载波聚合技术在卫星移动通信中的适应性初步研究

杨 旭，耿 潇，高亚哲，吴建军

（1.国家无线电监测中心，北京 100037；2.北京大学，北京 100871）



载波聚合技术在卫星移动通信中的适应性初步研究

杨 旭1，耿 潇2，高亚哲2，吴建军2

（1.国家无线电监测中心，北京 100037；2.北京大学，北京 100871）

摘要：本文对载波聚合技术在卫星移动通信中的适应性进行了初步讨论，根据不同频段的传输特性，讨论了卫星移动通信载波聚合传输参数的选取方法，给出了一种适合卫星移动通信的载波聚合数据分配方法，通过数值计算和分析，验证了本文所述方法的合理性和有效性。

关键词：卫星移动通信；载波聚合

1 引言

近年来，卫星移动通信系统（MSS）逐步向宽带化、高速化和移动化发展。与卫星固定业务相比，现有分配给卫星移动业务的频带较少，并且比较分散，频谱资源逐渐成为限制卫星移动通信发展的一个重要因素。因此，如何尽可能地提高频谱效率、充分利用现有频带，已经成为卫星移动通信的研究热点之一。

正交频分复用（OFDM）传输体制有着较高的频谱效率，将OFDM向卫星环境移植成为提高MSS频谱效率的一个重要手段。同时，载波聚合作为频谱扩展技术，可以充分利用零散频谱，提高频谱资源的利用率。在MSS中应用载波聚合技术，对于有效提高MSS的传输速率，促进卫星与地面通信系统的进一步融合，具有很重要的意义。本文将针对MSS采用载波聚合技术时的传输参数选取和数据分配等问题进行讨论。

2 问题的提出

根据参考文献[1]与[2]所介绍的载波聚合相关技术路线与实现方案，载波聚合可在媒体接入控制（MAC）或物理层实现。在MAC层实现载波聚合时，各个成员载波进行独立的混合自动重传请求（HARQ），并采用独立的调制编码机制（MCS），以充分提高系统的性能。在物理层实现载波聚合时，各成员载波的数据来自同一个数据块，无论是发送新数据还是重发旧数据，都在物理层进行数据的分配和聚合。同时，物理层聚合采用统一的HARQ进程，以减少信令开销。进行数据分配时，不同频段的成员载波采用不同的传输参数。

目前，地面移动通信系统的工作频率均在4GHz以下，传输特性相差不大，可以使用统一的传输参数进行折衷，在MAC层实现载波聚合。MSS的可用频率从数百兆赫直到数十吉赫，不同频段的成员载波采用折衷的传输参数会降低系统性能。同时，鉴于卫星设备的工作能力，采用统一的MCS更具实际意义。因此，物理层载波聚合更适用于MSS。由于数据流要被分配到具有不同传输特性的载波上，面临的主要问题为如何选取各成员载波的OFDM传输参数，并确定在不同成员载波间的分配方案。

3 传输参数选取方法

OFDM体制需要确定的主要参数包括循环前缀（CP）长度和子载波间隔等，CP长度和子载波间隔分别与信道的最大多径时延扩展和最大多普勒频移有关。此外，在进行具体的参数选取时，还需要考虑系统的采样时钟、支持的IFFT点数以及帧结构的设置等。

当OFDM符号的CP长度大于信道的最大多径时延扩展时，符号间的正交性没有被破坏，不存在子载波间串扰（ICI）。当CP长度小于信道的最大多径时延扩展时，当前接收到的OFDM符号会受到前一个符号的影响。文献[3]提供了不同无线通信环境的信道模型和相关参数，由其中的卫星宽带信道模型参数可知，卫星信道最大多径时延为250ns。根据前面的讨论，只要CP长度大于250ns，就可以完全抑制多径扩展带来的符号间干扰。在具体设置CP长度时，还需要结合子载波间隔和帧结构的设置进行考虑。

要确定各频段成员载波的最佳子载波间隔，首先要计算不同频段对应的最大多普勒频移，卫星信道多普勒频移的产生是由卫星与终端的相对运动造成的。多普勒效应对OFDM符号的影响表现为：在经过多径信道时，每径OFDM符号的载波频率都会受到一定多普勒频移的影响；接收端在进行多径合并时，每个子载波的边瓣能量都会泄露一部分到下一个子载波的采样点上，从而破坏各个子载波之间的正交性，产生ICI。

可以将第s个符号中第k个子载波的信干噪比（SINR）表示为

选择不同的子载波间隔，就计算出该子载波间隔下的SINR，将其与SNR进行对比，即可得到该子载波间隔对ICI的抑制效果。当载波频率相距较远时，要达到相同的ICI抑制效果，所需的最小子载波间隔相差较大。因此，在进行跨频段载波聚合时，需要在不同频段采用独立的参数。

同时，根据式（1），可以将信道容量表示为

4 数据分配方法

待分配到各成员载波的数据是经过了编码和调制的符号流，考虑两个成员载波的情况，f1与f2来自不同的频段，它们采用的子载波间隔△f是各自频段特性下的最优值，不采用折衷的统一参数，将数据按照图1的方案进行分配。

首先需要确定时间采样间隔Ts。假设成员载波的工作带宽为BW，对应的频域数据点数为M=BW/△f。对其进行IFFT后，得到M点时域数据。则对应的时域采样间隔为

为了在接收端对不同成员载波采用相同的采样时钟，需要将不同频段的工作带宽设置为相同值。各成员载波的符号长度由其子载波间隔和CP长度共同决定

图1 物理层数据分配方法

对应的数据点数为Nsymbol=Tsymbol/Ts。将子帧长度设置为两个成员载波符号长度的最小公倍数，即

这可以保证不同频段的子帧长度相同，但每个子帧中包含的符号数目不同。一个子帧对应N1=Nsub-frame/Nsymbol1个频段1的符号，或N2=Nsub-frame/ Nsymbol2个频段2的符号。

这里以子帧为单位分配数据，每个子帧包含的时域数据总点数相同，均为Nsub-frame。不同频段的有用数据点数不同，分别为B1=N1×M1和B2=N2×M2。将数据流划分为长度为B=B1+B2的块，再将其分配到两个成员载波上。

5 数值计算和分析

文献[4]提供了卫星通信系统最大多普勒频移的计算方法，据此可得到不同载波频率下对应于不同终端速度的最大多普勒频移，如表1所示。

表1 不同载波频率下不同终端速度对应的最大多普勒频移

由表1可知，最大多普勒频移随着载波频率的增大而增大，不同频段的最大多普勒频移相差较大。

采用文献[3]中给出的信道模型参数，将信噪比设置为SNR=15dB，通过式（1），可以计算出各载波频率下不同子载波间隔对应的SINR，如图2所示。

图2 不同子载波间隔对应的ICI抑制效果

要满足SINR≥10dB，各频段载波对应的最小子载波间隔，如表2所示。

表2 对应的最小子载波间隔

根据前面确定的不同频段上的子载波间隔，按照本文给出的数据分配方案，可以确定其他相关传输参数，如表3所示。

表3 MSS载波聚合传输参数

这里对于CP长度的选取，首先是要满足大于最大多径扩展时延250ns的条件；其次是按照前面讨论的数据分配方案，确保子帧长度成为各成员载波符号长度的最小公倍数。表4给出了MSS载波聚合中的CP长度在符号长度中所占的比例，并与LTE标准中CP长度的设置进行了比较。

表4 CP长度占符号长度的比例

可以看出，MSS载波聚合时，CP占符号长度的比例与LTE标准中常规CP占符号长度的比例相当。这说明了结合数据分配方案确定的CP长度的合理性。

图3 选定CP长度时子载波间隔变化对信道容量的影响

将每个频段下的CP长度设为表3中选定的值，按照式（2）计算不同子载波间隔对应的信道容量，如图3所示。在这里不考虑编码和调制方式的影响，将成员载波的工作带宽设为20MHz，信噪比设为SNR=15dB。

各载波在选定参数下的信道容量，具体数值如表5所示，并与采用统一参数（CP长度为4.69μs，子载波间隔为15kHz）时的信道容量进行了对比。

表5 不同频段载波对应的信道容量

表5的计算结果表明，各频段载波在选定参数下的信道容量，均接近该载波信道容量的最大值，同时均大于采用统一参数的信道容量。这一方面可以说明MSS物理层数据分配方案所采用的参数确定方法的合理性和有效性；另一方面则说明了OFDM系统的信道容量是由CP长度与子载波间隔共同决定的，而且是互相制约的，需要对它们进行统一考虑。

6 结束语

本文对载波聚合技术在卫星移动通信中的适应性问题进行了初步讨论，根据不同频段载波的OFDM传输参数的差异，给出了一种适用于跨频段卫星移动通信的物理层聚合方案。数值计算结果表明，各频段载波在选定参数下的信道容量，均接近该载波信道容量的最大值，同时均大于采用统一参数时的信道容量。在本文基础上，继续研究载波聚合其他相关技术在卫星移动通信中的适应性问题，将为提高卫星移动业务频谱利用率、促进地面与卫星通信体制融合提供有益参考和有力支持。

参考文献

[1] 3GPP TS 36.300 V10.8.0 (2012-06), 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2 (Release 10)

[2] Mikio Iwamura，Kamran Etemad，Mo-Han Fong，Ravi Nory，Robert Love，Carrier Aggregation Framework in 3GPP LTE-Advanced，IEEE Communications Magazine，2010.

[3] Rec. ITU-R M.1225，RECOMMENDATION ITU-R M.1225 GUIDELINES FOR EVALUATION OF RADIO TRANSMISSION TECHNOLOGIES FOR IMT-2000.

[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

作者简介：杨 旭，男，助理工程师，就职于国家无线电监测中心、国家无线电频谱管理中心。耿 潇，男，硕士研究生，就读于北京大学信息科学技术学院。高亚哲，男，硕士研究生，就读于北京大学信息科学技术学院。吴建军，男，教授，就职于北京大学信息科学技术学院。

中图分类号：TN927 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2016）04-0040-04

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.04.012