯(lián)芯物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司，上海 201210)

基于動態(tài)頻譜接入的載波聚合技術(shù)研究與實現(xiàn)*

周 娟1,葛萬成1,汪亮友1,林佳燕2

(1.同濟大學，上海 200092；2.上海中科聯(lián)芯物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司，上海 201210)

以LTE-Advanced系統(tǒng)為研究背景，提出了一種基于動態(tài)頻譜接入技術(shù)的載波聚合方案(DSA-CA)。該方案的主要思想是使支持載波聚合技術(shù)的eNB根據(jù)小區(qū)的平均負載自適應(yīng)地調(diào)節(jié)聚合的載波數(shù)量，從而達到合理利用頻譜的目的。通過對基于動態(tài)頻譜接入技術(shù)的載波聚合方案在LTE-Advanced 系統(tǒng)中的性能進行仿真研究，結(jié)果表明:DSA-CA方案與傳統(tǒng)載波聚合方案(CA)相比，可使系統(tǒng)性能在一定程度上得到提高，尤其當一個小區(qū)處于高負載、另一個小區(qū)處于低負載時，DSA-CA方案的優(yōu)勢更加明顯，此時高負載小區(qū)系統(tǒng)吞吐量得到明顯提高，低負載小區(qū)的頻譜效率也顯著上升。

動態(tài)頻譜接入(DSA);載波聚合(CA);吞吐量;頻譜效率

0 引 言

LTE-Advanced(Long Term Evolution-Advanced[1]作為3GPP LTE技術(shù)標準的增強版本，它能夠提供更大的系統(tǒng)帶寬，可獲得更高的峰值數(shù)據(jù)速率和用戶頻譜效率。為了支持更多的用戶業(yè)務(wù)，也為了滿足第四代移動通信系統(tǒng)的性能要求，LTE-Advanced提出了載波聚合CA(Carrier Aggregation)技術(shù)，即將若干個帶寬滿足一定要求的載波聚合成100M的傳輸帶寬，從而可以實現(xiàn)上行500Mbit/s、下行1Gbit/s的峰值數(shù)據(jù)速率。然而，目前無線頻譜的靜態(tài)管理策略將某些頻譜固定分配給某些特定的通信系統(tǒng)，不支持多個通信系統(tǒng)的頻譜動態(tài)調(diào)配，使得系統(tǒng)的可用帶寬固定且有限，只能在其授權(quán)頻譜上進行載波聚合，限制了載波聚合技術(shù)的優(yōu)勢。而基于認知無線電的動態(tài)頻譜接入技術(shù)[2][3]的最大特點是能夠自動搜尋并利用授權(quán)頻段中的頻譜空穴，根據(jù)一定的學習和決策算法，實時自適應(yīng)地改變工作參數(shù)，能夠?qū)⒋罅恳逊峙涞寐瘦^低的頻譜動態(tài)合理地利用，解決頻譜資源分配不均及匱乏的問題。

Qingzhan Zeng等[4]在2011年對LTE-A中基于動態(tài)頻譜接入技術(shù)的載波聚合進行了深刻的分析討論，并指出該場景下控制信令信道的設(shè)計至關(guān)重要，為了避免沖突和對主用戶的干擾，該系統(tǒng)的不同成分載波CC(Component Carrier)上的控制信令在同一個專用的CC上進行聯(lián)合編碼傳輸，次用戶從LTE-A授權(quán)CC中讀取控制信息，并據(jù)此在機會接入的CC上進行數(shù)據(jù)傳輸。Vicente Osa等[5]在2012年首次將動態(tài)頻譜接入技術(shù)應(yīng)用到載波聚合中，但他并沒有給出一個確切的概念來定義這種場景。而本文以 LTE-Advanced 系統(tǒng)為研究背景，針對提高系統(tǒng)吞吐量、提高頻譜效率等問題提出了基于動態(tài)頻譜接入技術(shù)的載波聚合方案。該方案的主要思想是使支持載波聚合技術(shù)的eNB根據(jù)小區(qū)的平均負載自適應(yīng)地調(diào)節(jié)聚合的載波數(shù)量，從而達到合理利用頻譜的目的。本文基于由宏小區(qū)macrocell以及微微小區(qū)picocell組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景，對基于動態(tài)頻譜接入技術(shù)的載波聚合方案在LTE-Advanced 系統(tǒng)中的性能進行了仿真分析，結(jié)果表明：DSA-CA方案與傳統(tǒng)載波聚合方案CA相比，能使系統(tǒng)性能在一定程度上得到提高。當一個小區(qū)處于高負載，另一個小區(qū)低負載時，DSA-CA方案的優(yōu)勢更加明顯，此時高負載小區(qū)系統(tǒng)吞吐量得到明顯提高，低負載小區(qū)的頻譜效率也顯著上升。

1 基于動態(tài)頻譜接入的載波聚合方案(DSA-CA)

DSA-CA方案主要應(yīng)用于支持載波聚合技術(shù)的LTE-Advanced系統(tǒng)。首先小區(qū)將進行帶外頻譜檢測以獲取可用頻譜資源的信息，通過頻譜空洞感知檢測相鄰某段授權(quán)頻譜，判斷該授權(quán)頻譜的授權(quán)用戶PU(Primary User)是否占用該頻段，如果檢測出該頻段為空閑可用狀態(tài)，則將其放入由頻譜策略管理器SPS (Spectrum Policy Server)統(tǒng)一調(diào)度管理的載波池中，小區(qū)中的用戶可從載波池中選取空閑成分載波作為激活CC與該小區(qū)的其他載波一起進行資源分配。為避免資源搶占以及死鎖現(xiàn)象，小區(qū)將優(yōu)先選擇自身小區(qū)所擁有的頻段。

如果小區(qū)配置了其他小區(qū)或者其他通信系統(tǒng)所擁有的頻段，則用戶在該頻段建立通信后，還要在該載波上進行頻帶內(nèi)的周期性頻譜檢測。如果出現(xiàn)屬于該成分載波所屬的通信系統(tǒng)的用戶出現(xiàn)在該載波上，那么小區(qū)必須釋放該成分載波，以免影響到這些用戶。小區(qū)釋放該成分載波之后，將根據(jù)需求從頻譜池中選取其他可用載波進行聚合。

成分載波的激活以及解除均由媒體訪問控制MAC(Media Access Control)層控制，響應(yīng)時間在幾個毫秒的范圍內(nèi)。在激活或者解除成分載波之后，SPS將會更新頻譜池。DSA-CA方案的具體流程如圖1所示。

圖1 DSA-CA方案具體流程

DSA-CA方案能夠使基站在小區(qū)負載較低時釋放空閑的頻譜資源，以便其他需要額外頻譜資源的系統(tǒng)能夠共享這些空閑頻譜；在小區(qū)負載較高時，DSA-CA將允許基站在有不屬于自身的頻譜資源出現(xiàn)空閑時也能夠?qū)⑵浼右岳谩Ｒ虼?，DSA-CA方案將非常適用于兩個或者多個運營商同時提供服務(wù)的地域。

2 基于動態(tài)頻譜接入的載波聚合方案仿真實現(xiàn)

DSA-CA方案適合多運營商應(yīng)用場景。運營商之間通過共享頻譜資源，能夠到達提高頻譜利用率的目的。為了實現(xiàn)對DSA-CA方案在LTE-Advanced系統(tǒng)中的性能評估，本文使用了基于Matlab R2011b的LTE-Advanced系統(tǒng)級仿真平臺[8]進行仿真。

本文的仿真基于由macrocell以及picocell組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景，Macrocell提供基本的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，Picocell則提供高容量以及高數(shù)據(jù)傳輸速率。仿真采用7個宏小區(qū)拓撲結(jié)構(gòu)，每個宏小區(qū)分為3個扇區(qū)，假設(shè)扇區(qū)天線的方向都是理想狀態(tài)，不會發(fā)生扇區(qū)泄露。此外還有7個picocell分布在不同的宏小區(qū)內(nèi)。為了模擬多運營商場景，macrocell和picocell所處頻段不同。假設(shè)macrocell和picocell各自3個載波用于載波聚合。出于頻譜資源安全性考慮，雙方共享其中2個載波，用于支持DSA-CA方案。

3 仿真結(jié)果與分析

為了對DSA-CA方案在LTE-Advanced系統(tǒng)中的系統(tǒng)性能進行評估，本節(jié)將在滿負荷Full Buffer業(yè)務(wù)模式[11]下，對各picocell中分別均勻分布10、20、30、40、50、60、70個用戶的情況進行仿真。并將結(jié)果與一般情況下的CA，即不使用動態(tài)載波數(shù)量調(diào)整，固定在picocell中使用3個CC進行載波聚合的情況進行比對。

表1 信道模型基本參數(shù)

如圖2所示，CA方案在用戶數(shù)量不同時，picocell固定激活3個CC。與之相比，DSA-CA方案根據(jù)其原理，在用戶數(shù)量較少，即小區(qū)負載相對較低時，激活的CC數(shù)量減少，在小區(qū)負載較高時，激活更多的CC，以滿足用戶的需求。

圖2 激活的載波數(shù)量

如圖3所示，在CA方案下，小區(qū)負載隨著用戶數(shù)量增加而增加，在用戶達到一定數(shù)量時，小區(qū)負載增速放緩并逐漸接近1。當小區(qū)用戶數(shù)量較少時，小區(qū)負載只有不到0.2，因此該小區(qū)中會存在大量空閑資源沒有被使用。在DSA-CA方案下，picocell根據(jù)小區(qū)的負載高低動態(tài)改變激活的CC數(shù)量，因此小區(qū)負載基本保持在0.8左右。由于無論如何picocell中會至少激活一個CC，因此當小區(qū)用戶數(shù)很低時，小區(qū)負載也會較低。

圖3 小區(qū)負載

如圖4所示，相對于CA方案，DSA-CA在小區(qū)用戶數(shù)量較多時，能夠顯著地提高系統(tǒng)的吞吐量。此時由于小區(qū)負載較高，picocell將會激活更多的CC，提高了系統(tǒng)的帶寬，因此系統(tǒng)吞吐量得到了提高。當小區(qū)用戶數(shù)量較少時，激活的CC數(shù)量將會減少，所以在此情況下，DSA-CA方案的系統(tǒng)吞吐量與CA相比會有減小，但是從仿真結(jié)果可以看出，減小的數(shù)量并不明顯，而在高負載情況下，系統(tǒng)吞吐量能夠得到顯著提高。

圖4 系統(tǒng)吞吐量

如圖5所示，在小區(qū)用戶數(shù)較多即小區(qū)負載較高時，相對于CA方案，DSA-CA方案下的頻譜效率存在一定程度的降低，這是由于小區(qū)負載較高時，DSA-CA方案激活了相對于CA方案更多的CC，使得接入帶寬增加，雖然根據(jù)圖4，此時DSA-CA系統(tǒng)的吞吐量比CA更高，但是整體而言頻譜效率還是降低了。在小區(qū)用戶數(shù)較低時，由于接入的CC數(shù)量減少，因此頻譜效率得到了明顯地提高，此時空閑的資源能夠提供給需要更多資源的小區(qū)使用。

圖5 頻譜效率

4 結(jié) 語

由仿真結(jié)果可知，在DSA-CA方案下，對于負載高的小區(qū)，SPS將激活更多的CC，此時小區(qū)帶寬也得到提高。在這種情況下，一個時隙內(nèi)分配給該小區(qū)的資源塊數(shù)量增加，因此系統(tǒng)的吞吐量隨之得到顯著提高。但是由于系統(tǒng)接入帶寬增加的程度比吞吐量提高的程度要明顯，所以與之同時，頻譜效率有一定程度的降低。對于負載較低的小區(qū)，激活的CC數(shù)量少于CA方案，因此系統(tǒng)的吞吐量相對于CA有所下降，但從圖4可以看出下降的程度并不明顯。并且由于此時接入帶寬明顯下降，DSA-CA在負載較低的情況下使得頻譜效率得到極大提高，多余的空閑資源還能夠共享給其他需要更多資源的小區(qū)利用。因此，DSA-CA方案與CA相比較是吞吐量與頻譜效率之間的互換，在高負載時犧牲頻譜效率換取系統(tǒng)吞吐量，在低負載時犧牲吞吐量換取頻譜效率。但是從仿真結(jié)果可以看出，高負載時吞吐量的增加明顯大于低負載時吞吐量的減少，高負載時頻譜效率的下降也沒有低負載頻譜效率的提高明顯。除此之外，DSA-CA更加重要的一個優(yōu)點就是當系統(tǒng)負載低時，多余的資源能夠共享給有需求的小區(qū)。因此，總體而言，DSA-CA與CA相比較性能上還是有一定程度的提高。

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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

上海市科學技術(shù)委員會科研項目(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. 低輪廓天線尺寸縮減技術(shù)研究[D]. 杭州電子科技大學.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，碩士研究生，主要研究方向為信號與信息處理；

葛萬成(1964—)，男，博士，教授，主要研究方向為信號與信息處理。

[11] 鄭立芝. LTE-A下行鏈路干擾抑制的研究[D]. 北京郵電大學, 2011. ZHENG Li-zhi. Research of LTE-A Downlink Interference Suppression [D]. Beijing University of Posts and Telecommunications, 2011.