江莎 江曉華 熊載禹

【摘要】 隨著無(wú)線通信的發(fā)展，研究提高頻譜利用率的方法是必然趨勢(shì)。本文研究載波聚合環(huán)境下的聯(lián)合頻譜分配。對(duì)分配前的頻譜可用性進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)估分。實(shí)現(xiàn)了容量滿足下的載波聚合聯(lián)合頻譜分配。用MATLAB仿真工具驗(yàn)證其優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】 載波聚合 分配算法

近來(lái)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展刺激著人們對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求呈現(xiàn)爆炸式的增長(zhǎng)，對(duì)傳輸帶寬和頻段提出了更高的要求。到2025 年，移動(dòng)通信頻譜缺口將達(dá)到900MHz，頻譜資源十分緊張[1]。這些數(shù)據(jù)都說(shuō)明必須不斷地尋求新的無(wú)線頻譜資源或新的能提高頻譜利用率的方法才能滿足日益增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)量需求。

2005年國(guó)際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）發(fā)起了下一代無(wú)線通信系統(tǒng)的研究，并命名為IMT-Advance或4G移動(dòng)系統(tǒng)[2]。按照標(biāo)準(zhǔn)制定， LTE-A在確保后向兼容性的同時(shí)，于 R10版本提出了對(duì)R8中設(shè)定的子載波（carrier components，CC）進(jìn)行載波聚合（Carrier Aggregation，CA）方案。

利用載波聚合技術(shù)，可以把系統(tǒng)原有的和新得到的各種固定頻譜資源聚合在一起。這些新得到的資源，不僅可以來(lái)自于系統(tǒng)新分配的，也可來(lái)源自其他通信系統(tǒng)。

與此同時(shí)，認(rèn)知無(wú)線技術(shù)（Cognitive radio，CR）在不同的網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著重要作用。它為次用戶提供了動(dòng)態(tài)頻譜接入（dynamic spectrum access ，DSA），有效的利用了主用戶的空白使用時(shí)間[3]。（圖1）

（a）是頻段內(nèi)連續(xù)CA，（b）是頻段內(nèi)非連續(xù)CA，（c）是頻段間非連續(xù)CA，（d）是頻段內(nèi)連續(xù)的機(jī)會(huì)載波聚合OCA（Opportunity carrier components），（e）是頻段內(nèi)非連續(xù)OCA，（f）是頻段間非連續(xù)OCA。

如圖所示，在LTE-A系統(tǒng)中，不論是連續(xù)的還是非連續(xù)的子載波CC都可以和由認(rèn)知無(wú)線電發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)載波CCC一起聚合成大帶寬完成具體的信息傳輸。因此，R10版本以后，大多文獻(xiàn)的研究重點(diǎn)都集中在將認(rèn)知無(wú)線電CR和載波聚合技術(shù)結(jié)合起來(lái)，共同開(kāi)發(fā)更有效率的頻譜利用空間[4]。

但是由認(rèn)知無(wú)線電CR和載波聚合CA帶來(lái)資源有效利用的同時(shí)，也帶來(lái)了無(wú)線資源頻譜復(fù)雜度的問(wèn)題。從目前實(shí)際使用和研究來(lái)看，在頻譜資源利用方式上，主要有三種：靜態(tài)，即由國(guó)家固定分配所得或?qū)儆谖捶峙涞墓蚕眍l段；半動(dòng)態(tài)，即競(jìng)拍所得；動(dòng)態(tài)：即動(dòng)態(tài)感知所得。為了獲得更大的傳輸帶寬必然面臨著將3種資源聯(lián)合。如果在載波聚合時(shí)采用頻譜資源聯(lián)合的使用方式，考并慮到業(yè)務(wù)需求、分析頻譜資源特征進(jìn)行全網(wǎng)最優(yōu)化的分配。則通信具備以下創(chuàng)新優(yōu)點(diǎn)：獲取更多的頻譜資源；使得系統(tǒng)的總?cè)萘烤哂凶赃m應(yīng)調(diào)節(jié)能力，從而控制成本；提高業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量；環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)、頻譜評(píng)價(jià)更加科學(xué)；頻譜分配更優(yōu)化更實(shí)用。

綜上所述，目前針對(duì)這三種頻譜資源的研究基本上都是單獨(dú)進(jìn)行的，并且研究?jī)?nèi)容相對(duì)分散。只是很少考慮共存情況下的相關(guān)技術(shù)，尤其是聯(lián)合固定資源與競(jìng)拍資源、聯(lián)合固定資源與動(dòng)態(tài)頻譜資源、聯(lián)合三種資源下的關(guān)鍵技術(shù)研究。因此考慮聯(lián)合頻譜的共存機(jī)制，尤其是對(duì)頻譜的共有特性進(jìn)行分析就變得尤為重要。

其中考慮參數(shù)信噪比SNR，帶寬Width，容量Capacity，主用戶到達(dá)率PAR，可用時(shí)長(zhǎng)Time以及價(jià)格Price。具體而言，信噪比SNR和無(wú)線電傳播環(huán)境密切相關(guān)，為了比較方便在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、競(jìng)拍資源上的取值有所偏重，體現(xiàn)頻譜質(zhì)量。其次帶寬的取值滿足載波聚合技術(shù)的基本子載波帶寬要求即1.4MHz，3.5MHz，5MHz，10MHz，15MHz[6]。在MIMO機(jī)制中由信噪比和帶寬共同決定信號(hào)的容量Capacity，此處MIMO_chantype_Capacity滿足瑞利分布下的MIMO容量求解?？捎脮r(shí)長(zhǎng)Time是頻譜在一個(gè)調(diào)度周期中即10ms表現(xiàn)出來(lái)的相對(duì)時(shí)間，在公式中顯示的是比例，所以反應(yīng)的也是主用戶的到達(dá)率PAR。

而靜態(tài)頻譜和競(jìng)拍頻譜由于不會(huì)涉及到切換，故而它們的主用戶到達(dá)率均為0。價(jià)格函數(shù)Price中，由于通過(guò)感知“頻譜空洞”伺機(jī)接入使用，不需要向主用戶支付費(fèi)用，即動(dòng)態(tài)頻譜的價(jià)格函數(shù)為0。靜態(tài)頻譜分配的價(jià)格參數(shù)一般由國(guó)家按照行政審批的方式分配給用戶。若Si表示一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)每年向國(guó)家支付的單位頻譜金額，其使用周期為T(mén)，那么其周期內(nèi)的使用價(jià)格Cclient為[5]：

競(jìng)拍價(jià)格函數(shù)參照文獻(xiàn)[7]進(jìn)行改進(jìn)。由于在競(jìng)價(jià)系統(tǒng)中存在懲罰性收費(fèi)原則，用戶獲得的頻譜資源增多，其單位頻譜的價(jià)格也會(huì)隨之增高。因此加入非線性遞增后，重新定義頻譜價(jià)格。式中Pi表示單位頻譜的價(jià)格，fi則表示用戶i獲得的頻譜資源，f0表示頻譜數(shù)量，則競(jìng)拍價(jià)格可以表示為[6]：

由此完成對(duì)混合頻譜池的建模。

分配過(guò)程由下概括：

1）通過(guò)可用性判別公式得到頻譜的優(yōu)劣Kn，其中參數(shù)滿足，并按照大小排序，表達(dá)式中可直觀體現(xiàn)衡量頻譜可用性的思路。相對(duì)而言，信噪比大的，帶寬更寬的，可用時(shí)長(zhǎng)長(zhǎng)的，競(jìng)價(jià)因子小的頻譜具有更高的可用性。

2）在可行性排序的基礎(chǔ)上進(jìn)行載波的選擇，在不考慮連續(xù)性的基礎(chǔ)上通過(guò)以下要求，進(jìn)行多元線性規(guī)劃，即在滿足已有排序的頻譜池里依次選取載波w1，w2，…wn直到他們的和滿足聚合帶寬，同時(shí)為了提高效率避免頻譜浪費(fèi)函數(shù)即要求選擇初始頻譜時(shí)，容量恰好滿足需求，T≥0.1意味著可用時(shí)長(zhǎng)滿足最基本的調(diào)度周期10ms，以此完成分配。

依據(jù)以上兩點(diǎn)流程對(duì)頻譜分配進(jìn)行具體的仿真如下：

用容量來(lái)考察具體的分配成功與否，仿真如下，和隨機(jī)分配相比大大減少了失敗次數(shù)。雖然分配方法相對(duì)簡(jiǎn)單，但是考慮到多種頻譜共存的分配環(huán)境，綜合考量之下，該分配方法能夠提供寬帶無(wú)線系統(tǒng)的容量。

參 考 文 獻(xiàn)

[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]飛象網(wǎng)，德勤：移動(dòng)數(shù)據(jù)飆升將導(dǎo)致頻譜短缺及網(wǎng)速放緩，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，F(xiàn)eb.2013

[5]Guangxiang Yuan， Xiang Zhang ，Wenbo Wang. Carrier Aggregation for LTE-AdvancedMobile Communication Systems[J]. Communications Magazine， pp：88-93，F(xiàn)ebruary 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