劉倩楠，馬 恒

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

基于帶寬壓縮的載波聚合技術(shù)

劉倩楠，馬 恒

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對(duì)當(dāng)前射頻頻譜資源日益緊張、大帶寬連續(xù)頻譜稀缺的問題，提出了一種基于帶寬壓縮的載波聚合方案。在OFDM載波聚合技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用改進(jìn)的非正交高效頻譜頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)結(jié)合載波聚合的方法，以提高通信系統(tǒng)的頻譜利用率為目的。理論分析和仿真結(jié)果表明，在給定帶寬的情況下基于帶寬壓縮的載波聚合技術(shù)可以聚合盡可能多的載波單元，并且是以盡可能小的誤碼率損失獲得較高的頻譜效率。

正交頻分復(fù)用；載波聚合；正交振幅調(diào)制；高效頻譜頻分復(fù)用

0 引言

近年來在無線通信領(lǐng)域，隨著多媒體業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，對(duì)高速率數(shù)據(jù)的傳輸需求越來越迫切，以致對(duì)帶寬的需求也呈指數(shù)增長(zhǎng)。為了滿足這一需求，3GPP(第三代合作伙伴計(jì)劃)建立了LTE-8標(biāo)準(zhǔn)并已投入了商用[1]。LTE-9標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其做了進(jìn)一步的改善。為進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)傳輸速率，LTE-A標(biāo)準(zhǔn)中增加了許多新的特點(diǎn)，載波聚合便是其中之一[2]。LTE-8/9中已經(jīng)定義了每一個(gè)載波單元的帶寬可以是1.4/3/5/10 MHz或20 MHz。LTE-A標(biāo)準(zhǔn)通過將5個(gè)載波單元進(jìn)行聚合，可以支持最大100 MHz的帶寬[3]。

在3GPP和WiMAX(全球微波互聯(lián)接入)中，均對(duì)載波聚合的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究[4]。由于OFDM以其節(jié)省帶寬、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低等優(yōu)勢(shì)，成為下一代無線通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，并被選為802.11p、WiMAX和LTE等的無線通信物理層標(biāo)準(zhǔn)[5]。因此，可以考慮在OFDM的基礎(chǔ)上通過載波聚合技術(shù)的應(yīng)用來獲取更大的帶寬。本文研究了OFDM載波聚合技術(shù)原理，然后對(duì)其做出改進(jìn)得到基于帶寬壓縮的載波聚合技術(shù)，以進(jìn)一步提升頻譜利用率，使通信系統(tǒng)最終可以獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

1 載波聚合技術(shù)

載波聚合是LTE-A標(biāo)準(zhǔn)中通過增加帶寬來提高吞吐量的技術(shù)，可以有效地解決現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)頻帶寬度的要求與大帶寬頻譜稀缺現(xiàn)狀之間存在的矛盾[6]。它是將多個(gè)載波單元聚合在一起，從而得到信道容量大的頻譜資源，從而提高數(shù)據(jù)傳輸速率的一種技術(shù)[7]。

為了高效地利用零碎的頻譜，載波聚合支持不同載波單元之間的聚合。載波聚合依據(jù)傳輸頻帶的不同分為同頻帶內(nèi)載波聚合和不同頻帶間載波聚合。在同一頻段內(nèi)同時(shí)傳輸多個(gè)載波單元時(shí)，依據(jù)載波單元是否占據(jù)相鄰信道又可以分為連續(xù)和非連續(xù)2種聚合模式[8]。載波聚合的模式如圖1所示。

圖1 載波聚合模式

針對(duì)物理層載波聚合，其實(shí)現(xiàn)途徑主要有2種：一種是對(duì)每個(gè)載波單元分別進(jìn)行基帶調(diào)制和IFFT變換，通過上變頻后合并然后一起發(fā)送，此時(shí)需要多個(gè)IFFT模塊[9]；另外一種是僅利用一個(gè)較大的IFFT模塊把數(shù)據(jù)直接調(diào)制在經(jīng)過聚合的載波上發(fā)射出去，但是此聚合方式只適合同一個(gè)頻帶里的載波聚合，因?yàn)镮FFT的大小不能太大，否則難以實(shí)現(xiàn)[10]。2種聚合方式如圖2所示。

圖2 載波聚合方式

2 基于帶寬壓縮的載波聚合技術(shù)

OFDM是一個(gè)在多徑信道中獲取高數(shù)據(jù)速率的非常有前景的技術(shù)[11]。針對(duì)OFDM在載波聚合中的應(yīng)用以及改進(jìn)的高效頻譜頻分復(fù)用(SEFDM)載波聚合技術(shù)進(jìn)行研究。

2.1 OFDM載波聚合技術(shù)

OFDM是一種多載波并行調(diào)制體制，將通信系統(tǒng)中的頻段資源劃為N個(gè)正交的子載波信道，每個(gè)子載波的符號(hào)速率降為1/N，所需傳輸時(shí)間大于多徑延時(shí)，從而減少符號(hào)間干擾?；鶐Тa元均勻分散地對(duì)每個(gè)子信道進(jìn)行載波調(diào)制，其中并行傳輸?shù)拿柯纷虞d波調(diào)制方式可以不同，具有一定的靈活性[12]。

針對(duì)載波聚合的應(yīng)用場(chǎng)景，利用OFDM系統(tǒng)的帶寬易擴(kuò)展性，從上層接收到的信息，在每個(gè)聚合基本載波上分別進(jìn)行編碼和QAM映射后，通過IFFT變換模塊，然后進(jìn)行串變換、添加循環(huán)前綴，上變頻過濾波器，最后在射頻RF上進(jìn)行聚合，將物理層多個(gè)頻帶聚合在一起，從而增加系統(tǒng)帶寬[13]。系統(tǒng)框圖如圖3所示。系統(tǒng)包含N個(gè)不同的載波單元，每一個(gè)載波單元占用不同的頻段，相互之間沒有交疊。在載波聚合場(chǎng)景下，每個(gè)用戶可以同時(shí)收發(fā)任意載波單元所攜帶的信息。在接收端做相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理，濾波下采樣，去CP進(jìn)行FFT變換，信道估計(jì)糾偏，解調(diào)解碼[14]。

圖3 OFDM載波聚合原理

下面以3個(gè)載波單元聚合為例進(jìn)行仿真，其中每個(gè)載波單元信號(hào)帶寬為5 MHz，均采用同樣的編碼調(diào)制方式，聚合之后系統(tǒng)帶寬擴(kuò)展為15 MHz，其頻譜圖如圖4所示。

圖4 載波聚合頻譜

2.2 改進(jìn)的SEFDM載波聚合技術(shù)

在典型的OFDM載波聚合情況下，許多載波單元聚合在一起來增加帶寬[15]。這樣雖然提高了數(shù)據(jù)的傳輸正確率，但是數(shù)據(jù)量越大對(duì)載波的數(shù)量要求則越多，從而對(duì)帶寬要求也高。本節(jié)通過增加OFDM系統(tǒng)在固定帶寬內(nèi)的子載波個(gè)數(shù)，即對(duì)原有的子載波間隔進(jìn)行縮小，壓縮子載波帶寬，提出改進(jìn)的SEFDM載波聚合技術(shù)，即基于帶寬壓縮的載波聚合技術(shù)。該技術(shù)是通過打破OFDM子載波間的正交性，采用非正交復(fù)用方式來實(shí)現(xiàn)的。在時(shí)域上，單個(gè)載波單元的數(shù)學(xué)表達(dá)式為[16]：

式中，α為帶寬壓縮因子，α=ΔfT，T為符號(hào)周期，Δf為2個(gè)相鄰子載波間的頻率間隔；N為子載波個(gè)數(shù)；Q為采樣個(gè)數(shù)，Q=ρN，ρ≥1；sn為第n個(gè)子載波上的4QAM調(diào)制符號(hào)；X[k]為第k個(gè)時(shí)域采樣值。

顯然當(dāng)α=1時(shí)，正是OFDM調(diào)制。這種非正交復(fù)用調(diào)制仍是利用IFFT實(shí)現(xiàn)[17]。IFFT算法有2種[18]：可以使用1個(gè)IFFT也可以使用多個(gè)IFFT。當(dāng)使用1個(gè)IFFT時(shí)需要在有效數(shù)據(jù)后插零，插零的長(zhǎng)度為(Q/α)-N，這種方法比較直接，但是要求Q是α的整數(shù)倍；第2種方法是使用多個(gè)短序列IFFT塊。將零值插到數(shù)據(jù)流中，然后根據(jù)壓縮因子將數(shù)據(jù)流分塊，分別進(jìn)行IFFT運(yùn)算。解調(diào)則是采用多個(gè)FFT運(yùn)算實(shí)現(xiàn)[19]?？紤]到載波選取的靈活性，這里采用第2種方式來得到所需基帶信號(hào)，其原理圖如圖5所示。

圖5 基帶信號(hào)產(chǎn)生原理

通過仿真生成一個(gè)帶寬為30 kHz的子載波,其多路子載波頻譜的模如圖6所示。

在圖6中可以看出，通過正交復(fù)用，將多個(gè)子載波聚合在一起，子載波間隔為15 kHz，而采用非正交復(fù)用方式，子載波間隔小于15 kHz。也就是說，相比于OFDM技術(shù)，這種基于帶寬壓縮的載波聚合技術(shù)可以將子載波間隔進(jìn)行壓縮處理，在一定程度上節(jié)省了頻譜資源。

圖6 多路子載波頻譜的模

3 性能分析

下面討論基于帶寬壓縮的載波聚合技術(shù)的性能。首先數(shù)據(jù)信息經(jīng)過交織，映射為4QAM符號(hào)，在每一個(gè)子幀的開始插入導(dǎo)頻符號(hào)，用于估計(jì)CSI和時(shí)鐘同步，相位偏移； 然后經(jīng)過串并變換，添加保護(hù)間隔，利用IFFT運(yùn)算將4QAM符號(hào)調(diào)制到不同的載頻上；最后依據(jù)LTE REL-8/9相鄰載波之間保留10%的保護(hù)間隔[20]，對(duì)不同的載頻信號(hào)進(jìn)行聚合。在不同的帶寬壓縮因子情況下，各載頻單元的頻譜如圖7所示。

圖7 子載波頻譜圖

顯然，α值越小，頻帶越窄，說明這種高頻譜效率調(diào)制方式，不僅可以減小子載波之間的間隔，同時(shí)可以將帶寬壓縮。因此，在給定的帶寬下，可以聚合盡可能多的載波單元來提高頻譜的利用率。事實(shí)上，通過計(jì)算可知，為了得到25 MHz帶寬，可以聚合5個(gè)未經(jīng)壓縮的5 MHz的載波；通過壓縮16%的帶寬，可以聚合6個(gè)4.2 MHz載波；進(jìn)一步壓縮28%，可以聚合7個(gè)3.6 MHz載波。

接下來對(duì)不同帶寬壓縮因子情況下的誤碼率進(jìn)行仿真分析，在這里我們僅選取載波聚合中的一路載波單元進(jìn)行分析，誤碼率曲線如圖8所示。

圖8 誤碼率曲線

由圖8可知，OFDM的誤碼率最低，通過對(duì)帶寬進(jìn)行壓縮，其誤碼率性能會(huì)有所下降，因此帶寬壓縮因子也不是越小越好，需要根據(jù)實(shí)際需求，在誤碼率允許的情況下來確定α的值。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于帶寬壓縮的載波聚合技術(shù)進(jìn)行了深入的研究與分析。首先通過Matlab仿真，對(duì)OFDM載波聚合原理進(jìn)行了詳細(xì)說明；然后從OFDM多載波調(diào)制角度對(duì)OFDM載波聚合技術(shù)做出改進(jìn)；最后從載波帶寬和誤碼率兩方面對(duì)以上2種聚合方式性能進(jìn)行對(duì)比分析。仿真結(jié)果表明，基于帶寬壓縮的載波聚合技術(shù)通過非正交復(fù)用調(diào)制技術(shù)結(jié)合載波聚合技術(shù)，可以壓縮子載波間帶寬，以及載波單元本身的帶寬，從而在給定帶寬下可以聚合更多的載波單元，一方面增加了信息吞吐量，另一方面使得更多的用戶可以同時(shí)使用同一帶寬。

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BandwidthCompressedCarrierAggregation

LIU Qian-nan，MA Heng

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

In order to solve the problem that the radio spectrum resources become tense increasingly and the scarcity of wideband spectrum resources,a bandwidth compressed carrier aggregation scheme is given.The scheme is achieved based on CA-OFDM in order to improve spectrum efficiency,with the use of the spectrally efficient frequency division multiplexing combined with the bandwidth compression technique.Theoretical analysis and simulation results show that more CCs can be aggregated in a given bandwidth by using bandwidth compressed carrier aggregation techniques,and the significant spectral efficiency improvement is achieved with the smallest bit error rate loss.

OFDM;carrier aggregation;QAM;SEFDM

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.10.07

劉倩楠，馬恒.基于帶寬壓縮的載波聚合技術(shù)[J].無線電工程,2017,47(10):30-33.[LIU Qiannan，MA Heng.Bandwidth Compressed Carrier Aggregation[J].Radio Engineering,2017,47(10):30-33.]

TN911

A

1003-3106(2017)10-0030-04

2017-02-14

劉倩楠女，(1988—)，助理工程師。主要研究方向：信號(hào)與信息處理、短波通信。馬恒男，(1982—)，高級(jí)工程師。主要研究方向： 寬帶無線通信。