基于帶寬壓縮的載波聚合技術

劉倩楠，馬 恒

(中國電子科技集團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

劉倩楠，馬 恒

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對當前射頻頻譜資源日益緊張、大帶寬連續頻譜稀缺的問題，提出了一種基于帶寬壓縮的載波聚合方案。在OFDM載波聚合技術的基礎上，利用改進的非正交高效頻譜頻分復用調制技術結合載波聚合的方法，以提高通信系統的頻譜利用率為目的。理論分析和仿真結果表明，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。

正交頻分復用；載波聚合；正交振幅調制；高效頻譜頻分復用

0 引言

近年來在無線通信領域，隨著多媒體業務的快速發展，對高速率數據的傳輸需求越來越迫切，以致對帶寬的需求也呈指數增長。為了滿足這一需求，3GPP(第三代合作伙伴計劃)建立了LTE-8標準并已投入了商用[1]。LTE-9標準對其做了進一步的改善。為進一步提升數據傳輸速率，LTE-A標準中增加了許多新的特點，載波聚合便是其中之一[2]。LTE-8/9中已經定義了每一個載波單元的帶寬可以是1.4/3/5/10 MHz或20 MHz。LTE-A標準通過將5個載波單元進行聚合，可以支持最大100 MHz的帶寬[3]。

在3GPP和WiMAX(全球微波互聯接入)中，均對載波聚合的實現進行了研究[4]。由于OFDM以其節省帶寬、實現復雜度低等優勢，成為下一代無線通信技術的關鍵技術，并被選為802.11p、WiMAX和LTE等的無線通信物理層標準[5]。因此，可以考慮在OFDM的基礎上通過載波聚合技術的應用來獲取更大的帶寬。本文研究了OFDM載波聚合技術原理，然后對其做出改進得到基于帶寬壓縮的載波聚合技術，以進一步提升頻譜利用率，使通信系統最終可以獲得更高的數據傳輸速率。

1 載波聚合技術

載波聚合是LTE-A標準中通過增加帶寬來提高吞吐量的技術，可以有效地解決現代通信系統對頻帶寬度的要求與大帶寬頻譜稀缺現狀之間存在的矛盾[6]。它是將多個載波單元聚合在一起，從而得到信道容量大的頻譜資源，從而提高數據傳輸速率的一種技術[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。載波聚合依據傳輸頻帶的不同分為同頻帶內載波聚合和不同頻帶間載波聚合。在同一頻段內同時傳輸多個載波單元時，依據載波單元是否占據相鄰信道又可以分為連續和非連續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

針對物理層載波聚合，其實現途徑主要有2種：一種是對每個載波單元分別進行基帶調制和IFFT變換，通過上變頻后合并然后一起發送，此時需要多個IFFT模塊[9]；另外一種是僅利用一個較大的IFFT模塊把數據直接調制在經過聚合的載波上發射出去，但是此聚合方式只適合同一個頻帶里的載波聚合，因為IFFT的大小不能太大，否則難以實現[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

OFDM是一個在多徑信道中獲取高數據速率的非常有前景的技術[11]。針對OFDM在載波聚合中的應用以及改進的高效頻譜頻分復用(SEFDM)載波聚合技術進行研究。

2.1 OFDM載波聚合技術

OFDM是一種多載波并行調制體制，將通信系統中的頻段資源劃為N個正交的子載波信道，每個子載波的符號速率降為1/N，所需傳輸時間大于多徑延時，從而減少符號間干擾。基帶碼元均勻分散地對每個子信道進行載波調制，其中并行傳輸的每路子載波調制方式可以不同，具有一定的靈活性[12]。

針對載波聚合的應用場景，利用OFDM系統的帶寬易擴展性，從上層接收到的信息，在每個聚合基本載波上分別進行編碼和QAM映射后，通過IFFT變換模塊，然后進行串變換、添加循環前綴，上變頻過濾波器，最后在射頻RF上進行聚合，將物理層多個頻帶聚合在一起，從而增加系統帶寬[13]。系統框圖如圖3所示。系統包含N個不同的載波單元，每一個載波單元占用不同的頻段，相互之間沒有交疊。在載波聚合場景下，每個用戶可以同時收發任意載波單元所攜帶的信息。在接收端做相應的數字信號處理，濾波下采樣，去CP進行FFT變換，信道估計糾偏，解調解碼[14]。

圖3 OFDM載波聚合原理

下面以3個載波單元聚合為例進行仿真，其中每個載波單元信號帶寬為5 MHz，均采用同樣的編碼調制方式，聚合之后系統帶寬擴展為15 MHz，其頻譜圖如圖4所示。

圖4 載波聚合頻譜

2.2 改進的SEFDM載波聚合技術

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]。這樣雖然提高了數據的傳輸正確率，但是數據量越大對載波的數量要求則越多，從而對帶寬要求也高。本節通過增加OFDM系統在固定帶寬內的子載波個數，即對原有的子載波間隔進行縮小，壓縮子載波帶寬，提出改進的SEFDM載波聚合技術，即基于帶寬壓縮的載波聚合技術。該技術是通過打破OFDM子載波間的正交性，采用非正交復用方式來實現的。在時域上，單個載波單元的數學表達式為[16]：

式中，α為帶寬壓縮因子，α=ΔfT，T為符號周期，Δf為2個相鄰子載波間的頻率間隔；N為子載波個數；Q為采樣個數，Q=ρN，ρ≥1；sn為第n個子載波上的4QAM調制符號；X[k]為第k個時域采樣值。

顯然當α=1時，正是OFDM調制。這種非正交復用調制仍是利用IFFT實現[17]。IFFT算法有2種[18]：可以使用1個IFFT也可以使用多個IFFT。當使用1個IFFT時需要在有效數據后插零，插零的長度為(Q/α)-N，這種方法比較直接，但是要求Q是α的整數倍；第2種方法是使用多個短序列IFFT塊。將零值插到數據流中，然后根據壓縮因子將數據流分塊，分別進行IFFT運算。解調則是采用多個FFT運算實現[19]。考慮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，其原理圖如圖5所示。

圖5 基帶信號產生原理

通過仿真生成一個帶寬為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，通過正交復用，將多個子載波聚合在一起，子載波間隔為15 kHz，而采用非正交復用方式，子載波間隔小于15 kHz。也就是說，相比于OFDM技術，這種基于帶寬壓縮的載波聚合技術可以將子載波間隔進行壓縮處理，在一定程度上節省了頻譜資源。

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的性能。首先數據信息經過交織，映射為4QAM符號，在每一個子幀的開始插入導頻符號，用于估計CSI和時鐘同步，相位偏移； 然后經過串并變換，添加保護間隔，利用IFFT運算將4QAM符號調制到不同的載頻上；最后依據LTE REL-8/9相鄰載波之間保留10%的保護間隔[20]，對不同的載頻信號進行聚合。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制方式，不僅可以減小子載波之間的間隔，同時可以將帶寬壓縮。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。事實上，通過計算可知，為了得到25 MHz帶寬，可以聚合5個未經壓縮的5 MHz的載波；通過壓縮16%的帶寬，可以聚合6個4.2 MHz載波；進一步壓縮28%，可以聚合7個3.6 MHz載波。

接下來對不同帶寬壓縮因子情況下的誤碼率進行仿真分析，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，通過對帶寬進行壓縮，其誤碼率性能會有所下降，因此帶寬壓縮因子也不是越小越好，需要根據實際需求，在誤碼率允許的情況下來確定α的值。

4 結束語

本文對基于帶寬壓縮的載波聚合技術進行了深入的研究與分析。首先通過Matlab仿真，對OFDM載波聚合原理進行了詳細說明；然后從OFDM多載波調制角度對OFDM載波聚合技術做出改進；最后從載波帶寬和誤碼率兩方面對以上2種聚合方式性能進行對比分析。仿真結果表明，基于帶寬壓縮的載波聚合技術通過非正交復用調制技術結合載波聚合技術，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[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：信號與信息處理、短波通信。馬恒男，(1982—)，高級工程師。主要研究方向： 寬帶無線通信。