楊 旭，耿 瀟，高亞哲，吳建軍

（1.國家無線電監(jiān)測(cè)中心，北京 100037；2.北京大學(xué)，北京 100871）

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載波聚合技術(shù)在衛(wèi)星移動(dòng)通信中的適應(yīng)性初步研究

楊 旭1，耿 瀟2，高亞哲2，吳建軍2

（1.國家無線電監(jiān)測(cè)中心，北京 100037；2.北京大學(xué)，北京 100871）

摘要：本文對(duì)載波聚合技術(shù)在衛(wèi)星移動(dòng)通信中的適應(yīng)性進(jìn)行了初步討論，根據(jù)不同頻段的傳輸特性，討論了衛(wèi)星移動(dòng)通信載波聚合傳輸參數(shù)的選取方法，給出了一種適合衛(wèi)星移動(dòng)通信的載波聚合數(shù)據(jù)分配方法，通過數(shù)值計(jì)算和分析，驗(yàn)證了本文所述方法的合理性和有效性。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星移動(dòng)通信；載波聚合

1 引言

近年來，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)（MSS）逐步向?qū)拵Щ?、高速化和移?dòng)化發(fā)展。與衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)相比，現(xiàn)有分配給衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)的頻帶較少，并且比較分散，頻譜資源逐漸成為限制衛(wèi)星移動(dòng)通信發(fā)展的一個(gè)重要因素。因此，如何盡可能地提高頻譜效率、充分利用現(xiàn)有頻帶，已經(jīng)成為衛(wèi)星移動(dòng)通信的研究熱點(diǎn)之一。

正交頻分復(fù)用（OFDM）傳輸體制有著較高的頻譜效率，將OFDM向衛(wèi)星環(huán)境移植成為提高M(jìn)SS頻譜效率的一個(gè)重要手段。同時(shí)，載波聚合作為頻譜擴(kuò)展技術(shù)，可以充分利用零散頻譜，提高頻譜資源的利用率。在MSS中應(yīng)用載波聚合技術(shù)，對(duì)于有效提高M(jìn)SS的傳輸速率，促進(jìn)衛(wèi)星與地面通信系統(tǒng)的進(jìn)一步融合，具有很重要的意義。本文將針對(duì)MSS采用載波聚合技術(shù)時(shí)的傳輸參數(shù)選取和數(shù)據(jù)分配等問題進(jìn)行討論。

2 問題的提出

根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]與[2]所介紹的載波聚合相關(guān)技術(shù)路線與實(shí)現(xiàn)方案，載波聚合可在媒體接入控制（MAC）或物理層實(shí)現(xiàn)。在MAC層實(shí)現(xiàn)載波聚合時(shí)，各個(gè)成員載波進(jìn)行獨(dú)立的混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（HARQ），并采用獨(dú)立的調(diào)制編碼機(jī)制（MCS），以充分提高系統(tǒng)的性能。在物理層實(shí)現(xiàn)載波聚合時(shí)，各成員載波的數(shù)據(jù)來自同一個(gè)數(shù)據(jù)塊，無論是發(fā)送新數(shù)據(jù)還是重發(fā)舊數(shù)據(jù)，都在物理層進(jìn)行數(shù)據(jù)的分配和聚合。同時(shí)，物理層聚合采用統(tǒng)一的HARQ進(jìn)程，以減少信令開銷。進(jìn)行數(shù)據(jù)分配時(shí)，不同頻段的成員載波采用不同的傳輸參數(shù)。

目前，地面移動(dòng)通信系統(tǒng)的工作頻率均在4GHz以下，傳輸特性相差不大，可以使用統(tǒng)一的傳輸參數(shù)進(jìn)行折衷，在MAC層實(shí)現(xiàn)載波聚合。MSS的可用頻率從數(shù)百兆赫直到數(shù)十吉赫，不同頻段的成員載波采用折衷的傳輸參數(shù)會(huì)降低系統(tǒng)性能。同時(shí)，鑒于衛(wèi)星設(shè)備的工作能力，采用統(tǒng)一的MCS更具實(shí)際意義。因此，物理層載波聚合更適用于MSS。由于數(shù)據(jù)流要被分配到具有不同傳輸特性的載波上，面臨的主要問題為如何選取各成員載波的OFDM傳輸參數(shù)，并確定在不同成員載波間的分配方案。

3 傳輸參數(shù)選取方法

OFDM體制需要確定的主要參數(shù)包括循環(huán)前綴（CP）長度和子載波間隔等，CP長度和子載波間隔分別與信道的最大多徑時(shí)延擴(kuò)展和最大多普勒頻移有關(guān)。此外，在進(jìn)行具體的參數(shù)選取時(shí)，還需要考慮系統(tǒng)的采樣時(shí)鐘、支持的IFFT點(diǎn)數(shù)以及幀結(jié)構(gòu)的設(shè)置等。

當(dāng)OFDM符號(hào)的CP長度大于信道的最大多徑時(shí)延擴(kuò)展時(shí)，符號(hào)間的正交性沒有被破壞，不存在子載波間串?dāng)_（ICI）。當(dāng)CP長度小于信道的最大多徑時(shí)延擴(kuò)展時(shí)，當(dāng)前接收到的OFDM符號(hào)會(huì)受到前一個(gè)符號(hào)的影響。文獻(xiàn)[3]提供了不同無線通信環(huán)境的信道模型和相關(guān)參數(shù)，由其中的衛(wèi)星寬帶信道模型參數(shù)可知，衛(wèi)星信道最大多徑時(shí)延為250ns。根據(jù)前面的討論，只要CP長度大于250ns，就可以完全抑制多徑擴(kuò)展帶來的符號(hào)間干擾。在具體設(shè)置CP長度時(shí)，還需要結(jié)合子載波間隔和幀結(jié)構(gòu)的設(shè)置進(jìn)行考慮。

要確定各頻段成員載波的最佳子載波間隔，首先要計(jì)算不同頻段對(duì)應(yīng)的最大多普勒頻移，衛(wèi)星信道多普勒頻移的產(chǎn)生是由衛(wèi)星與終端的相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的。多普勒效應(yīng)對(duì)OFDM符號(hào)的影響表現(xiàn)為：在經(jīng)過多徑信道時(shí)，每徑OFDM符號(hào)的載波頻率都會(huì)受到一定多普勒頻移的影響；接收端在進(jìn)行多徑合并時(shí)，每個(gè)子載波的邊瓣能量都會(huì)泄露一部分到下一個(gè)子載波的采樣點(diǎn)上，從而破壞各個(gè)子載波之間的正交性，產(chǎn)生ICI。

可以將第s個(gè)符號(hào)中第k個(gè)子載波的信干噪比（SINR）表示為

選擇不同的子載波間隔，就計(jì)算出該子載波間隔下的SINR，將其與SNR進(jìn)行對(duì)比，即可得到該子載波間隔對(duì)ICI的抑制效果。當(dāng)載波頻率相距較遠(yuǎn)時(shí)，要達(dá)到相同的ICI抑制效果，所需的最小子載波間隔相差較大。因此，在進(jìn)行跨頻段載波聚合時(shí)，需要在不同頻段采用獨(dú)立的參數(shù)。

同時(shí)，根據(jù)式（1），可以將信道容量表示為

4 數(shù)據(jù)分配方法

待分配到各成員載波的數(shù)據(jù)是經(jīng)過了編碼和調(diào)制的符號(hào)流，考慮兩個(gè)成員載波的情況，f1與f2來自不同的頻段，它們采用的子載波間隔△f是各自頻段特性下的最優(yōu)值，不采用折衷的統(tǒng)一參數(shù)，將數(shù)據(jù)按照?qǐng)D1的方案進(jìn)行分配。

首先需要確定時(shí)間采樣間隔Ts。假設(shè)成員載波的工作帶寬為BW，對(duì)應(yīng)的頻域數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為M=BW/△f。對(duì)其進(jìn)行IFFT后，得到M點(diǎn)時(shí)域數(shù)據(jù)。則對(duì)應(yīng)的時(shí)域采樣間隔為

為了在接收端對(duì)不同成員載波采用相同的采樣時(shí)鐘，需要將不同頻段的工作帶寬設(shè)置為相同值。各成員載波的符號(hào)長度由其子載波間隔和CP長度共同決定

圖1 物理層數(shù)據(jù)分配方法

對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為Nsymbol=Tsymbol/Ts。將子幀長度設(shè)置為兩個(gè)成員載波符號(hào)長度的最小公倍數(shù)，即

這可以保證不同頻段的子幀長度相同，但每個(gè)子幀中包含的符號(hào)數(shù)目不同。一個(gè)子幀對(duì)應(yīng)N1=Nsub-frame/Nsymbol1個(gè)頻段1的符號(hào)，或N2=Nsub-frame/ Nsymbol2個(gè)頻段2的符號(hào)。

這里以子幀為單位分配數(shù)據(jù)，每個(gè)子幀包含的時(shí)域數(shù)據(jù)總點(diǎn)數(shù)相同，均為Nsub-frame。不同頻段的有用數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)不同，分別為B1=N1×M1和B2=N2×M2。將數(shù)據(jù)流劃分為長度為B=B1+B2的塊，再將其分配到兩個(gè)成員載波上。

5 數(shù)值計(jì)算和分析

文獻(xiàn)[4]提供了衛(wèi)星通信系統(tǒng)最大多普勒頻移的計(jì)算方法，據(jù)此可得到不同載波頻率下對(duì)應(yīng)于不同終端速度的最大多普勒頻移，如表1所示。

表1 不同載波頻率下不同終端速度對(duì)應(yīng)的最大多普勒頻移

由表1可知，最大多普勒頻移隨著載波頻率的增大而增大，不同頻段的最大多普勒頻移相差較大。

采用文獻(xiàn)[3]中給出的信道模型參數(shù)，將信噪比設(shè)置為SNR=15dB，通過式（1），可以計(jì)算出各載波頻率下不同子載波間隔對(duì)應(yīng)的SINR，如圖2所示。

圖2 不同子載波間隔對(duì)應(yīng)的ICI抑制效果

要滿足SINR≥10dB，各頻段載波對(duì)應(yīng)的最小子載波間隔，如表2所示。

表2 對(duì)應(yīng)的最小子載波間隔

根據(jù)前面確定的不同頻段上的子載波間隔，按照本文給出的數(shù)據(jù)分配方案，可以確定其他相關(guān)傳輸參數(shù)，如表3所示。

表3 MSS載波聚合傳輸參數(shù)

這里對(duì)于CP長度的選取，首先是要滿足大于最大多徑擴(kuò)展時(shí)延250ns的條件；其次是按照前面討論的數(shù)據(jù)分配方案，確保子幀長度成為各成員載波符號(hào)長度的最小公倍數(shù)。表4給出了MSS載波聚合中的CP長度在符號(hào)長度中所占的比例，并與LTE標(biāo)準(zhǔn)中CP長度的設(shè)置進(jìn)行了比較。

表4 CP長度占符號(hào)長度的比例

可以看出，MSS載波聚合時(shí)，CP占符號(hào)長度的比例與LTE標(biāo)準(zhǔn)中常規(guī)CP占符號(hào)長度的比例相當(dāng)。這說明了結(jié)合數(shù)據(jù)分配方案確定的CP長度的合理性。

圖3 選定CP長度時(shí)子載波間隔變化對(duì)信道容量的影響

將每個(gè)頻段下的CP長度設(shè)為表3中選定的值，按照式（2）計(jì)算不同子載波間隔對(duì)應(yīng)的信道容量，如圖3所示。在這里不考慮編碼和調(diào)制方式的影響，將成員載波的工作帶寬設(shè)為20MHz，信噪比設(shè)為SNR=15dB。

各載波在選定參數(shù)下的信道容量，具體數(shù)值如表5所示，并與采用統(tǒng)一參數(shù)（CP長度為4.69μs，子載波間隔為15kHz）時(shí)的信道容量進(jìn)行了對(duì)比。

表5 不同頻段載波對(duì)應(yīng)的信道容量

表5的計(jì)算結(jié)果表明，各頻段載波在選定參數(shù)下的信道容量，均接近該載波信道容量的最大值，同時(shí)均大于采用統(tǒng)一參數(shù)的信道容量。這一方面可以說明MSS物理層數(shù)據(jù)分配方案所采用的參數(shù)確定方法的合理性和有效性；另一方面則說明了OFDM系統(tǒng)的信道容量是由CP長度與子載波間隔共同決定的，而且是互相制約的，需要對(duì)它們進(jìn)行統(tǒng)一考慮。

6 結(jié)束語

本文對(duì)載波聚合技術(shù)在衛(wèi)星移動(dòng)通信中的適應(yīng)性問題進(jìn)行了初步討論，根據(jù)不同頻段載波的OFDM傳輸參數(shù)的差異，給出了一種適用于跨頻段衛(wèi)星移動(dòng)通信的物理層聚合方案。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，各頻段載波在選定參數(shù)下的信道容量，均接近該載波信道容量的最大值，同時(shí)均大于采用統(tǒng)一參數(shù)時(shí)的信道容量。在本文基礎(chǔ)上，繼續(xù)研究載波聚合其他相關(guān)技術(shù)在衛(wèi)星移動(dòng)通信中的適應(yīng)性問題，將為提高衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)頻譜利用率、促進(jìn)地面與衛(wèi)星通信體制融合提供有益參考和有力支持。

參考文獻(xiàn)

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[4] Xiaoyan Xu，Shubo Ren，Jianjun Wu，Haige Xiang，Analysis of Channel Correlation Characteristics in GEO Mobile Satellite Communications，ICACT2011.

Preliminary Study on the Adaptability of Carrier Aggregation Used in Mobile Satellite Communication

Yang Xu1, Geng Xiao2, Gao Yazhe2, Wu Jianjun2
(1.The State Radio Monitoring Center, Beijing, 100037; 2. Peking University, Beijing, 100871)

Abstract:This paper works on the scheme of multi-band carrier aggregation in satellite mobile communication system. According to the transmission characteristics of carriers in different frequency bands, the transmission parameters of OFDM in different bands have been determinated. A scheme of the cross band carrier aggregation in satellite mobile communication system is also discussed. Numerical calculation and analysis are given to confirm the rationality and effectiveness.

Keywords:Satellite mobile communication; carrier aggregation

作者簡介：楊 旭，男，助理工程師，就職于國家無線電監(jiān)測(cè)中心、國家無線電頻譜管理中心。耿 瀟，男，碩士研究生，就讀于北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院。高亞哲，男，碩士研究生，就讀于北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院。吳建軍，男，教授，就職于北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院。

中圖分類號(hào)：TN927 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A 文章編碼：1672-7274（2016）04-0040-04

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.04.012