（通信与信息系统专业论文）频谱聚合场景下若干关键技术研究.pdf

吣 t 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究j 作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注利致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同+ 1 ：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：趁丛日期：2 竺丝，童： 2 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文t 作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被奄阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学 位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属丁保密范围，在一年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：本学位论文不属丁保密范围，适用本授权书。 本人签名：茧氆日期：；, z o ! o , 墨：金 日期：s 硷 导师繇垒兰盥嗍趁纽址呈 _ ， 二 k t 北京邮电人学硕。l ：学位论文摘要 频谱聚合场景下若干关键技术研究 摘要 下一代移动通信系统高系统带宽要求与不连续的频谱分配现状 之间存在尖锐的矛盾。如何有效利用频域上分散的频谱资源，通过资 源整合以获得更高的系统带宽，是必须解决的问题。为解决这一问题 提出的频谱聚合( s p e c t r u ma g g r e g a t i o n ) 可以将分散的、信道容量难以 支撑高带宽需求业务的频谱段( s p e c t r u mf r a g m e n t ) 聚合为完整的、信 道容量较大的频谱，从而支持更高系统带宽，提升频率利用率；此外， 对频率相距较远的频谱段的聚合能够实现系统层面的频率选择性分 集( f r e q u e n c ys e l e c t i v ed i v e r s i t y ) ，即充分利用不同频谱的路径损耗和衰 落的异质。i 生( s p e c t r u mh e t e r o g e n e i t y ) ，实现资源分配和利用的最优化。 本文研究频谱聚合场景下亟待解决的问题，提出解决方案。主要 研究内容包括频谱聚合场景下多段离散频谱的主动干扰抵消方案，以 及频谱聚合场景下的快速小区搜索机制。课题研究受到华为科技基金 载波聚合关键技术研究资助。 本文首先系统分析频谱聚合场景下由其特殊性质产生的关键问 题，包括射频前端的硬件受限问题、频谱异质性问题、离散频谱的物 理层传输问题和l w i a 中的后向兼容性问题，并总结相关研究进展。 在本文的第三章，针对频谱聚合场景下不连续正交频分复用 ( n c 。o f d m ) 传输方案中，信号固有的带外泄漏导致的系统间干扰问 题，在传统单频谱间隔的主动干扰抵消算法的基础上，提出多段离散 频谱的主动干扰抵消算法，并通过矩阵简化得到最优解；进而提出一 种低复杂度的多段离散频谱主动干扰抵消算法。性能仿真分析表明， 该算法能够满足频谱聚合场景无干扰的要求。 在本文的第四章，针对频谱聚合场景下小区搜索过程中s c h 检 测性能与频率利用率之间的矛盾，提出一种基于收发两端相同载波优 先级确定准则的快速小区搜索机制。该机制充分考虑频谱异质性对 s c h 检测造成的影响，压缩s c h 数量，同时保证s c h 尽可能位于频 谱质量较好的低频段载波上。本文进而考虑了算法频率利用率与检测 性能的折中。性能仿真分析表明，本机制在小区搜索时间上与传统机 制接近，频率利用率得到提升，同时对于低信噪比环境具有鲁棒性。 北京邮电大学硕十学位论文摘要 关键词：频谱聚合频率选择性分集不连续正交频分复用主动干扰 抵消小区搜索l t e a d v a n c e d 北京邮电人学硕：卜学位论文a b s t r a ( ? r r e s e a r c ho ns e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e s u n d e rs p e c t r u ma g g r e g a t i o ns c e n a r i o s a b s t r a c t t h ec o n t r a d i c t i o no nw i d e b a n dr e q u i r e m e n to fn e x t g e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n dc o n d i t i o n so fd i s c o n t i n u o u s s p e c t r u ma s s i g n m e n th a st ob es o l v e d m o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k e v o l u t i o ns e e k sf o re f f e c t i v eu s a g eo fn o n c o n t i n u o u ss p e c t r u mr e s o u r c e s p e c t r u ma g g r e g a t i o ni san o v e ls o l u t i o nt oa g g r e g a t et h ed i s p e r s e da n d n a r r o w b a n ds p e c t r u mf r a g m e n t si n t ow i d e b a n ds p e c t r u m f u r t h e r m o r e ， t h es p e c t r u ma g g r e g a t i o no fl a r g e - r a n g es p e c t r u mf r a g m e n t sh a saf e a t u r e n a m e df r e q u e n c ys e l e c t i v e d i v e r s i t y ，w h i c h c a nu t i l i z et h ed i v e r s e s p e c t r u mh e t e r o g e n e i t y , t or e a l i z et h eo p t i m i z a t i o no fr e s o u r c ea l l o c a t i o n a n du s a g e t h i s p a p e r f o c u so ns e v e r a l t e c h n o l o g i e s u n d e r s p e c t r u m a g g r e g a t i o ns c e n a r i o s ，w h i c hi n c l u d e d ：a c t i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n a l g o r i t h mf o ，m u l t i p l es p e c t r u mf r a g m e n t sa n df a s tc e l ls e a r c hs c h e m e u n d e rs p e c t r u ma g g r e g a t i o ns c e n a r i o s t h er e s e a r c h e sa r es u p p o r t e db y h u a w e it e c h n o l o g yf o u n d a t i o n ”r e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g i e so n c a r r i e ra g g r e g a t i o n ” t h i s p a p e rd e s c r i b e sf i r s t l y t h e k e yp r o b l e m su n d e rs p e c t r u m a g g r e g a t i o ns c e n a r i o s ，s u c h a sr fh a r d w a r ec o n s t r a i n e d p r o b l e m ， s p e c t r u mh e t e r o g e n e i t yp r o b l e m ，p h y s i c a ll a y e rt r a n s m i s s i o np r o b l e mo f d i s p e r s e ds p e c t r u m ，a n db a c k w a r dc o m p a t i b i l i t yp r o b l e mi nl t e a t h e r e s e a r c hp r o g r e s sa n ds o l u t i o n sa r ec o n c l u d e di nt h es e c o n dc h a p t e r t h et h i r d c h a p t e rp r o p o s e s t h ea c t i v e i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n a l g o r i t h m f o r m u l t i p l es p e c t r u mf r a g m e n t s ，i n o r d e rt os o l v et h e n c - o f d mo u t o f - b a n dl e a k a g ei n t e r f e r e n c e p r o b l e m t h eo p t i m a l s o l u t i o no fa l g o r i t h mi sg i v e nb ym a t r i xs i m p l i f i c a t i o n f u r t h e r m o r e ，w e p r o p o s eal o w c o m p l e x i t ya l g o r i t h m p e r f o r m a n c ea n a l y s i ss h o w st h e a l g o r i t h mi sa b l et om e e tt h ed e m a n do fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h ef o u r t hc h a p t e rp r o p o s e saf a s tc e l ls e a r c hs c h e m et ob a l a n c et h e s c hd e t e c t i o np e r f o r m a n c ea n ds p e c t r u mu t i l i z a t i o n t h em a i ni d e ao f i i i o u rs c h e m ei st o a p p l yt h es a m e o fu e sa n de n b s t h es c h e m e c a r r i e rp r i o r i t yp r i n c i p l e so nb o t hs i d e s a l s ot a k e ss p e c t r u mh e t e r o g e n e i t yi n t o a c c o u n tt om a k es u r es c h sa r ea l w a y so nt h el o w f r e q u e n c yc a r r i e r s t h e n u m b e ro fs c h sc a nb es e l e c t e df l e x i b l y p e r f o r m a n c ea n a l y s i ss h o w s t h a to u rs c h e m ei sr o b u s tt ol o ws n r s c e n a r i o s k e yw o r d s ：s p e c t r u ma g g r e g a t i o n ，f r e q u e n c y s e l e c t i v e d i v e r s i t y , n o n 。c o n t i n u o u so r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( n c o f d m ) ， a c t i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ( a i c ) ，c e l ls e a r c h ，l t e a d v a n c e d i v k 北京邮电人学硕t ：学位论文 目录 摘要 目录 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 i i i i l 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 课题研究内容2 1 3 论文结构安排3 第二章频谱聚合场景及其关键问题综述 2 1 弓i 言4 2 2 频谱聚合场景。4 2 3 频谱聚合场景下的关键问题5 2 3 1 射频前端的硬件受限问题。5 2 3 2 频谱异质性问题。8 2 3 3 离散频谱的物理层传输问题一9 2 3 4 l t e - a 中的后向兼容性问题1 5 2 4 本章小结1 8 第三章频谱聚合场景下n c o f d m 带外泄漏问题研究1 9 3 1 弓i 言1 9 3 2n c - o f d m 带外泄漏问题1 9 3 3 传统的主动干扰抵消算法2 1 3 4 多段离散频谱的主动干扰抵消( 舢c m s f ) 算法2 3 3 4 1a i c m s f 算法原理2 3 3 4 2 a i c m s f 算法的最优解2 4 3 4 3 一种低复杂度的a i c m s f 算法2 5 3 5 性能仿真及评价2 6 3 5 1a i c - m s f 算法总体性能仿真及评价2 6 3 5 2 频谱间隔位置和宽度对a i c m s f 算法性能的影响评价。2 7 3 5 3 低复杂度a i c m s f 算法的性能仿真及评价。2 9 3 6 本章小结3 1 第四章频谱聚合场景下小区搜索机制研究3 2 4 1 弓i 言3 2 4 2l t e 的小区搜索过程与s c h b c h 设计。3 2 4 2 1 小区搜索流程与s c h b c h 功能。3 2 4 2 2s c h b c h 时频结构。3 3 4 。2 3s c h 序列设计3 4 4 2 4 s c h 检测算法3 5 4 3 一种频谱聚合场景下的快速小区搜索机f l ；i j ( s p p c ) 3 6 v 北京邮电大学硕十学位论文 目录 4 3 1 频谱聚合场景f 4 , 区搜索面临的问题3 6 4 3 2s p p c 机制中的载波优先级确定准则。3 7 4 3 3s p p c 机制的选1 算法3 7 4 3 4 对“选1 ”算法在频率利用率与检测性能上的折中3 9 4 4 性能仿真及评价4 0 4 4 1 仿真场景与仿真参数4 0 4 4 2 小区搜索时间的概率累积分布性能评价4 l 4 4 3小区搜索成功概率性能评价4 2 4 5 本章小结4 3 第五章总结与下一步研究方向 5 1 论文1 ：作总结4 4 5 2 下一步研究方向4 4 缩略语 参考文献 致谢 攻读硕士学位期间发表的学术论文 v l 4 6 4 8 5 3 5 4 一 ， k 北京邮电大学顾f ：学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论弟一早强形 随着无线通信的发展，不断增长的业务需求与同益拥挤的无线频谱资源之间 的矛盾愈发突出。可以预见，下一代无线移动通信系统为了支持更大的系统容量， 必须采用各种提高频率利用率和频谱效率的技术。i t u 为4 g 移动通信制订的通 信系统标准i m t - a d v a n c e d ( i m t - a ) 要求支持不同大小的系统带宽：出于业务和用 户服务质量考虑，最大的系统带宽应该达到1 0 0 m h z ，如此大的系统带宽是目 前已分配的任何一个无线移动通信系统频谱无法达到的。另一方面，频谱资源是 一种宝贵的、有限的资源，由国家或无线电组织统一分配、授权使用。在2 0 0 7 年的w r c 0 7 大会上，明确划分出四段新的频谱供4 g 使用，这四段频谱分散在 4 5 0 m h z 到3 6 0 0 m h z 的频率范围上，且彼此之间存在2 0 0 m h z 到1 0 0 0 m h z 的距 离，考虑到不同运营商分别组建4 g 网络，单独每段频谱的带宽都难以达到 1 0 0 m h z 的系统设计要求。由此看出，下一代移动通信网络高系统带宽要求与不 连续的频谱分配现状之间存在尖锐的矛盾。如何有效利用不连续的频谱，将频域 上分散的频谱资源整合以获得更高的系统带宽，是i m t o a 必须解决的问题，也 是未来移动通信网络演进的重要研究方向。 针对这一问题提出的频谱聚合( s p e c t r u ma g g r e g a t i o n ) 已经引起学术界和产业 界的广泛关注。频谱聚合的优势是显而易见的：它可以将分散的、信道容量难以 支撑高带宽需求业务的频谱段( s p e c t r u m f r a g m e n t ) 聚合为完整的、信道容量较大 的频谱，从而支持更高的系统带宽，提高频率利用率；此外，对频率相距较远的 频谱段的聚合能够实现系统层面的频率选择性分集( f r e q u e n c ys e l e c t i v e d i v e r s i t y ) ，即充分利用不同频谱的路径损耗和衰落的异质性( s p e c t r u m h e t e r o g e n e i t y ) ，实现资源分配和利用的最优化。频谱聚合因其技术优势及在未来 移动通信网络演进中的重要地位，具有十分重大的研究意义。 针对频谱聚合的研究最早始于2 0 0 5 年。2 0 0 6 年q i n e t i q 公司为o f c o r n 提供 的技术报告【2 】第一次系统性分析了分散的不连续频谱的产生原因、利用价值，以 及频谱聚合在政策、技术和市场方面面临的问题，对频谱聚合做出了可行性分析。 文献【3 】对多带宽需求场景下的频谱聚合频谱分配机制进行了初步的研究，并提 出一种聚合预知的频谱支配算法( a a s a , a g g r e g a t i o n a w a r e s p e c t r u m a s s i g n m e n t ) 。另据了解，浙江大学已就频谱聚合场景下的物理层与链路层传输 第1 页共5 4 页 北京邮电大学硕l ：学位论文第一章绪论 理论与技术开始研究工作。目前关注频谱聚合的主要组织或机构包括3 g p p 和 o f c o m 等。3 g p pt s g r a nw g l 的4 3 次会议上多家运营商的提案【4 1 将频谱聚 合的场景按照频谱相邻与否分为五类，为3 g p p 在l t e a d v a n c e d ( l t e a ) 中进行 频谱聚合的研究奠定了基础。近两年，在3 g p pl t e a 的提案中，频谱聚合是各 个提案方关注的焦点刚6 。 目前对频谱聚合的理论研究仍然不够深入，普遍认为，频谱聚合在i m t - a 中要走向实际应用，必须考虑以下几方面的制约因素：一是硬件受限( h a r d w a r e c o n s t r a i n e d ) ，目前接收机侧射频前端的混频器、滤波器，发射机侧的功率放大器， 以及数字信号处理器等的技术水平都难以达到频谱聚合的要求，在研究m a c 层 的聚合机制与算法时必须考虑硬件受限的条件：二是异质频谱环境的约束，频率 相距较远的频谱之间的异质性既带来系统层面的频率选择性分集，也会使无线信 道环境变得更加复杂，聚合机制与算法应当既能利用频率选择性分集，又具备对 复杂信道环境的鲁棒性；三是离散频谱的物理层传输问题，离散频谱要求选择可 以支持分段传输的物理层传输方案，此外频谱段之问的频谱间隔处可能存在其他 通信系统，频谱聚合要求传输信号不应对频谱间隔处的其他通信系统造成干扰； 四是在l t e a 中的后向兼容性限制。上述限制条件是频谱聚合的理论和应用研 究中必须考虑的问题。 本研究课题以频谱聚合场景作为切入点，针对频谱聚合必须考虑的上述限制 条件，就若干频谱聚合场景下的关键技术展开研究分析，提出可行的解决方案并 进行性能分析评价。本研究课题能够推动频谱聚合的理论研究，也能够为移动通 信系统演进及实际应用做出贡献，具有重要的理论价值和应用前景。 本课题受到华为科技基金载波聚合关键技术研究资助。 1 2 课题研究内容 本文主要研究频谱聚合场景下的若干关键技术，并取得了以下成果： 系统分析频谱聚合场景下由于其具有的特殊性质产生的关键问题，包括射频 前端的硬件受限问题、频谱异质性问题、离散频谱的物理层传输问题以及l t e a 中的后向兼容性问题。并对这些问题的研究进展加以总结分析； 针对频谱聚合场景下不连续正交频分复用( n c o f d m ) 传输方案中，由 o f d m 信号固有的带外泄漏导致的干扰问题，在已有的单个频谱间隔的主动干 扰抵消技术的基础上，提出多段离散频谱的主动干扰抵消( 舢c m s f ) 技术方案， 并通过矩阵简化给出得到最优解的方法；进而针对算法复杂度过高的问题，又提 出了一种低复杂度的多段离散频谱主动干扰抵消方案。性能仿真分析表明，多段 离散频谱的主动干扰抵消算法的次优解能够满足实际应用无干扰的要求，且频谱 间隔的位置不会对算法性能造成明显影响：低复杂度的多段离散频谱主动干扰抵 第2 页共5 4 页 k t 北京邮电人学硕 l 学位论文 第一章绪论 消算法性能略有下降，但不影响实际应用要求。相关研究成果已于2 0 0 9 年9 月 在w j c o m 0 9 会议上发表； 针对频谱聚合场景下的小区搜索过程中，同步信j 酋( s c h ) 在各成员载波上的 设置所存在的检测性能与频率利用率之间的矛盾，提出一种基于收发两端相同载 波优先级确定准则的快速小区搜索机锖i j ( s p p c ) 。该机制的主要思想是在e n b 侧 和u e 侧采用相同的载波优先级确定方法，并充分考虑到频谱异质性对s c h 检 测造成的影响，一方面压缩s c h 数量，另一方面保证s c h 尽可能位于频谱质量 较好的低频段载波上。进而为了考虑检测性能与频率利用率之间的折中，又提出 可以灵活设定s c h 的数量的快速小区搜索机制。性能仿真分析表明，本文提出 的快速小区搜索机制在小区搜索时间上远优于随机主载波选择机制。同全s c h 设置机制相比，在小区搜索时间上与其接近，而频率利用率能够得到提升。 1 3 论文结构安排 本文共分为五章，具体章节内容安排如下： 第一章指明本文的研究背景和内容。首先分析探讨频谱聚合的研究现状和发 展趋势，指明本课题的研究意义，而后介绍本课题的研究内容与成果； 第二章首先描述频谱聚合场景，然后系统分析频谱聚合场景下由于其具有的 特殊性质产生的关键问题：射频前端的硬件受限问题、频谱异质性问题、离散频 谱的物理层传输问题以及l t e a 中的后向兼容性问题； 第三章分析频谱聚合场景下n c o f d m 传输信号的带外泄漏导致的干扰问 题，简介传统的主动干扰抵消算法，提出多段离散频谱的主动干扰抵消技术方案， 并给出最优解；进而提出一种低复杂度的多段离散频谱主动干扰抵消方案。最后 对算法进行性能仿真分析； 第四章分析研究频谱聚合场景下的小区搜索过程中，s c h 在各成员载波上 的设置所存在的检测性能与频率利用率之间的矛盾，简介l t e 中的小区搜索过 程，提出基于收发两端相同载波优先级确定准则的快速小区搜索机制。进而提出 可以灵活设定s c h 的数量，在频率利用率与检测性能上实现折中。最后对机制 进行性能仿真分析； 第五章总结论文，并提出下一步研究方向。 第3 页共5 4 页 北京邮电大学硕f ：学位论文第二章频谱聚合场景及j e 关键问题综述 2 1 引言 第二章频谱聚合场景及其关键问题综述 如前所述，下一代移动通信网络高系统带宽要求与不连续的频谱分配现状之 间存在尖锐的矛盾。如何有效利用不连续的频谱，将频域上分散的频谱资源整合 以获得更高的系统带宽，是i m t - a 必须解决的问题，也是未来移动通信网络演 进的重要研究方向。针对这一问题提出的频谱聚合已经引起学术界和产业界的广 泛关注。频谱聚合的优势是显而易见的：它可以将分散的、信道容量难以支撑高 带宽需求业务的频谱段聚合为完整的、信道容量较大的频谱，从而支持更高的系 统带宽，提高频率利用率；此外，对频率相距较远的频谱段的聚合能够实现系统 层面的频率选择性分集，即充分利用不同频谱的路径损耗和衰落的异质性，实现 资源分配和利用的最优化。 作为本课题的研究基础，本章系统分析频谱聚合场景及其关键问题。2 2 节 首先描述频谱聚合场景，并给出一些相关概念的具体定义；2 3 节将频谱聚合场 北京邮电人学硕卜学位论文 第二章频谱聚合场景及其关键问题综述 用环境的分析上。提案【8 】分析了l t e a 所部署的频段上路径损耗、多普勒频移 等参数的差异。在最近的3 g p pt s g r a nw g l 的5 5 次会议上提出的提案代表 了目前l t e a 标准中频谱聚合研究的最新进展。提案f 9 】将目前频谱聚合领域的 主要关注点加以总结，包括频谱段使用的资源块数目1 1 0 】【1 1 j 、频谱段间的防护带 宽设型1 2 】【1 3 】【1 4 】、上行下行不对称场景下的频谱聚合【1 0 l 【1 2 l 、频谱聚合与l t e 的后 向兼容性1 1 5 1 【1 6 j 、物理层到m a c 层的聚合映射机制1 1 2 l 【1 4 j 【1 7 1 、上行下行的信令方 案【1 6 】f 1 8 】【1 9 】等方面。 目前，关于频谱聚合的深层次理论研究也已展开。文献【3 】对多带宽需求场 景下的频谱聚合频谱分配机制进行了初步研究，并提出一种聚合预知的频谱支配 算法。另据了解，浙江大学已就频谱聚合场景下的物理层与链路层传输理论与技 术开始研究工作。 在本章综述伊始，首先明确频谱聚合场景及其重要概念。 综合各方观点，一般认为频谱聚合是通过物理层或者链路层技术，将分散的、 信道容量难以支撑高带宽需求业务的频谱段聚合为完整的、信道容量较大的频 谱，从而支持更高的系统带宽，提高频率利用率。所谓频谱段，是指在频率上分 散的频谱资源，且单个频潜段的带宽无法支撑高带宽需求的业务。在频谱聚合场 景下，各个频谱段之间的频率间隔宽度可能高达数g h z 。频谱段之间的频率间 隔处存在其他通信系统服务，因此频谱聚合要求聚合后的信号必须保证不对频谱 问隔处的其他通信系统造成有害干扰。将频谱段的带宽和与频谱段问频率的最高 值与最低值差值之比定义为百分比带宽，一般认为频谱聚合场景的百分比带宽不 小于5 0 。值得指出的是，频谱聚合对系统间干扰的要求与认知无线电的优势不 谋而合，因此也有人提出可以利用认知无线电技术作为频谱聚合的技术支撑。 在l t e a 的相关研究中，将频谱聚合分为连续频谱聚合和非连续频谱聚合 1 4 j 。这主要是考虑到与l t e 的后向兼容性问题。l t e a 将考虑到后向兼容性的 2 0 m h z 频谱段称为成员载波( c o m p o n e n tc a r r i e r ) ，连续频谱聚合是指将频率连续 的若干成员载波进行聚合以实现带宽扩展；非连续频谱聚合是指将位于不同频段 上的成员载波进行聚合。我们认为l t e a 的分类与以上的定义并不矛盾，因为 连续频谱聚合的各频谱段之间由于后向兼容性问题，仍然存在若干子载波的频谱 间隔( 其具体原理将在2 3 4 1 节讨论) 。从微观角度看，连续频谱聚合亦属于对 分散的频谱资源的聚合过程。 2 3 频谱聚合场景下的关键问题 2 3 1射频前端的硬件受限问题 射频- f i i j 端( r ff r o n t e n d ) 为通信系统提供了传输信息与无线信道的接1 2 1 ，一直 是系统研究和开发的重点。频谱聚合场景下，通信系统频段的大跨度和频谱异质 第5 页共5 4 页 北京邮电人学硕：t ：学位论文第二二章频谱聚合场景及其关键问题综述 性对收发机的射频前端的设计提出很高要求，射频前端需要同时在多个频段进行 功率放大、混频和滤波等。本节假设模数转换器之后的基带处理部分与非频谱 聚合时相同，只分析射频前端的硬件能力与受限问题。另外，目前通信系统中的 收发机主要有两种结构：超外差式( s u p e r h e t e r o d y n e ) 和直接变频式( 也称为零中 频，z e r o - i f ) 。其中超外差式对混频器动态范围的要求较低，使用更为广泛【删。 本节的分析都基于超外差式收发机结构。 2 3 1 1 射频链路器件的频谱聚合能力 接收机链路主要由接收天线、低噪声放大器、滤波器、混频器和模数转换器 组成，发射机链路则主要有数模转换器、混频器、滤波器、功率放大器和发射天 线组成。以下分析收发机链路中单个器件的频谱聚合能力。 ( 1 ) 天线。天线最重要的两个指标是天线效率和方向性1 2 1 j 。在频谱聚合场 景下，还应考虑天线能够辐射的频率动态范围。传统移动通信终端的天线设计通 常只覆盖一个频段【2 2 】，频谱聚合场景下可以选择多频天线。目前手机终端的多 频天线可以覆盖多个频段，如g 9 0 0 g 1 8 0 0 双频、g 9 0 0 3 g 双频、g 1 8 0 0 3 g 双 频、g 9 0 0 g 1 8 0 0 3 g 三频等，w i _ a n 网卡天线可同时覆盖2 4 g h z 和5 g h z 两个 频段。 ( 2 ) 低噪声放大器( l n 八l o wn o i s ea m p l i f i e r ) 。其位置靠近接收机天线， 能够在提高接收信号增益的同时尽量不引入噪声，以减轻对其后链路的滤波器、 混频器等器件的性能要求。目前采用表面贴装器件( s m d ) 封装的l n a 的频率范 围达到d c 一6 g h z l 2 1 ，并且具有较好的增益和i p 3 ( 三阶交调) 指标，可以满足频 谱聚合的要求。 ( 3 ) 功率分离器合成器。由于需要同时在多个射频链上处理各个频段的信 号，所以频谱聚合共享天线的接收机需要功率分离器( p o w e rs p l i t t e r ) ，发射机需 要功率合成器( p o w e rc o m b i n e r ) t 2 1 。o f c o m 的报告指出，当时在5 0 0 m h z 一2 g 的带 宽范围还没有性能优异的功率分离器。近几年来，一些高端器件的带宽已经够大， 如a g i l e n t 公司的1 1 6 6 7 c 功率分离器工作带宽d c 一5 0 g h z 2 3 1 ，但将功率分离器 应用于频谱聚合仍然存在两方面的困难：一是成本高，例如1 1 6 6 7 c 的价格为 $ 2 1 6 9 ：二是体积偏大，很难集成于手持终端中。 ( 4 ) 滤波器。如果发射机链路共享天线和功率放大器，信号需要先通过一 个带通滤波器，在频谱聚合下就对滤波器的带宽提出了很高的要求。对于接收机 链路来说，频谱聚合对滤波器的带外截止性能就要求很高，可以通过插入保护带 宽降低对邻道抑制度的要求。 ( 5 ) 混频器。目前商用混频器的频率动态范围为1 0 0 m h z 一6 g h z l 2 4 j ，可以 满足频谱聚合的频段范围。为了降低变频损耗对滤波器的要求，同时提高本振和 输出频率的隔离度，可以采用二阶或三阶的平衡混频器。由于频谱聚合的大带宽 第6 页共5 4 页 北京邮电火学硕一l ：学位论文 第一二章频谱聚合场景及其关键问题综述 和多频段，需要多个本振频率根据具体频谱进行动态调整。 ( 6 ) 模数转换器( a d o 数模转换器( d a c ) 。无线通信领域对a d c 的分辨率 要求为1 6 b i t ，对d a c 的要求为1 2 b i t 。目前高性能的a d c 可以达到1 6 b i t 的分 辨率，采样速率1 3 0 m s p s ，处理带宽为6 5 m h z ，输入的最大频率为6 1 5 m h z ， 可以满足各频谱段带宽在6 5 m h z 以下的频谱聚合的应用要求。a d i 公司的1 2 位d a ca d 9 7 3 5 的最高采样率为1 2 g s p s ，带宽6 0 0 m h z ，售价为$ 2 0 1 9 ，可以 满足频谱聚合的要求。但高性能a d c d a c 的应用难度在于成本太高。 ( 7 ) 功率放大器( p a ) 。p a 最重要的两个参数是效率和线性度，在频谱聚合 场景下还要考虑带宽指标。o f c o r n 的报告指出输出功率1 0 w 的p a 覆盖的频率 范围包括：2 0 m h z 1 g h z ，8 0 0 m - - 一2 g h z ，2 g - - 4 g h z ，8 0 0 m h z - - - - 4 2 g h z 。但这 类p a 都属于a 类或b 类，效率很低( 通常低于5 ) ，体积庞大且价格昂贵， 只适合在e n b 使用。m a x i m 公司的m a x 2 6 0 1p a 的频率范围是d c 1 g h z ，属 于a b c 类，效率为1 8 i 驯。m a x 2 2 4 0 ，2 2 4 2 ，2 2 4 4 - 2 2 4 7 系列，频率范围2 4 g - - 2 5 g h z ，效率2 5 以上。可以看出，现在p a 的动态范围还不能涵盖l t e a 所 分配的全部频谱，因此在发射机中无法共用一个p a ，应该考虑采用多个p a 对 各频段进行分别处理。 。 2 3 1 2硬件系统设计的问题 以上分析了收发机射频前端结构组成中，单独的硬件频谱聚合能力。当然， 在进行具体的硬件系统设计时，还要考虑到各部分组件之间的相互影响： ( 1 ) 在连续频谱聚合场景下，如果为了共享p a 和天线而在发射机采用单 条射频链，那么频谱聚合最大的难题在于减小互调失真( i m d ，i n t e r - m o d u l a t i o n d i s t o r t i o n ) 。因为目前的p a 在大带宽下的线性度不高，三阶互调产物无法滤除， 会带来严重的带内干扰。另外d a c 的处理速度也限制了频谱聚合的带宽。而在 非连续频谱聚合下，由于滤波器通带数目的限制，必须使用多条射频链分别对多 个频段进行滤波和混频，如果共享p a 和天线，则需要使用功率分离器和组合器 1 2 6 l ，但受其体积和成本的限制，目前用于手持终端还不现实。较为可行的方案 是不使用功率分离器和组合器，而将多个天线分别连接到各个频段的射频链。随 着m i m o 技术的发展，上行采用4 天线传输，4 条独立的射频链为频谱聚合提供 了硬件基础，具体使用时需要考虑如何灵活地调整每条射频链的工作参数。 ( 2 ) 信号的功率峰均l l ( p a p r ) 对p a 的线性度和效率都会产生较大的影响。 而频谱聚合的高带宽会引起p a p r 上升。因此应当研究降低信号p a p r 的信号处 理方法。 ( 3 ) 接收机链路虽然没有p a 的制约，但a d c 的处理能力限定单条射频链 能够聚合的最大带宽，因此，研究带宽受限下的频谱分配算法也是方向之一。 第7 页共5 4 页 北京邮电人学硕士学位论文第二二章频谱聚合场景及其关键问题综述 2 3 2频谱异质性问题 由于需要聚合位于不同频率上的频谱资源，因此复杂的频谱环境是频谱聚合 必须面对的现实问题。文献【8 】分析了从4 0 0 m h z 到2 g h z 的频段上路径损耗、 多普勒频移、相干时间等参数的差异。如图2 1 和图2 2 所示，在4 0 0 m h z 和2 g h z 的频段上，路径损耗的最大差异达2 0 d b 以上，多普勒频移的最大差异达5 0 0 h z 以上。因此，复杂的频谱环境直接导致不同频谱间的异质性。 图2 14 5 0 m h z 2 g h z 频谱上的路径损耗差异【8 l c a m 盯f r e q u e n c y ( m h z ) c a m e r f r e q u e n c y ( m h z ) ( a )( b ) 图2 24 5 0 m h z 一2 g h z 频谱上的多普勒频移与相干时间差异【8 1 频谱异质性会带来两方面的影响：一方面，频谱异质性使无线信道环境变得 更加复杂，针对同质频谱进行的提高通信可靠性的各类技术在异质频谱环境下带 来的增益会受到影响；另一方面，频谱的异质性又会带来系统层面的频率选择性 分集，即对不同接收信号质量的用户分配不同传播特性的频谱，以实现物尽其用， 在系统层面提升吞吐量。因此，频谱异质性可以看作一柄“双刃剑”：相比同质 频谱环境，频谱异质性会造成系统可靠性下降；而若能合理充分利用频谱异质性， 又能通过频率选择性分集提升系统可靠性。在研究频谱聚合时，必须考虑频谱异 质性带来的可靠性变化情况和频谱聚合的高带宽带来的有效性提升之间的关系， 实现两者的折中。 第8 页共5 4 页 一nh)。盖子fk矗id&o 北京邮电大学硕一l j 学位论文 第二章频谱聚合场景及其关键问题综述 2 3 3离散频谱的物理层传输问题 在频谱聚合场景，特别是离散频谱聚合场景下，物理层传输方案的选择尤为 关键。一方面频率扩展的频谱要求物理层传输方案支持大带宽传输；另一方面， 由于各频谱段间存在频谱间隔，而频谱间隔处可能有其他通信系统正在运行，因 此频谱聚合的物理层传输方案要求实现有效的频谱成形( s p e c t r u ms h a p i n g ) ，以保 证对工作于频谱间隔的其他通信系统无干扰。 目前离散频谱的物理层传输方案可以分为两类，一类是基于多载波的不连续 正交频分复用( n c o f d m ，n o n c o n t i n u o u so r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) ，另一类是基于频率估计的变换域通信系统( t d c s ，t r a n s f o r m d o m a i nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 。以下分别阐述这两类方案。 2 3 3 1 不连续正交频分复用( n c o f d m ) n c o f d m 由o f d m 衍生而来，由于o f d m 的多载波特性将宽带信号子载 波化，可以通过关闭部分子载波以实现频谱成形，因此n c o f d m 特别适合用 作离散频谱的物理层传输方案。n c o f d m 传输方案需要考虑的问题包括：带外 泄漏、高效n 可、n c