基于認知無線電的動態(tài)信道分配算法

范 敏，宋曉勤

(南京航空航天大學(xué)，江蘇南京 210007)

0 引言

TD-SCDMA系統(tǒng)上下行鏈路分別在不同的時隙內(nèi)進行通信以實現(xiàn)時分雙工。具有靈活高效的無線傳輸能力，使得動態(tài)信道分配(Dynamic Channel Allocation，DCA)成為不可或缺的一項重要技術(shù)［1］。其目的就是盡可能有效地利用有限的信道資源，以提供盡可能多的接入用戶，并保證接入鏈路質(zhì)量。

根據(jù)功能可把DCA劃分為慢速DCA和快速DCA。慢速DCA是指把整個網(wǎng)絡(luò)資源分配給不同的小區(qū)，而快速DCA則是把分配給不同小區(qū)的資源再分配給小區(qū)中的不同用戶［2］。但隨著用戶數(shù)的增加，蜂窩小區(qū)細分，越區(qū)頻繁，對用戶說來，通話中斷率上升比信道阻塞更加嚴(yán)重;同時多數(shù)算法只著眼于固定頻率，而忽略了其他空余頻帶資源，對極度緊張的頻率資源來說這是相當(dāng)浪費的，因此這里引入了認知無線電的概念，提出了一種基于可移動邊界算法的有效的頻帶轉(zhuǎn)移算法。

1 邊界可移動動態(tài)信道分配(MB DCA)

MB DCA是一種可靠的，并且很有效的提高頻帶利用率的動態(tài)信道分配方案。

它的基本思想為:將下行鏈路4個業(yè)務(wù)時隙中的2個分配給語音業(yè)務(wù)，2個分配給數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。在業(yè)務(wù)實施過程中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可借用空閑語音業(yè)務(wù)信道進行數(shù)據(jù)傳輸，語音呼叫到來時，可強占被數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)借用的信道。語音呼叫到達時，如果語音業(yè)務(wù)時隙中有2個或2個以上的空閑BRU，就可以進行語音通信，否則該語音呼叫就會發(fā)生阻塞;在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)借用空閑語音業(yè)務(wù)信道時，將語音業(yè)務(wù)信道分成較小的分組。如果語音業(yè)務(wù)時隙內(nèi)有零散的BRU空閑，則需要進行信道調(diào)整，將這些空閑BRU調(diào)整到一個時隙內(nèi)，然后被借用來進行數(shù)據(jù)傳輸［3］。

2 基于認知無線電的MB DCA算法

上述算法的動態(tài)資源分配提高了系統(tǒng)利用率，同時也體現(xiàn)了多數(shù)動態(tài)信道分配算法的局限性——只著眼于固定頻段。圖2是對Berkeley商業(yè)區(qū)的0～6 GHz頻譜利用率的實際測試。

圖1 Berkeley地區(qū)的頻譜使用率

從圖1可以明顯地看出在3 GHz以下的某些頻段和3～5 GHz之間的大部分頻段的頻譜利用率很低。在此情況下，可以依靠認知無線電技術(shù)配合動態(tài)信道分配方案達到提升性能的效果。

認知無線電(Congniteve Radio，CR)能夠依靠人工智能的支持，感知無線通信環(huán)境，根據(jù)一定的學(xué)習(xí)和決策算法，實時自適應(yīng)地改變系統(tǒng)工作參數(shù)，動態(tài)地檢測和有效地利用空閑頻譜。資源分配模塊通過獲得的相關(guān)參數(shù)，動態(tài)調(diào)整載波、時隙和碼道，將業(yè)務(wù)分配到空閑的頻段上去，這樣既提高了提高整個頻帶資源的利用率，又增加了系統(tǒng)業(yè)務(wù)容量，還減少了系統(tǒng)內(nèi)系統(tǒng)間干擾［4］。

對于認知無線電采用有中心控制的頻譜分配算法，即“只要頻譜所有者還有子信道供自己使用，認知用戶就可以繼續(xù)使用頻譜的該子信道”的原則［5］。采用“干擾溫度”的機制來控制和管理非授權(quán)用戶對授權(quán)用戶產(chǎn)生的干擾。系統(tǒng)設(shè)定一個保證授權(quán)用戶正常運行的干擾溫度門限，該門限由授權(quán)用戶能夠正常工作的最壞信噪比水平?jīng)Q定［6］。認知無線電在各頻段連續(xù)不斷地檢測是否有授權(quán)用戶在發(fā)射信號，若檢測到授權(quán)用戶信號，則認為授權(quán)用戶存在，非授權(quán)用戶暫時不使用該頻段;反之，非授權(quán)用戶可以利用該頻段傳送信息［7］。

在非授權(quán)用戶獲得資源后，對“干擾溫度”使用正常、預(yù)警和逃離三級分配方案。具體算法如下:

①在用戶數(shù)量少、資源充足的情況下正常使用TD-SCDMA規(guī)劃的頻譜碼道等資源。

②當(dāng)有新接入用戶時，靈活采用邊界可移動策略動態(tài)接入用戶;同時利用認知無線電技術(shù)實時感知空閑頻率資源。

③在MB DCA策略產(chǎn)生一定數(shù)量擁塞的情況下，實施頻帶轉(zhuǎn)移策略。根據(jù)認知無線電感知的頻率環(huán)境情況，以非授權(quán)用戶的身份向授權(quán)用戶申請使用該段頻率資源。

④如果申請成功，則將該頻段分配給新增用戶。采用相應(yīng)的載波、碼道等分配方案，保證通行質(zhì)量，同時啟用“干擾溫度”測量程序。

⑤當(dāng)“干擾溫度”處于正常階段時，新用戶可繼續(xù)使用資源;當(dāng)“干擾溫度”到達“預(yù)警”階段時，用戶處于保護狀態(tài)，RNC進入頻帶轉(zhuǎn)移策略狀態(tài)。如果申請到新的頻帶資源，則重復(fù)步驟③，用戶進入逃離階段;若資源申請失敗，則產(chǎn)生擁塞。

算法基本流程如圖2所示。

圖2 算法基本流程圖

該算法改進了MB DCA分配方案，結(jié)合認知無線電技術(shù)將空閑頻率充分利用起來，事實上是現(xiàn)有資源在頻率上的搬移，使得系統(tǒng)容量在理論上成倍增加。但是在實際處理過程中會遇到諸多麻煩。比如如何實現(xiàn)空閑資源的準(zhǔn)確實時的感知;介于可移動邊界分配策略與頻帶轉(zhuǎn)移策略的分界點在什么情況下有最佳分配效果;干擾溫度的選取等等。這些都將影響到該算法的性能，因此需要在實施過程中加以修正。

3 仿真結(jié)果分析

為了比較頻帶轉(zhuǎn)移策略與普通邊界可移動分配策略的系統(tǒng)性能，對語音業(yè)務(wù)阻塞率、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)掉包率和系統(tǒng)吞吐量進行計算機仿真。

仿真的假設(shè)條件如下:

正常情況下最大可用信道資源為24;

①語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的到達量為隨機產(chǎn)生，且服從Poisson分布(取整);

②在仿真MB DCA階段，如果產(chǎn)生了3個或3個以上的擁塞，則實施頻帶轉(zhuǎn)移策略;

③對“干擾溫度”的設(shè)置:在授權(quán)用戶的信噪比(包括非授權(quán)用戶在內(nèi)皆視為授權(quán)用戶的噪聲)門限設(shè)定為-3 dBm。具體分段設(shè)置為:

④對于是否有空閑頻帶資源提供使用:在未知頻率狀態(tài)情況下，非授權(quán)用戶資源申請是否成功，由隨機產(chǎn)生，同時服從二項分布。

在上述假設(shè)條件下，編寫了仿真代碼，經(jīng)過調(diào)試得到一定結(jié)果。

仿真結(jié)果及對比情況如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 語音呼叫的阻塞率對照

圖4 數(shù)據(jù)掉包率對照

圖5 平均吞吐量對照

從仿真結(jié)果圖可以明顯看到，運用新算法以后，在借用到其他頻段的情況下，語音業(yè)務(wù)能夠隨時接入，使得呼叫阻塞率有明顯降低。在語音業(yè)務(wù)量、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量都較小的情況下語音呼叫阻塞率幾乎為0;從數(shù)據(jù)包掉包率對比圖中可以看出掉包率有所減少，且在低業(yè)務(wù)量的情況下，效果更明顯;算法改進后大大提高了系統(tǒng)的平均吞吐量:從300提升到520，提高了將近73.3%，為業(yè)務(wù)拓展提供了廣闊的空間。

4 結(jié)束語

經(jīng)過算法的改進，充分利用了空閑的頻帶資源，有效地降低了語音業(yè)務(wù)阻塞率和數(shù)據(jù)掉包率，很大程度上提升了系統(tǒng)的吞吐量。但是在本算法中未能將認知無線電的干擾溫度進行深入的探討，因此有待進一步研究。

［1］李世鶴.TD-SCDMA第三代移動通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)［M］.北京:人民郵電出版社，2003:33-39.

［2］蔡晶晶.TD-SCDMA無線資源管理動態(tài)信道分配算法研究［D］.上海交通學(xué)，2006:18-19.

［3］石文孝.基于 TD2SCDMA系統(tǒng)的快速動態(tài)信道分配方案［D］.吉林大學(xué)，2007:2-3.

［4］周僑.認知無線電網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)信道分配技術(shù)研究［D］.浙江大學(xué)，2008:17-20.

［5］CAPAR F，MARTOYO I，WEISS T，et al.ComParison of Band width Utilization for Controlled and Uncontrolled Channel Assignment in a Spectrum Pooling System［J］.VTC2002，IEEE，2002，92(2):271-294.

［6］PENG M，WANG W.A NovelDynamicChannel Allocation Scheme to Support Asymmetrical Services in TDD-CDMA Systems［M］.ICCT 2003，Beijing，China，39:20-25.

［7］HAYKIN A.CognitiveRadio:Brain-EmPowere Wireless Communieations［J］.IEEE Journal，2005，23(5):31-39.